Wyznaczanie współczynnika załamania światła w cieczy przy pomocy refraktometru.

Data:20.10.2004 Piotr Falkowski

1. Falowa natura światła. Fala świetlna składa się z drgań pól: elektrycznego i magnetycznego, przy czym za oddziaływanie z materią odpowiedzialne są przede wszystkim drgania pola elektrycznego

2. Współczynnik załamania światła, jest to parametr makroskopowy, tzn. charakteryzuje cała, składającą się całkowitego bardzo dużej liczby cząsteczek, próbkę badanej substancji. Fala świetlna oddziaływuje na materie pobudzając elektrony ośrodka do drgań, prowadzi to do wytworzenia nowej fali elektromagnetycznej. Zatem światło, jakie przechodzi przez ośrodek składa się z dwóch fal: tej części fali wysłanej ze źródła, która nie została pochłonięta lub odbita oraz fali, której źródłem jest ośrodek-ściślej jego elektrony. Załamanie światła jest więc wynikiem reakcji elektronów ośrodka na działanie fali świetlnej-przede wszystkim jej składowej elektrycznej. Współczynnik załamania światła substancji w stanie ciekłym zależy od jej stężenia c.

Bezwzględny współczynnik załamania światła dany jest wzorem 

v - prędkość światła w danym ośrodku
c - prędkość światła w próżni (c = 299 792 458 m/s)
n - bezwzględny współczynnik załamania

Znajomość bezwzględnych współczynników załamania umożliwia szybkie obliczenie prędkości światła w danych ośrodku, wg wzoru:

 

Względny współczynnik załamania

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

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

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

n₁₂ - 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.

W przypadku, gdy nie ma dokładnego stwierdzenia o jaki współczynnik chodzi, najczęściej samo wyrażenie "współczynnik załamania" należy rozumieć jako "bezwzględny współczynnik załamania".

3. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia, jeżeli kąt padania w ośrodku gęstszym jest większy od kata granicznego, promień nie może przejść do ośrodka rzadszego(nie może się załamać) - na granicy ośrodków występuje wówczas całkowite wewnętrzne odbicie, promień padający odbija się pod kątem równym kątowi padania.

4. Kąt graniczny jest to taki kąt, kiedy podczas przechodzenia światła z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka rzadszego dla pewnego kata padania γ, kat załamania jest równy 90^o

5. Prędkość światła w ośrodkach o różnej gęstości optycznej. W dowolnym ośrodku, fotony oddziałują z atomami, m.in ulegają absorbcji i następnie emisji. O ile zasadniczo poruszają się one zawsze z prędkością światła, to obserwowana makroskopowo prędkość światła w ośrodku jest mniejsza niż
.

6. 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 równym 1,5 ma większą gęstość optyczną niż woda o bezwzględnym współczynniku załamania wynoszącym ok. 1,33.

7. Refraktometria, nazywana też analizą refraktometryczną, należy do fizyko-chemicznych metod analizy substancji, w których wykorzystano istniejące związki pomiędzy parametrami fizycznymi badanej substancji a jej składem i budową chemiczną. W przypadku refraktometrii przedmiotem bezpośredniego pomiaru jest współczynnik załamania światła

8. 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.

9. Refrakcja molowa, wielkość niezależna od temperatury, ciśnienia, stanu skupienia charakteryzująca substancję chemiczną.

---