Глава 13 измерения показателя преломления

Глава 13 ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

Предлагаемая глава посвящена основам рефрактометрии или, иначе, из­мерениям показателя преломления.

Прежде всего рассмотрены физические основы рефрактометрии, затем конструкция и принцип работы наиболее типичных рефрактометров, мето­ды и средства их поверки и калибровки. Эти вопросы в свое время были весьма подробно освещены в давно опубликованной монографии Б. В. Иоффе и в малотиражной, но весьма интересной работе М. В. Лейкина и др., едва ли доступных нынешнему читателю, интересующемуся проблемами рефрак­тометрии.

В основу изложения положены следующие международные и российские стандарты и рекомендации по основным параметрам, техническим требова­ниям, поверке и калибровке рефрактометров.

ГОСТ 28869-90. Материалы оптические. Методы измерения показателя преломления.

МИ 2129-91. ГСОЕИ. Государственная поверочная схема для средств из­мерений показателя преломления твердых и жидких прозрачных веществ.

ГОСТ 28562-90. Продукты переработки плодов и овощей. Рефрактомет­рический метод определения растворимых сухих веществ.

Рекомендация МОЗМ МР № 108. Рефрактометры для измерения содержа­ния сахарозы во фруктовых соках.

ISO 2173-1978. Fruit and vegetable products-Determination of soluble solids content — Refractometric method.

Инструкция 279-66 по поверке визуальных рефрактометров и др.

Большое практическое значение в настоящее время имеет применение методов рефрактометрии для анализа продуктов пищевой промышленности в испытательных лабораториях сахарного производства, в молочной промыш­ленности — для определения содержания сухого вещества в консервированном молоке и для определения чистоты и жирности молока, в пивоварении, в ви­ноделии, в производстве безалкогольных напитков и соков, при производстве масел, жиров, томатной пасты, при анализе качества меда и т. д.

Важную роль играет рефрактометрия в фармацевтической промышленно­сти и в клинической диагностике. Значительное место рефрактометрические методы анализа занимают в нефтепереработке, нефтехимии, производстве пластмасс и т. д.

Широкому распространению рефрактометрии в качестве одного из важ­нейших методов анализа способствует исключительно ценное совмещение вы­сокой точности, технической простоты и доступности. Показатель преломле­ния принадлежит к числу немногих физических констант, которые могут быть измерены с очень высокой точностью (минимальная погрешность порядка 1 · 10~5) и с небольшой затратой времени.

13. 1. Физические основы рефрактометрии

13. 1. 1. Показатель преломления. Если луч света пересекает границу раздела двух прозрачных однородных сред 1 и 2 (рис. 13. 1), то направление луча изменяется в соответствии с установленным еще в начале XVII в законом преломления. Согласно этому закону, отношение синусов углов падения  и преломления  есть величина постоянная:

                                      (13. 1)

Константа  называется относительным пока­зателем (или коэффициентом) преломления второ­го вещества по отношению к первому.

Волновая теория света устанавливает простую связь показателя преломления со скоростью рас­пространения световых волн в двух средах  и :

                                         (13. 2)

Рис. 13. 1. Преломление лу­ча света на границе двух прозрачных сред

 

Показатель преломления вещества по отношетелем преломления. Из формулы (13. 2) следует, что абсолютный показатель преломления вещества n равен отношению скорости света в пустоте с = 3 · 10¹⁰ см/с к скорости света в веществе ν:

                                                                (13. 3)

Относительный показатель преломления , согласно (13. 2) и (13. 3), ра­вен отношению абсолютных показателей преломления веществ  и :

                                                   (13. 4)

При измерении показателей преломления жидких и твердых тел обыч­но определяются их относительные показатели преломления по отношению к воздуху лабораторного помещения.

Показатель преломления вещества определяется его природой, но зависит также от внешних условий (главным образом от температуры) и от длины вол­ны света. Длину волны указывают подстрочным индексом, а температуру — надстрочным индексом справа. Например, символ  означает показатель преломления при 20 °С для желтой линии натрия с длиной волны 589, 3 нм. Вместо длины волны часто употребляемых спектральных линий обычно ука­зывают их буквенные обозначения. Так, например, ,  ,  обозначают показатели преломления при 20 °С для линии D натрия и линий С и F водо­рода. Длины волн и обозначения наиболее употребляемых в рефрактометрии спектральных линий приведены в табл. 13. 1.

13. 1. 2. Полное внутреннее отражение света. Предельный угол.

Согласно закону преломления света (13. 1), при  имеем  и, следовательно, - Отсюда следует, что при преломлении

 

Таблица 13. 1. Обозначения и длины волн спектральных линий, наиболее часто применяемых в рефрактометрии

 

Цвет линии	Элемент	Обозначения линий	Длина волны, мкм
Красная	Калий	А'	766, 5
Красная	Кислород	А	760, 8
Красная	Гелий	В	706, 5
Красная	Литий	—	670, 8
Красная	Гелий	г	667, 8
Красная	Водород	С, На, а	656, 3
Красная	Кадмий	С	643, 8
Красная	Неон	—	632, 8
Желтая	Натрий	D	589, 3
Желтая	Гелий	d, D3, f	587, 6
Желтая	Ртуть	—	579, 1
Желтая	Ртуть	—	577, 0
Зеленая	Ртуть		546, 1
Зеленая	Таллий	—	535, 0
Зеленая	Кадмий	—	508, 6
Зеленая	Гелий	ν	501, 6
Сине-зеленая	Гелий	—	492, 2
Голубая	Водород	F, Щ, β	486, 1
Голубая	Кадмий	F'	480, 0
Синяя	Гелий	с	471, 3
Синяя	Кадмий	—	467, 8
Сине-фиолетовая	Гелий	i	447, 1
Сине-фиолетовая	Ртуть	g	435, 8
Фиолетовая	Водород	g', H7, 7	434, 0
Фиолетовая	Ртуть	h	404, 7
Фиолетовая	Кальций	Η	396, 8

света угол i₂ не может быть больше некоторого значения φ < 90°, соответ­ствующего i₁ = 90°, и определяемого непосредственно вытекающим из закона преломления соотношением

                                                 (13. 5)

Луч, падающий из среды с большим показателем преломления на границу раздела с менее преломляющей средой под углом , не проникает в среду , не преломляется, а полностью отражается (рис. 13. 2). Это явление, называемое полным внутренним отражением, было известно давно и отмечено Кеплером еще до открытия закона преломления света.

 

Рис. 13. 2. Явление полного внутреннего отражения

 

При  происходит преломление луча, сопровождающееся частичным отражением от границы раздела. Значение  называется предельным, или критическим, углом.

Лучи, падающие на границу раздела из более преломляющей среды ( ) под углом, превышающим φ (предельный угол), полностью отра­жаются от границы раздела.

13. 1. 3. Определение показателей преломления методом пре­дельного угла. Предельный угол на границе двух веществ зависит только от показателей преломления этих веществ (13. 5). Следовательно, если известен показатель преломления одного вещества, то показатель преломления другого вещества можно определить, измерив предельный угол :

                                     (13. 6)

Удобство этого способа состоит в том, что требуется измерение только одного угла, а исследуемому телу не надо придавать строго определенную гео­метрическую форму, так как для наблюдения полного внутреннего отражения важно лишь наличие плоской границы раздела двух сред.

Существенной деталью большинства рефрактометров, основанных на определении предельного угла, является измерительная призма из оптическо­го стекла с точно известным показателем преломления N. Одна из граней

поле зрения трубы оказывается разделенным на освещенную и темную части, граница между которыми соответствует предельному лучу.

Формулу, связывающую угол β с показателем преломления исследуемого вещества n, нетрудно получить, рассматривая преломление предельного луча измерительной призмы (так называе­мая входная грань) приводится в оп­тический контакт с измеряемым образ­цом, имеющим неизвестный показатель преломления п, и служит границей раз­дела, на которой происходит прелом­ление и полное внутреннее отражение.

 

Рис. 13. 3. Принципиальная схема рефрак­тометра, основанного на измерении пре­дельного угла

 

Преломление или отражение света на этой грани наблюдается в зрительную трубу обычно через вторую (выходную) грань призмы (рис. 13. 3).

При рассматривании вышедших из призмы лучей, близких к предельному на гранях призмы:

                                             (13. 7)

Эта формула лежит в основе всех расчетов при измерениях методом пре­дельного угла на призме.

⇐ Предыдущая43444546474849505152Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: