Материал: Определение показателя преломления жидкости рефрактометром Методическое пособие к лабораторной работе для студентов врачебных факультетов

Рис. 2. Падение света на границу раздела двух сред из оптически менее плотной среды (а), изоптически более плотной

среды (б)

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения. При некотором угле паденияiлуча угол преломления равен π/2, т. е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред (рис. 2, б).

При дальнейшем увеличении угла падения преломление не происходит, весь падающий свет отражается от границы раздела сред. Угол i называется предельным углом полного внутреннего отражения и обозначается iпр.. Так как n12 = sin(iпр)/sin(π/2) = n2/n1,

Рис. 3. Различные типы рефрактометров

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного внутреннего отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это нашло применение в приборах для измерения показателя

6

преломления веществ — рефрактометрах (рис. 3, а–в), используемых при определении чистоты воды, концентрации общего белка сыворотки крови, для идентификации различных веществ и т. д.

Явление полного внутреннего отражения лежит в основе волоконной оптики. Свет, попадая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль этого волокна. Диаметр этих тонких стеклянных или пластиковых волокон может быть доведен до нескольких микрометров. Для передачи больших световых потоков и сохранения гибкости светопроводящей системы отдельные волокна собираются в пучки (жгуты) – световоды, свет по световоду может передаваться почти без потерь.

Рис. 4. Распространение света в оптическом волокне

Рисунок 4 демонстрирует, как распространяется свет по тонкому волокну, испытывая только скользящие отражения от стенок, т.е. претерпевая полное внутреннее отражение. Если световоду придать сложную форму, то угол падения обычно превышает предельный, и свет будет передан от одного торца световода до другого практически без ослабления. Этот эффект используется в декоративных светильниках и при подсветке струй в фонтане. Световоды можно использовать для освещения труднодоступных мест, например внутренних органов человека. Одно из остроумных применений волоконной оптики, в частности, в медицине – это передача четких изображений. Вводя через пищевод больного световод, врач получает возможность визуально обследовать стенки желудка. По одним волокнам посылается свет для освещения желудка, а по другим идет отраженный свет. На противоположном торце световода наблюдатель видит серию светлых и темных пятен (как на телевизионном экране), т.е. картину у противоположного торца световода. Волокна должны быть оптически изолированы друг от друга. Обычно на них наносится вещество с меньшим показателем преломления. Волокна должны быть строго параллельны, иначе изображение не получится четким. Чем больше волокон в световоде, и чем они тоньше, тем лучше разрешаются детали изображения.

7

Таким образом, в медицине световоды используются для решения двух задач: 1) передачи световой энергии, главным образом для освещения холодным светом внутренних полостей; 2) передачи изображения. Используя волоконную оптику, удалось, во-первых, свет от лампочки передать внутрь органа по световоду, тем самым избегая нежелательного нагревания этого органа, во-вторых, гибкость волоконно-оптических систем допускает осмотр большой части полостей, например, при обследовании желудка или других труднодоступных мест при подготовке больного к операции, выполнение самой операции или поиск травм и повреждений без хирургического вмешательства.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Определение показателя преломления можно проводить различными способами: по измерению углов падения и преломления, по измерению наименьшего угла отклонения призмы и ее преломляющего угла, интерференционными методами (по смещению интерференционных полос), по смещению изображения предмета, рассматриваемого через плоскопараллельную пластинку с помощью микроскопа, иммерсионными методами и методами, основанными на полном отражении.

В работе применяется рефрактометр, в котором используется полное внутреннее отражение (рефрактометр Аббе). В рефрактометрах этого типа исследуемая среда (обычно жидкость) помещается в зазоре (около 0,1 мм) между гранями двух стеклянных прямоугольных призм (рис. 5).

Рис. 5. Ход лучей в стеклянных призмах рефрактометра Аббе

При измерениях используются два метода: 1) метод скользящего луча и 2) метод полного внутреннего отражения. При методе скользящего луча свет направляется через грань АВ призмы P1,который проходит через матовую поверхность АС и далее через слой жидкости проникает в призму P2. Для

8

лучей, которые скользят вдоль грани DE, можно записать закон преломления в виде:

исследуемое вещество; n- показатель преломления исследуемой среды в зазоре;

Угол выхода лучей iм будет иметь наименьшее значение для скользящих лучей. Лучи, проходящие через грань EF, будут выходить под углами от 90° до iм, определяемого соотношением (10). Если на пути этих лучей поставить собирающую линзу O1, то в ее фокальной плоскости получается изображение, на котором будет видна резкая граница между светом и тенью. Граница раздела соответствует направлению выхода лучей под наименьшим углом (т. е. под углом iм). Положение ее будет зависеть от величины показателя преломления среды (при данных призмах). Граница рассматривается через вторую линзу, которая совместно с O1 образует зрительную трубу, установленную на бесконечность. С помощью такой трубы определяется угол iм и по известным значениям Р и n1 рассчитывается показатель преломления.

При методе полного внутреннего отражения свет вводится в

рефрактометр через матовую грань DF призмыP2. Свет падает на грань DE под всевозможными углами. При углах паденияхr2> r будет полное внутреннее отражение. Лучи, проходящие через грань EF и имеющие углы выхода больше iм, будут в фокальной плоскости давать изображение с меньшей освещенностью; лучи с углами выхода меньше iм (что соответствует условию r2> r) будут давать большую освещенность. В поле зрения трубы в этом случае будет наблюдаться резкая граница раздела между полутенью и светом. Если при использовании первого способа верхняя часть поля зрения будет темной, то во втором способе эта часть поля будет иметь большую освещенность. Положение границы раздела в обоих случаях определяется условием (10). Вторым способом можно измерять показатель преломления и непрозрачных тел.

При освещении призм белым светом граница раздела будет размыта и окрашена в различные цвета. Чтобы получить резкое изображение, перед

9

объективом зрительной трубы помещаются две призмы прямого зрения (призмы Амичи); каждая призма состоит из трех склеенных призм с различными показателями преломления и различной дисперсией (например, крайние призмы изготовлены из кронгласа, средняя – из флинтгласа). Призмы рассчитаны так, чтобы монохроматический луч с длиной волны 589,3 нм не испытывал отклонения. Такое устройство называется компенсатором.

При положении призм компенсатора, указанном на рисунке 5, их дисперсия равна нулю; при повороте одной из призм на 180° дисперсия будет равна удвоенному значению дисперсии одной призмы (при равных дисперсиях призм). В зависимости от взаимной ориентации призм дисперсию можно изменять от нуля до максимального значения. Поворотом призм компенсатора с помощью специального устройства добиваются резкого изображения границы, положение которой соответствует значению показателя преломления для желтой линии натрия (589,3 нм). В простых конструкциях рефрактометров в качестве компенсатора используется одна призма прямого зрения.

Схематически ход лучей в рефрактометре Аббе представлен на рисунке 6, где указано: 1– осветительное зеркало; 2 – откидная призма; 3 – основная призма; 4 – матовая грань; 5 – исследуемое вещество; 6 – призма компенсатора; 7 – объектив трубы; 8 – оборотная призма; 9 – окуляр с отсчетной шкалой, расположенной в фокальной плоскости окуляра. Общий вид рефрактометра типа РПЛ-3 показан на рисунке 7. Обозначения те же, что на рисунке 6.

Для удобства измерений шкала проградуирована непосредственно в значениях показателя преломления. В указанной конструкции рефрактометра имеется два окна, что позволяет вести измерения обоими способами. Одно из окон при измерениях закрывается шторкой 11; для установки компенсатора служит барабан 12. В оправе призм сделана камера, через которую может

10