PENTRU PRELEGA Nr. 24
„METODE INSTRUMENTALE DE ANALIZĂ”
REFRACTOMETRIE.
Literatură:
1. V.D. Ponomarev „Chimie analitică” 1983 246-251
2. A.A. Ișcenko „Chimie analitică” 2004 p. 181-184
REFRACTOMETRIE.
Refractometria este una dintre cele mai simple metode fizice de analiză folosind o cantitate minimă de analit și se realizează într-un timp foarte scurt.
Refractometrie- o metoda bazata pe fenomenul de refractie sau refractie i.e. schimbarea direcției de propagare a luminii la trecerea de la un mediu la altul.
Refracția, precum și absorbția luminii, este o consecință a interacțiunii sale cu mediul. Cuvântul refractometrie înseamnă măsurare refracția luminii, care este estimată prin valoarea indicelui de refracție.
Valoarea indicelui de refracție n depinde
1) privind compoziția substanțelor și sistemelor,
2) din fapt în ce concentrare și ce molecule întâlnește fasciculul de lumină pe calea sa, pentru că Sub influența luminii, moleculele diferitelor substanțe sunt polarizate diferit. Pe această dependență se bazează metoda refractometrică.
Această metodă are o serie de avantaje, în urma cărora a găsit aplicare largă atât în cercetarea chimică cât şi în controlul proceselor.
1) Măsurarea indicilor de refracție este foarte mare proces simplu, care se realizează cu acuratețe și cu timp și cantitate minimă de substanță.
2) De obicei, refractometrele oferă o precizie de până la 10% în determinarea indicelui de refracție al luminii și a conținutului de analit
Metoda refractometriei este utilizată pentru a controla autenticitatea și puritatea, pentru a identifica substanțele individuale, pentru a determina structura organică și compuși anorganici la studierea soluţiilor. Refractometria este utilizată pentru a determina compoziția soluțiilor bicomponente și pentru sistemele ternare.
Bazele fizice metodă
INDICE DE REFRACTIVITATE.
Abaterea unei raze de lumină de la direcția inițială atunci când trece de la un mediu la altul, cu atât este mai mare mai multa diferentaîn viteza de propagare a luminii în doi
aceste medii.
Să luăm în considerare refracția unui fascicul de lumină la limita oricăror două medii transparente I și II (vezi Fig.). Să fim de acord că mediul II are o putere de refracție mai mare și, prin urmare, n 1Şi n 2- arată refracția mediilor corespunzătoare. Dacă mediul I nu este vid sau aer, atunci raportul dintre unghiul sin de incidență al fasciculului de lumină și unghiul sin de refracție va da valoarea indicelui de refracție relativ n rel. Valoare n rel. poate fi definit și ca raportul indicilor de refracție ai mediilor luate în considerare.
n rel. = ----- = ---
Valoarea indicelui de refracție depinde de
1) natura substanţelor
Natura substanței în în acest caz, determină gradul de deformabilitate al moleculelor sale sub influența luminii - gradul de polarizabilitate. Cu cât polarizabilitatea este mai intensă, cu atât refracția luminii este mai puternică.
2)lungimea de undă a luminii incidente
Măsurarea indicelui de refracție este efectuată la o lungime de undă a luminii de 589,3 nm (linia D a spectrului de sodiu).
Dependența indicelui de refracție de lungimea de undă a luminii se numește dispersie. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât refracția este mai mare. Prin urmare, razele de lungimi de undă diferite sunt refractate diferit.
3)temperatură , la care se efectuează măsurarea. Condiție obligatorie determinarea indicelui de refracție este complianța regim de temperatură. De obicei determinarea se face la 20±0,3 0 C.
Pe măsură ce temperatura crește, indicele de refracție scade pe măsură ce temperatura scade, acesta crește..
Corecția pentru efectele temperaturii se calculează folosind următoarea formulă:
n t = n 20 + (20-t) 0,0002, unde
n t – la revedere reglator de refractie la temperatura dată,
n 20 - indicele de refracție la 20 0 C
Influența temperaturii asupra valorilor indicilor de refracție ai gazelor și lichidelor este asociată cu valorile coeficienților lor volumetrici de dilatare. Volumul tuturor gazelor și lichidelor crește la încălzire, densitatea scade și, în consecință, indicatorul scade
Indicele de refracție măsurat la 20 0 C și o lungime de undă a luminii de 589,3 nm este desemnat de indice n D 20
Dependența indicelui de refracție al unui sistem omogen cu două componente de starea sa se stabilește experimental prin determinarea indicelui de refracție pentru un număr de sisteme standard (de exemplu, soluții), conținutul componentelor în care este cunoscut.
