INDICADOR REFRATIVO(índice de refração) - óptico. característica ambiental associada a refração da luz na interface entre dois meios transparentes opticamente homogêneos e isotrópicos durante sua transição de um meio para outro e devido à diferença nas velocidades de fase de propagação da luz no meio. O valor de P.p., igual à razão dessas velocidades. relativo

P. p. desses ambientes. Se a luz incide no segundo ou primeiro meio (onde a velocidade de propagação da luz com), então as quantidades são P.p. absoluto desses ambientes. Neste caso, a lei da refração pode ser escrita na forma onde e são os ângulos de incidência e refração.

A magnitude do P. p. absoluto depende da natureza e estrutura da substância, seu estado de agregação, temperatura, pressão, etc. Em altas intensidades, o p. p. depende da intensidade da luz (ver. óptica não linear). Em várias substâncias, P.p. muda sob a influência de fatores externos. elétrico Campos ( Efeito Kerr- em líquidos e gases; eletro-óptico Efeito Pockels- em cristais).

Para um determinado meio, a banda de absorção depende do comprimento de onda da luz l, e essa dependência é anômala na região das bandas de absorção (ver Fig. Dispersão de luz). Para praticamente todos os meios, a banda de absorção é próxima de 1, na região do visível para líquidos e sólidos é cerca de 1,5; na região IR para um número de mídia transparente 4.0 (para Ge).

Eles são caracterizados por dois fenômenos paramétricos: ordinário (semelhante ao meio isotrópico) e extraordinário, cuja magnitude depende do ângulo de incidência do feixe e, consequentemente, da direção de propagação da luz no meio (ver Fig. Óptica de cristal Para meios com absorção (em particular, para metais), o coeficiente de absorção é uma quantidade complexa e pode ser representado como onde n é o coeficiente de absorção usual, é o índice de absorção (ver. Absorção de luz, óptica metálica).

P.p. é macroscópico. característica do ambiente e está associada à sua permissividade n magn. permeabilidade Clássico teoria eletrônica (cf. Dispersão de luz) permite associar o valor de P. p. com microscópico. características do ambiente - eletrônica polarizabilidadeátomo (ou molécula) dependendo da natureza dos átomos e da frequência da luz, e o meio: onde Né o número de átomos por unidade de volume. Atuando sobre um átomo (molécula) elétrico. campo da onda de luz provoca um deslocamento da óptica. um elétron de uma posição de equilíbrio; o átomo torna-se induzido. momento dipolar mudando no tempo com a frequência da luz incidente, e é uma fonte de ondas secundárias coerentes, to-rye. interferindo na onda incidente no meio, eles formam a onda de luz resultante que se propaga no meio com velocidade de fase e, portanto,

A intensidade das fontes de luz convencionais (não laser) é relativamente baixa; o campo de uma onda de luz agindo sobre um átomo é muito menor do que o elétrico intra-atômico. campos, e um elétron em um átomo pode ser considerado como harmônico. oscilador. Nesta aproximação, o valor de e P. p.

São valores constantes (em uma determinada frequência), independente da intensidade da luz. Em fluxos de luz intensos criados por lasers poderosos, a magnitude do elétrico. o campo de uma onda de luz pode ser comensurável com os ricos em eletricidade intra-atômicos. campos e o modelo de harmonia, o oscilador acaba sendo inaceitável. Levar em conta a anarmonicidade de forças no sistema elétron-átomo leva à dependência da polarizabilidade do átomo e, portanto, do coeficiente de polarização, da intensidade da luz. A conexão entre e acaba sendo não linear; P. p. pode ser representado na forma

Onde - P. p. em baixas intensidades de luz; (designação geralmente aceita) - uma adição não linear ao P. p., ou coeficiente. Não-linearidade. P. p. depende da natureza do ambiente, por exemplo. para vidro de silicato

P. p. também é afetado pela alta intensidade como resultado do efeito eletrostrição, alterando a densidade do meio, de alta frequência para moléculas anisotrópicas (em um líquido), bem como como resultado de um aumento na temperatura causado pela absorção

Refração da luz- um fenômeno em que um feixe de luz, passando de um meio para outro, muda de direção na fronteira desses meios.

