5_3 (810500), страница 2
Текст из файла (страница 2)
На рис. 5 представленвнешний вид рефрактометра Аббе ИРФ-22.Измерение показателя преломления провоeдят в следующем порядке. Откинув призмуРис. 4. Измерение покаP1 , с помощью пипетки помещают каплю исзателя преломления твёрследуемой жидкости на поверхность призмыдых телP2 . Возвратив призму P1 в исходное положение, направляют свет от осветителя на граньbf верхней призмы P1 (при измерениях по методу скользящего луча) илис помощью зеркала M1 — на грань ed нижней призмы P2 (при измерениях по методу полного внутреннего отражения). В первом случае шторкаL должна закрывать грань ed призмы P2 , а во втором её необходимоотвести в сторону.С помощью зеркала M2 направляют свет от окна в лаборатории (илиот осветительной лампы) на шкалу показателей преломления, находящуюся за матовым стеклом в корпусе прибора.
Яркость освещения шкалыподбирают, наблюдая её изображение через окуляр Л2 . Вращая блокпризм P1 и P2 с помощью ручки H1 , приводят границу света и темноты67fЛ2P1П1Л1П2FrпрP2eПSbdacM190◦Рис. 3. Ход лучей в рефрактометре при измерении показателя преломленияжидкости методом полного внутреннего отражения(или света и полутени) в поле зрения окуляра; вращая ручку H2 компенсатора, добиваются того, чтобы эта граница была резкой. После этогопо шкале определяют величину показателя преломления.Следует иметь в виду, что рабочие поверхности призм P1 и P2 легкоповредить, поэтому при работе с ними необходима осторожность. Чтобыполучать правильные значения показателей преломления, необходимоперед каждым опытом тщательно очищать рабочие поверхности призм.Приступая к измерениям, необходимо прежде всего убедиться в правильной работе прибора.
Такую проверку проще всего выполнить, измеривпоказатель преломления вещества с известным показателем преломления. Для этого к каждому прибору придается эталонная стекляннаяпластинка с известным nD . В правильности работы прибора можно убедиться и в отсутствие такой пластинки, измеряя, например, показательпреломления дистиллированной воды, для которой (при t = 20 ◦ C) nD == 1,33291. Если измерение даёт другой результат, следует определитьпоправку к шкале.Абсолютная погрешность прибора по паспорту ±2 · 10−4 .
Область измерения в проходящемсвете 1,3–1,7, в отражённом свете 1,3–1,57.При визуальном отсчёте пошкале наблюдатель, вообще говоря, допускает небольшие ошибки, в результате которых измеренные значения для одногои того же вещества в разныхопытах не вполне точно совпадают между собой (случайныйразброс). Рекомендуется поэтому проводить в каждом случаенесколько измерений показателяпреломления и определять среднее значение.Рефрактометрия. Показателипреломления жидких и твёрдыхтел могут измеряться с большойточностью. При данной температуре и для данной длины волныони являются важнейшими по-Рис.
5. Рефрактометр Аббе8стоянными, характеризующими вещество. Измерение показателей преломления может быть использовано для исследования веществ, — соответствующий раздел науки носит название рефрактометрии. Обычноизмерения проводятся для D-линии натрия.В основе рефрактометрического метода исследования лежит так называемая формула Лоренц–Лорентца (см., например, [1]), связывающаяпоказатель преломления n изотропного вещества с числом молекул Nв единице объёма и поляризуемостью α молекул вещества:1n2 − 1= N α.2n +23(2)Формула (2) позволяет находить α по измерениям показателя преломления вещества n.
Из неё следует, что для данного химического вещества(и для света с заданной длиной волны) выполняется соотношениеr=1 n2 − 1= const,ρ n2 + 2(3)где ρ — плотность вещества, пропорциональная концентрации молекулN . Величина r называется удельной рефракцией. Таким образом, из формулы Лоренц–Лорентца (2) следует, что удельная рефракция веществане должна зависеть от плотности.
Хотя вывод формулы Лоренц–Лорентца опирается на ряд не вполне оправданных допущений (см. [1, 3]), формула (3) на опыте обычно хорошо выполняется. Так, для воздуха приизменении давления на несколько сотен атмосфер удельная рефракцияизменяется не более чем на 0,1%. Нередко удельная рефракция остаётся практически постоянной даже при изменении агрегатного состояниявещества (например, при замерзании воды).Опыт показывает также, что удельную рефракцию r смеси веществможно вычислить, если известны рефракции r1 , r2 , ... её отдельных компонентов и их процентное содержание c1 , c2 , ...
в смеси:r=c2c1r1 +r2 + . . .100100(4)Это означает, что оптическое поведение молекул каждого компонентапрактически не зависит от присутствия других компонентов.Существует эмпирическое правило, согласно которому рефракциюсложного химического соединения можно вычислить, складывая рефракции составляющих его элементов. Для каждого элемента удобноввести понятие атомной рефракции R, представляющей произведение9ЗАДАНИЕудельной рефракции r данного элемента на его атомную массу A:R = Ar =A n2 − 1.ρ n2 + 1(5)1.Аналогично вводится молекулярная рефракция химического соединенияRМ :M n2 − 11RМ = M r =(6)= NA α.2ρ n +132.Здесь M — молекулярная масса, NA — постоянная Авогадро.Опыт показывает, что во многих случаях молекулярная рефракцияобладает свойством аддитивности:3.RМ = q 1 A1 r1 + q 2 A2 r2 + .
. . = q 1 R1 + q 1 R2 + . . . ,(7)где q1 , q2 , . . . — числа атомов элементов, входящих в состав молекулы.Аддитивность молекулярной рефракции означает, что взаимодействиеотдельных атомов с полем световой волны в первом приближении независит от других атомов, входящих в состав той же молекулы. Нарушение аддитивности позволяет судить о взаимном влиянии атомов другна друга и, следовательно, делать заключение о строении молекул.В нашей работе исследуются рефракции соединений из углерода, водорода и кислорода: воды (H2 O), глицерина (C3 H8 O3 ), этилового спирта(C2 H6 O) и метилового спирта (CH4 O).
Если на опыте измерить показатели преломления трёх из этих соединений (например, воды, глицеринаи этилового спирта), то, используя аддитивность молекулярной рефракции, можно вычислить. показатель преломления любого другого соединения из углерода, водорода и кислорода (например, метилового спирта). Для этого нужно сначала вычислить по формуле (6) молекулярныерефракции воды, глицерина и этилового спирта (по измеренным значениям показателей преломления), а затем рассчитать атомные рефракцииRC , RH и RO , используя соотношенияRH2 O = 2RH + RO ,RC3 H8 O3 = 3RC + 8RH + 3RO ,RC2 H6 O = 2RC + 6RH + RO .5.6.7.(8)По найденным значениям атомных рефракций RC , RH и RO можно найти молекулярную рефракцию метилового спирта и определить ожидаемую величину его показателя преломления.
Аналогичным образом могут быть рассчитаны показатели преломления других соединений из углерода, водорода и кислорода.104.8.9.В работе предлагается измерить показатели преломления несколькихстёкол и жидкостей.Перед каждым измерением тщательно протрите рабочую поверхностьпризмы чистой сухой салфеткой, затем нанесите на поверхность каплюдистиллированной воды и снова протрите призму.Проделайте серию контрольных измерений показателя преломления дистиллированной воды (или эталонной стеклянной пластины) и убедитесьв правильной работе прибора. Найдите систематическую ошибку прибора и оцените случайную ошибку, возникающую при измерении (однократном) показателя преломления.Измерьте показатели преломления 2–3-х стеклянных образцов (по указанию преподавателя), используя как метод скользящего луча, так и методполного внутреннего отражения.
Во избежание возникновения царапинна измерительной призме стеклянный образец кладётся на ровный тонкий слой монобромнафталина, покрывающий всю поверхность призмы.Монобромнафталин капают из пипетки на призму прибора и придавливают стеклянным образцом до возникновения ровного по всему полюнаблюдения слоя жидкости.Для каждого образца проведите измерения не менее 5-ти раз каждымметодом и оцените точность каждого метода. Сравните результат с точностью прибора по паспорту.Аналогичным образом измерьте показатели преломления глицерина иэтилового спирта.По экспериментальным значениям показателей преломления вычислитепо формуле (6) молекулярные рефракции воды RH2 O глицерина RC3 H8 O3и этилового спирта RC2 H6 O и поляризуемости α молекул этих веществ.(Поляризуемость α определяется формулой α = p/ε0 E, где p — электрический момент молекулы, E — напряжённость электрического поля,ε0 — электрическая постоянная.)С помощью системы уравнений (8) вычислите атомные рефракции углерода RC , водорода RH и кислорода RO .Предполагая справедливым правило аддитивности, вычислите молекулярную рефракцию метилового спирта RCH4 O и с помощью формулы (6)найдите его показатель преломления.
Сравните вычисленное значение стабличным.Используя вычисленные значения рефракций для воды RH2 O и углерода RC , рассчитайте показатели преломления льда и алмаза. Сравнитеполученные значения с табличными. (Для алмаза n ≈ 2,42; для льда11n = 1,31; Кэй Д., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. — М.: Физматгиз, 1962, с. 91.)Контрольные вопросы1. Что называется полным внутренним отражением?2. Для чего грани ab и ed призм P1 и P2 делают матовыми?3. При каких условиях слой жидкости между исследуемым твёрдым образцом ипризмой P2 не влияет на измеренное значение показателя преломления?4. Что называется атомной и молекулярной рефракцией? Сформулируйте правило аддитивности для рефракций.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.
Ландсберг Г.С. Оптика. — М.: Наука, 1976. Гл. XXIV, § 137; гл. XXVIII, § 156.2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. IV. Оптика. — М.: Наука, 1980, § 84.3∗. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1970. Гл. II, §§ 2, 3.4∗. Дитчберн Р. Физическая оптика. — М.: Наука, 1965. Гл. 14, 15.12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