4) concentrația substanței în soluție.
Pentru multe soluții apoase de substanțe, indicii de refracție la diferite concentrații și temperaturi sunt măsurați în mod fiabil, iar în aceste cazuri pot fi utilizate cărți de referință. tabele refractometrice. Practica arată că atunci când conținutul de substanță dizolvată nu depășește 10-20%, împreună cu metoda grafică, în multe cazuri este posibil să se utilizeze ecuație liniară ca:
n=n o +FC,
n- indicele de refracție al soluției,
nu- indicele de refracție al unui solvent pur,
C- concentrația de dizolvat, %
F-coeficient empiric, a cărui valoare se află
prin determinarea indicelui de refracţie al soluţiilor de concentraţie cunoscută.
REFRACTOMETRE.
Refractometrele sunt instrumente folosite pentru a măsura indicele de refracție. Există 2 tipuri de aceste dispozitive: refractometru de tip Abbe și de tip Pulfrich. În ambele cazuri, măsurătorile se bazează pe determinarea unghiului maxim de refracție. În practică, se folosesc refractometre diverse sisteme: laborator-RL, RLU universal etc.
Indicele de refracție al apei distilate este n 0 = 1,33299, dar practic acest indicator este luat ca referință ca n 0 =1,333.
Principiul de funcționare al refractometrelor se bazează pe determinarea indicelui de refracție folosind metoda unghiului limitator (unghi reflexie totală Sveta).
Refractometru portabil
refractometrul Abbe
Procesele care sunt asociate cu lumina sunt o componentă importantă a fizicii și ne înconjoară în noi viata de zi cu zi pretutindeni. Cele mai importante în această situație sunt legile reflexiei și refracției luminii, pe care se bazează optica modernă. Refracția luminii este o parte importantă a științei moderne.
Efect de distorsiune
Acest articol vă va spune care este fenomenul refracției luminii, precum și cum arată legea refracției și ce decurge din aceasta.
Bazele unui fenomen fizic
Când un fascicul cade pe o suprafață care este separată de două substanțe transparente cu densități optice diferite (de exemplu, pahare diferite sau în apă), unele dintre raze se vor reflecta, iar unele vor pătrunde în a doua structură (de exemplu, se vor propaga în apă sau sticlă). Când trece de la un mediu la altul, o rază își schimbă de obicei direcția. Acesta este fenomenul de refracție a luminii.
Reflexia și refracția luminii sunt vizibile în special în apă.
Efect de distorsiune în apă
Privind lucrurile în apă, ele par distorsionate. Acest lucru este vizibil mai ales la limita dintre aer și apă. Din punct de vedere vizual, obiectele subacvatice par a fi ușor deviate. Fenomenul fizic descris este tocmai motivul pentru care toate obiectele apar distorsionate în apă. Când razele lovesc sticla, acest efect este mai puțin vizibil.
Refracția luminii este un fenomen fizic care se caracterizează printr-o schimbare a direcției de mișcare a unei raze solare în momentul în care aceasta se deplasează dintr-un mediu (structură) în altul.
Pentru a ne îmbunătăți înțelegerea acestui proces, luați în considerare un exemplu de rază care lovește apa din aer (în mod similar pentru sticlă). Prin trasarea unei linii perpendiculare de-a lungul interfeței, se poate măsura unghiul de refracție și întoarcerea fasciculului de lumină. Acest indice (unghiul de refracție) se va modifica pe măsură ce debitul pătrunde în apă (în interiorul paharului).
Fiţi atenți! Acest parametru este înțeles ca unghiul format de o perpendiculară trasă la separarea a două substanțe atunci când o grindă pătrunde de la prima structură la a doua.
Pasajul fasciculului
Același indicator este tipic pentru alte medii. S-a stabilit că acest indicator depinde de densitatea substanței. Dacă fasciculul cade de la o structură mai puțin densă la o structură mai densă, atunci unghiul de distorsiune creat va fi mai mare. Și dacă este invers, atunci este mai puțin.
