Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział Wojskowo-Lekarski

Zajęcia Laboratoryjne z Biofizyki

Wyznaczanie wspólczynnika zalamania swiatla w cieczy przy pomocy refraktometru

Grupa IX

Zespół V
29.10.07

Wyznaczanie współczynnika załamania światła w cieczy przy pomocy refraktometru..

Część teoretyczna:

1. Fale elektromagnetyczne:
   Fala elektromagnetyczna jest rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym (opisuje je wektor natężenia elektrycznego E) i magnetycznym (opisuje je wektor indukcji magnetycznej B), o kierunkach prostopadłych do siebie i do kierunku rozchodzenia się, o natężeniach zmieniających się sinusoidalnie. Fala elektromagnetyczna niesie ze sobą energię. Wielkością charakteryzującą fale jest częstotliwość, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach. Drugą wielkością jest długość fali, czyli odległość między sąsiednimi punktami w których pole magnetyczne i elektryczne jest takie samo . Wielkości te zależą od siebie. Fala elektromagnetyczna rozchodzi się najlepiej i najszybciej w próżni. W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza i zależna od rodzaju ośrodka oraz od częstotliwości fali. Światło widzialne jest falą o długości od 360 do 760nm.

2. Falowa natura światła:
   Światło ma podwójną naturę, ponieważ można je traktować jako falę podlegającą wszystkim typowym zjawiskom falowym. Z drugiej strony falę elektromagnetyczną można traktować jako strumień cząstek (korpuskuł) zwanych fotonami.

3. Współczynnik załamania światła:
   Promienie świetlne padające na granicę dwóch ośrodków przezroczystych, różniących się prędkością rozchodzenia się światła mogą ulegać odbiciu lub załamaniu. Rysunek przedstawia przejście światła monochromatycznego przez granicę dwóch ośrodków:
   
   
   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 v₁ w jednym ośrodku do prędkości v₂ w drugim ośrodku:
   
   .
   Jeśli jednym z ośrodków jest próżnia, to współczynnik załamania n nosi nazwę bezwzględnego
   .

4. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia; kąt graniczny:
   Jeśli promień świetlny przechodzi ze środowiska optycznie gęstszego do optycznie rzadszego, to kąt załamania jest większy od kąta padania. Przy pewnej wartości kąta padania można uzyskać wartość kąta załamania równą 90^o. Taki kąt padania w ośrodku optycznie gęstszym, dla którego kąt załamania β = 90^o nosi nazwę kąta granicznego. Jeśli kąt padania w środowisku optycznie gęstszym będzie większy od kąta granicznego, to zajdzie całkowite wewnętrzne odbicie. To zjawisko zachodzi bez udziału energii i ma szerokie zastosowanie w życiu codziennym np. w światłowodach.

Substancja	[km/s]
próżnia	299792
diament	125000
szkło	200000
woda	225000

5. Prędkość światła w ośrodkach o różnej gęstości optycznej:
   Gęstość optyczna to wielkość fizyczna równa logarytmowi dziesiętnemu stosunku intensywności światła po przejściu do intesywności światła padającego na substancję, zwana inaczej absorbancją lub ekstyncją.
   





6. Refraktometria jest metodą analityczną 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.

7. 
   Refraktometr:
   Do najbardziej popularnych refraktometrów należą: Pulfricha, Abbego i refraktometr zanurzeniowy.
   Części składowe refraktometru:

• Pryzmat (stolik) do ulokowania sprawdzanej cieczy

• Przykrywka

• Obudowa

• Okular nastawiany odpowiednio do wzroku

• Śruba kalibracyjna
  
  
  
  
  
  
  
  

8. Refrakcja molowa:
   Jest to wielkość określająca polaryzację jednego mola substancji w polu elektromagnetycznym. Wynika z polaryzacji cząsteczek substancji wg wzoru:
   
   gdzie:
   R - refrakcja molowa,
   NA - liczba Avogadro,
   α - średnia polaryzowalność jednej cząsteczki.
   Refrakcja molowa jest wielkością stałą i charakterystyczną dla danego związku. Nie zależy od temperatury, ciśnienia, zależy natomiast od długości fali świetlnej, dla której jest wyznaczana wartość współczynnika załamania światła.

9. Polaryzacja światła:
   Światło jest fala elektromagnetyczną poprzeczną tzn. że drgania fali rozchodzą się prostopadle do kierunku ruchu promienia świetlnego. Drgania te są bezładne i leżą w nieskończenie wielu płaszczyznach będących symetrycznymi do promienia świetlnego - jest to światło niespolaryzowane. Przepuszczając światło niespolaryzowane przez płytkę z materiału polaryzującego, nazywaną polaroidem uzyskamy światło które będzie liniowo spolaryzowane, czyli będzie drgało tylko w jednej płaszczyźnie. Płytka taka przepuszcza tylko te fale, dla których kierunki drgań wektora elektrycznego są równoległe do kierunku polaryzacji.


