Nazwisko Pitrowski		WYŻSZA SZKOŁA PEDAGOGICZNA W RZESZOWIE
Imię Łukasz
Kierunek Fizyka z inf.		Wykonano 22-11-2000	Podpis	Oddano 29-10-2000	Podpis
Rok studiów 2000/2001
Grupa laboratoryjna XIII
Nr ćwiczenia 74*	Temat ćwiczenia Wyznaczanie współczynnika załamania cieczy za pomocą refraktometru Abbego

CZEŚC TEORETYCZNA

Budowa i zasada działania refraktometru Abbego.

Refraktometr laboratoryjny RL3 posiada prosta budowę zapewniającą wygodna i łatwą obsługę. Podstawowym elementem przyrządu jest pryzmat refraktometryczny w obudowie z poziomo ustawioną płaszczyzna pomiarowa. Takie położenie płaszczyzny pomiarowej zabezpiecza przed spływaniem badanej cieczy z pryzmatu. Nad pryzmatem refraktometrycznym znajduje się pryzmat górny umieszczony w zawiasowo zamocowanej obudowie służący do oświetlania substancji mierzonych w świetle przechodzącym. Do oświetlania

substancji przy pomiarach w świetle odbitym służy zwierciadło przymocowane wahadłowo do obudowy pryzmatu refraktometrycznego. Podczas pomiaru wiązka promieni skierowana zostaje do pryzmatu refraktometrycznego przez zwierciadło lub okienko oświetlające pryzmatu górnego. Po załamaniu na płaszczyźnie pomiarowej przedostaje się do wnętrza kadłuba refraktometru, gdzie po przejściu przez pryzmat kierujący trafia do zespołu pryzmatów Amicicgo. Obrót pryzmatów Amiciego uzyskiwany za pomocą pokrętki umieszczonej na zewnątrz kadłuba refraktometru powoduje rozszczepienie światła białego. Zjawisko to zostało wykorzystane do usuwania zabarwienia

linii granicznej. Podziałka nacięta na pokrętce umożliwia odczytanie wartości dyspersji. Po przejściu przez zespól pryzmatów Amiciego wiązka promieni pada na obiektyw i zostaje zogniskowana w górnym okienku poła widzenia okularu. Możliwość regulacji położenia obiektywu zapewnia wkręt regulacyjny wystający z oprawy obiektywu na zewnątrz kadłuba refraktometru i zabezpieczony przed przypadkowym poruszeniem nakrętką.

W dolnym okienku pola widzenia okularu widoczna jest podziałka współczynników załamania i procentowej zawartości wagowej cukru, oświetlona światłem skierowanym przez płaskie zwierciadło, zamocowane w obrotowo-przechylnej oprawie. Żółtozielony filtr w układzie oświetlacza powoduje przyjemne, niemczące oczy zabarwienie obrazu podziałki w okularze refraktometru. Obrót pokrętki bocznej powoduje przesuwanie linii granicznej oraz podziałki współczynników załamania w polu widzenia okularu.

W obudowach obu pryzmatów wykonane są kanały zakończone łącznikami. Daje to możliwość podłączenia refraktometru do termostatu. Termometr jest włączony w obieg cieczy z termostatu, co pozwala prowadzić stałą kontrole temperatury w zakresie od 0°C do 75°C. Działka elementarna termometru wynosi 0,5°C. Okular posiada przesuw dioptryjny w zakresie ± 5 dioptrii.

Przed każdym użyciem refraktometru, a zwłaszcza przed pomiarami seryjnymi, należy sprawdzić, czy refraktometr jest prawidłowo wyregulowany.

Sprawdzenie i regulację należy wykonywać w temperaturze 20°C przy użyciu załączonej do refraktometru płytki wzorcowej, na której wygrawerowana jest wartość współczynnika załamania tej płytki wyznaczona w temperaturze 20°C z dokładnością 1x10^-4RI. Płytkę należy położyć wypolerowana, płaszczyzna na zwilżoną monobromnaftalenem płaszczyznę pomiarową pryzmatu refraktometrycznego. Boczna wypolerowana ścianka płytki powinna być zwrócona w kierunku zewnętrznej krawędzi obudowy pryzmatu i oświetlona światłem skierowanym równolegle do płaszczyzny pomiarowej. Zwierciadło powinno zasłaniać otwór pryzmatu refraktometrycznego.

