ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕФРАКТОМЕТРИИ

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕФРАКТОМЕТРИИ

Преломление световых лучей на границе двух прозрачных сред n1 и n2: i1 и i2 — углы падения лучей 1 и 2, α₁ и α₂ — углы преломления, α₂ — предельный угол преломления (α₂ = 90°). При обратном направлении хода лучей (из среды n2 в среду n1) угол а2 называется углом полного внутреннего отражения (при углах, больших α₂, свет не будет проходить в среду n1).

Для каждой среды n — величина постоянная, не зависящая от угла падения. На практике п обычно определяют при падении света на преломляющую среду из воздуха. Поскольку величина n зависит от длины волны света и температуры, то при п обычно указывают длину волны света или обозначение спектральной линии, при которой производилось


D
измерение, напр., n²⁰ означает, что n измерено при длине волны 589,3 нм

(желтая линия натрия) и температуре, равной 20°. На практике часто используют величину, являющуюся функцией показателя преломления и называемую рефракцией. Рефракция, отнесенная к одному грамму вещества, называется удельной рефракцией (r):

r = [(n² - 1)/(n²+2)]*(1/d) (1)

Рефракция, отнесенная к одному молю вещества, называется молекулярной рефракцией (R):

R = [(n² - 1)/(n²+2)]*(M/d) (2)

где d — удельный вес вещества, М — молекулярный вес.

Молекулярная рефракция складывается из рефракций, входящих в молекулу атомов, характерна для каждого вещества и позволяет, в частности, идентифицировать состав жидкостей (с точностью до 0,01%), проводить количественный анализ (при расходе вещества 0,001 —0,1 г), изучать строение молекул, определять градиенты концентраций вещества при седиментации, электрофорезе, диффузии.

По способу измерения n различают несколько методов Р., основными из которых являются: 1) методы прямого измерения углов при прохождении луча света через границу раздела двух сред; 2) интерференционные методы;

3. 
   иммерсионные методы.
   

n_x = sin([φ + δ]/2) / sin(φ/2). (3)

Большее распространение получил метод определения показателя преломления (nх) образца путем измерения предельного угла преломления или угла полного внутреннего отражения на границе образца и призмы с точно известным показателем преломления (n₀), большим, чем n_х (рис. 3). Исследуемую жидкость наливают в прозрачный сосуд, установленный на поверхности призмы (в случае твердого тела одна поверхность его полируется на плоскость, а между этой плоскостью и поверхностью призмы помещают каплю жидкости, которая растекается в тонкий плоскопараллельный слой).

В одном варианте метода (рис. 3, а) граница соприкосновения исследуемого образца освещается широким пучком света со стороны образца, а в другом — со стороны одной из граней призмы (рис. 3, б). Расчет производится по формуле

n_x = n₀sin(а), (4)

где а — предельный угол преломления, соответствующий углу падения луча света i = 90°, n₀ — известное значение угла преломления призмы, n_х — искомое значение показателя преломления.

На практике обычно измеряют не предельный угол преломления, а угол выхода предельного луча из призмы в воздух β. В этом случае

n_х = sinφ √(n₀² - sin²β) ± cosφsinβ, (5)

где φ — угол преломления призмы (остальные обозначения те же).

Наиболее чувствительным является интерференционный метод измерения показателей преломления. Если луч света определенной длины волны от одного источника света разделить на два параллельных луча и затем их свести вместе, то при наличии постоянной разности фаз между колебаниями электромагнитных волн в одном луче относительно другого в

плоскости пересечения лучей будет наблюдаться интерференция. Помещение на пути одного луча кюветы с исследуемым веществом, а на пути другого такой же кюветы с эталонным веществом (т. е. показатель преломления n_э к- рого точно известен) приводит к смещению интерференционной картины на m полос по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом. В этом случае значение nх рассчитывают по формуле:

n_х = n_э ± mλ/l, (6)

где λ — длина волны света, l — длина кюветы.

Наибольшее распространение этот метод получил при Р. Газообразных и жидких прозрачных веществ, определении количества примесей, концентраций разбавленных растворов и т. д.

При Р. Преломления твердых тел, не имеющих определенной формы (напр., порошков, кусков стекла и др.), используется иммерсионный метод, основанный на подборе эталонной иммерсионной жидкости с показателем преломления, равным показателю преломления исследуемого образца (n_э-n_х). При помещении исследуемого образца в эту жидкость он становится

«невидимым».

При иммерсионном методе заранее готовится набор эталонных жидкостей, в которые последовательно вводится исследуемый образец. При достижении оптической однородности среды измеряют показатель преломления жидкости с помощью одного из описанных выше методов. Как правило, наблюдение с помощью иммерсионного метода ведется под микроскопом.

Рефракто метр — прибор, измеряющий показатель преломления света в среде.

Рефрактометр – не универсальный прибор, он пригоден для измерения показателей преломления только в определённых пределах. Верхний предел определяется неравенством n˂N, т.е. измеряемый показатель преломления n должен быть меньше показателя преломления N измерительной призмы. Нижний предел зависит от конструкции прибора.

Рефрактометры бывают промышленные, лабораторные, портативные.

Основные приложения рефрактометрии.

1. 
   Анализ и контроль технологических процессов. Рефрактометрические константы могут служить критерием чистоты вещества и являются средством идентификации. Например, по показателю преломления можно непосредственно установить концентрацию двухкомпонентных растворов, анализировать тройные и более сложные смеси и определять, таким образом, состав многих важных промышленных продуктов и биологических объектов.
   
2. 
   Изучение взаимодействия и превращения компонентов химических систем при физико-химическом анализе органических систем, комплексообразовании и реакций в растворах электролитов, фазовых превращениях, в химической кинетике и при оценке реакционной способности.
   
3. 
   Установление строения химических соединений.
   
4. 
   Использование соотношений между рефрактометрическими константами и другими физико-химическими свойствами дает возможность определить такие величины, как моменты электрических диполей; молекулярную массу полимеров, плотность вещества, изменение объема и коэффициентов расширения, а также оценить размеры молекул, ионов, атомов.