В нашей теории показателя преломления имеется еще одно предсказание, которое можно проверить экспериментально. Предположим, что мы рассматриваем смесь двух материалов. Показатель преломления смеси не будет средним двух показателей, а определяется через сумму двух поляризуемостей, как в уравнении (32.34). Если, скажем, мы интересуемся показателем преломления раствора сахара, то полная поляризуемость будет суммой поляризуемостей воды и сахара. Но каждая из них, разумеется, должна подсчитываться исходя из данных о числе молекул данного сорта в единице объема. Другими словами, если в данном растворе содержится молекул воды, поляризуемость которой , и молекул сахарозы , поляризуемость которой , то мы должны получить

. (32.37)

Этой формулой можно воспользоваться для экспериментальной проверки нашей теории - измерения показателя для различных концентраций сахарозы в воде. Однако здесь мы должны сделать несколько допущений. Наша формула предполагает, что при растворении сахарозы никакой химической реакции не происходит и что возмущение индивидуальных осцилляторов при различных частотах отличается не слишком сильно. Поэтому наш результат, безусловно, будет только приближенным. Тем не менее давайте посмотрим, насколько он хорош.

Раствор сахара мы выбрали потому, что мы располагаем хорошими данными измерений показателя преломления и, кроме того, сахар представляет собой молекулярный кристалл и переходит в раствор без ионизации и других изменений химического состояния.

В первых трех столбцах табл. 32.2 приведены данные из указанного справочника. В столбце А дан процент сахарозы по весу, в столбце В приведена измеренная плотность в , а в столбце С даны измерения показателя преломления света с длиной волны 589,3 ммк. В качестве показателя чистого сахара мы взяли результаты измерений для кристалла сахара. Эти кристаллы не изотропны, так что показатель преломления в разных направлениях различен. Справочник дает три величины:

Мы взяли среднее.

Весовая доля сахарозы	Плотность,		Молей сахарозы в литре	Молей воды в литре
Чистая вода. Кристаллы сахара. Среднее (см. текст). Молекулярный вес сахарозы. Молекулярный вес воды.., приведенную в столбце I. Из нашей теории мы ожидали, что все величины должны получиться одинаковыми. Они получились хотя и не точно равными, но довольно близкими друг к другу. Отсюда можно заключить, что наши идеи правильны. Более того, мы нашли, что поляризуемость молекул сахара, по-видимому, не зависит сильно от ее окружения: их поляризуемость приблизительно одна и та же как в разбавленном растворе, так и в кристалле.

Добро Л. Ф., Богатов Н. М., Митина О.Е.

Д56 Лабораторный практикум по оптике. Ч. 1/ Л. Ф. Добро,

Н. М. Богатов. Краснодар: Кубан. гос. ун-т, 2012. 96 с.

Дается описание 8 лабораторных работ по курсу «Оптика». Приведены теоретические сведения, методические указания по выполнению работ, контрольные вопросы и список рекомендуемой литературы.

Адресуется студентам физико-технического факультета КубГУ.

УДК 577 (075.8)

ББK 28.071 .Я 73

©Кубанский государственный

университет, 2012

©Добро Л. Ф., Богатов Н. М., Митина О.Е., 2012

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум по курсу «Оптика» представляет собой математическое обобщение наблюдений, практического опыта и эксперимента. Он органически связан со многими областями современного естествознания и служит научной основой решения многих прикладных технический задач.

Формирование навыков выполнения физического эксперимента – необходимый элемент физико-технического образования. Анализ экспериментальных данных позволяет убедиться в соответствии выводов теории результатам опытов.

В ходе исследования устанавливаются количественные зависимости между различными явлениями, которые определяются в результате измерений. Вследствие различных причин никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно, поэтому следует не только определять саму величину, но и оценивать погрешность измерений.

Описания лабораторных работ настоящего практикума построены по общей схеме и включают необходимые сведения о цели работы, используемом оборудовании, порядке выполнения и форме представления результатов измерений. При подготовке к лабораторным работам необходимо также пользоваться конспектами лекций, учебной и специальной литературой. Так, прямые ответы на некоторые контрольные вопросы по теме изучаемых физических явлений не содержатся в тексте работ.

После выполнения лабораторной работы студент обязан представить на следующем лабораторном занятии оформленный отчет и сдать работу. При сдаче лабораторной работы необходимо владеть теоретическим материалом, знать ответы на контрольные вопросы, уметь комментировать полученные результаты и погрешности измерений, быть готовым продемонстрировать на лабораторной установке любые этапы эксперимента. Требования по оформлению работ в целом стандартны. Все экспериментальные результаты, должны сопровождаться оценкой погрешности измерений независимо от того, есть ли об этом специальные указания в работе или нет.

Лабораторная работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ОПТИЧЕСКИХ СРЕД

Задание 1.1. Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа

Приборы и принадлежности: микроскоп с микрометрическим перемещением тубуса; микрометр; стеклянная пластинка с меткой на одной поверхности; пластинка из исследуемого стекла с метками на обеих поверхностях; чистая пластинка из исследуемого стекла.

Цель задания : изучить методику измерений показателя преломления с помощью микроскопа, имеющего микрометрическое перемещение тубуса, и экспериментально определить показатель преломления стекла двумя способами.

Краткая теория

При наблюдении предмета сквозь слой воды или стеклянную пластинку предмет всегда кажется расположенным ближе к наблюдателю, чем в действительности. Это кажущееся приближение связано с преломлением света на границе пластинки с воздухом и зависит как от толщины пластинки, так и от её показателя преломления. Измеряя толщину пластинки с помощью микрометра, а кажущееся смещение предмета при наблюдении сквозь пластинку с помощью микроскопа, тубус которого снабжен микрометрическим винтом, можно определить показатель преломления стеклянной пластинки.

