Визначення показника заломлення рідини за допомогою рефрактометра

Мета роботи: ознайомитись з будовою рефрактометра УРЛ (рефрактометр універсальний лабораторний), проградуювати його шкалу і визначити концентрацію водного розчину цукру.

Прилади та обладнання: рефрактометр УРЛ-1, розчини цукру відомої та невідомої концентрації, піпетка, фільтр.

 

 

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Рефрактометром називається прилад, який служить для вимірювання показників заломлення твердих, рідких та газоподібних речовин. Абсолютним показником заломлення середовища називається відношення швидкості світла у вакуумі с до швидкості світла у даному середовищі : .

Визначення показника заломлення рідких тіл і концентрації розчинів за допомогою прецизійного рефрактометра ґрунтується на явищі повного внутрішнього відбиття. Повне внутрішнє відбиття відбувається під час переходу світлового променя з середовища з більшою оптичною густиною в середовище з меншою оптичною густиною. Кут падіння , за якого спостерігається повне внутрішнє відбиття, називається граничним кутом повного внутрішнього відбиття. При цьому виконується умова , тобто заломлений промінь не спостерігається, а все світло повністю відбивається назад в перше середовище.

В основу роботи рефрактометра покладений метод визначення показника заломлення досліджуваної речовини за певним кутом заломлення – кутом повного внутрішнього відбиття.

 

ОПИС ВИМІРЮВАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

І МЕТОДИКИ ВИМІРЮВАНЬ

Конструкція рефрактометра складається з таких частин (рис. 1.23.2):

1 - основа (нижня частина);

2 - корпус (верхня частина);

3 - вимірювальна призма (нижня);

4 - освітлювач (джерело світла);

5 - термометр;

6 - освітлювальна призма (верхня);

7 - лімб дисперсії для усунення дисперсії;

8 - отвір встановлення нуля;

9 - шкала, яку можна бачити зі сторони передньої кришки;

10 - окуляр для спостереження границь світлотіні і суміщення її з перехрестям сітки;

11 - рукоятка;

12 - шнур з вилкою джерела живлення;

13 - ключ для встановлення нуля.

Основною частиною рефрактометра є дві призми (АВС) і () (рис. 1.23.1) або 5 і 4 (рис. 1.23.3), виготовлені зі скла сортів флінтгласу з великим показником заломлення . Між цими призмами вводять декілька крапель досліджуваної рідини, яка розпливається в шар завтовшки приблизно 0,02 мм після опускання верхньої призми на нижню.

Пучок світла від освітлювача 1 фокусується конденсором 2, 3 і, пройшовши через грань освітлювальної призми, падає на її грань, дотичну до рідини.

Оскільки грань матова, то вона розсіює світло у рідині в усіх напрямках, і частина променів потрапляє на грань АВ вимірювальної призми АВС під різними кутами. Очевидно, що найбільший можливий кут падіння променів 1, 2, 3, які падають на грань АВ, . Промінь, який ковзає по межі АВ (промінь 3 на рис. 1.23.1) з кутом падіння (що йде з досліджуваної рідини з меншим показником заломлення в середовище з більшим показником заломлення – призму) заломлюється в призмі АВС (як це випливає з принципу оборотності світлового променя) під граничним кутом повного внутрішнього відбиття. Решта променів, наприклад 2 -й і 1 -й, які падають на грань АВ під меншим за кутом, заломлюються в призмі під кутом, меншим за граничний .

На границях поділу світло заломлюється за законами Снелліуса:

,

(1.23.1)

де – кут падіння, – кут заломлення, – показник заломлення середовища, з якого промінь падає на границю поділу, – показник заломлення середовища, в яке промінь проходить.

Оскільки показник заломлення досліджуваної речовини, як зазначалось вище, менший за показник заломлення матеріалу лінзи , то, як випливає з формули (1.23.1), існує граничний (максимальний) кут заломлення:

,

(1.23.2)

який досягається при куті падіння .

Промені граничні, заломлені під різними кутами і такі, що вийшли потім з вимірювальної призми через другу її грань, фокусуються об’єктивом 8 зорової труби (рис. 1.23.3) в її полі зору, утворюючи світлу і темну частини поля, розділені прямою границею. Границею світлотіні є граничні промені.

Для фіксації положення границі світлотіні відносно нерухомої шкали 10 зорова труба обертається відносно осі. Через окуляр 11 зорової труби спостерігається: границя світлотіні, перехрестя сітки 9 і шкали 10. Шкала розрахована на підставі формули граничного заломлення і розрахунку ходу граничних променів, що вийшли з вимірювальної призми.

Для компенсації дисперсії променів, що вийшли з вимірювальної призми, в зоровій трубі встановлені дві призми прямого зору 6, що обертаються відносно осі зорової труби.

Шляхом обертання призми встановлюють в таке положення, при якому границя світлотіні не має спектрального забарвлення. Відлік за шкалою проводиться після усунення спектрального забарвлення границі світлотіні в положенні перетину границі світлотіні і центру перехрестя сітки по лінії границі світлотіні.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Підняти освітлювальну призму і на поверхню нижньої (вимірювальної) призми піпеткою нанести 2-3 краплі дистильованої води. Опустити освітлювальну призму.

2. Увімкнути рефрактометр в електромережу. Встановити освітлювальну лампу так, щоб світло максимально освітлювало грань вимірювальної призми. Для покращення чіткості користуються гвинтом окуляра (фокусування).

3. Поворотом рукоятки лімба дисперсії усувають забарвлення границі світло-тінь.

4. Границю світло-тінь переміщують рукояткою з окуляром, підводячи до центра перехрестя сітки. Коли збігається границя світло-тінь з центром перехрестя сітки, вона проходить через поділку шкали показника заломлення, наприклад, якщо 0 % сухих речовин показник заломлення .

5. Виконати завдання згідно з пунктами 1 – 4 для розчинів з концентрацією 10 %, 30 % і 50 %, а також для розчину з невідомою концентрацією. Вимірювання проводити тричі. Виміряні значення занести в таблицю 1.23.1.

6. Після кожного розчину промити обидві призми дистильованою водою і насухо промокнути їх (не терти).

7. Розрахувати середні значення показника заломлення.

8. Побудувати графік залежності показника заломлення від концентрації розчину цукру.

9. Користуючись середнім значенням показника заломлення для розчину цукру невідомої концентрації і графіком залежності показника заломлення від концентрації, визначити концентрацію цукру невідомого розчину. Зробити висновки.

 

Таблиця 1.23.1

№ п/п	Показник заломлення для розчину концентрації
0 %	10 %	30 %	50 %	Невідомої
Середні значення

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

 

1. Поясніть принцип дії рефрактометра типу УРЛ.

2. Побудуйте хід променів обома методами для зазначених вище показників заломлення.

3. Сформулюйте закони заломлення світла.

4. Зобразіть і поясніть оптичну схему рефрактометра типу УРЛ.

5. Як користуватися рефрактометром типу УРЛ?

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1.24