O1.pdf

Uniwersytet Medyczny

Wydział wojskowo – lekarski

Zakład fizjologii człowieka i biofizyki

Laboratorium z biofizyki

Ćwiczenie O1 Wyznaczanie współczynnika załamania światła

w cieczy przy pomocy refraktometru .

Grupa II

Zespół Z7

Michał Głowacki

1 Przygotowano http://wojsk-lek.org

Część teoretyczna:

1. Falowa natura światła – światło ulega zjawiskom charakterystycznym dla fal: Polaryzacji,

interferencji, zjawisku Dopplera

2. Współczynnik załamania światła

(oznaczany literą n ) jest wielkością opisującą załamanie światła przy przejściu z jednego

ośrodka do drugiego. Liczbowo współczynnik załamania wyraża się poprzez stosunek

prędkości światła v 1 w jednym ośrodku do prędkości v 2 w drugim ośrodku, n 21 =v 1 /v 2 . Jeśli

jednym z ośrodków jest próżnia, to wzpółczynnik załamania n nosi nazwę bezwzględnego

n=c/v , gdzie c to prędkość światła w próżni.

Współczynnik załamania zależy od długości fali ( dyspersja, rozszczepienie światła,

pryzmat, aberracja chromatyczna) .

Dla ciał stałych współczynnik załamania (bezwzględny) zawarty jest (dla światła żółtego

linii sodu) w przedziale 1,3-4,0 (np. dla szkła kwarcowego wynosi 1,46, dla ołowianego

1,75, dla soli kuchennej 1,54, dla diamentu 2,41). Dla kryształów anizotropowych zależy

od kierunku padania fali (dwójłomność) .

Dla cieczy przyjmuje wartości 1,2-1,9 (dla wody 1,33, dla alkoholu etylowego 1,36). Dla

gazów zależy od ciśnienia i temperatury - w warunkach normalnych równy jest

praktycznie 1 (jego granice to 1,000035 dla helu i 1,000702 dla ksenonu).

3. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia

Odbicie całkowite wewnętrzne, odbicie światła zachodzące na granicy dwóch ośrodków

przezroczystych charakteryzujących się współczynnikami załamania n 1 i n 2 , n 1 >n 2 .

Zjawisko obserwuje się w ośrodku o większym współczynniku załamania.

Polega ono na odbiciu światła zachodzącym bez strat energii, nie towarzyszy mu

załamanie światła. Obserwuje się go, gdy kąt padania (tj. kąt zawarty pomiędzy normalną

do powierzchni a kierunkiem promienia światła) jest większy od tzw. kąta granicznego

całkowitego odbicia wewnętrznego. Wartość tego kąta wyraża się wzorem:

γ=arcsin(n 2 /n 1 ).

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia jest podstawą działania światłowodu,

wykorzystywane jest w wielu przyrządach optycznych, m.in. w niektórych konstrukcjach

refraktometrów, pryzmatach całkowitego odbicia itp.

2 Przygotowano http://wojsk-lek.org

4. Kąt graniczny

Promień świetlny biegnący w ośrodku optycznie gęstym(szkło) pada na powierzchnię

odgradzającą ten ośrodek od drugiego ośrodka o mniejszej gęstości optycznej (powietrze).

Przedstawiono to na rysunku 2.Jeżeli kąt padania α wrasta to promień załamany biegnie

równolegle do powierzchni łamiącej( promień ),czyli kąt załamania równy jest 90 0 .Dla

kątów padania, które są większe od kąta granicznego α g , nie otrzyma się promienia

załamanego, natomiast zachodzi zjawisko całkowitego załamania światła. Aby wyznaczyć

kat graniczny trzeba korzystać ze wzoru

: gdzie α 2 = 90 0

skąd

5. Prędkość światła w ośrodkach o różnej gęstości optycznej

Wyraża się wzorem:

sin a / sin b = v 1 / v 2 = n 2 / n 1 = n 12 = const

gdzie:

v 1 , v 2 - prędkość światła w różnych ośrodkach

n 2 , n 1 - współczynniki załamania światła tych ośrodków

6. Gęstość optyczna a stężenie roztworu:

Gęstość optyczna, D, wielkość charakteryzująca absorpcję światła w kliszach

fotograficznych, filtrach, błonach półprzezroczystych itp. Określona jest wzorem

D=log(I 0 /I), gdzie I 0 i I reprezentują światłość odpowiednio wiązki padającej i wiązki

wychodzącej. Dla ośrodków jednorodnych gęstość optyczna jest wielkością addytywną

(suma gęstości optycznej składników jest gęstością optyczną układu absorbentów).

Dla roztworu NaCl jest wprost proporcjonalna do stężenia

7. Refraktometria - instrumentalna metoda analityczna wykorzystująca pomiary

współczynników załamania światła badanych roztworów. Na tej podstawie wnioskuje się

o stężeniu oznaczanych substancji oraz o strukturze związków chemicznych ( refrakcja

molowa).

Refraktometria jest stosowana najczęściej do oznaczania związków organicznych.

Pomiary w refraktometrii wykonywane są za pomocą refraktometrów. Do najbardziej

popularnych refraktometrów należą: Pulfricha, Abbego i refraktometr zanurzeniowy.

8. Budowa refraktometru

3 Przygotowano http://wojsk-lek.org

Refraktometr Abbego jest to przyrząd służący do pomiaru współczynnika załamania,

wykorzystujący zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia.

Schemat refraktometru Abbego

W tego typu refraktometrach ośrodek badany (najczęściej ciecz) umieszcza się w małej

szczelinie między dwoma prostokątnymi pryzmatami zwróconymi do siebie

przeciwprostokątnymi (Rys. 1). Pomiary można przeprowadzać w dwojaki sposób:

- metodą promienia stycznego,

- metodą całkowitego odbicia.

Przy pomiarach metodą promienia stycznego wiązkę światła skierowuje się na ścianę

AB pryzmatu P 1 . Promienie przechodzą przez powierzchnię matową AC, następnie przez

warstwę cieczy i wchodzą do pryzmatu P 2 .

Dla promieni padających prawie stycznie do granicy szkło-ośrodek badany prawo

załamania ma postać:

n = n 1 sin r , (1)

gdzie:

n oznacza współczynnik załamania badanego ośrodka,

n 1 - współczynnik załamania szkła pryzmatu, taki, że n 1 > n ,

r - kąt graniczny dla granicy szkło-badany ośrodek.

Dla promieni wychodzących z pryzmatu P 2 prawo załamania ma postać:

n 1 sin r 1 = sin i M . (2)

P = r + r 1 . (3)

Uwzględniając równania (1), (2), (3) otrzymamy

(4)

4 Przygotowano http://wojsk-lek.org

Kąt łamiący pryzmatu:

Kąt i M pod jakim promienie wychodzą z pryzmatu ma wartość minimalną dla promieni

stycznych. Promienie przechodzące przez ścianę EF wychodzą pod kątami o wartościach

z przedziału od 90° do i M . Jeśli na drodze tych promieni ustawić soczewkę zbierającą O 1 ,

to w płaszczyźnie ogniskowej soczewki powstanie obraz złożony z dwu części - jasnej i

ciemnej, oddzielonych od siebie wyraźną linią graniczną. Granica ta odpowiada

minimalnemu kątowi i M , pod którym wychodzą promienie z pryzmatu. Położenie tej

granicy zależy od współczynnika załamania ośrodka znajdującego się w szczelinie.

Granicę obserwuje się za pomocą drugiej soczewki, która z soczewką O 1 tworzy lunetę

nastawioną na nieskończoność. Za pomocą lunety mierzy się kąt i M , a znając P i n 1 oblicza

się współczynnik załamania.

Przy pomiarach metodą całkowitego odbicia światło wprowadza się do refraktometru

przez matową ścianę DF pryzmatu P 2 . Na ścianę DF światło pada pod różnymi kątami

(np. r 2 , r 3 , r 4 ). Jeśli r 3 < r 2 , to wtedy nie nastąpi całkowite wewnętrzne odbicie i promień

przejdzie prze ścianę DE. Jeśli r 4 > r 2 , to promień ulegnie całkowitemu wewnętrznemu

odbiciu.

Promienie przechodzące przez ścianę EF, i wychodzące pod kątami mniejszymi od i M dają

w płaszczyźnie ogniskowej obraz jaśniejszy niż promienie wychodzące pod kątami

większymi od i M . W tym przypadku w polu widzenia lunety obserwuje się ostrą granicę

między polem jasnym i mniej jasnym. Przy pomiarach tą metodą górna część pola

widzenia jest nieco jaśniejsza niż przy pomiarach metodą promienia stycznego. W obu

przypadkach położenie linii granicznej określone jest wzorem (4).

Przy użyciu światła białego zamiast ostrej granicy powstaje rozmyta barwna smuga

spowodowana dyspersją światła. Aby znieść to rozmycie, przed obiektywem lunety

ustawia się dwa pryzmaty a vision directe (pryzmaty Amici). Każdy pryzmat składa się z

trzech sklejonych pryzmatów o różnych współczynnikach załamania i różnych

dyspersjach. Pryzmaty te skonstruowane są tak, że światło o długości fali 589,3 nm nie

ulega odchyleniu. Urządzenie takie nazywamy kompensatorem. Zależnie od wzajemnej

orientacji pryzmatów dyspersję można zmieniać od zera do wartości maksymalnej.

Obracając pryzmaty kompensatora uzyskuje się ostry obraz granicy, której położenie

odpowiada wartości współczynnika załamania badanej cieczy.

9. Refrakcja molowa

wielkość zdefiniowana wzorem:

gdzie: n - współczynnik załamania światła monochromatycznego, M - masa molowa, ρ -

gęstość (refrakcja molowa wyznaczona przy żółtej linii światła sodowego oznaczana jest

symbolem R D ). Jednostką refrakcji molowej jest [m 3 *mol -1 ].

Refrakcja molowa jest wielkością charakterystyczną dla substancji chemicznych

i praktycznie niezależną od temperatury, ciśnienia, stanu skupienia. Posiada własność

addytywności - może być rozłożona na stałe udziały atomowe.

Służy do wyznaczania: momentów dipolowych, średnich polaryzowalności

cząsteczkowych, objętości cząsteczkowych i wzorów strukturalnych związków

chemicznych.

5 Przygotowano http://wojsk-lek.org

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: