Data: 14.10.2010	Temat: Pomiar współczynnika załamania światła za pomocą refraktometru Abbego.	Zaliczenie:
Grupa nr 4 Analityka medyczna 19, I rok	Osoby wykonujące ćwiczenie: Konstancja Stuła, Agnieszka Bitnerowska, Martyna Średniawa, Anna Jochymek

1. WSTĘP TEORETYCZNY:

Prawo odbicia światła - zjawisko odbicia światła od powierzchni oddzielającej dwa przylegające ośrodki izotropowe, niezależnie od kształtu powierzchni odbijającej (powierzchnia płaska, sferyczna itp.), które podlega następującym prawom:

1. promień padający, odbity oraz prostopadła do powierzchni odbijającej , wyprowadzona z punktu padania promienia, leżą w jednej płaszczyźnie,

2. kąt padania jest równy kątowi odbicia.

Kąt padania - jest to kąt zawarty między kierunkiem promienia padającego, a normalną do powierzchni odbijającej.

Kąt odbicia - jest to kąt zawarty miedzy kierunkiem promienia odbitego, a normalną do powierzchni odbijającej.

Prawo załamania światła - zjawisko to polega na zmianie kierunku promienia świetlnego przy przejściu przez granice dwóch ośrodków o różnej gęstości optycznej. Załamanie światła na granicy dwóch ośrodków izotropowych podlega następującym prawom (prawa Snelliusa):

1. promień padający, załamany oraz prostopadła do płaszczyzny oddzielającej oba ośrodki, przeprowadzona w punkcie padania, leżą w jednej płaszczyźnie,

2. stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania (sin α / sin β) równa się stosunkowi prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku pierwszym v₁ do prędkości światła w ośrodku drugim v₂.

Kąt załamania - jest to kąt zawarty miedzy kierunkiem promienia załamanego, a prostopadła do powierzchni ograniczającej oba ośrodki, przeprowadzoną w punkcie padania promienia.

W określonych warunkach fizycznych (temperatura, ciśnienie), stosunek sin α / sin β jest stały dla dwóch ośrodków i dla danego rodzaju promieniowania i nie zależy od kata padania promienia świetlnego.

Stała, określona stosunkiem:

nosi nazwę względnego współczynnika załamania lub współczynnika refrakcji (n_2/1) ośrodka drugiego względem ośrodka pierwszego.

Gdy jednym z ośrodków jest próżnia, współczynnik załamania określany jest jako bezwzględny współczynnik załamania (N lub n_vac) i wyraża stosunek prędkości rozchodzenia się światła w próżni c do prędkości v₂ rozchodzenia się światła w danym ośrodku.

Wartości bezwzględnych współczynników załamania (N) określane SA w stosunku do próżni głównie gazów. W przypadku cieczy i ciał stałych wyznaczane SA one w stosunku do powietrza i oznaczane symbolem n. Ze względu na znikome różnice w prędkościach światła w próżni i w powietrzu, wartości współczynników N i n niewiele się różnią.

Ponieważ bezwzględny współczynnik załamania ośrodka pierwszego równa się:

a ośrodka drugiego:

więc względny współczynnik załamania ośrodka drugiego względem ośrodka pierwszego jest równy:

Z dwóch ośrodków, ośrodek o większym współczynniku załamania i mniejszej prędkości rozchodzenia się światła jest ośrodkiem optycznie gęstszym, ośrodek o mniejszym współczynniku załamania, w którym światło rozchodzi się z większą prędkością, jest ośrodkiem optycznie rzadszym.

Przy przejściu promienia świetlnego z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka rzadszego, kąt załamania jest większy od kąta padania (rys.2a). Przy przejściu promienia z ośrodka

o mniejszej gęstości optycznej do ośrodka o większej gęstości odwrotnie - kąt załamania jest mniejszy od kata padania (rys. 2b).

Kat padania α, dla którego kat załamania β w danym ośrodku wynosi 90^o, nazywany jest katem granicznym δ tego ośrodka. Gdy wartość kata padania przekracza wartość kata granicznego danego ośrodka (α > δ), światło padające ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu pod kątem równym kątowi padania (α = β).

Dla zaistnienia zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia w danym ośrodku muszą zatem być spełnione następujące warunki:

1. promień padający musi przechodzić z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego,

2. kąt padania promienia musi być większy od kata granicznego dla tego ośrodka.

Gdy promień przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do ośrodka optycznie gęstszego

i pada na powierzchnię graniczną między dwoma ośrodkami pod katem 90^o, ulega załamaniu pod katem równym katowi granicznemu (α = 90^o, β = δ). Obserwacja pola widzenia lunetą skierowaną na promień świetlny załamany w tych warunkach (np. w refraktometrze) uwidacznia podział pola na część jasną i ciemną, rozgraniczenie obu części stanowi kąt graniczny, wzdłuż którego przebiega promień załamany (rys. 4). W tych warunkach, gdy

α = 90^o : β = δ i współczynnik załamania danego ośrodka równa się:

Refrakcja molowa ( R_M) - jest to wielkość określająca zależność współczynnika załamania światła n od gęstości danej substancji ρ w odniesieniu do 1 mola tej substancji. Jest to parametr wygodny do opisu wpływu wiązań utworzonych przez elektrony walencyjne na wielkość współczynnika załamania. W odróżnieniu od współczynnika załamania, który jest wielkością niemianowaną, refrakcję molową wyraża się w m³. Można ją opisać następującym równaniem:

gdzie M - masa cząsteczkowa. W użyciu jest również nazwa refrakcja molekularna, która podkreśla związek tej wielkości z cząsteczką jako taką. Refrakcja molowa zależy od długości fali światła stosowanego do pomiaru współczynnika załamania, nie zależy natomiast od temperatury i ciśnienia.