Установим связь между показателем преломления стекла n, толщиной пластинки d и величиной а кажущегося поднятия точки S предмета, находящейся в соприкосновении с нижней поверхностью пластинки. При этом будем предполагать, что глаз находится на нормали к плоскости пластинки, проходящей через точку S (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Прохождение света сквозь стеклянную пластинку

Рассмотрим ход луча SB , направленного под малым углом r к нормали. Преломившись в точке В , он выходит в воздух под углом, определяемым уравнением

sini =n sinr. (1.1)

Наблюдателю кажется, что рассматриваемый луч и другие близкие к нормали лучи исходят из точки S" . Интересующая нас величина кажущегося поднятия a равна разности AS – AS" = а.

Из треугольников ABS и ABS" следует, что

Отсюда имеем , .

При малости углов r и i отношение их тангенсов может быть заменено отношением синусов .

Воспользовавшись (1.1), получаем , .

Таким образом, зная толщину пластины и величину кажущегося поднятия, можно определить показатель преломления. Кажущееся поднятие определяется при помощи микроскопа, имеющего винт для точного перемещения тубуса. Здесь возможны два отличных друг от друга способа, причем максимальная точность результатов достигается, когда наблюдаемая в микроскоп метка находится в центральной части поля зрения.

Способ 1. Пусть микроскоп сфокусирован на какой-либо штрих, нанесённый на предметное стекло. Если на предметное стекло положить исследуемую стеклянную пластину толщиной d, то для фокусировки микроскопа на тот же штрих его тубус нужно переместить вверх на некоторое расстояние a (рис. 1.2). Следовательно, показатель преломления n рассчитывается по формуле (1.2)

Рис. 1.2. Смещение тубуса микроскопа при наблюдении предмета через пластинку и без неё

Способ 2 . Пусть на столике микроскопа лежит исследуемая плоскопараллельная стеклянная пластинка толщиной d и микроскоп сфокусирован на метку, находящуюся на её верхней стороне.

Для того чтобы увидеть в микроскоп метку, находящуюся на нижней стороне пластинки, его тубус необходимо переместить вниз на некоторое расстояние h (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Смещение микроскопа при перефокусировке с верхней стороны прозрачной пластинки на нижнюю

Показатель преломления следует определять по формуле (1.3):

Порядок выполнения задания 1.1

Способ 1 . Микроскоп устанавливают так, чтобы лучи света падали на зеркало и отражались в объективе микроскопа. При этом в окуляр микроскопа будет видно светлое поле. На предметный столик кладут рассматриваемый объект (стеклянная пластинка с меткой) и укрепляют его лапками. Сначала грубо, при помощи кремальеры, а затем точно, при помощи микрометрического винта, устанавливают максимально резкое изображение объекта и замечают показания микрометрического винта. Затем накрывают объект исследуемой стеклянной пластиной и вращением микрометрического винта восстанавливают резкость изображения. При этом отсчитывают целое число оборотов микрометрического винта и число делений.

Разность отсчетов микрометрического винта микроскопа равна кажущемуся поднятию объекта. Один оборот винта передвигает тубус микроскопа на 0,1 мм. Одно деление микровинта соответствует 0,002 мм передвижения тубуса. Эти измерения повторяют несколько раз и находят среднее значение. Показатель преломления определяют по формуле (1.2).

Толщину исследуемой пластинки измеряют микрометром. Это измерение проводят тоже несколько раз в том месте пластинки, которое было под объективом микроскопа, и находят среднее значение. Результаты измерений заносят в табл. 1.1.

Таблица 1.1

№ п/п	d , мм	d ср, мм	a , мм	a ср , мм	n ср	∆n	∆n/n
1-й способ
…
2-й способ
…

Способ 2 . На предметный столик кладут пластинку, на поверхности которой нанесены одна над другой метки, верхняя из них должна быть полупрозрачной. Переходя от наблюдения верхней метки к наблюдению нижней, мы как бы опускаем наблюдаемый объект на толщину пластинкиd , однако нижняя метка кажется отстоящей по нормали от верхней не на толщину d , а лишь на расстояние (d – а), на которое нужно опустить тубус. Расстояние (d – а) обозначено через h (рис. 1.3). Формула для вычисления показателя преломления (см. формулу 1.3).

Относительная ошибка находится по формулам:

в 1-м способе ,

во 2-м способе

Контрольные вопросы к заданию 1.1

1. Что называется показателем преломления?

2. Каков физический смысл абсолютного и относительного показателей преломления?

3. В чем заключается закон преломления света?

4. От чего зависит величина кажущегося поднятия предмета, рассматриваемого через стекло?

5. Почему максимальная точность результата работы получается тогда, когда объект находится в центральной части поля зрения?

6. Чему равно увеличение микроскопа? Как вычислить увеличение микроскопа в соответствии с данными, указанными на объективе и окуляре?

7. Чем ограничивается толщина пластинки, которую можно применить в данной работе?

Задание 1.2. Определение показателя преломления и концентрации раствора сахара рефрактометром

Приборы и принадлежности: рефрактометр Аббе (РПЛ-2); набор исследуемых сахарных растворов различной концентрации.

Цель задания : ознакомиться с принципом действия рефрактометра, определить показатель преломления сахарных растворов.

Краткая теория

Устройство рефрактометра Аббе основано на использовании явления полного внутреннего отражения.

Пусть луч света падает на границу раздела двух средсо стороны оптически более плотной среды n 2 (рис. 1.4). Для углов падения r , меньших некоторого r" (луч 1 ), часть светового потока, преломляясь, проникает в менее плотную среду n 1 (луч 1"" ), а часть отражается от границы раздела (луч 1" ). При углах падения r" < r"" < 90° преломления света не происходит и наступает полное внутреннее отражение (луч 2" ). Предельный угол полного внутреннего отражения r" соответствует углу преломления r"" = 90° и, следовательно,

Зная показатель преломления одной из сред и определяя на опыте предельный угол, можно вычислить показатель преломления второй среды.

Рис. 1.4. Полное внутреннее отражение при переходе луча из более плотной в менее плотную оптическую среду, n 2 > n 1

При измерениях показателя преломления с помощью рефрактометра Аббе можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча. Оптическая схема рефрактометра показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Оптическая схема рефрактометра Аббе

Основная его часть содержит две стеклянные прямоугольные призмы P 1 и Р 2 , изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных треугольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину около 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости.

При освещении призм Р 1 и Р 2 белым светом граница раздела будет размыта и окрашена в различные цвета. Чтобы получить резкое изображение, перед объективом Л 2 зрительной трубы помещают две призмы прямого зрения П 1 и П 2 (призмы Амичи). Каждая призма состоит из трех склеенных призм с различными показателями преломления и различной дисперсией (например, крайние призмы изготовлены из кронгласа, а средняя – из флингласа). Призмы рассчитаны так, чтобы монохроматический луч с длиной волны 5893 Å не испытывал отклонения. Такое устройство называется компенсатором. Л 1 - окуляр с отсчётной шкалой, расположенной в фокальной плоскости объектива Л 2 .

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 1.6. Свет проникает в призму Р 1 через грань EF и попадает в жидкость через матовую грань ED. Свет, рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами (0° £ i 1 £ 90°) падает на сторону AC призмы Р 2 . Скользящему лучу в жидкости (i 1 = 90°) соответствует предельный угол преломления r 1 . Преломленные лучи с углами больше r 1 не возникают. В связи с этим угол i 2 выхода лучей из грани AB может изменяться лишь в интервале от некоторого значения i 2 до 90°.

Рис. 1.6. Ход луча в призмах при использовании метода скользящего луча

Если свет, выходящий из грани AB, пропустить через собирающую линзу Л 1 , то в её фокальной плоскости наблюдается резкая граница светлого и темного полей. Граница рассматривается с помощью линзы Л 2 . Линзы Л 1 и Л 2 образуют зрительную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен крест, образованный тонкими нитями. Положение границы в фокальной плоскости линз зависит от величины показателя преломления жидкости n. Вращая трубу относительно призм, можно совместить границу раздела света и тени с центром креста. В этом случае измерение показателя преломления сводится к измерению угла i 2 , образованного нормалью к грани AB и оптической осью зрительной трубы.

При измерении показателя преломления жидкости методом полного внутреннего отражения призму Р 2 освещают со стороны грани BС (рис. 1.7) через специальное отверстие в кожухе прибора.

Рис. 1.7. Ход лучей при использовании метода полного внутреннего отражения

Грань BС делается матовой. Свет в этом случае падает на границу раздела AC под всевозможными углами. При r 1 > r" 1 наступает полное внутреннее отражение, при r 1 < r" 1 свет отражается лишь частично. В поле зрения трубы наблюдается при этом резкая граница света и полутени.

Так как условия, определяющие величину предельного угла в методе скользящего луча и в методе полного внутреннего отражения, совпадают, положение линии раздела в обоих случаях тоже оказывается одинаковым.

Рефрактометрия в фармацевтике.

Процесс измерения концентрации различных веществ методом измерения преломления и определения коэффициента преломления получил своё название - рефрактометрия . Приборы, использующие в своей работе принцип рефрактометрии, называются рефрактометрами. Широкое применение рефрактометры получили в разных промышленностях: для идентификации химических соединений, определения физико-химических параметров, для количественного и структурного анализа. В пищевой промышленности - для измерения содержания спирта в алкогольных продуктах, контроля содержания сахара в сахарном производстве - в общем, для установления качества пищевых продуктов. В фармакологии рефрактометры применяются для определения количества глюкозы в биологических жидкостях и лекарственных средств в растворах. Достоинства рефрактометрических методов химического количественного анализа - быстрота измерений, малый расход вещества и высокая точность.
Задача работы: Рефрактометрический метод как метод анализа лекарственных веществ. Актуальность использования в фармацевтике и, как частное, – в аптеках.

Теоретическая часть.
Показателем преломления (индексом рефракции) называют отношение скорости света в вакууме к скорости света в испытуемом веществе (абсолютный показатель преломления). Показатель преломления зависит от температуры и длины волны света, при которой проводят определение. В растворах показатель преломления зависит также от концентрации вещества и природы растворителя. При этом на практике определяют так называемый относительный показатель преломления (n), который рассчитывается как отношение синуса угла падения луча (α) к синусу угла преломления (β) для двух соприкасающихся сред.
Показатель преломления также равен отношению скоростей распространения света в этих средах :

В лабораторных условиях обычно определяют так называемый относительный показатель преломления (ПП) вещества по отношению к воздуху. ПП измеряют на рефрактометрах различных систем. Раньше измерение ПП чаще всего производилось с использованием , работающего по принципу полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с различными показателями преломления. В настоящее время в лаборатории всё чаще можно встретить автоматические рефрактометры ATAGO серии RX.
Диапазон измеряемых ПП при измерении в проходящем свете с использованием , – 1.3000 – 1.7000. Если необходимо раздвинуть границы диапазонов, применяют специальные модели с низкики или высокими диапазонами, а также многоволновые рефрактометры Аббе.
Диапазон измеряемых ПП при измерении на автоматических рефрактометрах серии RX – 1.32500 – 1.70000.
Точность измерения показателя преломления должна быть не ниже ±2·10 -4
Величина показателя преломления зависит от природы вещества, длины волны света, температуры, при которой проводится измерение, и концентрации вещества в растворе. Обычно измерение показателя преломления проводится при длине волны света 589,3 нм (линия D спектра натрия). Но в некоторых случаях используются разные длины волн в диапазоне от 450нм до 1550нм. Очень важным условием определения ПП является соблюдение температурного режима. Как правило, определение выполняется при 20 градусах по шкале Цельсия. При температуре свыше 20 градусов - величина ПП уменьшается, при температуре ниже 20 градусов – величина ПП увеличивается.