Metodami polaryzacji są:

• odbicie

• rozpraszanie

• selektywne pochłanianie

• załamanie

Dla przykładu światło podczas odbicia od powierzchni szkła ulega polaryzacji liniowej (polaryzacja przez odbicie). Stopień polaryzacji zależy od kąta padania światła na powierzchnię odbijającą. Kąt padania, dla którego światło odbite jest całkowicie spolaryzowane nazywamy kątem Brewstera. Dla szkła kąt ten wynosi około 55^o.
Brewster sformułował prawo o polaryzacji światła odbitego które brzmi następująco:
Jeżeli na granicę ośrodków przeźroczystych pada światło niespolaryzowane pod takim kątem, że promień odbity i załamany tworzy kąt 90°, to światło odbite jest całkowicie spolaryzowane w płaszczyźnie równoległej do granicy ośrodków. Promień załamany jest spolaryzowany częściowo.

10. Pryzmat Nicola:
    Jest to rodzaj polaryzatora, który służy do wyeliminowania jednego z dwóch promieni spolaryzowanych wskutek podwójnego załamania. Pryzmat polaryzujący jest utworzony z romboedrycznego kryształu szpatu islandzkiego (kalcyt CaCO3), odpowiednio oszlifowanego, przeciętego na dwie części i sklejonego balsamem kanadyjskim. Zaletą pryzmatu Nicola jest uzyskiwanie fali całkowicie spolaryzowanej, bez zmiany kierunku jej biegu.

11. Prawo Malusa:
    Jest to prawo określające natężenie światła po przejściu przez polaryzator. Natężenie światła spolaryzowanego liniowo po przejściu przez idealny polaryzator optyczny jest równe iloczynowi natężenia światła padającego i kwadratu cosinusa kąta między płaszczyzną polaryzacji światła padającego a płaszczyzną światła po przejściu przez polaryzator.
    
    gdzie:
    I₀ - Natężenie światła padającego,
    θi - kąt między kierunkiem polaryzacji światła padającego i wychodzącego z polaryzatora.

12. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji dla roztworów:
    Niektóre substancje organiczne i nieorganiczne mają zdolność skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego liniowi (np. kwarc, glukoza). Podczas przechodzenia światła spolaryzowanego liniowo przez warstwę takiej substancji następuje zmiana orientacji wektora elektrycznego. Zjawisko to zostało wykorzystane w praktyce do określania stężeń roztworów substancji optycznie czynnych poprzez pomiary kąta skręcania (α).
    Dla danego związku wielkość kąta skręcania zależy od liczby cząstek znajdujących się na drodze promieni. W przypadku roztworów substancji optycznie czynnych, α zależy od stężenia roztworu i drogi przebytej przez strumień świetlny w tym roztworze (l). Stężenie substancji optycznie czynnej w roztworze obliczamy z zależności:
    
    gdzie:
    l - grubość warstwy
    c - stężenie
    α_w - skręcalność właściwa (wielkość charakterystyczna dla danej substancji, wyznaczona na podstawie pomiaru dla roztworu o znanym stężeniu, przy danej długości fali).
    Znając skręcalność właściwą adanej substancji można obliczyć jej stężenie, na podstawie wielkości kąta skręcania wyznaczonego przy pomocy urządzenia zwanego polarymetrem.

13. 
    Budowa oka:
    Oko ludzkie działa zgodnie z zasadami optyki geometrycznej. Schemat budowy ludzkiego oka podaje poniższy rysunek:
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    Oko ludzkie jest narządem pozwalającym widzenie barw, czyli fal o odpowiedniej długości. Tworzenie obrazu odbywa się w gałce ocznej i jest budowane na siatkówce, później przekazywane jest do mózgu, gdzie jest odpowiednio interpretowane. Obraz powstający w oku jest rzeczywisty, odwrócony i pomniejszony.




14. Wady wzroku:
    Istnieje wiele wad wzroku, najczęstszymi wadami są:

• Astygmatyzm (niezborność rogówkowa) - jest wadą polegającą na zniekształceniu widzenia wskutek niesymetryczności rogówki oka.

• Daltonizm - Jedną z wad wzroku jest daltonizm polegający na złym rozpoznawaniu barw.

• Nadwzroczność - jest drugą obok krótkowzroczności najczęściej spotykaną wadą refrakcyjną oka ludzkiego. Jest wynikiem zbyt małych rozmiarów przednio - tylnych oka lub niewystarczającą siłą.

• Krótkowzroczność - jest jedną z najczęściej spotykanych wad refrakcyjnych oka ludzkiego. Jest wynikiem zbyt dużych rozmiarów przednio - tylnych oka lub zbyt dużą siłą łamiącą układu optycznego.




---