A refração da luz ocorre de acordo com a seguinte lei:
Os raios incidente e refratado e a perpendicular traçada para a interface entre dois meios no ponto de incidência do feixe estão no mesmo plano. A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é um valor constante para dois meios:
,
Onde α - ângulo de incidência,
β - ângulo de refração
n - um valor constante independente do ângulo de incidência.

Quando o ângulo de incidência muda, o ângulo de refração também muda. Quanto maior o ângulo de incidência, maior o ângulo de refração.
Se a luz vai de um meio opticamente menos denso para um meio mais denso, então o ângulo de refração é sempre menor que o ângulo de incidência: β < α.
Um feixe de luz direcionado perpendicularmente à interface entre dois meios passa de um meio para outro sem quebrar.

índice de refração absoluto de uma substância- um valor igual à razão das velocidades de fase da luz (ondas eletromagnéticas) no vácuo e em um determinado meio n=c/v
O valor n incluído na lei da refração é chamado de índice de refração relativo para um par de meios.

O valor n é o índice de refração relativo do meio B em relação ao meio A, e n" = 1/n é o índice de refração relativo do meio A em relação ao meio B.
Este valor, ceteris paribus, é maior que a unidade quando o feixe passa de um meio mais denso para um meio menos denso, e menor que a unidade quando o feixe passa de um meio menos denso para um meio mais denso (por exemplo, de um gás ou de vácuo para um líquido ou sólido). Existem exceções a esta regra e, portanto, é costume chamar um meio opticamente mais ou menos denso que outro.
Um feixe que cai do espaço sem ar na superfície de algum meio B é refratado mais fortemente do que quando cai sobre ele de outro meio A; O índice de refração de um raio incidente em um meio do espaço sem ar é chamado de índice de refração absoluto.

(Absoluto - relativo ao vácuo.
Relativo - relativo a qualquer outra substância (o mesmo ar, por exemplo).
O índice relativo de duas substâncias é a razão de seus índices absolutos.)

Reflexão interna total- reflexão interna, desde que o ângulo de incidência exceda um determinado ângulo crítico. Nesse caso, a onda incidente é completamente refletida e o valor do coeficiente de reflexão excede seus valores mais altos para superfícies polidas. O coeficiente de reflexão para a reflexão interna total não depende do comprimento de onda.

Na óptica, esse fenômeno é observado para um amplo espectro de radiação eletromagnética, incluindo a faixa de raios-X.

Na óptica geométrica, o fenômeno é explicado em termos da lei de Snell. Considerando que o ângulo de refração não pode exceder 90°, obtemos que em um ângulo de incidência cujo seno seja maior que a razão do menor índice de refração para o maior índice, a onda eletromagnética deve ser completamente refletida no primeiro meio.

De acordo com a teoria ondulatória do fenômeno, a onda eletromagnética penetra no segundo meio - a chamada "onda não uniforme" se propaga lá, que decai exponencialmente e não carrega energia com ela. A profundidade característica de penetração de uma onda não homogênea no segundo meio é da ordem do comprimento de onda.

Leis da refração da luz.

De tudo o que foi dito, concluímos:
1 . Na interface entre dois meios de densidade óptica diferente, um feixe de luz muda sua direção ao passar de um meio para outro.
2. Quando um feixe de luz passa em um meio com densidade óptica mais alta, o ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência; quando um feixe de luz passa de um meio opticamente mais denso para um meio menos denso, o ângulo de refração é maior que o ângulo de incidência.
A refração da luz é acompanhada pela reflexão e, com o aumento do ângulo de incidência, o brilho do feixe refletido aumenta, enquanto o refratado enfraquece. Isso pode ser visto realizando o experimento mostrado na figura. Consequentemente, o feixe refletido carrega consigo quanto mais energia luminosa, maior o ângulo de incidência.

Deixe ser MN- a interface entre dois meios transparentes, por exemplo, ar e água, JSC- feixe de queda OV- feixe refratado, - ângulo de incidência, - ângulo de refração, - velocidade de propagação da luz no primeiro meio, - velocidade de propagação da luz no segundo meio.

O índice de refração de um meio em relação ao vácuo, ou seja, para o caso da transição dos raios de luz do vácuo para um meio, é chamado absoluto e é determinado pela fórmula (27.10): n=c/v.

Nos cálculos, os índices de refração absolutos são retirados das tabelas, pois seu valor é determinado com bastante precisão usando experimentos. Como c é maior que v, então o índice de refração absoluto é sempre maior que a unidade.

Se a radiação da luz passa do vácuo para um meio, então a fórmula para a segunda lei da refração é escrita como:

sen i/sen β = n. (29,6)

A fórmula (29.6) também é frequentemente usada na prática quando os raios passam do ar para um meio, uma vez que a velocidade de propagação da luz no ar difere muito pouco de c. Isso pode ser visto pelo fato de que o índice de refração absoluto do ar é 1,0029.

Quando o feixe vai do meio para o vácuo (para o ar), então a fórmula para a segunda lei da refração assume a forma:

sen i/sen β = 1/n. (29,7)

Neste caso, os raios, ao saírem do meio, necessariamente se afastam da perpendicular à interface entre o meio e o vácuo.

Vamos descobrir como você pode encontrar o índice de refração relativo n21 dos índices de refração absolutos. Deixe a luz passar do meio com o índice absoluto n1 para o meio com o índice absoluto n2. Então n1 = c/V1 en2 = s/v2, de onde:

n2/n1=v1/v2=n21. (29,8)

A fórmula para a segunda lei da refração para tal caso é frequentemente escrita da seguinte forma:

sini/sinβ = n2/n1. (29,9)

Lembremos que por expoente absoluto da teoria de Maxwell a refração pode ser encontrada a partir da relação: n = √(με). Como para substâncias transparentes à radiação luminosa, μ é praticamente igual à unidade, podemos supor que:

n = √ε. (29.10)

Como a frequência das oscilações na radiação luminosa é da ordem de 10 14 Hz, nem os dipolos nem os íons em um dielétrico, que têm uma massa relativamente grande, têm tempo para mudar de posição com tal frequência, e as propriedades dielétricas de uma substância nestas condições são determinados apenas pela polarização eletrônica de seus átomos. Isso explica a diferença entre o valor ε=n 2 de (29.10) e ε st em eletrostática. Assim, para a água ε \u003d n 2 \u003d 1,77 e ε st \u003d 81; o dielétrico sólido iônico NaCl ε=2,25, e εst=5,6. Quando uma substância consiste em átomos homogêneos ou moléculas apolares, ou seja, não possui íons nem dipolos naturais, então sua polarização só pode ser eletrônica. Para substâncias semelhantes, ε de (29.10) e ε st coincidem. Um exemplo de tal substância é o diamante, que consiste apenas em átomos de carbono.

Observe que o valor do índice de refração absoluto, além do tipo de substância, também depende da frequência de oscilação, ou do comprimento de onda da radiação. . À medida que o comprimento de onda diminui, como regra, o índice de refração aumenta.

Os processos associados à luz são um componente importante da física e nos cercam por toda parte em nossa vida cotidiana. O mais importante nessa situação são as leis de reflexão e refração da luz, nas quais a óptica moderna se baseia. A refração da luz é uma parte importante da ciência moderna.

Efeito de distorção

Este artigo lhe dirá qual é o fenômeno da refração da luz, bem como como é a lei da refração e o que se segue dela.