În același timp, o modificare a pantei declinului va afecta și acest indicator. Dar relația dintre ei nu rămâne constantă. În același timp, raportul dintre sinusurile lor va rămâne valoare constantă, care se reflectă prin următoarea formulă: sinα / sinγ = n, unde:
- n este o valoare constantă care este descrisă pentru fiecare substanță specifică (aer, sticlă, apă etc.). Prin urmare, care va fi această valoare poate fi determinată folosind tabele speciale;
- α – unghi de incidență;
- γ – unghiul de refracție.
Pentru a determina acest fenomen fizic, a fost creată legea refracției.
Legea fizică
Legea refracției fluxurilor de lumină ne permite să determinăm caracteristicile substanțelor transparente. Legea în sine constă din două prevederi:
- prima parte. Fasciculul (incident, modificat) și perpendiculara, care a fost restabilită în punctul de incidență pe limita, de exemplu, a aerului și apei (sticlă etc.), vor fi situate în același plan;
- partea a doua. Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul aceluiași unghi format la trecerea graniței va fi o valoare constantă.
Descrierea legii
În acest caz, în momentul în care fasciculul iese din a doua structură în prima (de exemplu, când fluxul luminos trece din aer, prin sticlă și înapoi în aer), va apărea și un efect de distorsiune.
Un parametru important pentru diferite obiecte
Principalul indicator în această situație este raportul dintre sinusul unghiului de incidență și un parametru similar, dar pentru distorsiune. După cum rezultă din legea descrisă mai sus, acest indicator este o valoare constantă.
Mai mult, atunci când valoarea pantei de declin se modifică, aceeași situație va fi tipică pentru un indicator similar. Acest parametru are mare valoare, deoarece este o caracteristică integrală a substanțelor transparente.
Indicatori pentru diferite obiecte
Datorită acestui parametru, puteți distinge destul de eficient între tipurile de sticlă, precum și diferite pietre prețioase. De asemenea, este important pentru determinarea vitezei de deplasare a luminii în interior medii diferite Oh.
Fiţi atenți! Cea mai mare viteză a fluxului de lumină este în vid.
Când treceți de la o substanță la alta, viteza acesteia va scădea. De exemplu, diamantul, care are cel mai mare indice de refracție, va avea o viteză de propagare a fotonului de 2,42 ori mai mare decât aerul. În apă, se vor răspândi de 1,33 ori mai încet. Pentru diferite tipuri sticlă acest parametru variază de la 1,4 la 2,2.
Fiţi atenți! Unii ochelari au un indice de refracție de 2,2, care este foarte apropiat de diamant (2,4). Prin urmare, nu este întotdeauna posibil să distingem o bucată de sticlă de un diamant adevărat.
Densitatea optică a substanțelor
Lumina poate pătrunde prin diferite substanțe, care se caracterizează prin densități optice diferite. După cum am spus mai devreme, folosind această lege puteți determina densitatea caracteristică a mediului (structurii). Cu cât este mai dens, cu atât este mai mică viteza cu care lumina se va propaga prin ea. De exemplu, sticla sau apa vor fi mai dens din punct de vedere optic decât aerul.
Pe lângă faptul că acest parametru este o valoare constantă, reflectă și raportul vitezei luminii în două substanțe. Semnificația fizică poate fi afișată sub următoarea formulă:
Acest indicator arată cum se modifică viteza de propagare a fotonilor atunci când se deplasează de la o substanță la alta.
Un alt indicator important
Când un flux de lumină se mișcă prin obiecte transparente, polarizarea lui este posibilă. Se observă în timpul trecerii unui flux luminos din medii izotrope dielectrice. Polarizarea are loc atunci când fotonii trec prin sticlă.
Efect de polarizare
Polarizarea parțială se observă atunci când unghiul de incidență a fluxului luminos la limita a doi dielectrici diferă de zero.
Gradul de polarizare depinde de care au fost unghiurile de incidență (legea lui Brewster).
Reflecție internă completă
Încheind scurta noastră excursie, este încă necesar să luăm în considerare un astfel de efect drept o reflecție internă completă.
