Заказ работы

Заказать
Каталог тем
Каталог бесплатных ресурсов

Определение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА 1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ 1 Ознакомление с принципом работы рефрактометра. 2 Определение показателя преломления различных растворов, уста-новление зависимости показателя преломления от концентрации рас-творённого вещества и определение по ней неизвестной концентрации раствора. 3 Расчёт поляризуемости молекул растворённого вещества по значени-ям показателя преломления раствора. 2 БИБЛИОГРАФИЯ 1 Савельев И.В. Курс физики: Учеб. пособие для студентов втузов.- [В 3-х т.].- Т.2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика.- М.: Наука, 1989.- 496 с. 2 Майсова Н. Н. Практикум по курсу общей физики.- М.: Высш. шк., 1971.- 448 с. 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ Абсолютным показателем преломления n некоторой среды называ-ется безразмерная величина, равная отношению скорости света в ва-кууме к фазовой скорости света в среде. Для прозрачной изотропной среды показатель преломления является действительной величиной, не зависящей от направления распространения света. Согласно теории Дж. Максвелла, показатель преломления , где ?? и ?? - ди-электрическая и магнитная проницаемости среды, соответственно, из-меренные на частоте ?, и следовательно, определяется поляризуемо-стью частиц, из которых состоит среда. В оптической области спектра для всех прозрачных веществ ? ?1, и , т.е. молекулы главным образом взаимодействует с электрической компонентой электромаг-нитного поля световой волны (световым вектором ). Поскольку эти взаимодействия могут изменяться с частотой световой волны, то на-блюдается зависимость её фазовой скорости, и соответственно, коэф-фициента преломления от частоты. Такая зависимость называется дис-персией света в среде. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, имеет место нормальная дисперсия (?n/?? < 0, где ? - длина волны). Для окрашенных веществ вблизи полос поглощения можно на-блюдать аномальную дисперсию (т. е. ?n/?? > 0). Природу уменьшения фазовой скорости света в среде классическая физика объясняет тем, что молекулы среды, совершая вынужденные колебания под действием света, периодически поляризуются и сами становятся источниками электромагнитного излучения аналогичного излучению осциллирующего элементарного диполя. Это новое поле от множества молекул, интерферируя с исходным, изменяет его. Из-менение поля волны эквивалентно тому, что происходит сдвиг фазы первоначальной волны. Из-за того, что сдвиг фазы пропорционален толщине материала, эффект в целом оказывается эквивалентным из-менению фазовой скорости света в среде. В области оптических частот диэлектрическая проницаемость обу-словлена почти полностью электронной поляризуемостью. Доли ион-ной и ориентационной поляризуемостей малы из-за высокой инер-ционности молекул и ионов. Электронная поляризуемость ? связывает локальное электрическое поле , действующее на молекулу, и ин-дуцируемый дипольный момент молекулы ( = ??0 ). Для приближенного теоретического расчёта показателя преломления n од-нокомпонентной среды можно воспользоваться формулой Клаузиуса-Моссотти , (1) где N - число молекул в единице объёма; ? - электронная поляризуе-мость; ?0 - электрическая постоянная. Если среда представляет собой смесь нескольких компонент, то каждая из них даёт свой вклад в поля-ризацию среды. Полная поляризуемость в этом случае будет опреде-ляться суммой вкладов различных компонент смеси. В случае смеси двух веществ показатель преломления не будет средним двух показате-лей, а определяется через сумму двух молекулярных поляризуемостей ?1 и ?2, например, в случае раствора сахара в воде - молекул воды и молекул сахара. Однако и в этом случае можно проводить расчёт по формуле (1), в которой N? =N1?1+N2?2, где N1, N2 - число молекул воды и сахара в единице объёма, соответственно. Применимость данной формулы определяется тем, что сахар представляет собой молекуляр-ный кристалл и переходит в раствор без ионизации и других химиче-ских изменений. Измерив коэффициенты преломления чистого растворителя и раст-вора и предполагая, что поляризуемость воды при всех концентрациях одна и та же , можно рассчитать поляризуемости молекул воды и саха-розы (С12Н12О11). Для измерения коэффициента преломления часто используют явле-ние полного внутреннего отражения, наблюдаемое при падении элект-ромагнитной волны на границу раздела двух сред со стороны оптиче-ски более плотной среды. Из закона Снелла при угле ?2=?/2 легко получить значение предельного угла (?пр) полного внут-реннего отражения, которое однозначно связано с относительным по-казателем преломления граничащих сред. На рисунке 1 показан ход лучей при предельном угле полного внутреннего отражения. Механизм данного явления становится ясным из решения уравнений Максвелла для падающей, отражённой и преломлённой электромагнитных волн. Ока-зывается при углах падения больших ?