Fundamentos de um fenômeno físico

Quando um feixe incide sobre uma superfície separada por duas substâncias transparentes com densidades ópticas diferentes (por exemplo, vidros diferentes ou na água), alguns dos raios serão refletidos e outros penetrarão na segunda estrutura (por exemplo, se propagará na água ou no vidro). Ao passar de um meio para outro, o feixe é caracterizado por uma mudança em sua direção. Este é o fenômeno da refração da luz.
A reflexão e a refração da luz podem ser vistas especialmente bem na água.

efeito de distorção da água

Olhando para as coisas na água, elas parecem distorcidas. Isso é especialmente perceptível na fronteira entre o ar e a água. Visualmente, parece que os objetos subaquáticos são levemente desviados. O fenômeno físico descrito é precisamente a razão pela qual todos os objetos parecem distorcidos na água. Quando os raios atingem o vidro, esse efeito é menos perceptível.
A refração da luz é um fenômeno físico, que se caracteriza por uma mudança na direção do feixe solar no momento de passar de um meio (estrutura) para outro.
Para melhorar a compreensão desse processo, considere o exemplo de um feixe caindo do ar para a água (da mesma forma para o vidro). Traçando uma perpendicular ao longo da interface, o ângulo de refração e o retorno do feixe de luz podem ser medidos. Este indicador (o ângulo de refração) mudará quando o fluxo penetra na água (dentro do vidro).
Observação! Este parâmetro é entendido como o ângulo que forma uma perpendicular traçada à separação de duas substâncias quando o feixe penetra da primeira estrutura para a segunda.

Passagem do feixe

O mesmo indicador é típico para outros ambientes. Está estabelecido que este indicador depende da densidade da substância. Se o feixe incide de uma estrutura menos densa para uma estrutura mais densa, o ângulo de distorção criado será maior. E se vice-versa, então menos.
Ao mesmo tempo, uma mudança na inclinação da queda também afetará esse indicador. Mas a relação entre eles não permanece constante. Ao mesmo tempo, a razão de seus senos permanecerá constante, o que é exibido pela seguinte fórmula: sinα / sinγ = n, onde:

• n é um valor constante que é descrito para cada substância específica (ar, vidro, água, etc.). Portanto, qual será esse valor pode ser determinado a partir de tabelas especiais;
• α é o ângulo de incidência;
• γ é o ângulo de refração.

Para determinar esse fenômeno físico, foi criada a lei da refração.

lei física

A lei da refração dos fluxos de luz permite determinar as características das substâncias transparentes. A própria lei consiste em duas disposições:

• Primeira parte. A viga (incidente, modificada) e a perpendicular, que foi restaurada no ponto de incidência na fronteira, por exemplo, ar e água (vidro, etc.), estarão localizadas no mesmo plano;
• segunda parte. O indicador da razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do mesmo ângulo formado ao cruzar a fronteira será um valor constante.

Descrição da lei

Nesse caso, no momento em que o feixe sai da segunda estrutura para a primeira (por exemplo, quando o fluxo de luz passa do ar, passa pelo vidro e volta para o ar), também ocorrerá um efeito de distorção.

Um parâmetro importante para objetos diferentes

O principal indicador nesta situação é a razão do seno do ângulo de incidência para um parâmetro semelhante, mas para distorção. Conforme decorre da lei descrita acima, este indicador é um valor constante.
Ao mesmo tempo, quando o valor da inclinação da queda muda, a mesma situação será típica para um indicador semelhante. Este parâmetro é de grande importância, pois é uma característica integral das substâncias transparentes.

Indicadores para objetos diferentes

Graças a este parâmetro, você pode distinguir de forma bastante eficaz entre os tipos de vidro, bem como uma variedade de pedras preciosas. Também é importante para determinar a velocidade da luz em vários meios.

Observação! A maior velocidade do fluxo de luz está no vácuo.

Ao passar de uma substância para outra, sua velocidade diminuirá. Por exemplo, o diamante, que tem o índice de refração mais alto, terá uma velocidade de propagação de fótons 2,42 vezes mais rápida que o ar. Na água, eles se espalharão 1,33 vezes mais devagar. Para diferentes tipos de vidro, este parâmetro varia de 1,4 a 2,2.

