Основні теоретичні відомості. Показник заломлення речовини визначається головним чином її природою

Показник заломлення речовини визначається головним чином її природою. Але разом з тим він залежить від зовнішніх умов - температури і тиску. Зміна зовнішніх умов сприяє зміні густини речовини, що зумовлює зміну показника заломлення. Як правило, із збільшенням густини показник заломлення збільшується.

Теоретичні дослідження, а також дослідні дані показують, що показник заломлення n залежить від густини речовини r:

. (2.1)

Коефіцієнт R називається питомою рефракцією. Він характерний для даної речовини і майже не залежить від зовнішніх умов (температури, тиску) та агрегатного стану.

Слід зазначити, що показник заломлення речовини залежитьтакож від її концентрації в розчині та довжини світлової хвилі, що проходить крізь неї. Якщо температура досліджуваної речовини залишається постійною, то для вимірювань на вибраній довжині хвилі (l = const) можна побудувати залежність показника заломлення від концентрації речовини. Отже, вимірювання показника заломлення речовини дає можливість однозначно встановити концентрацію речовини в розчині.

Рефрактометрія - розділ оптики, який присвячений методам і засобам вимірювання показника заломлення різних середовищ. Вона набула поширення в харчовій промисловості для ідентифікації досліджуваних речовин, а також для оцінювання ступеня їх чистоти.

В основі цього методу лежать закони геометричної оптики і, зокрема, явище повного внутрішнього відбивання. Суть цього явища полягає в тому, що якщо світло поширюється із середовища з більшим показником заломлення n₂ у середовище з меншим показником заломлення n₁, то із збільшеням кута падіння і(і₂ > і₁, рис. 5, а, б) заломлений промінь від-хиляється від нормалі (r₂ > r₁) доти, поки не пройде по межі поділу цих сере-довищ (r = 90^°, рис. 5, в). Кут падіння при цьому називається граничним і_гр.

Із закону заломлення світла можемо визначити граничний кут

. (2.2)

Отже,

. (2.3)

При кутах падіння і > i_гр спостерігається явище повного внутрішнього відбивання, тобто промінь світла зовсім не проходить із першого середовища в друге (рис. 5, г).

Таким чином, згідно з рівнянням (2.3) показник заломлення n₂₁ можна визначити за значенням граничного кута. Ця залежність використовується в рефрактометрах для визначення показника заломлення і концентрації розчинів цукру.

Основною частиною рефрактометра є дві призми - АВСD та А₁В₁С₁ (рис. 6, б), виготовлені із скла (флінтгласу) з великим показником заломлення (n = 1, 72). Між цими призмами вводять кілька краплин досліджуваної рідини, щоб утворився тонкий шар (приблизно 0, 02 мм) при опусканні верхньої призми на нижню. Пучок світла після заломлення на грані А₁С₁ освітлювальної призми А₁В₁С₁ падає на її грань А₁В₁, до якої торкається рідина. Грань А₁В₁ є матовою, тому вона падаюче на неї світло розсіює в усіх напрямках. Після проходження рідини світло падає на грань АВ вимірювальної призми під різними кутами a (рис. 6, а). При малих товщинах шару рідини між поверхнями призм кут наближається до 90° і це - максимальне значення кута падіння променів на грань АВ (променів, що мають кут падіння більшим ніж 90° бути не може).

Нехай у точку О на грані АВ (рис. 6, б) падають промені 1, 2, 3 під різними кутами a (a₁ < a₂ < a₃). Промінь 3, що проходить майже вздовж грані АВ (кут падіння a₃ = 90°), виходить з досліджуваної рідини, що має менший показник заломлення n₁ , в призму АВСD, з більшим показником заломлення n₂ (n₁ < n₂), та заломлюється в ній на грані АВ (промінь 3¢). Фактично ми маємо хід променів, зворотний до ходу променів у випадку повного внутрішнього відбивання, яке описано вище (рис. 5, в). При цьому кут заломлення променя 3 буде граничним для переходу призма - досліджувана речовина, показник заломлення якої n_x згідно з формулою (2.2)

n_x = n_скл sini_гр. (2.4)

де n_скл - показник заломлення скла.

З рівняння (2.4) видно, що в разі зміни показника заломлення n_х змінюється і граничний кут. Промінь , заломившись на грані DС, пройде по межі світло-тінь (промінь 3²). У полі зору тінь утворюється тому, що при заломленні променів на межі АВ не існує більших кутів заломлення, ніж граничний.

Потрібне устаткування: рефрактометр ИРФ-454Б, набір пробірок з водними розчинами цукру, пробірка з дистильованою водою, фільтрувальний папір, піпетка.