пр “преломлённая волна” E2(t,x,z) будет иметь вид E2(t,x,z)? E2*e -?z e -i(?t-kx), где t - время; ? - круговая частота; k - волновое число; Е2* - амплитуда волны во второй среде. z ?Е2? n2 x n1 ?пр z ??=c/? а) б) Рисунок 1 Таким образом, с увеличением z (ось z перпендикулярна границе) ам-плитуда волны во второй среде Е2* будет экспоненциально падать с ко-эффициентом затухания ? (??1/?). Затухание волны в глубь среды при отсутствии в ней истинного поглощения (диссипации энергии) означа-ет, что поток энергии из первой во вторую среду в среднем от-сутствует (вектор Пойтинга во второй среде имеет лишь x-компоненту). Таким образом свет проникает за границу раздела во вторую среду на глубину порядка его длины волны. На рисунке 1б) по-казан спад амплитуды световой волны во второй среде. Отсюда можно сделать вывод, что в случае контакта двух сред с достаточно тонкой переходной областью предельный угол будет определяться только их коэффициентами преломления. Кроме того возможно определение коэффициента преломления окрашенных и мутных сред, так как по-глощением света во второй среде при полном внутреннем отражении можно пренебречь. 4 ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ 1 Рефрактометр ИРФ-22. 2 Набор растворов различной концентрации. 3 Осветитель. 4 Фильтровальная бумага. 5 Термометр. 5 ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ Основными методами рефрактометрии являются: 1) метод прямого измерения углов преломления (точность пример-но 10-5); 2) методы основанные на явлении полного внутреннего отражения (ПВО) света (точность порядка 10-5); 3) интерференционные методы (точность порядка 10-7...10-8). Наиболее широко распространены рефрактометры второго типа, так как они имеют следующие преимущества: 1) позволяют пользоваться источником белого света и при этом оп-ределять значение показателя преломления соответствующее стан-дартной длине волны (жёлтый дублет D-линии в спектре натрия, сред-нее значение ?D=589,3 нм); 2) для измерения n жидкости достаточно всего несколько капель, а в случае твёрдого образца достаточно использовать лишь одну его грань; 3) наличие в приборе компенсационных призм Амичи позволяет определять удельную дисперсию показателя преломления (1/n ??n/??); 4) образец достаточно легко термостатируется. Для измерения коэффициента преломления прозрачных жидкостей используется так называемый метод скользящего луча, при котором по сравнению с полным внутренним отражением ход лучей обращён. На рисунке 2 изображена схематично измерительная головка рефракто-метра, состоящая из измерительной АВС и осветительной А?В?С? пря-мых треугольных призм (призмы Аббе), установленных с небольшим зазором так, что грани АВ и А?В? строго параллельны. Зазор заполнен исследуемой жидкостью. Система призм освещается со стороны грани С?В?. Грань А?В? вто-рой призмы сделана матовой, и, рассеиваясь на ней, свет падает на границу жидкость - стекло (грань АВ) под разными углами. Поскольку толщина зазора мала по сравнению с размерами граней, то угол паде-ния практически достигает 90? (угол скольжения). Преломлённые лучи направлены в измерительной призме в пределах от 0 до ?пр. Выходя-щие из грани АС лучи создают в зрительной трубе картину разграни-ченных верхнего светлого и нижнего затенённого полей. Из-за диспер-сии света граница света и тени может быть окрашенной. Для устране-ния этого и измерения удельной дисперсии исследуемого вещества между призмами и зрительной трубкой установлена система ахрома-тизирующих дисперсионных призм (Амичи), при повороте которых можно добиться исчезновения радужной окраски границы. После того как достигнута максимально возможная резкость границы раздела светлого и тёмного полей, поворачивая систему призм вокруг горизон-тальной оси, устанавливают границу точно в центре поля зрения (на скрещении волосков в окуляре). Поскольку измерительная головка же-стко связана с отсчётным устройством, то наблюдаемое в окуляр по-казание его шкалы, соответствующее положению призм, даёт значе-ние коэффициента преломления исследуемой жидкости. В свою оче-редь показания шкалы барабана компенсатора дают информацию об её средней дисперсии. Рисунок 2 Для определения коэффициента преломления окрашенных и мут-ных жидкостей, а так же твёрдых образцов используется метод полно-го внутреннего отражения, поскольку в этом случае границу раздела целесообразнее освещать со стороны измерительной призмы АВС. Грань СВ сделана матовой, и лучи, рассеиваясь, падают на границу раздела измерительной призмы и исследуемого вещества (грань АВ) под разными углами. При отражении от неё лучи с углами падения большими ?