Поправка на температуру рассчитывается по формуле:

n 1 =n 20 +(20-T)*0,0002

Показатель преломления, измеренный при 20° С и длине волны света 589,3 нм, обозначается индексом n 20 .
Показатель преломления может быть использован как константа для установления подлинности и чистоты тех лекарственных препаратов, которые по своей природе являются жидкостями. Рефрактометрический метод широко используется в фармацевтическом анализе для количественного определения концентрации веществ в растворе, которую находят по графику зависимости показателя преломления раствора от концентрации. На графике выбирают интервал концентраций, в котором наблюдается линейная зависимость между показателем преломления и концентрацией. Такой способ может использоваться в практике внутриаптечного контроля.
Зависимость показателя преломления от концентрации вещества в процентах выражается формулой:

Где n и n 0 - показатели преломления раствора и растворителя;
С - концентрация вещества в растворе;
F - фактор показателя преломления.

Показатель преломления раствора складывается из показателя преломления растворителя и показателей преломления растворенных веществ.
Значения показателей преломления и факторов для различных концентраций растворов лекарственных веществ приведены в рефрактометрических таблицах, которые имеются в руководстве по внутриаптечному контролю. Использование таблиц значительно упрощает расчёты.

Зависимость показателя преломления водных растворов некоторых веществ от концентрации:

Определение концентрации вещества в растворе.
В рефрактометрии используют два способа расчёта концентрации вещества в растворе по измеренному показателю преломления.

• Расчет концентрации по формуле:

Значение фактора показателя преломления берется из рефрактометрических таблиц.

• Расчет концентрации по рефрактометрическим таблицам.

Измерив показатель преломления, в таблице находят соответствующее ему значение концентрации. Если измеренный показатель преломления в таблице не приведен, проводится интерполирование.
Рефрактометрический метод используется для количественного определения концентрированных растворов.
Концентрированные растворы - это рабочие растворы лекарственных веществ (ЛВ) опредёленной, более высокой концентрации, чем эти растворы прописываются в аптеках.
При приготовлении концентрированных растворов следует избегать концентраций близких к насыщенным, т.к. при понижении температуры раствора возможна кристаллизация растворённого вещества.
Отклонения, допускаемые в концентратах:
при содержании ЛВ до 20% - не более ± 2% от обозначенного процента;
при содержании ЛВ свыше 20% - не более ± 1% от обозначенного процента (Пр. МЗ РФ от 16.10.97).
Формулы расчёта для исправления концентрации растворов, изготовленных массообъёмным способом.
1) Концентрация раствора оказалась выше требуемой.
Объем воды, необходимый для разбавления полученного раствора, вычисляют по формуле:

Где Х - количество воды, необходимое для разбавления изготовленного раствора (мл.);
А - объём изготовленного раствора (мл.);
С - фактическая концентрация раствора (%).
2) Концентрация раствора оказалась ниже требуемой.
Массу ЛВ для укрепления полученного раствора вычисляют по формуле:

Где Х - масса вещества, которую следует добавить к раствору (г);
А - объем изготовленного раствора (мл.);
В - требуемая концентрация раствора (%);
С - фактическая концентрация раствора (%);
ρ 20 - плотность раствора при 20° С (г/мл, г/см 3)

Рефрактометры, лучше всего подходящие для аптек: , серия NAR/ , ATAGO.

Рефрактометры серии NAR или DR-A1 предназначены для измерения показателя преломления и средней дисперсии неагрессивных жидкостей. Это очень качественный приборы. Простые в обслуживании. Минимальны в содержании. Фактически расходный материал для этих рефрактометров – лампочка (источник света).
Рефрактометры ATAGO серии или применяются:
1.В медицинских учреждениях для определения белка в моче, сыворотке крови, плотности мочи, анализ мозговой и суставной жидкости, плотности субретинальной и других жидкостей глаза. Использование рефрактометра позволяет значительно сократить затраты времени при массовых обследованиях пациентов.
2.В фармацевтической промышленности рефрактометры ATAGO могут применяться для исследования водных растворов различных лекарственных препаратов: кальция хлорида (0% и 20%); новокаина (0,5%, 1%, 2%, 10%, 20%, 40%); эфедрина (5%); глюкозы (5%, 25%, 40%); магния сульфата (25%); натрия хлорида (10%); кордиамина и т.д.
3.В пищевой промышленности используют рефрактометры ATAGO на сахарных и хлебных заводах, кондитерских фабриках для анализа продуктов и сырья, полуфабрикатов, кулинарных и мучных изделий, для определения влажности меда (до 30 %). В производстве сахара широкое применение получили поляриметры АТАГО. Поляриметры на сахарном заводе измеряют концентрацию и чистоту сахара в сахарной свекле или сахарном тростнике на этапе приемки сырья.
Для определения доли сухих веществ в различных суслах (ГОСТ 5900-73), сахароагаровом сиропе, сиропе для мармелада, зефира, кремов и пряников.
Для определение массовой доли растворимых сухих веществ по сахарозе (% Brix) в продуктах переработки плодов и овощей, для определения процентного содержания жира в твёрдых продуктах питания (пряниках, вафлях или хлебобулочных изделиях) концентрации солей.
4.При обслуживании техники применяются рефрактометры ATAGO для определения с большей точностью объёмной концентрации противокристаллизационной жидкости "ИМ", которая добавляется в авиационное топливо в количестве от 0,1 до 0,3%. Дальнейшая обработка результатов ведется согласно "Методическим рекомендациям по анализу качества ГСМ в гражданской авиации" Ч. II стр.159. Опыт использования рефрактометров показал, что эти приборы значительно сокращают время и повышают достоверность получения анализов по процентному содержанию жидкости "ИМ" в авиационном топливе.

