II. REFRAKTOMETRIA

18. Kiedy mówimy o kącie granicznym, co dzięki niemu można oznaczyć - podaj wzory.

Światło przechodzące ze środowiska o większej gęstości (większym współczynniku refrakcji n) do środowiska o mniejszej gęstości optycznej ulega załamaniu pod kątem większym od kąta padania. Kąt padania, dla którego kąt załamania równa się 90^o nazywa się kątem granicznym.

Dzięki kątowi granicznemu można wyznaczyć całkowite wewnętrzne odbicie (dla kątów padania większych od kąta granicznego, światło nie ulega załamaniu - nie przechodzi do ośrodka rzadszego - lecz następuje jego całkowite odbicie wewnętrzne). Gdy światło przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego, to kąt załamania jest większy od kąta padania. Jeśli zatem kąt padania α wzrasta, to osiąga wreszcie wartość, dla której kąt załamania = 90^o. Promień załamany „ślizga” się wówczas po powierzchni granicznej. Kąt padania α, dla którego kąt załamania β=90^o, nazywa się kątem granicznym α=α_g. Dla β=90^o, sin β = 1 i zgodnie z prawem Snelliusa:

sin α/sin 90^o = sinα_g = n₂/n₁

gdzie n₁ - ośrodek o niższym współczynniku załamania a n₂ o wyższym

Gdy promień światła przechodzi z ośrodka materialnego do próżni, wówczas n₂=1, a oznaczając n₁=0 to:

sinα_g=1/n

19. Podaj prawa odbicia i załamania (kto odkrył te prawa). Od czego zależy kąt promienia załamanego.

Prawa odbicia i załamania należą do podstawowych praw optyki geometrycznej i zostały sformułowane przez Willebrorda Snelliusa (p. załamania).

Prawa odbicia:

1. kąt padania jest równy kątowi odbicia

2. promień padający, promień odbity i normalna wystawiona z powierzchni w punkcie padania leżą na jednej płaszczyźnie. Płaszczyzna ta, zwana płaszczyzną padania, jest prostopadła do granicy odbijającej.

Prawa załamania:

1. 
   promień padający, odbity i normalna do płaszczyzny odgraniczającej dane środowiska, wystawiona z punktu padania, leżą na jednej płaszczyźnie

2. stosunek sinusa kąta padania α do sinusa kąta załamana β dla określonych dwóch ośrodków jest wartością stałą:

sinα/sinβ=n_{21(współczynnik załamania)}

Kąt promienia załamanego zależy od tego z jakiego ośrodka do jakiego przechodzą promienie oraz od długości fali.

20.Do czego służą pryzmaty Amiciego?

Jest to tak zwany pryzmat dachowy, który odwraca wiązkę o 90 stopni i obraca obraz o 180 stopni. W przeciwieństwie do pryzmatów o kącie właściwym, które to nie odwracają obrazu. Powierzchnia przeciwprostokątnej właściwego kąta pryzmatu jest zastąpiona przez dach, którego dwie powierzchnie są pod kątem 90°, a punkt przegięcia jest w środkowej powierzchni przeciwprostokątnej.

Są one zasadniczą częścią refraktometru Abbego. Są to pryzmaty ze szkła flintowego (szkło to ma duży współczynnik załamania, n=1,7). Na pryzmaty nakierowuje się wiązkę światła, która przechodzi przez szkło pryzmatu i natrafia na ściankę, do której przylega płasko równoległa warstwa badanej cieczy. Część promieni, które padają pod kątem większym od kąta granicznego, ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i ulega pochłonięciu przez ciemne ścianki obudowy pryzmatu. Podobnie światło padające pod kątem granicznym α_g nie dociera do drugiego pryzmatu, lecz jest pochłonięte przez ścianki obudowy pryzmatu. Promienie, dla których kąt padania jest mniejszy od kąta granicznego przechodzą warstewkę cieczy i po dwukrotnym załamaniu na powierzchniach ścianek drugiego pryzmatu opuszczają go, uzyskując pierwotny kierunek biegu. Pryzmaty umożliwiają mierzenie bezwzględnego współczynnika załamania światła z dokładnością do 0,0005.