пр имеют большую интенсивность, так как происходит полное внутреннее отражение. В результате в зрительной трубе наблюдается нижнее светлое поле и верхнее поле полутени. Дальнейшая настройка рефрактометра и снятие показаний производится аналогично методу скользящего луча. 6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1 Снять показания термометра (температура в комнате, если не произ-водится термостатирование измерительной головки). По окончании эксперимента повторно снять показания. 2 Откинув верхнюю часть, в которую встроена осветительная призма, измерительной головки рефрактометра, промыть поверхности призм дистиллированной водой и затем осторожно протереть их фильтро-вальной бумагой. 3 Установив измерительную призму горизонтально, аккуратно нанести пластмассовой палочкой на её поверхность несколько капель дистил-лированной воды, затем осторожно закрыть головку. Через окно в верхней части головки (грань С?В?) проверить, полностью ли вода за-полнила зазор между призмами. 4 Регулировкой зеркала добиться равномерного освещения (через верхнее окошко головки) поля зрения в окуляре. При этом нижнее окошко (грань СВ измерительной призмы) закрыто крышкой! 5 Настроить зрительную трубу на резкое изображение перекрестия во-лосков в окуляре. 6 Вращая маховик, поворачивающий измерительную головку, и на-блюдая в окуляр, найти границу света и тени (для воды граница нахо-дится в районе 1,33 показаний шкалы в окуляре). Устранить, повора-чивая барабан компенсатора, радужную окраску границы раздела. 7 Точно совместить изображения границы раздела света и тени с пере-крестием окуляра. Снять отсчёт по шкале коэффициентов прелом-ления рефрактометра с четырьмя десятичными знаками, оценивая де-сятитысячные на глаз. 8 Для уменьшения случайной погрешности настройки, несколько раз сместить положение границы и затем выполнить операции по п. 6. 9 Произвести измерения показателей преломления трех водных рас-творов с известной концентрацией сахара (в порядке их возрастания). При смене образцов осторожно протирать призмы фильтровальной бумагой. 10 Измерить коэффициент преломления раствора с неизвестной кон-центрацией сахара. 11 Открыть крышку нижнего окошка и осветить зеркалом грань СВ измерительной призмы. Произвести измерение коэффициента прелом-ления жидкости по методу полного внутреннего отражения. 12 Промыть измерительную головку диcтиллированной водой и про-тереть фильтровальной бумагой. 7 ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 1Занести полученные значения коэффициента преломления в таблицу1 2 Рассчитать средние значения коэффициентов преломления дистил-лированной воды и исследованных растворов, а также случайную по-грешность измерений методом средних значений. (В случае проведе-ния измерений при температуре отличной от 20?0,2 ?С сделать по-правку ?n на температуру по формуле ?n = (t-20) (?nп/?t) sin?, где t - среднее значение температуры, ?С; (?nп/?t) - температурный коэффициент показателя преломления стекла измерительной призмы; ? - угол задаваемый конструкцией прибора. Для используемого рефрактометра ИРФ-22 в интервале температур 5...35 ?С ?nп/?t = 0,084?10-4 К-1, ? = 0,87 и в результате ?n = 0,073 (t-20)?10-4). Вычислить истинное значение коэффициента преломления n =+?n. Таблица 1 Номер раствора Дистиллиро-ванная вода I II III “X” Сi , вес. % n1 n2 n3 n4 n5 ? n ?i 3 Сравнить полученное значение коэффициента преломления воды с табличным. 4 Построить график зависимости n(C) и по графику определить неиз-вестную концентрацию образца “Х” (обосновать выбор масштаба осей координат графика). 5 Пользуясь формулой (1) рассчитать значение поляризуемости саха-розы в водном растворе для образца III (С3= 15 %, плотность раствора ?3 = 1,0592 кг/м3). 8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1 Объясните появление радуги на небе. Какие по Вашему мнению оп-тические явления участвуют в её образовании? 2 Объясните, почему алмазы так высоко ценятся ювелирами. 3 Объясните явление преломления, дисперсии и полного внутреннего отражения света. 4 Расскажите о методах измерения коэффициента преломления жидких и твёрдых образцов. 5 Расскажите о принципиальной оптической схеме, устройстве ис-пользуемого рефрактометра и методиках измерений коэффициента преломления. 6 Приведите примеры применения явлений преломления, полного внутреннего отражения и дисперсии света в науке и технике. 7 Объясните наблюдаемую зависимость коэффициента преломления от концентрации раствора. Какова на Ваш взгляд будет эта зависимость при дальнейшем увеличении концентрации? Приведите примеры других оптических методов измерения концентрации растворов.

Размер файла: 126 Кбайт
Тип файла: doc (Mime Type: application/msword)
Заказ курсовой диплома или диссертации.

Горячая Линия


Вход для партнеров