Автоматический лабораторный рефрактометры серии RX с микропроцессорным управлением предназначены для исследования концентрации широкого диапазона жидких сред как низкой, так и высокой вязкости, независимо от прозрачности и цвета. обеспечивают высокую точность измерения, точный контроль за температурой. Весь процесс измерения (нагрев/охлаждение) проходит в автоматическом режиме. Достаточно просто нажать клавишу Старт. Прибор автоматически измеряет коэффициент преломления образца раствора, вычисляет его концентрацию и представляет результат на цифровом ЖК-экране. снабжен экраном, который выполнен по технологии «Тач скрин» - сенсорный экран, всё управление прибором осуществляется с экрана. Автоматические рефрактометры серии RX могут как нагревать/охлаждать образец за счет встроенных элементов Пельтье, так и использовать функцию автоматической температурной компенсации при проведении измерения. Идеальный прибор для фармацевтов из этой серии - автоматический рефрактометр и .

Определение концентрации спирта в лекарственных формах рефрактометрическим методом.
Спирт этиловый (этанол, Spiritus aethylicus) - один из наиболее широко используемых органических растворителей в медицинской и фармацевтической практике. Этанол обладает бактериостатическими и бактерицидными свойствами. Широко используется для получения настоек, экстрактов, лекарственных форм для наружного применения. Качество спиртовых растворов зависит от концентрации спирта, в котором растворён препарат. В каждом случае необходима оптимальная концентрация, при которой лекарственное вещество не выделится в осадок. Поэтому готовятся водно-спиртовые растворы с различной концентрацией спирта. Количественное содержание этилового спирта легко определяется рефрактометрическим методом. Существует чёткая зависимость между концентрацией этилового спирта и коэффициентом преломления. Известно, что показатель преломления зависит от температуры, длины волны света, природы вещества и растворителя, концентрации вещества. Так вот показатель преломления водных растворов спирта от 1% до 70% имеет линейную характеристику, а значит можно легко измерить концентрацию рефрактометром. АТАГО производит специальные рефрактометры для измерения концентрации спирта. В общем, это обыкновенные рефрактометры, но в процессор «вшит» специальный поправочный коэффициент, позволяющий отображать на дисплее сразу же концентрацию водно-спиртового раствора, минуя показатель преломления. При концентрации от 70% до 96% - зависимость нелинейная. Таким образом, рефрактометрическим методом можно определить крепость спирта в пределах от 1% до 70%.

Практическая часть.
Рассмотрим применение рефрактометров при изготовлении и анализе раствора глицерина 10% для инъекций: Раствор глицерина 10% Глицерина (в пересчете на безводный) 100 г
1. Натрия хлорид 9,0 г. Воды до 1л.

Изготовление. От поставщиков покупается глицерин (высший сорт, динамитный) с количественным содержанием 86-90%, 94-98% и более. Поэтому, чтобы рассчитать количество исходного глицерина, необходимо точно знать, какова в нем массовая доля безводного вещества. Для точного измерения концентрации глицерина применяют рефрактометр. Показатель преломления исходного глицерина n=1,4569 соответствует массовой доле безводного вещества 89%. Исходное количество глицерина, которое требуется для изготовления раствора, по прописи 68:
2. Масса глицерина = 100 г./ 0,89 = 112,36 г.

Количественное определение глицерина в растворе. Вычисляем концентрацию глицерина:
С глиц = / F глиц,

где n - показатель преломления раствора;
n 0 - показатель преломления воды очищенной, измеренный при той же температуре;
С NaCl - концентрация натрия хлорида в растворе, определенная методом аргентометрии;
F NaCl - фактор показателя преломления раствора натрия хлорида для найденной концентрации;
F глиц - фактор преломления 10% раствора глицерина (0, 001156).

В фармацевтической промышленности рефрактометры ATAGO могут применяться для исследования водных растворов различных лекарственных препаратов: кальция хлорида (0% и 20%); новокаина (0,5%, 1%, 2%, 10%, 20%, 40%); эфедрина (5%); глюкозы (5%, 25%, 40%); магния сульфата (25%); натрия хлорида (10%); кордиамина и т.д.

Примечание:
Если для одного из веществ, входящих в раствор, фактор показателя преломления неизвестен или незначительная его концентрация не позволяет получить точных данных, то готовят контрольный раствор, содержащий это вещество в той концентрации, которая была определена титрометрическим методом.
нашли применение во всех отраслях промышленности РФ. Рефрактометры и поляриметры АТАГО внесены в госреестр средств измерений РФ. Это позволяет применять приборы АТАГО в самых жёстко контроллируемых сферах производств - таких, как, например, фармацевтика.

Цель работы : изучение зависимости показателя преломления раствора сахара от его концентрации.

Принадлежности : рефрактометр ИРФ – 22, набор растворов различной концентрации.

Контрольные вопросы

1. Законы отражения света.

2. Законы преломления света. Показатель преломления.

3. Полное отражение. Предельный угол полного отражения.

4. Ход лучей в треугольной призме. Световоды.

Выполнение работы

Рефрактометр используется для быстрого определения показателя преломления жидкостей, взятых в небольших количествах, показатель преломления которых лежит в пределах 1,3 – 1,7.

Оптическая схема интерферометра приведена на рисунке 1.

Свет, отразившись от зеркала 1, проходит осветительную призму 2, тонкий слой жидкости и измерительную призму 3. Затем через защитное стекло 4 и компенсатор дисперсии 5 попадает в объектив 6, проходит через призму полного отражения 7, пластинку с перекрестьем 8 и через окуляр зрительной трубы 9 попадает в глаз наблюдателя. Шкала прибора освещается с помощью зеркала и проецируется системой призм в фокальной плоскости окуляра, так, что в поле зрения одновременно видны граница света и тени, перекрестье и шкала. Для нахождения границы раздела света и тени и совмещения ее с перекрестьем измерительную головку можно вращать вокруг горизонтальной оси с помощью винта, находящегося на лицевой панели прибора.