21. Dlaczego w refraktometrze Abbego są dwa pokrętła? Do czego służą?

Pierwsze pokrętło zawiera skalę do pomiaru dyspersji i usuwa zabarwienie linii granicznej pola jasnego i ciemnego. Drugie natomiast służy do przesuwania linii granicznej pola jasnego i ciemnego na punkt przecięcia krzyża z nici pajęczych (środek widzenia pola lunetki).

22. Czy współczynnik załamania zależy od temperatury i w jaki sposób?

Współczynnik załamania jest także funkcją stanu fizycznego danego materiału, głównie temperatury. Zmiany współczynnika n wraz z temperaturą noszą nazwę dyspersji temperaturowej. Na ogół współczynnik n zmniejsza się, gdy temperatura ciała wzrasta.

23. Co to jest kąt całkowitego wewnętrznego odbicia, gdzie jest wykorzystywany w przemyśle? Podaj przykład.

Następuje, gdy dla kątów padania większych od kąta granicznego, światło nie ulega załamaniu (nie przechodzi do ośrodka rzadszego. Aby to zjawisko wystąpiło, muszą być spełnione warunki:

1. promień światła przechodząc przez ośrodek optycznie gęstszy musi padać na granicę z ośrodkiem optycznie rzadszym.

2. Kąt padania musi być większy od kąta granicznego.

Zastosowanie: Dzięki temu zjawisku światło można przesyłać światłowodami na znaczne odległości. Wykorzystywane jest ono w wielu przyrządach optycznych do zmiany kierunku biegu promieni świetlnych.

24. Od czego zależy współczynnik załamania?

• Długości fali (współczynnik załamania wzrasta, gdy zmniejsza się długość fali)

• Temperatury

• Ośrodka danego ciała

• Kąta załamania

25. Co możemy stwierdzić, jeśli zauważymy, że kąt padania jest większy od kąta załamania?

Dla kątów padania większych od kąta granicznego, światło nie ulega załamaniu - nie przechodzi do ośrodka rzadszego - lecz następuje jego całkowite odbicie wewnętrzne.

26. Co to jest dyspersja (normalna i anormalna)? Gdzie i dlaczego zachodzi to zjawisko?

Dyspersja normalna - współczynnik załamania światła jest większy dla światła niebieskiego niż dla światła czerwonego. Zależność współczynnika załamania od długości fali nie jest jednak jednakowa dla różnych materiałów. Współczynnik załamania wzrasta, gdy zmniejsza się długość fali, przy czym szybkość tego wzrostu jest większa dla fal krótszych, co powoduje, że w widmie utworzonym przez pryzmat niebieski koniec widma jest bardziej rozciągnięty niż koniec czerwony. Jeżeli zależność współczynnika załamania od długości fali jest linią ciągłą, to dyspersję nazywamy normalną

Dyspersja anormalna - Substancje bezbarwne, takie jak woda lub szkło, w zakresie widzialnym mają dyspersję normalną. Gdy jednak w materiale, dla pewnych długości fal, występuje absorpcja, krzywa dyspersji nie jest ciągła: mamy wówczas do czynienia z tzw. Dyspersją anormalną. Substancja może mieć wiele pasm absorpcji i wówczas każde z nich daje na wykresie zależności współczynnika załamania od długości fali nieciągłość.

27. Co to jest względny i bezwzględny współczynnik załamania światła?

Fale elektromagnetyczne są jedynym rodzajem fali mogącym rozchodzić się w próżni. Dlatego ośrodkiem odniesienia przy określaniu współczynnika załamania światła jest próżnia. Gdy mowa jest o współczynniku załamania światła, chodzi o współczynnik załamania względem próżni (nazywany czasem bezwzględnym współczynnikiem załamania światła):

gdzie

c - prędkość światła w próżni (wynosi około 3×10⁸ m/s),

v - prędkość światła w danym ośrodku.

Względny współczynnik załamania światła substancji A jest to współczynnik załamania tej substancji względem innej substancji B. Jest on opisywany wzorem

gdzie

 - prędkość światła w substancji A,
 - prędkość światła w substancji B.

III. ABSORPCJOMETRIA

28. Co oznacza pojęcie transmitancji i jakie wartości może ona przyjmować?

Transmitancja - wartość przepuszczalności, jest to stosunek natężenia światła przechodzącego (I_T) do natężenia światła padającego na daną substancję (I₀).