2. PRZYRZĄDY I ODCZYNNIKI:

- refraktometr Abbe-go,

- woda destylowana,

- roztwory glukozy o różnych stężeniach (1%, 2%, 3%, 4%, 5%).

Refraktometr Abbego - głównym elementem składowym tego refraktometru jest kostka składająca się z dwóch pryzmatów. Do oświetlenia układu optycznego służy zewnętrzne źródło światła dziennego lub sztucznego (żarówka). Obra pryzmaty, miedzy, którymi umieszcza się substancję badaną, wykonane SA z grubego szkła o dużym współczynniku załamania. Pryzmat dolny, mający matowa powierzchnię wewnętrzną, jest pryzmatem oświetleniowym (pomocniczym), pryzmat górny, o gładkiej powierzchni wewnętrznej, jest pryzmatem pomiarowym (refraktometrycznym). Światło ze źródła zewnętrznego zostaje skierowane za pomocą lusterka na pryzmat dolny, gdzie ulega rozproszeniu w różnych kierunkach, przechodzi przez warstwę badanej cieczy i w postaci padających pod różnym kątem promieni pada na gładką powierzchnię górnego pryzmatu. Ponieważ substancja badana jest optycznie rzadszym ośrodkiem w stosunku do szkła pryzmatów, promienie, które padają na powierzchnie pryzmatu górnego pod katem większym od granicznego (3), zostają całkowicie odbite i pochłonięte, a do pryzmatu górnego przedostała się tylko promienie załamane (1). Promienie, których kąt padania w cieczy badanej wynosi 90^o (2), załamują się w pryzmacie pod katem granicznym i dzielą pole widzenia na część jasną i ciemną. Część jasna pola oświetlona jest przez promienie załamane pod katem mniejszym od kata granicznego, część ciemna - promieniami padającymi pod katem większym od kata granicznego. Granica między obu częściami odpowiada dokładnie kątowi granicznemu. Po przejściu przez pryzmat kierujący, promienie załamane w górnym pryzmacie przechodzą przez lunetę, a stamtąd do okularu. Luneta wyposażona jest w układ kompensacyjny, składający się z pryzmatów Amiciego, których rola polega na zlikwidowaniu aberracji chromatycznej i uzyskaniu ostrej linii odgraniczającej jasna i ciemna część pola. Przez obrót kostki pryzmatów wokół osi przechodzącej przez środek płaszczyzny warstwy badanej cieczy za pomocą pokrętła ustawia się linie graniczną oby pól na środek krzyża widocznego

w okularze lunety (okular prawy) i w okularze mikroskopu (okular lewy) odczytuje się współczynnik załamania badanej cieczy.

3. WYKONANIE ĆWICZENIA:

1. Nałożenie przygotowanych roztworów glukozy na pryzmat refraktometru Abbe'go za pomocą bibułki cienkie warstwy. Zamknięcie oprawy z pryzmatem nakrywkowym. Odczekanie chwili, aby temperatury cieczy i pryzmatów zrównały się.

2. Wykonanie pomiaru po odpowiednim ustawieniu oświetlenia (odczytanie współczynnika załamania światła roztworów glukozy i procentowe zawartości cukru w roztworach). Pomiar powtórzyć 4-krotnie dla danego roztworu glukozy. Za każdym razem przed nałożeniem roztworu należy oczyścić powierzchnię pryzmatu za pomocą watki z wodą.

3. Obliczenie średniej arytmetycznej współczynnika załamania światła dla poszczególnych roztworów glukozy.

Wyniki pomiarów i średnie współczynników załamania roztworów glukozy przedstawia poniższa tabela:

Badane ciecze Liczba pomiarów, średnia cieczy	Woda destylowanaanna	Glukoza 1%	Glukoza 2%	Glukoza 3%	Glukoza 4%	Glukoza 5%
I pomiar	1,3345	1,3378	1,3425	1,3441	1,3478	1,3490
II pomiar	1,3340	1,3365	1,3432	1,3456	1,3482	1,3482
III pomiar	1,3341	1,3360	1,3411	1,3472	1,3485	1,3496
IV pomiar	1,3338	1,3392	1,3426	1,3463	1,3479	1,3487
Średnia arytmetyczna	1,3341	1,3374	1,3424	1,3458	1,3481	1,3489

Procentowe zawartości cukru w badanych roztworach przedstawia poniższa tabela:

Badane ciecze Liczba pomiarów, średnia cieczy	Woda destylowanaanna	Glukoza 1%	Glukoza 2%	Glukoza 3%	Glukoza 4%	Glukoza 5%
I pomiar	0,50%	3,00%	5,25%	7,50%	9,50%	11,50%
II pomiar	0,50%	3,00%	5,25%	7,50%	9,50%	11,50%
III pomiar	0,50%	3,00%	5,25%	7,50%	9,50%	11,50%
IV pomiar	0,50%	3,00%	5,25%	7,50%	9,50%	11,50%
Średnia arytmetyczna	0,50%	3,00%	5,25%	7,50%	9,50%	11,50%

Wnioski:

- Współczynnik załamania substancji ciekłych zmienia się wraz ze zmianą ich stężenia. W naszym przypadku: wraz ze wzrostem stężenia glukozy wzrasta współczynnik załamania tych cieczy.

- Wraz ze wzrostem stężenia glukozy wzrasta procentowa zawartość cukru w tych roztworach.

6

---