1. Расположить осветитель так, чтобы свет падал на зеркало подсветки шкалы и на грань осветительной призмы. Вращая окуляр, фокусируют шкалу и визирное перекрестье.

2. Отвести вверх верхнюю часть измерительной головки с осветительной призмой и нанести на полированную грань измерительной призмы 2 – 3 капли дистиллированной воды. После этого ставят осветительную призму на место. Исследуемая жидкость должна занимать весь зазор между гранями призм.

3. Вращая ручку поворота измерительной головки, добиваются появления в поле зрения границы светлого и темного полей. Окраска границы раздела устраняется компенсатором.

4. Совместить границу раздела с перекрестьем и записать соответствующие этой наводке отсчеты по шкале концентраций и показателя преломления.

5. Затем производят измерения концентрации и показателя преломления всех растворов известной концентрации и построить график зависимости показателя преломления от концентрации сахара.

6. Определить показатель преломления раствора неизвестной концентрации и по графику определить его концентрацию.

Решить задачи.

1. Луч света выходит из скипидара в воздух. Предельный угол полного отражения для этого луча равен . Определить показатель преломления скипидара.

2. Человек с лодки рассматривает предмет, лежащий на дне водоема. Определить его глубину, если при определении «на глаз» по вертикальному направлению глубина водоема кажется равной 1,5 м.

3. Предельный угол полного отражения на границе стекло – жидкость равен . Определить показатель преломления жидкости, если показатель преломления стекла равен 1,5.

РАБОТА 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА И ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА

Цель работы : знакомство с оптическими методами измерения температуры и определение постоянной Стефана – Больцмана и постоянной Планка.

Принадлежности : пирометр с исчезающей нитью, источник тока, лампа накаливания, регулятор напряжения однофазный.

Контрольные вопросы

1. Что называется тепловым излучением? Его свойства.

2. Что называется потоком излучения?

3. Что такое энергетическая светимость?

4. Что такое абсолютно черное тело?

5. Правило Прево. Закон Кирхгофа.

6. Закон Стефана – Больцмана.

7. Закон смещения Вина.

8. Формула Планка.

9. Оптическая пирометрия.

Введение

В настоящей работе определяется яркостная температура. Для этой цели используется пирометр с исчезающей нитью. Принципиальная схема прибора изображена на рисунке 1. С помощью объектива 5 изображение светящейся поверхности исследуемого тела совмещается с плоскостью нити накала фотометрической лампы 4. Нить и изображение тела рассматриваются через окуляр 1 и светофильтр 3, пропускающий свет с длиной волны = 660 нм.

Яркость нити можно регулировать путем изменения идущего по ней тока с помощью реостата, рачка которого выведена в виде кольца 2 вокруг окуляра.

При измерениях ток через нить подбирается так, чтобы она не была видно на фоне поверхности исследуемого тела, т.е. чтобы спектральные плотности излучательности нити и исследуемого тела были равны для монохроматического света с длиной волны .

Шкала амперметра пирометра предварительно градуируется по излучению абсолютно черного тела. Поэтому с помощью такого пирометра можно определить яркостную температуру тела.

Если излучение происходит в среде, температура которой , то поток энергии, излучаемой телом в единицу времени вследствие излучения, будет равен

, 1.9

где Т – температура тела, S – площадь его поверхности.

В качестве теплового излучателя в данной работе берется вольфрамовая нить лампочки накаливания, нагреваемая электрическим током. Для поддержания температуры нити постоянной к ней подводится мощность . Часть этой мощности отводится в виде тепла, вследствие теплопроводности среды, а остальная компенсирует излучаемую мощность. И поэтому мы можем записать

, 2.9

где - коэффициент, учитывающий потери энергии на теплопроводность. Приравнивая правые части выражений 1.9 и 2.9 можно получить:

, 3 .9

где U – напряжение на лампе, I – сила тока в ней, Т – температура нити, измеренная пирометром (яркостная температура).

В данной задаче, как показывает опыт, можно считать, что и тогда из выражения 3.9 можно найти

, 4.9

где Т – яркостная температура,

Комнатная температура,

S – площадь нити накаливания лампы,

U и I – напряжение на лампе и сила тока в ней.

Зная постоянную Стефана – Больцмана и постоянную Больцмана можно определить постоянную Планка

, 5.9

где - скорость света в вакууме,

- постоянная Больцмана.

Выполнение работы.

Включить установку в сеть и подать на лампу напряжение 60 – 80 В.

Сфокусировать изображение нити накала фотометрической лампы. Убедиться в том, что изображение нити фотометрической лампы накладывается на изображение нити накаливания исследуемой лампы.

Нажав кнопку К и вращая кольцо пирометра подобрать ток в фотометрической лампе так, чтобы ее изображение исчезало бы на фоне нити исследуемой лампы.

По шкале пирометра определить яркостную температуру нити накаливания лампы. Результаты измерений занести в таблицу 1.

2. Поток излучения абсолютно черного тела равен 10 кВт, максимум спектральной плотности энергетической светимости приходится на длину волны равную 0,8 мкм. Определить площадь излучающей поверхности.

3. Определить коэффициент серости тела, для которого температура, измеренная радиационным пирометром равна 1400 К, тогда как истинная температура тела равна 3200 К.