Fenomenul de afișare completă Să apară este necesară creşterea unghiului de incidenţă a fluxului luminos în momentul trecerii acestuia de la un mediu mai dens la unul mai puţin dens la interfaţa dintre substanţe. Într-o situație în care acest parametru depășește o anumită valoare limită, atunci fotonii incidenti la limita acestei secțiuni vor fi reflectați complet. De fapt, acesta va fi fenomenul nostru dorit. Fără ea, era imposibil să se producă fibră optică.
Concluzie
Aplicarea practică a comportamentului fluxului luminos a dat foarte mult, creând o varietate de dispozitive tehnice pentru a ne îmbunătăți viața. În același timp, lumina nu și-a dezvăluit încă omenirii toate posibilitățile sale, iar potențialul ei practic nu a fost încă pe deplin realizat.
Cum să faci o lampă de hârtie cu propriile mâini
Cum se verifică performanța unei benzi LED
Domenii de aplicare ale refractometriei.
Proiectarea și principiul de funcționare al refractometrului IRF-22.
Conceptul de indice de refracție.
Plan
Refractometrie. Caracteristicile și esența metodei.
Pentru a identifica substanțele și a verifica puritatea acestora, folosesc
producator de refractie.
Indicele de refracție al unei substanțe- o valoare egală cu raportul vitezelor de fază ale luminii (unde electromagnetice) în vid și în mediu vizibil.
Indicele de refracție depinde de proprietățile substanței și de lungimea de undă
radiatii electromagnetice. Raportul sinusului unghiului de incidență relativ la
normala trasată la planul de refracție (α) al razei la sinusul unghiului de refracție
refracția (β) atunci când o rază trece din mediul A în mediul B se numește indice de refracție relativ pentru această pereche de medii.
Valoarea n este indicator relativ refractia mediului B prin
relație cu mediul A și
Indicele de refracție relativ al mediului A în raport cu
Indicele de refracție al unei raze incidente pe un mediu de la un airless
spațiul se numește indicele său absolut de refracție sau
pur și simplu indicele de refracție al unui mediu dat (Tabelul 1).
Tabelul 1 - Indicii de refracție ai diferitelor medii
Lichidele au un indice de refracție în intervalul 1,2-1,9. Solid
substanţe 1,3-4,0. Unele minerale nu au valoarea exacta spectacol-
pentru refractie. Valoarea sa este într-o „furcă” și determină
datorită prezenței impurităților în structura cristalină, care determină culoarea
cristal.
Identificarea unui mineral după „culoare” este dificilă. Astfel, mineralul corindon există sub formă de rubin, safir, leucozafir, diferă în
indicele de refracție și culoarea. Corindonul roșu se numește rubine
(impuritate crom), albastru incolor, albastru deschis, roz, galben, verde,
violet - safire (amestec de cobalt, titan etc.). De culoare deschisă
safire albe sau corindon incolor se numesc leucozafir (pe scară largă
folosit în optică ca filtru). Indicele de refracție al acestor cristale
oțelurile se află în intervalul 1.757-1.778 și reprezintă baza pentru identificarea
Figura 3.1 – Ruby Figura 3.2 – Safir albastru
Lichidele organice și anorganice au și ele valori caracteristice indici de refracție, care îi caracterizează ca fiind chimici
Compușii ruși și calitatea sintezei lor (Tabelul 2):
Tabelul 2 - Indicii de refracție ai unor lichide la 20 °C
4.2. Refractometrie: concept, principiu.
O metodă de studiere a substanțelor bazată pe determinarea unui indicator
(indicele) de refracție (refracție) se numește refractometrie (din
lat. refractus - refractat și grecesc. metreo - măsoară). Refractometrie
(metoda refractometrică) este utilizată pentru identificarea substanțelor chimice
compuși, analiză cantitativă și structurală, determinarea fizică
parametrii chimici ai substantelor. Principiul refractometriei implementat
în refractometrele Abbe, este ilustrat în Figura 1.
Figura 1 - Principiul refractometriei
Blocul de prisme Abbe este format din două prisme dreptunghiulare: iluminare
telial si de masurare, pliat de fete de ipotenuza. iluminator-
Această prismă are o față de ipotenuză aspră (mată) și este destinată
chen pentru a ilumina o probă de lichid plasată între prisme.
Lumina împrăștiată trece printr-un strat plan-paralel al lichidului studiat și, fiind refractată în lichid, cade pe prisma de măsurare. Prisma de măsurare este realizată din sticlă optic densă (slex grea) și are un indice de refracție mai mare de 1,7. Din acest motiv, refractometrul Abbe măsoară n valori mai mici decât 1,7. Mărirea intervalului de măsurare a indicelui de refracție poate fi realizată numai prin înlocuirea prismei de măsurare.
Proba de testat este turnată pe fața de ipotenuză a prismei de măsurare și presată cu o prismă de iluminare. În acest caz, rămâne un spațiu de 0,1-0,2 mm între prismele în care se află proba și prin
care trece prin lumina refractată. Pentru a măsura indicele de refracție
folosiți fenomenul de reflexie internă totală. Se află în
Următorul.
Dacă razele 1, 2, 3 cad pe interfața dintre două medii, atunci în funcție
în funcţie de unghiul de incidenţă la observarea lor în mediul de refracţie va fi
Există o tranziție între zonele cu iluminare diferită. Este conectat
cu o parte din lumină căzând pe granița de refracție la un unghi apropiat de
kim la 90° față de normal (fascicul 3). (Figura 2).
Figura 2 – Imaginea razelor refractate
Această parte a razelor nu este reflectată și, prin urmare, formează un mediu mai ușor.
puterea in timpul refractiei. Razele cu unghiuri mai mici experimentează, de asemenea, reflexie
si refractie. Prin urmare, se formează o zonă de iluminare mai mică. În volum
Linia de delimitare a reflexiei interne totale este vizibilă pe lentilă, poziția
care depinde de proprietăţile de refracţie ale probei.
Eliminarea fenomenului de dispersie (colorarea interfeței dintre două zone de iluminare în culorile curcubeului datorită utilizării luminii albe complexe în refractometrele Abbe) se realizează prin utilizarea a două prisme Amici în compensator, care sunt montate în telescop. . În același timp, o scară este proiectată în lentilă (Figura 3). Pentru analiză sunt suficiente 0,05 ml de lichid.
Figura 3 - Vedere prin ocularul refractometrului. (Scara corectă reflectă
concentrația componentei măsurate în ppm)
Pe lângă analiza probelor cu o singură componentă,
sisteme bicomponente (soluții apoase, soluții de substanțe în care
sau solvent). În sistemele ideale cu două componente (formare
fără a modifica volumul și polarizabilitatea componentelor), dependența arată
Dependența refracției de compoziție este aproape liniară dacă compoziția este exprimată în
fracții de volum (procent)
unde: n, n1, n2 - indici de refracție ai amestecului și ai componentelor,
V1 și V2 sunt fracțiile de volum ale componentelor (V1 + V2 = 1).
Efectul temperaturii asupra indicelui de refracție este determinat de doi
factori: modificarea numărului de particule lichide pe unitatea de volum și
dependența polarizabilității moleculelor de temperatură. Al doilea factor a devenit
devine semnificativă numai cu schimbări foarte mari de temperatură.
Coeficientul de temperatură al indicelui de refracție este proporțional cu coeficientul de temperatură al densității. Deoarece toate lichidele se extind atunci când sunt încălzite, indicii lor de refracție scad pe măsură ce temperatura crește. Coeficientul de temperatură depinde de temperatura lichidului, dar la intervale mici de temperatură poate fi considerat constant. Din acest motiv, majoritatea refractometrelor nu au controlul temperaturii, dar unele modele oferă
termostatarea apei.
Extrapolarea liniară a indicelui de refracție cu schimbări de temperatură este acceptabilă pentru diferențe mici de temperatură (10 – 20°C).
Determinarea precisă a indicelui de refracție în intervale largi de temperatură se realizează folosind formule empirice de forma:
nt=n0+at+bt2+…
Pentru refractometria soluțiilor pe domenii largi de concentrație
utilizați tabele sau formule empirice. Dependența de afișare -
indicele de refracție al soluțiilor apoase ale unor substanțe în funcție de concentrație
este aproape de liniar și face posibilă determinarea concentrațiilor acestor substanțe în
apă în intervale largi de concentrație (Figura 4) folosind refracția
tometre.
