Теория работы

Луч света при переходе через границу двух сред изменяет свое направление распространения. Это явление называется преломлением или рефракцией света.

Рассмотрим законы отражения и преломления света.

Законы отражения света:

1.Луч падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения.

2.Угол падения α равны углу отражения, см. рис.1.

Законы преломления света:

1.Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падение, лежат в одной плоскости.

2.Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред:

, (1)

где и - скорость света в первой и второй средах, соответственно n_2,1 – показатель преломления второй среды относительно первой (относительный показатель преломления).

Отношение скорости света в вакууме к скорости его распространения в данной среде называется абсолютным показателем преломления n среды: . Тогда , т.е. относительный показатель преломления сред равен отношению абсолютных показателей преломления этих сред.

Если свет переходит из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления, то в соответствии с (1), угол падения будет больше угла преломления. При падении луча под наибольшим возможным углом (α = , т.е. луч скользит вдоль границы раздела сред), угол преломления β_пр будет наибольшим для данных сред и называется предельным углом преломления (рис.2).

Подставляя α = 90⁰ и β_пр в (1), получим: (2), откуда: .

Используя последнее выражение, можно найти показатель преломления исследуемой жидкости.

Если свет переходит из оптически более плотной среды в среду оптически менее плотную, то угол преломления будет больше угла падения. С увеличением угла падения увеличивается и угол преломления (рис.3) до тех пор, пока при некотором угле падения α = α_пр угол преломления окажется равным . Угол α_пр – предельный угол полного отражения. При углах падения α > α_пр весь падающий свет полностью отражается в первую среду (полное внутреннее отражение).

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для различных веществ в растворе зависит от их показателей преломления, определяемых концентрацией раствора.

Это нашло применение в рефрактометрах – приборах для измерения показателя преломления веществ. Рефрактометры используют при определении общего белка сыворотки крови, чистоты воды и других веществ, для идентификации веществ; определения растворимости; рефрактометрического детектирования веществ в жидкостной хроматографии и особенно при изучении жидких и растворимых соединений.

При взаимодействии света (электромагнитная волна) с диэлектриками, под воздействием электрической составляющей волны происходит поляризация диэлектрика – процесс ориентации диполей или появления под действием электрического поля ориентированных по полю диполей.

Степень поляризации диэлектрика характеризуют дипольным моментом единицы объема (вектор поляризации или поляризованность среды), который равен произведению дипольного момента каждой молекулы на число молекул N в единице объема:

= ∙N.

Момент диполя = . Для большинства диэлектриков поляризованность - прямо пропорциональна напряженности Е электрического поля в диэлектрике: = , где α – коэффициент поляризуемости или просто поляризуемость, характеризующая строение молекулы. Учитывая, что в диэлектриках различают поляризацию трех видов (электронную, ориентационную, ионную), полную поляризуемость α можно представить как сумму: α = α_эл+ α_ор+ α_и. В области оптических частот α_ори α_и можно пренебречь и считать, что α α_эл.

В основе рефрактометрического метода исследования вещества лежит формула Лоренц-Лорентца, связывающая показатель преломления n изотропного вещества с числом Авогадро N_A, молярной массой М, поляризуемость α_эл молекул вещества:

, (3)

где R_М молекулярная рефракция вещества. Выражение:

(4)

называется удельной рефракцией вещества.

Для каждого элемента удобно ввести понятие атомной рефракции R = rA = (5) (А – атомная масса) и молекулярной рефракции R_М = rМ = (6). Опыт показывает, что во многих случаях молекулярная рефракция обладает свойством аддитивности:

R_М = g₁A₁r₁ + g₂A₂r₂ + …= g₁R₁ + g₂R₂ +… (7)

где g₁ >g_2… - число атомов элемента, входящего в состав молекулы.

Аддитивность молекулярной рефракции означает, что взаимодействие отдельных атомов с полем световой волны не зависит от других атомов, входящих в состав той же молекулы.

В работе исследуется рефракции соединений из углерода, водорода и кислорода: вода (H₂O), глицерин (С₃Н₈О₃), этиловый спирт (С₂Н₆О), алмаз (С) и лед (Н₂О). Если измерить показатели преломления первых трех соединений, то, используя аддитивность молярной рефракции, можно вычислить показатель преломления любого другого соединения из углерода, водорода и кислорода, например, алмаза и льда. Для этого по измеренным показателям преломления воды, глицерина и спирта необходимо вычислить по формуле (6) молекулярные рефракции этих веществ, а затем рассчитать атомные рефракции R_c , R_H и R_o, решив систему из 3-х уравнений с 3-мя неизвестными:

= 2R_H + R_O

= 3R_C + 8R_H + 3R_O

= R_C + 6R_H + R_O

По найденным значениям R_C, R_H, R_O можно найти молекулярную рефракцию льда и алмаза и вычислить по формуле (6) ожидаемые величины их показателей преломления (значения ρ и М берутся из таблиц).