Światło

Światło - to fala elektromagnetyczna, której amplituda natężenia pola elektrycznego opisana jest wzorem:

E = A cos(ωt - 2πz / λ)

Gdzie:

A - [ V/m] - maksymalne natężenie pola elektrycznego,

λ - [A, nm., μm, m] - długość fali świetlnej,

ω - [Hz] - częstość drgań fali świetlnej,

t - [s] - czas,

z - [m] - położenie na osi ustawionej w kierunku rozchodzenia się światła.

Zwyczajowo światłem nazywamy te fale, które są widziane. Są to fale o długościach z zakresu 400 - 800 nm. Inne fale o długościach dłuższych i krótszych nie są widzialne i chociaż natura tych rodzajów promieniowania jest identyczna jak promieniowania widzialnego to nie mówimy o nich jako o świetle. Światło ma naturę korpuskularno - falowa, tzn. jest falą, ale w pewnych warunkach zachowuje się jak cząsteczka.

Światło rozchodzi się w próżni z prędkością c= ok. 300 000 km/s.

Współczynnik załamania światła n dla danego materiału jest równy stosunkowi prędkości światła w próżni (c) do prędkości światła w danym materiale (v).

n = c/v

Współczynnik załamania światła jest wartością bezwymiarowa, lecz nie stałą.

Zależy zarówno od warunków, w jakich znajduje się ośrodek: temperatury, ciśnienia, itd. jak i od długości fali padającego promieniowania.

Załamanie światła polega na zakrzywieniu promieni świetlnych przy przechodzeniu z jednego ośrodka do innego, przy czym:

-kiedy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do rzadszego, to załamuje się od normalnej (prostej prostopadłej do powierzchni rozgraniczającej ośrodki wystawionej w miejscu przechodzenia promienia świetlnego)- rysunek 1 -kiedy przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do optycznie gęstszego załamuje się do normalnej - rysunek 2.

Rys. 1. Załamanie światła na granicy ośrodków: powietrze - woda.

Rys. 2. Załamanie światła na granicy ośrodków: szkło - woda.

Promień padający na granicę dwóch ośrodków nosi nazwę promienia padającego, a promień przechodzący do drugiego ośrodka nazywamy promieniem załamanym. Kąt, który tworzy promień padający z normalną nazywamy kątem padania i, a kąt między promieniem załamanym, a normalną nazywamy kątem załamania r.

I prawo załamania światła

Promień padający, załamany i normalna leża w jednej płaszczyźnie.

Gdy kąt padania jest równy 0⁰ (promień padający jest prostopadły do granicy dwóch ośrodków), to kąt załamania też wynosi 0⁰ ( promień nie zmienia kierunku przy przejściu do drugiego ośrodka).

II prawo załamania światła

Stosunek sinusów kąta padania światła w pierwszym ośrodku i załamania w drugim: sin(i) / sin(r) jest dla danych dwóch ośrodków wielkością stałą i równą współczynnikowi załamania drugiego ośrodka względem pierwszego.

Gdzie: i -kąt padania, r - kąt załamania, n₁ - współczynnik załamania materiału pierwszego względem powietrza, n₂ - współczynnik załamania materiału drugiego względem powietrza, n_2,1 - współczynnik załamania materiału drugiego względem pierwszego

Prawa te pozwalają ustalić zachowanie się promieni na granicy dwóch danych ośrodków. Używa się ich również do rozpoznawania substancji znając jedynie współczynnik załamania tych substancji.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła ma miejsce wówczas, gdy promień świetlny biegnie ze środowiska optycznie gęstszego do rzadszego, np. z wody do powietrza, przy czym pada na powierzchnie graniczna pod katem większym od tzw. Kata granicznego. Jest to taki kat padania w środowisku optycznie gęstszym, dla którego kat załamania w środowisku rzadszym wynosi 90°. Ze względu na zasadę odwracalności biegu promienia świetlnego mogę napisać:

n_1,2=sin90°/sinβ_gr=1/sinβ_gr

β_gr - jest katem granicznym;

Zjawisko to nosi nazwę odbicia całkowitego, ponieważ w promieniu odbitym zawiera się całkowita energia promienia padającego.

Przejście światła przez pryzmat, rozszczepienie światła białego.