Работа 1. Определение фокусного расстояния и оптической силы

собирающей и рассеивающей линз ……………………………. 1

Работа 2. Интерференция света ……………………………………………… 4

Работа 3. Дифракция света……………………………………………………. 7

Работа 4. Дифракционная решетка…………………………………………… 11

Работа 5. Изучение фотоэффекта …………………………………………….. 13

Работа 6. Определение длины световой волны с помощью дифракционной

решетки……………………………………………………………… 16

Работа 7. Проверка закона Малюса…………………………………………… 19

Работа 8. Определение показателя преломления раствора сахара

и его концентрации в растворе с помощью рефрактометра ИРФ - 22… 20

Работа 9. Определение постоянной Стефана – Больцмана и постоянной

Планка……………………………………………………………….. 22

Рефрактометрическое определение концентрации спирта в лекарственных формах

Спирт этиловый (этанол, Spiritus aethylicus) - один из наиболее широко используемых органических растворителей в медицинской и фармацевтической практике. Этанол обладает бактериостатическими и бактерицидными свойствами. Широко используется для получения настоек, экстрактов, лекарственных форм для наружного применения. Качество спиртовых растворов зависит от концентрации спирта, в котором растворён препарат. В каждом случае необходима оптимальная концентрация, при которой лекарственное вещество не выделится в осадок. Поэтому готовятся водно-спиртовые растворы с различной концентрацией спирта. Количественное содержание этилового спирта можно определить как химическими так и физическими методами. Физические методы определения количественного содержания спирта этилового основаны на зависимости между концентрацией спирта и температурой кипения, плотностью, поверхностным натяжением, показателем преломления (рефракции). Рефрактометрический метод анализа заключается в установлении концентрации спирта в водно-спиртовых растворах с помощью показателя преломления (рефракции) nD. Показатель преломления зависит от температуры, длины волны света, природы вещества и растворителя, концентрации вещества. Экспериментально установлено, что показатель преломления спирто-водных растворов от 1% до 70% - увеличивается, от 70% до 80%> - прирост незначительный, от 80% до 90% - прирост не обнаруживается, а от 90% до 96% - приобретает отрицательную величину. Таким образом, рефрактометрическим методом можно определить крепость спирта в пределах от 1% до 70%.

Применение рефрактометрии при изготовлении и анализе раствора глицерина 10% для инъекций

Раствор глицерина 10% - 1000 мл Состав. Глицерина 100,0 г (в пересчете на безводный)

1. Натрия хлорид 9,0 г Воды д/и до 1л Изготовление . От производителей поступает глицерин (высший сорт, динамитный) с количественным содержанием 86 - 90% и 94 - 98% и более. Поэтому, чтобы рассчитать кол-во исходного глицерина, необходимо точно знать, какова в нем массовая доля безводного вещ-ва. С этой целью применяют рефрактометрию . Показатель преломления исходного глицерина n = 1, 4569 соответствует массовая доля безводного вещества 89% (или 0,89). Исходное кол-во глицерина (m глиц, г), которое требуется для изготовления раствора по прописи 68:

2. m глиц = 100 г/ 0,89 = 112, 36 г Количественное определение глицерина в растворе. Вычисляем концентрацию глицерина:

С глиц = / F глиц, n - показатель преломления раствора;

n0 - показатель преломления воды очищенной, измеренный при той же температуре С NaCl - концентрация натрия хлорида в растворе, определенная методом аргентометрии F NaCl - фактор показателя преломления раствора натрия хлорида для найденной концентрации F глиц - фактор преломления 10% раствора глицерина (0, 001156)

Примечание:

Если для одного из веществ, входящих в раствор, фактор показателя преломления неизвестен или не значительная его концентрация не позволяет получить точных данных, то готовят контрольный раствор, содержащий это вещество в той концентрации, которая была определена титрометрическим методом.

· Натрия бромида 2,0

Магния сульфата 5,0

Раствора глюкозы 20% - 200,0 мл В этом случае натрия бромид определяют методом аргентометрии (титрант - 0,1 н. раствор нитрата серебра, индикатор - бромфенольный синий), магний сульфат - методом комплексонометрии (титрант - 0,05 М раствор трилона Б, индикаторная смесь кислотного хром-черного специального). Глюкозу в присутствии натрия бромида целесообразно определить рефрактометрическим методом. Расчет содержания глюкозы в процентах (С глк) выполняют по формуле:

· С глк = / F глк, где n - показатель преломления раствора n0 - показатель преломления воды очищенной, измеренный при той же температуре С nabr - концентрация натрия бромида в растворе, определенным методом F nabr - фактор показателя преломления раствора натрия бромида для найденной концентрации C mgso4 - концентрация магния сульфата (mgso4 * 7H20) в растворе, определенным методом комплексонометрии F mgso4 - фактор показателя преломления раствора для найденной концентрации F глк - фактор показателя преломления раствора глюкозы Раствор глюкозы 10 % - 100 мл.

Подлинность.

Количественное определение.

Проводят методом рефрактометрии.

Показатель преломления глюкозы: 1,3473.

По рефрактометрической таблице находим, что фактор преломления F для растворов глюкозы равен 0,00142, показатель преломления воды равен 1,333.

С = (1,3473 - 1,3330) /0,00142 = 10, 07 %

Относительное отклонение:

10,07 - 10/10 *100% = 0,7 %

Допустимое отклонение + - 2%

Вывод.

· Раствор Магния сульфата 25% - 100 мл.

Подлинность.

Магний-ион:

Сульфат-ион:

Количественное определение.

Измеренный показатель преломления составил 1,3551.

Находим в рефрактометрической таблице ближайшие значения - 1,3550 и 1,3560.

Им соответствуют концентрации 24,7% и 25,92%.

Рассчитываем, насколько изменяется концентрация при изменении преломления на 0,0001:

(25,92% - 24,7%) / 10 = 0,122%

Отсюда, показателю преломления 1,3551 соответствует концентрация:

24,7% + 0,122% = 24,82%.

Допустимое отклонение в соответствии с приказом № 305 от 16.10.97 составляет +-2%

Относительное отклонение:

24,82-25/25 * 100% = 0,7 %

Вывод.