Figura 4 - Indicele de refracție al unor soluții apoase
De obicei n lichid și solide refractometrele determină cu precizie
până la 0,0001. Cele mai comune sunt refractometrele Abbe (Figura 5) cu blocuri de prisme și compensatoare de dispersie, care permit determinarea nD în lumină „albă” folosind o scară sau un indicator digital.
Figura 5 - Refractometru Abbe (IRF-454; IRF-22)
Legile fizicii joacă foarte mult rol important la efectuarea de calcule pentru planificarea unei strategii specifice pentru producerea oricărui produs sau la întocmirea unui proiect de construcție a structurilor în diverse scopuri. Sunt calculate multe cantități, astfel încât măsurătorile și calculele sunt făcute înainte de începerea lucrărilor de planificare. De exemplu, indicele de refracție al sticlei este egal cu raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție.
Deci, mai întâi este procesul de măsurare a unghiurilor, apoi se calculează sinusul lor și abia apoi se poate obține valoarea dorită. În ciuda disponibilității datelor tabelare, merită să efectuați calcule suplimentare de fiecare dată, deoarece cărțile de referință folosesc adesea conditii ideale care poate fi realizat în viata reala aproape imposibil. Prin urmare, în realitate, indicatorul va diferi în mod necesar de tabel, iar în unele situații acest lucru este de o importanță fundamentală.
Indicator absolut
Indicele de refracție absolut depinde de marca sticlei, deoarece în practică există un număr mare de opțiuni care diferă în ceea ce privește compoziția și gradul de transparență. În medie, este de 1,5 și fluctuează în jurul acestei valori cu 0,2 într-o direcție sau alta. În cazuri rare, pot exista abateri de la această cifră.
Din nou, dacă un indicator precis este important, atunci măsurătorile suplimentare nu pot fi evitate. Dar nici nu dau un rezultat 100% fiabil, deoarece valoarea finală va fi influențată de poziția soarelui pe cer și de înnorirea în ziua măsurării. Din fericire, în 99,99% din cazuri este suficient să știi pur și simplu că indicele de refracție al unui material precum sticla este mai mare de unu și mai mic de doi, iar toate celelalte zecimi și sutimi nu contează.
Pe forumurile care ajută la rezolvarea problemelor de fizică, apare adesea întrebarea: care este indicele de refracție al sticlei și al diamantului? Mulți oameni cred că, deoarece aceste două substanțe sunt similare ca aspect, atunci proprietățile lor ar trebui să fie aproximativ aceleași. Dar aceasta este o concepție greșită.
Refracția maximă a sticlei va fi în jur de 1,7, în timp ce pentru diamant acest indicator ajunge la 2,42. Dat bijuterie este unul dintre puținele materiale de pe Pământ al căror indice de refracție depășește 2. Acest lucru se datorează structurii sale cristaline și nivel înaltîmprăștierea razelor de lumină. Tăierea joacă un rol minim în modificările valorii tabelului.
Indicator relativ
Indicatorul relativ pentru unele medii poate fi caracterizat astfel:
- - indicele de refracție al sticlei față de apă este de aproximativ 1,18;
- - indicele de refracție al aceluiași material față de aer este egal cu 1,5;
- - indicele de refracție relativ la alcool - 1.1.
Măsurătorile indicatorului și calculele valorii relative sunt efectuate conform unui algoritm binecunoscut. Pentru a găsi un parametru relativ, trebuie să împărțiți o valoare a tabelului la alta. Sau faceți calcule experimentale pentru două medii și apoi împărțiți datele obținute. Astfel de operațiuni sunt adesea efectuate la orele de fizică de laborator.
Determinarea indicelui de refracție
Determinarea indicelui de refracție al sticlei în practică este destul de dificilă, deoarece sunt necesare instrumente de înaltă precizie pentru măsurarea datelor inițiale. Orice eroare va crește, deoarece calculul utilizează formule complexe care necesită absența erorilor.
În general, acest coeficient arată de câte ori viteza de propagare a razelor de lumină încetinește la trecerea printr-un anumit obstacol. Prin urmare, este tipic numai pentru materiale transparente. Indicele de refracție al gazelor este luat ca valoare de referință, adică ca unitate. Acest lucru s-a făcut astfel încât să fie posibil să se pornească de la o anumită valoare la efectuarea calculelor.