Observação! Alguns vidros têm um índice de refração de 2,2, que é muito próximo do diamante (2,4). Portanto, nem sempre é possível distinguir um pedaço de vidro de um diamante real.

Densidade óptica de substâncias

A luz pode penetrar através de diferentes substâncias, que são caracterizadas por diferentes densidades ópticas. Como dissemos anteriormente, usando essa lei, você pode determinar a característica da densidade do meio (estrutura). Quanto mais denso, mais lenta a velocidade da luz se propagará nele. Por exemplo, o vidro ou a água serão opticamente mais densos que o ar.
Além do fato de que este parâmetro é um valor constante, também reflete a razão da velocidade da luz em duas substâncias. O significado físico pode ser exibido como a seguinte fórmula:

Este indicador informa como a velocidade de propagação dos fótons muda ao passar de uma substância para outra.

Outro indicador importante

Ao mover o fluxo de luz através de objetos transparentes, sua polarização é possível. É observado durante a passagem de um fluxo de luz de meios isotrópicos dielétricos. A polarização ocorre quando os fótons passam pelo vidro.

efeito de polarização

A polarização parcial é observada quando o ângulo de incidência do fluxo de luz na fronteira de dois dielétricos difere de zero. O grau de polarização depende de quais foram os ângulos de incidência (lei de Brewster).

Reflexão interna completa

Concluindo nossa pequena digressão, ainda é necessário considerar tal efeito como uma reflexão interna de pleno direito.

Fenômeno de exibição completa

Para o aparecimento deste efeito, é necessário aumentar o ângulo de incidência do fluxo de luz no momento de sua transição de um meio mais denso para um menos denso na interface entre as substâncias. Em uma situação onde este parâmetro excede um determinado valor limite, então os fótons incidentes no limite desta seção serão completamente refletidos. Na verdade, este será o nosso fenômeno desejado. Sem ele, era impossível fazer fibra ótica.

Conclusão

A aplicação prática das características do comportamento do fluxo de luz deu muito, criando uma variedade de dispositivos técnicos para melhorar nossas vidas. Ao mesmo tempo, a luz não abriu todas as suas possibilidades para a humanidade, e seu potencial prático ainda não foi plenamente realizado.

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PARA FALAR №24

"MÉTODOS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE"

REFRACTOMETRIA.

Literatura:

1. DV Ponomarev "Química Analítica" 1983 246-251

2. A.A. Ishchenko "Química Analítica" 2004 pp 181-184

REFRACTOMETRIA.

A refratometria é um dos métodos físicos de análise mais simples, exigindo uma quantidade mínima de analito, e é realizada em um tempo muito curto.

Refratometria- um método baseado no fenômeno de refração ou refração, ou seja, mudança na direção de propagação da luz ao passar de um meio para outro.

A refração, assim como a absorção da luz, é consequência de sua interação com o meio. A palavra refratometria significa dimensão refração da luz, que é estimada pelo valor do índice de refração.

Valor do índice de refração n depende

1) sobre a composição de substâncias e sistemas,

2) de em que concentração e quais moléculas o feixe de luz encontra em seu caminho, porque Sob a ação da luz, as moléculas de diferentes substâncias são polarizadas de diferentes maneiras. É nesta dependência que se baseia o método refractométrico.

Este método tem uma série de vantagens, pelo que encontrou ampla aplicação tanto na pesquisa química quanto no controle de processos tecnológicos.

1) A medição dos índices de refração é um processo muito simples que é realizado com precisão e com um investimento mínimo de tempo e quantidade de substância.

2) Normalmente, os refratômetros fornecem até 10% de precisão na determinação do índice de refração da luz e do conteúdo do analito

O método de refratometria é usado para controlar a autenticidade e pureza, identificar substâncias individuais, determinar a estrutura de compostos orgânicos e inorgânicos no estudo de soluções. A refratometria é usada para determinar a composição de soluções de dois componentes e para sistemas ternários.