T=I_T/I₀

Wartość T może przyjmować wartości od 0 do 1. Transmitancja jednak najczęściej wyrażana jest w procentach.

T%= I_T/I₀*100%

29. Omów pierwsze prawo absorpcji.

Inaczej nazywane prawem Lambera. Rozważmy przezroczyste naczynko równoległościenne o szerokości wewnętrznej l, w którym znajduje się badany roztwór (ciecz absorbująca i nieabsorbujący rozpuszczalnik). Całą szerokość naczynka podzielmy hipotetycznymi warstwami o nieskończenie małej grubości dx. Natężenie monochromatycznego światła padającego na naczynko oznaczamy I_0, a wychodzącego z naczynka I_T. Światło przechodząc przez roztwór ulega absorpcji i na wybraną warstwę pada światło o mniejszym natężeniu I. Wewnątrz wybranej warstwy oraz w dalszej części roztworu następuje ustawiczne zmniejszanie natężenia światła.

30. Omów prawo Beera.

Prawo Beera stwierdza, że absorbancja jest wprost proporcjonalna do stężenia i grubości próbki:

A=lg I₀/I_T = βcl (zależność pomiędzy stężeniem i absorbancją)

Gdzie: β - współczynnik absorpcji na jednostkę stężenia

c - stężenie (podawane zazwyczaj w gramach lub molach na dm³)

l - grubość próbki

Przekształcając, otrzymujemy wzór zwany prawem Lamberta-Beera:

I_T=I₀10^-βcl

Z prawa Beera wynika, że roztwór, który ma określone stężenie i grubość warstwy, będzie absorbował tyle samo światła, co roztwór o dwa razy większej grubości i dwukrotnie mniejszym stężeniu.

Jeżeli grubość warstwy l pozostaje stała, to absorbancja danej substancji w roztworze jest wprost proporcjonalna do stężenia substancji, czyli wykres zależności absorbancji od stężenia jest liniowy. Prawo Beera zatem pozwala wykorzystać miary absorbancji do analizy ilościowej. Związek pomiędzy stężeniem i absorbancją można ustalić mierząc w tej samej kuwecie absorbancję dla szeregu próbek o różnych, ale znanych stężeniach.

31. Omów trzecie prawo absorpcji.

Prawo addytywności absorpcji. Absorbancja roztworu wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych składników:

A = A₁ + A₂ + … + A_n,

gdzie: A₁ + A₂ + … + A_n - absorbancje poszczególnych składników

Prawo to umożliwia analizę ilościową układów wieloskładnikowych.

32. Jak zależy I_T, czyli ilość światła wypromieniowanego od grubości kuwety?

Po przejściu wiązki światła przez warstwę o grubości dx jego natężenie zmniejszy się o wartość dI, przy czym zmiana ta jest proporcjonalna do natężenia początkowego I i do grubości warstwy dx:

-dl=Iαdx

33. Omów pojęcie transmitancji i absorbancji, podaj wzór oraz porównaj.

Transmitancja - wartość przepuszczalności, jest to stosunek natężenia światła przechodzącego (I_T) do natężenia światła padającego na daną substancję (I₀).

T=I_T/I₀

Wartość T może przyjmować wartości od 0 do 1. Transmitancja jednak najczęściej wyrażana jest w procentach.

T%= I_T/I₀*100%

Absorbancja - dziesiętny logarytm stosunku natężenia światła padającego na daną substancję (I₀) do natężenia światła przechodzącego przez substancję (I_T):

A=log I₀/I_T

Łatwo zauważyć, że między wartościami A i T istnieje zależność:

A= -logT = log 1/T

Teoretycznie absorbancja może przyjmować wartości od zera do nieskończoności, jednak pomiar jest zazwyczaj możliwy od zera do A=1 lub 2.

34. Co to jest analityczna długość fali, jak ją wyznaczamy i po co?

Analityczna długość fali - długość fali, dla której absorbancja osiąga wartość maksymalną. Wyznacza się ją wykonując dla jednego z badanych roztworów pomiar absorbancji w funkcji długości fali. Dane nanosi się na wykres, a otrzymana w ten sposób krzywa pomaga wyznaczyć ADF. Wyznacza się ją w celu określenia stężenia badanego roztworu.

---