Dacă o rază de soare cade pe suprafața sticlei cu un indice de refracție egal cu valoarea tabelului, atunci acesta poate fi modificat în mai multe moduri:
- 1. Lipiți deasupra o peliculă al cărei indice de refracție va fi mai mare decât cel al sticlei. Acest principiu este utilizat la nuanțarea geamurilor auto pentru a îmbunătăți confortul pasagerilor și pentru a permite șoferului să aibă o vedere mai clară a condițiilor de trafic. Filmul va inhiba, de asemenea, radiațiile ultraviolete.
- 2. Vopsește sticla cu vopsea. Producătorii de ochelari de soare ieftini fac acest lucru, dar merită luat în considerare că acest lucru poate fi dăunător vederii. La modelele bune, sticla este produsă imediat colorată folosind o tehnologie specială.
- 3. Scufundați paharul în puțin lichid. Acest lucru este util doar pentru experimente.
Dacă o rază de lumină trece din sticlă, atunci se calculează indicele de refracție pe următorul material coeficient relativ, care poate fi obținut prin compararea valorilor din tabel. Aceste calcule sunt foarte importante în proiectarea sistemelor optice care suportă sarcini practice sau experimentale. Erorile de aici sunt inacceptabile, deoarece vor duce la funcționarea incorectă a întregului dispozitiv, iar apoi orice date obținute cu ajutorul acestuia vor fi inutile.
Pentru a determina viteza luminii în sticlă cu un indice de refracție, trebuie să împărțiți valoarea absolută a vitezei în vid la indicele de refracție. Vidul este folosit ca mediu de referință deoarece refracția nu funcționează acolo din cauza absenței oricăror substanțe care ar putea interfera cu mișcarea lină a razelor de lumină de-a lungul unei anumite căi.
În orice indicator calculat, viteza va fi mai mică decât în mediul de referință, deoarece indicele de refracție este întotdeauna mai mare decât unitatea.
Când rezolvați probleme de optică, de multe ori trebuie să cunoașteți indicele de refracție al sticlei, apei sau al altei substanțe. Mai mult, în diferite situații, pot fi utilizate atât valori absolute, cât și relative ale acestei cantități.
Două tipuri de indice de refracție
Mai întâi, să vorbim despre ceea ce arată acest număr: cum se schimbă direcția de propagare a luminii într-unul sau altul mediu transparent. Mai mult, o undă electromagnetică poate proveni dintr-un vid, iar atunci indicele de refracție al sticlei sau al altei substanțe va fi numit absolut. În cele mai multe cazuri, valoarea sa se află în intervalul de la 1 la 2. Numai în cazuri foarte rare indicele de refracție este mai mare de doi.
Dacă în fața obiectului există un mediu mai dens decât vidul, atunci se vorbește deja despre valoare relativă. Și se calculează ca raport de doi valori absolute. De exemplu, indicele de refracție relativ al sticlei de apă va fi egal cu coeficientul valorilor absolute pentru sticlă și apă.
În orice caz, este desemnat Literă latină„ro” - n. Această valoare se obține prin împărțirea acelorași valori între ele, prin urmare este pur și simplu un coeficient care nu are nume.
Ce formulă poți folosi pentru a calcula indicele de refracție?
Dacă luăm unghiul de incidență ca „alfa” și unghiul de refracție ca „beta”, atunci formula valoare absolută indicele de refracție arată astfel: n = sin α/sin β. În literatura în limba engleză puteți găsi adesea o denumire diferită. Când unghiul de incidență este i, iar unghiul de refracție este r.
Există o altă formulă pentru calcularea indicelui de refracție al luminii din sticlă și alte medii transparente. Este legat de viteza luminii în vid și la fel, dar în substanța luată în considerare.
Atunci arată astfel: n = c/νλ. Aici c este viteza luminii în vid, ν este viteza acesteia într-un mediu transparent și λ este lungimea de undă.
De ce depinde indicele de refracție?
Este determinată de viteza cu care lumina se propagă în mediul luat în considerare. Aerul în acest sens este foarte aproape de vid, astfel încât undele luminoase se propagă în el practic fără a se abate de la direcția lor inițială. Prin urmare, dacă se determină indicele de refracție al sticlă-aer sau al oricărei alte substanțe care se învecinează cu aerul, atunci acesta din urmă este luat în mod convențional ca vid.