Base física do método

INDICADOR REFRATIVO.

O desvio de um feixe de luz de sua direção original durante sua transição de um meio para outro é tanto maior quanto maior for a diferença nas velocidades de propagação da luz em dois meios.

esses ambientes.

Considere a refração de um feixe de luz na fronteira de quaisquer dois meios transparentes I e II (veja a Fig.). Vamos concordar que o meio II tem um poder de refração maior e, portanto, n 1 e nº 2- mostra a refração da mídia correspondente. Se o meio I não for vácuo nem ar, então a razão sen do ângulo de incidência do feixe de luz para sen do ângulo de refração dará o valor do índice de refração relativo n rel. O valor de n rel. também pode ser definida como a razão dos índices de refração do meio em consideração.

n rel. = ----- = ---

O valor do índice de refração depende

1) a natureza das substâncias

A natureza de uma substância neste caso é determinada pelo grau de deformabilidade de suas moléculas sob a ação da luz - o grau de polarização. Quanto mais intensa a polarizabilidade, mais forte a refração da luz.

2)comprimento de onda da luz incidente

A medição do índice de refração é realizada em um comprimento de onda de luz de 589,3 nm (linha D do espectro de sódio).

A dependência do índice de refração no comprimento de onda da luz é chamada de dispersão. Quanto menor o comprimento de onda, maior a refração. Portanto, raios de diferentes comprimentos de onda são refratados de maneira diferente.

3)temperatura em que a medição é feita. Um pré-requisito para determinar o índice de refração é a conformidade com o regime de temperatura. Normalmente a determinação é realizada em 20±0,3 0 С.

À medida que a temperatura aumenta, o índice de refração diminui e, à medida que a temperatura diminui, aumenta..

A correção de temperatura é calculada usando a seguinte fórmula:

n t \u003d n 20 + (20-t) 0,0002, onde

n - Tchau índice de refração a uma determinada temperatura,

n 20 - índice de refração a 20 0 C

A influência da temperatura nos valores dos índices de refração de gases e líquidos está relacionada aos valores de seus coeficientes de expansão volumétrica. O volume de todos os gases e líquidos aumenta quando aquecidos, a densidade diminui e, consequentemente, o indicador diminui

O índice de refração, medido a 20 0 C e um comprimento de onda de luz de 589,3 nm, é indicado pelo índice n D 20

A dependência do índice de refração de um sistema homogêneo de dois componentes em seu estado é estabelecida experimentalmente pela determinação do índice de refração para vários sistemas padrão (por exemplo, soluções), cujo conteúdo de componentes é conhecido.

4) a concentração de uma substância em uma solução.

Para muitas soluções aquosas de substâncias, os índices de refração em diferentes concentrações e temperaturas foram medidos de forma confiável e, nesses casos, os dados de referência podem ser usados. tabelas refractométricas. A prática mostra que quando o conteúdo da substância dissolvida não excede 10-20%, juntamente com o método gráfico, em muitos casos é possível usar equação linear como:

n=n o +FC,

n-índice de refração da solução,

nãoé o índice de refração do solvente puro,

C- concentração da substância dissolvida,%

F-coeficiente empírico, cujo valor é encontrado

determinando os índices de refração de soluções de concentração conhecida.

REFRACTÔMETRO.

Os refratômetros são dispositivos usados ​​para medir o índice de refração. Existem 2 tipos desses instrumentos: refratômetro tipo Abbe e tipo Pulfrich. Tanto nesses como em outros, as medidas são baseadas na determinação da magnitude do ângulo limite de refração. Na prática, são utilizados refratômetros de vários sistemas: laboratório-RL, RLU universal, etc.

O índice de refração da água destilada n 0 \u003d 1,33299, na prática, este indicador toma como referência n 0 =1,333.

O princípio de operação dos refratômetros é baseado na determinação do índice de refração pelo método do ângulo limite (o ângulo de reflexão total da luz).

refratômetro manual

Refratômetro Abbe