Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział wojskowo lekarski

zajęcia laboratoryjne z biofizyki

Piotr

Kowalski

grupa iV

zespół nr 7

DATA: 26.10.2005 r.

TEMAT: WYZNACZANIE WSPÓLCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA W CIECZY PRZY POMOCY REFRAKTOMETRU.

1. Falowa natura światła.

Dyfrakcja, interferencja i polaryzacja objawiają falową naturę światła.

Zjawisko dyfrakcji i interferencji obserwujemy podczas przepuszczania wiązki światła przez szczelinę o rozmiarach rzędu długości fali świetlnej.

Dyfrakcja - czyli ugięcie światła w wyniku czego zostaje oświetlona dużo większa część ekranu niż wynikałoby to z rozmiarów szczeliny i założenia prostoliniowego rozchodzenia się światła; zachodzi gdy część wiązki świetlnej zostaje zatrzymana lub odbita od przeszkody zaś ta część, która przechodzi przez otwór staje się źródłem fali elementarnej rozchodzącej się poza przeszkodą we wszystkich kierunkach.

Zjawisku dyfrakcji towarzyszy zwykle zjawisko interferencji.

Interferencja - polega na nakładaniu się wiązek światła, co prowadzi do osłabienia lub wzmocnienia fali świetlnej, w wyniku czego otrzymuje się na ekranie obraz interferencyjny w postaci ciemnych i jasnych prążków.

Polaryzacja - występuje tylko w przypadku fal poprzecznych, jest to uporządkowanie drgań wektora świetlnego. Fala świetlna liniowo spolaryzowana jest to fala, w której wektor elektryczny drga w jednej ściśle określonej płaszczyźnie zwanej płaszczyzną drgań.

2. Współczynnik załamania światła - jest wielkością charakterystyczną dla danego rodzaju materiału. W określonych warunkach temperatury i ustalonej długości fali jest on stały dla danej substancji. Współczynnik załamania światła w roztworze zależy od jego stężenia.

Bezwzględny współczynnik załamania światła dany jest wzorem: 

v - prędkość światła w danym ośrodku
c - prędkość światła w próżni (c ≈ 3*10⁸ m/s)
n - współczynnik załamania

sinα - kąt padania promienia w powietrzu

sinβ - kąt załamania

Mając bezwzględne współczynniki załamania ośrodka z którego pada światło i ośrodka do którego załamuje się światło, można obliczyć względny współczynnik załamania:

v₁ - prędkość światła w ośrodku 1

v₂ - prędkość światła w ośrodku 2

 Przykładowe (bezwzględne) współczynniki załamania:

• powietrze: 1,00

• lód:            1,31

• woda:        1,33 

• szkło:         1,50

Na tej podstawie można wyznaczyć względny współczynnik drugiego ośrodka względem pierwszego:

n₁ - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 1 (z którego wychodzi światło)

n₂ - bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 2 (do którego przechodzi światło)

n_1/2 - współczynnik załamania (względny) ośrodka 2 względem ośrodka 1

Względny współczynnik załamania decyduje o tym jak bardzo światło ma tendencję do skręcania swego kierunku podczas przechodzenia do innego ośrodka. Inaczej mówiąc -  przy dużym względnym współczynniku załamania światło będzie się silniej załamywać.

3. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia.

Załamaniu światła towarzyszy zawsze odbicie, ale nie odwrotnie. Jeśli promień świetlny przechodzi ze środowiska optycznie gęstszego do 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 środowisku optycznie gęstszym, dla którego kąt załamania
= 90^o nosi nazwę kąta granicznego.

Jeśli kąt padania w środowisku optycznie gęstszym będzie większy od kąta granicznego to zajdzie zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia.

4. Prędkość światła w ośrodkach o różnej gęstości optycznej.

Substancja	V (km/s)
powietrze	300000
woda	225000
szkło	200000
diament	124000

5. Gęstość optyczna.

Z dwóch ośrodków ten nazywamy gęstszym optycznie, który ma:

- większy współczynnik załamania,

- mniejszą prędkość rozchodzenia się światła

Przykład:
Szkło - o współczynniku załamania światła n = 1,5 ma większą gęstość optyczną niż woda o współczynniku załamania wynoszącym n = 1,33.

6. Refraktometria - nazywana też analizą refraktometryczną zajmuje się pomiarami współczynników załamania światła. Promień świetlny przechodząc przez materialny ośrodek, oddziałuje z protonami i elektronami cząsteczek ośrodka. W wyniku tego zmienia się prędkość rozchodzenia promieni w tym ośrodku, w porównaniu z prędkością w próżni. Staje się to przyczyną załamania światła na granicy dwóch ośrodków.

7. Budowa refraktometru.

Główną częścią refraktometru jest kostka złożona z dwóch prostokątnych pryzmatów, wykonanych ze szkła o dużym współczynniku załamania. Badaną ciecz wprowadzamy między pryzmaty. Światło ze źródła zostaje skierowane na dolny pryzmat i ulega rozproszeniu, tak że w cieczy rozchodzi się ono w różnych kierunkach. Na górny pryzmat promienie padają, więc pod różnymi kątami, ale w górnym pryzmacie promienie biegną tylko w obrębie kąta granicznego. W okularze lunetki, do której promienie wpadają po wyjściu z pryzmatu widzimy: część jasną pola widzenia-oświetloną przez promienie z obrębu kąta granicznego i część ciemną-poza kątem granicznym. Granica pomiędzy polami odpowiada kątowi granicznemu. Przez obrót kostki ustawiamy rozgraniczenie pól na środek krzyża w okularze. Na podziałce odczytujemy nie kąt graniczny, a bezpośrednio -współczynnik załamania cieczy.

8. Refrakcja molowa - to wielkość określająca zależność współczynnika załamania światła od gęstości danej substancji w odniesieniu do jednego mola tej substancji, niezależnie od temperatury, ciśnienia, stanu skupienia:

M - masa cząsteczkowa

ρ - gęstość cieczy

---