Fiecare alt mediu are propriile sale caracteristici. Au densități diferite, au temperatura proprie, precum și solicitări elastice. Toate acestea afectează rezultatul refracției luminii de către substanță.
Nu ultimul rol Caracteristicile luminii joacă un rol în schimbarea direcției de propagare a undelor. Lumina albă este formată din multe culori, de la roșu la violet. Fiecare parte a spectrului este refracta in felul ei. Mai mult, valoarea indicatorului pentru valul părții roșii a spectrului va fi întotdeauna mai mică decât cea a celorlalți. De exemplu, indicele de refracție al sticlei TF-1 variază de la 1,6421 la 1,67298, respectiv, de la partea roșie la violetă a spectrului.
Exemple de valori pentru diferite substanțe
Iată valorile valorilor absolute, adică indicele de refracție atunci când un fascicul trece dintr-un vid (care este echivalent cu aerul) printr-o altă substanță.
Aceste cifre vor fi necesare dacă este necesar să se determine indicele de refracție al sticlei în raport cu alte medii.
Ce alte cantități se folosesc la rezolvarea problemelor?
Reflecție totală. Se observă atunci când lumina trece de la un mediu mai dens la unul mai puțin dens. Aici, la un anumit unghi de incidență, refracția are loc în unghi drept. Adică, fasciculul alunecă de-a lungul limitei a două medii.
Unghiul de limitare al reflexiei totale este valoarea sa minimă la care lumina nu scapă într-un mediu mai puțin dens. Mai puțin înseamnă refracție și mai mult înseamnă reflectare în același mediu din care s-a mișcat lumina.
Sarcina nr. 1
Stare. Indicele de refracție al sticlei are o valoare de 1,52. Este necesar să se determine unghiul limitator la care lumina este reflectată complet de la interfața suprafețelor: sticlă cu aer, apă cu aer, sticlă cu apă.
Va trebui să utilizați datele indicelui de refracție pentru apă din tabel. Este considerat egal cu unitatea pentru aer.
Soluția în toate cele trei cazuri se rezumă la calcule folosind formula:
sin α 0 /sin β = n 1 /n 2, unde n 2 se referă la mediul din care se propagă lumina, iar n 1 unde pătrunde.
Litera α 0 indică unghiul limită. Valoarea unghiului β este de 90 de grade. Adică sinusul său va fi unul.
Pentru primul caz: sin α 0 = 1 /n sticla, atunci unghiul limitator se dovedeste a fi egal cu arcsinusul sticlei 1 /n. 1/1,52 = 0,6579. Unghiul este de 41,14º.
În al doilea caz, la determinarea arcsinusului, trebuie să înlocuiți valoarea indicelui de refracție al apei. Fracția 1 /n de apă va lua valoarea 1/1,33 = 0,7519 Acesta este arcsinusul unghiului de 48,75º.
Al treilea caz este descris de raportul dintre n apă și n sticlă. Arcsinusul va trebui calculat pentru fracția: 1,33/1,52, adică numărul 0,875. Găsim valoarea unghiului limitator prin arcsinus: 61,05º.
Răspuns: 41,14º, 48,75º, 61,05º.
Problema nr. 2
Stare. O prismă de sticlă este scufundată într-un vas cu apă. Indicele său de refracție este de 1,5. O prismă se bazează pe un triunghi dreptunghic. Piciorul mai mare este situat perpendicular pe fund, iar al doilea este paralel cu acesta. O rază de lumină cade în mod normal pe fața superioară a prismei. Care trebuie să fie cel mai mic unghi între un picior orizontal și ipotenuză pentru ca lumina să ajungă la piciorul situat perpendicular pe fundul vasului și să iasă din prismă?
Pentru ca raza să iasă din prismă în modul descris, ea trebuie să cadă la un unghi maxim pe fața interioară (cea care este ipotenuza triunghiului în secțiunea transversală a prismei). Acest unghi limitator se dovedește a fi egal cu unghiul dorit triunghi dreptunghic. Din legea refracției luminii, reiese că sinusul unghiului limitator împărțit la sinusul de 90 de grade este egal cu raportul a doi indici de refracție: apă la sticlă.
Calculele conduc la următoarea valoare pentru unghiul de limitare: 62º30´.