Pryzmatem nazywamy ciało przezroczyste dla światła (np. szkło, plastik) o nierównoległych ściankach. Kąt, pod jakim są nachylone te ściany nosi nazwę kąta łamiącego pryzmatu. Promień światła po przejściu przez pryzmat jest zawsze nachylony do jego podstawy - rysunek 3.

Rys. 3. Promień światła monochromatycznego po przejściu przez pryzmat.

Zawsze, niezależnie od kąta padania światła, kolor czerwony odchyla się najmniej od swojego pierwotnego kierunku, fioletowy najbardziej, a pozostałe barwy zajmują miejsca pośrednie pomiędzy tymi skrajnymi kolorami.
Rozłożenie światła na jego barwy składowe nazywamy rozszczepieniem. Wytłumaczenie zjawiska rozszczepienia światła jest takie, ze każda barwa światła ma inny współczynnik załamania

Zjawisko rozszczepiania światła białego podczas załamywania wpływa niekorzystnie na obrazy otrzymywane w wielu przyrządach optycznych (zła jakość obrazu, kolorowe obwódki, rozmycie konturów, itp.)., Aby tego uniknąć stosuje się układ odwróconych pryzmatów

Przebieg ćwiczenia

1. Przemywamy pryzmat refraktometru eterem.

2. Za pomocą bagietki umieszczamy na powierzchni pomiarowej pryzmatu kilka kropel wody tak, aby cała powierzchnia została pokryta cieczą, opuszczam pryzmat pomiarowy.

3. Otwieramy okienko oświetlające pryzmat, przy pomocy pokrętła z lewej strony refraktometrii znajduję rozgraniczenie jasnego i ciemnego tła w górnym okienku okularu. Następnie przez przekręcenie pokrętki z prawej strony refraktometru uzyskujemy ostre, bezbarwne rozgraniczenie jasnego i ciemnego tła górnego okienka okulani. Z kolei w dolnym okienku okularu odczytujemy współczynnik załamania n₁ z dokładnością do 0,1 działki. Pomiar powtarzamy trzy razy i znajdujemy średnią wartość n₁.

4. Przemywamy pryzmat i podobnie jak w punkcie 2 umieszczamy kilka kropel drugiej badanej cieczy. Odczytujemy współczynnik załamania n₂ (pomiar powtarzamy jak w punkcie 3).

5. Współczynnik załamania wyznaczamy kolejno dla kilku cieczy. Dla ostatniej cieczy (olej parafinowy) wyznaczamy zależność współczynnika załamania od temperatury. W tym celu łączę refraktometr z ultratermostatem i przeprowadzamy ogrzewanie do około 65°C. Notujemy współczynniki załamania dla kilku temperatur. Otrzymane dane nanosimy na wykres.

6. Wyniki powyższych pomiarów zapisujemy w tabelach:

Tabele wyników pomiarów.

Obliczenia.

Wyznaczam wartości średnie współczynnika załamania dla poszczególnych cieczy:

n₁=(1,334+1,334+1,334)/3=1,334

n₂=(1,469+1,469+1,469)/3=1,469

n₃=(1,476+1,475+1,476)/3=1,476

Błędy.

Ponieważ wszystkie pomiary były wykonywane na tym samym przyrządzie, więc pomiary te mają taki sam błąd, tzn. błąd, którym opatrzony jest przyrząd, którym zostało wykonane ćwiczenie.

Δn =Δn₁=Δn₂=Δn₃

Δn = 0,001

n₁=(1,334 ±0,001)

n₂=(1,469 ±0,001)

n₃=(1,476 ±0,001)

Δn - błąd przyrządu

Wnioski i dyskusja błędów.

Wartość błędu zależy od czystości powierzchni pryzmatów (trzeba uważać, aby płyny o różnym stężeniu nie mieszały się ze sobą) oraz od dokładności otrzymania ostrej linii granicznej i nastawienia jej na skrzyżowanie nitek pajęczych (duże znaczenie mają indywidualne właściwości oka obserwatora).

Właśnie te czynniki miały wpływ na to, że otrzymane wyniki różnią się nieznacznie od wartości tablicowych. Pewne znaczenie miała też temperatura badanych cieczy (23^oC), podczas gdy w tablicach podane są współczynniki załamania dla temperatury 20^oC.

ciecz	współczynnik załamania z tablic	współczynnik załamania z doświadczenia
woda	1,333	1,334
gliceryna	1,484	1,469
ciekła parafina	1,474	1,476

Wykres

1

---