Wiązka światła, padając na granicę dwóch ośrodków przezroczystych o różnych gęstościach optycznych, ulega załamaniu. Stwierdzono, że dla danych dwóch ośrodków w niezmiennych warunkach fizycznych stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wielkością stałą, zwaną współczynnikiem załamania. Jest to prawo Snelliusa. Bezwzględny współczynnik załamania substancji jest to stosunek prędkości c światła w próżni do prędkości fazowej u światła w danej substancji: n= c/v.

Prędkość fali elektromagnetycznej w ośrodku zależy od częstotliwości tej fali, dlatego współczynnik załamania światła jest funkcją częstotliwości, czyli światło o różnej barwie padając na granicę dwóch ośrodków pod tym samym kątem ulega załamaniu pod różnym kątem. Stąd wniosek, że:

n(v) Wartość współczynnika załamania jest związana z wieloma właściwościami fizycznymi i fizykochemicznymi substancji, jak: przenikalność elektryczna (e) i magnetyczna (P) substancji, polaryzowalność substancji, temperatura, ciśnienie itp. Według elektromagnetycznej teorii światła współczynnik załamania wyraża się wzorem:
Dla przezroczystych dielektryków przenikalność magnetyczna jest praktycznie równa 1, stąd: n²=E. Prędkość światła w ośrodku zależy od temperatury, stąd współczynnik załamania światła jest funkcją temperatury T: n=n(T). W roztworach współczynnik załamania światła zależy od stężenia (C) substancji w roztworze: n=n(C) Znajomość współczynnika załamania dostarcza wielu informacji o składzie chemicznym i strukturze badanej substancji. Z powyższych względów opracowano wiele metod laboratoryjnych dokładnego wyznaczania współczynnika załamania światła (do czterech i więcej miejsc po przecinku) oraz skonstruowano liczne przyrządy do pomiaru współczynnika załamania światła, zwane refraktometrami. W tablicach właściwości fizycznych substancji na ogół są podawane wartości bezwzględnego współczynnika załamania mierzone dla określonej temperatury oraz przy użyciu światła monochromatycznego, zazwyczaj żółtego światła sodu, tzw. linii D (589 nm i 589,6 nm). Celem ćwiczenia jest prześledzenie biegu promieni świetlnych w substancjach przezroczystych o kształcie regularnych brył geometrycznych, wykorzystanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia do wyznaczania współczynnika załamania tych substancji, pomiar współczynnika załamania cieczy za pomocą refraktometru oraz wyznaczenie stężenia roztworów metodą refraktometryczną.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie współczynnika załamania kilku badanych cieczy za pomocą refraktometru oraz pomiar stężenia sacharozy w roztworze metodą refraktometryczną. Przyrządy służące do pomiaru współczynnika załamania światła nazywają się refraktometrami. W ćwiczeniu poznamy jedną z metod pomiaru współczynnika załamania opartą na pomiarze kąta granicznego, wykorzystaną m.in. w refraktometrze Abbego. Opis refraktometru. Zasadniczym elementem refraktometru Abbego jest zespół dwóch pryzmatów Pl i P2. Do odpowiednich obserwacji i odczytów służy lunetka L. Działanie przyrządu jest oparte na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia (na pomiarze kata granicznego a_g) które - jak wiemy - zachodzi tylko przy przejściu światła z ośrodka optycznie gęstszego do rzadszego, dlatego pryzmaty buduje się z substancji o możliwie dużym współczynniku załamania n_p a można mierzyć nim ciecze (i ciała stałe), których współczynniki załamania n są mniejsze od np(n < n_p). Nakrywkowy pryzmat P2, umocowany zawiasowo, jest uchylny do góry. Badaną ciecz umieszcza się cienką warstwą na pryzmacie refraktometrycznym P1 i zamyka pryzmatem P2. Jeśli układ ten oświetlimy, to zależnie od kąta padania światła na powierzchnię graniczną AB - światło przejdzie do drugiego pryzmatu i dalej do lunetki lub nie, gdyż ulegnie całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na tej powierzchni. Jeśli więc powierzchnia "czołowa" BC pryzmatu będzie oświetlona wiązką nierównoległą, to będą w niej takie promienie, które trafią do lunetki i takie, których kąt padania na powierzchnię graniczną AB jest większy od kąta granicznego - zostaną więc wyeliminowane przez całkowite wewnętrzne odbicie. Pole widzenia w okularze lunety będzie więc podzielone na część jaśniejszą i ciemną. Linia podziału obu części jest bardzo wyraźna, a jej położenie w polu widzenia lunety (wyżej, niżej) zależy od wartości kąta granicznego badanej substancji, a więc i bezpośrednio od współczynnika załamania
Częściej interesuje nas współczynnik załamania niż kąt graniczny, więc skala przyrządu rzutowana na pole widzenia okularu podaje od razu wartości współczynników załamania. Z reguły interesujący nas szczegół obrazu w różnych przyrządach optycznych umieszczamy w ośrodku pola widzenia. W omawianym refraktometrze krawędź części jasnej i ciemnej pola widzenia doprowadzamy do środka krzyża w górnym okienku okularu. Wraz z przesuwem tej krawędzi przesuwa się skala. W górnej części skali są podane wartości współczynników załamania n. Wiele refraktometrów używanych w laboratoriach analitycznych ma drugą skalę (dolną), na której można odczytać stężenie badanej substancji odpowiadającej zmierzonej wartości współczynnika załamania. Omawiany refraktometr jest wycechowany dla roztworów sacharozy. Podczas pomiarów na skali odczytujemy (przy pionowej linii) wartości współczynników załamania bądź też stężenia wodnych roztworów sacharozy (na podziałce dolnej). Omówiony przesuw uzyskuje się za pomocą pokrętła umieszczonego z lewej strony kadłuba przyrządu. Na drodze światła od pryzmatów pomiarowych do lunetki znajduje się zwykle jeszcze układ dwóch pryzmatów Amici, kompensujący zabarwienie obrazu powstałe wskutek rozszczepienia światła w układzie pomiarowym. Aby to zabarwienie usunąć, należy kompensator odpowiednio ustawić. Dokonuje się tego za pomocą pokrętła umieszczonego z prawej strony kadłuba przyrządu. Właściwe ustawienie kompensatora wiąże się z dyspersją badanej substancji, dlatego skala umieszczona w pokrętle kompensatora pozwala na obliczenie, za pomocą odpowiednich tablic, dyspersji średniej n_f-n_c oraz tzw. liczby Abbego (współczynnik dyspersji V), określonej wzorem:
gdzie: n_D - współczynnik załamania linii D sodu, n_f - współczynnik załamania światła fioletowego, n_c - współczynnik załamania światła czerwonego. Do oświetlenia skali służy małe lusterko umieszczone z lewej strony przyrządu, które należy otworzyć i odpowiednio nachylić względem światła. Przesuw dioptryjny okularu pozwala na ostre widzenie, niezależnie od właściwości oka (w pewnych granicach). Pryzmaty pomiarowe do pomiarów w różnych temperaturach są obudowane płaszczami wodnymi, które można połączyć z termostatem. Ciecze nieprzezroczyste bada się w świetle odbitym. Układ oświetla się wtedy od dołu, odchylając odpowiednio lusterko znajdujące się pod pryzmatem refraktometrycznym, natomiast okienko pryzmatu nakrywkowego powinno być zamknięte. Podczas pomiarów w świetle przechodzącym oświetlamy okienko pryzmatu nakrywkowego, dolne zaś jest zamknięte.

---