В соответствии с приказом № 305 от 16.10.97 отклонение укладывается в норму допустимых отклонений. Лекарственная форма приготовлена удовлетворительно.

· Натрия бромида 2,0

Магния сульфата 5,0

Раствор глюкозы 20% - 200 мл Подлинность.

Магний-ион:

К 2-3 каплям раствора прибавляют 1 мл воды, по 0,5 мл раствора аммония хлорида, натрия фосфата и аммиака; образуется белый кристаллический осадок, растворимый в разведенной уксусной кислоте и нерастворимый в избытке раствора аммиака.

Сульфат-ион:

К 2-3 каплям раствора прибавляют 3-5 капель воды и 2-3 капли раствора бария хлорида; образуется осадок, нерастворимый в разведенных минеральных кислотах.

Глюкоза:

0,05-1 г смеси растворяют в 1-2 мл воды, прибавляют по 2-3 капли пергидроля и раствора аммиака и кипятят 2-3 минуты.

После охлаждения добавляют 1 мл реактива Фелинга и снова нагревают.

Реактив Фелинга состоит из 2 растворов. Раствор №1 представляет собой водный раствор меди сульфата, подкисленный серной кислотой. Раствор №2 - это щелочной раствор калия-натрия тартрата. Реактивом служит смесь равных объемов обоих растворов. Образуется кирпично-красный осадок.

Схемы реакций см. стр.15.

Натрия бромид:

Натрий-ион:

Небольшое количество ЛФ внесенное в пламя горелки, окрашивает его в жёлтый цвет.

Бромид-ион:

0,5 мл ЛФ помещают в пробирку, добавляют 2-3 капли разведенной хлороводородной кислоты, 3-5 капель раствора хлорамина, 1 мл хлороформа и взбалтывают.

Наблюдаем окрашивание хлороформного слоя в желтый цвет.

Количественное определение.

Количественное определение натрия бромида:

Аргентометрия.

0,5 мл испытуемого раствора поместили в пенициллиновый флакон, добавили 2 капли хромата калия, титруем 0,1М раствором нитрата серебра до окрашивания осадка в оранжево-бурый цвет.

x = (0,01029 x 0,49 х 100%) / 0,5 = 1,0%

Количественное определение магния сульфата:

Комлексонометрия.

Методика количественного определения:

0,5 мл испытуемого раствора поместили в пенициллиновый флакон, добавили 1-2 капли индикатора кислотный хром черный. Титруем раствором Трилона Б до перехода окраски из фиолетового в голубой. Добавляем аммиачный буфер для поддержания pH среды.

x = (0,01232 x 1,0 х 100%) / 0,5 = 2,46%

Допустимое отклонение (пр. № 305) ± 5%

Относительное отклонение: 2,46 - 2,5/2,5 * 100% = 1,44%

Количественное определение глюкозы целесообразно проводить рефрактометрически.

С = (1, 3651 - (1.333 + 1 * 0.00131 +2,46* 0,00095) /0,00142 = 19,8%

Допустимое отклонение: + - 5%

Относительное отклонение:

19,8 - 20/20 *100% = 1 %

Вывод.

В соответствии с приказом № 305 от 16.10.97 отклонение укладывается в норму допустимых отклонений. Лекарственная форма приготовлена удовлетворительно.

· Кислоты аскорбиновой 0,1

Глюкозы 0,5

Подлинность:

Кислота аскорбиновая:

0,05 - 1 г смеси растворяют в 1-2 мл воды, добавляют 1-2 капли аммиачного раствора серебра нитрата. Выпадает темный осадок.

Глюкоза:

0,05-1 г смеси растворяют в 1-2 мл воды, прибавляют по 2-3 капли пергидроля и раствора аммиака и кипятят 2-3 минуты. После охлаждения добавляют 1 мл реактива Фелинга и снова нагревают. Реактив Фелинга состоит из 2 растворов. Раствор №1 представляет собой водный раствор меди сульфата, подкисленный серной кислотой. Раствор №2 - это щелочной раствор калия-натрия тартрата. Реактивом служит смесь равных объемов обоих растворов. Образуется кирпично-красный осадок.

Схемы реакций см. стр.15.

Количественное определение:

Кислота аскорбиновая 0,05 г порошка растворяют в 1-2 мл воды и титруют 0,1н раствором натрия гидроксида до розового окрашивания (индикатор - фенолфталеин).

Глюкоза Растворяют 0,3 г порошка в 1-1.5 мл воды, объем доводят водой до 2 мл и определяют показатели преломления раствора и воды.

Если на титрование кислоты аскорбиновой в навеске массой 0,05 г (а1) (М=176,13 г/моль) израсходовано 4,25 мл 0,1 моль/л раствора натрия гидроксида (К=1,01), а показатель преломления раствора, полученного растворением в 2,0 мл воды навески массой 0,3 г (а2) - 1,3544

Фактор показателя преломления раствора кислоты аскорбиновой (F1) - 0,00160; безводной глюкозы (F2) - 0,00142. Показатель преломления воды - 1,333. По результатам титрования необходимо рассчитать содержание кислоты аскорбиновой (m1) в пересчете на массу порошка по прописи (Р).

Фактор эквивалентности кислоты аскорбиновой в методе нейтрализации равен 1.

Титр натрия гидроксида по кислоте аскорбиновой:

Затем рассчитывают концентрацию кислоты аскорбиновой (С1) в приготовленном для рефрактометрии растворе по формуле:

Вывод.

В соответствии с приказом № 305 от 16.10.97 отклонение укладывается в норму допустимых отклонений. Лекарственная форма приготовлена удовлетворительно.

Вывод из всего написанного выше следует такой:

Рефрактометрический метод анализа, прост, быстр и удобен. Но наибольшее значение он имеет все же для пищевой промышленности и медицины (например, для определения белка).