света в среде (в данном веществе) vс:
.
Так как скорость света в вакууме является предельной, то показатели преломления для всех веществ и любых сред будут больше единицы. Может быть доказано, что при всех обстоятельствах имеет место равенство:
, следовательно, 
.
Исходя из того, что n>1, следует, что 
и 
(рис. 3). Таким образом, при переходе светового луча из вакуума - оптически наименее плотной среды - в какую-либо другую среду угол падения (
) всегда больше угла преломления (
).
Рис. 3. Преломление светового луча на границе вакуума с более плотной оптической средой
Если рассматривать две любые среды (I и II), то преломление одной из них (среды II) при попадании в нее света из среды I (с меньшей оптической плотностью) будет характеризоваться относительным показателем преломления (
):
,
где 
и 
- скорости распространения света соответственно в среде I и в среде II.
Когда говорят о показателях преломления твердых и жидких тел, то обычно имеют в виду их относительные показатели преломления по отношению к воздуху. Эти величины обозначают буквой n и называют просто показателями преломления.
Практически показатель преломления вещества относительно воздуха можно считать равным его абсолютному показателю преломления.
Величина показателя преломления зависит от природы вещества, длины волны падающего света, температуры и давления (практически влияние давления приходится учитывать только для газообразных тел).
Зависимость показателя преломления от длины волны падающего света называют дисперсией (от лат. «dispersus» - рассеянный).
Табличные значения показателей преломления чаще всего приводят для желтой линии (линия D) в спектре натрия и обозначают 
. Длина волны, соответствующая этой линии, 
.
Так как показатель преломления для светового луча с любой длиной волны зависит и от природы вещества, то дисперсия при прохождении света через различные вещества будет различной. Чем больше разница в показателях преломления для двух волн какой-либо длины 
и 
, тем, следовательно, больше дисперсия - рассеяние света данным веществом. Поэтому разность (
), так называемая частная дисперсия, может служить мерой дисперсии вещества.
Табличной характеристикой дисперсии вещества является разность показателей преломления для длин волн, соответствующих линиям С и F - граничным линиям средней части спектра.
Разность 
называется средней дисперсией.
Линия С - красная линия в спектре водорода (
).
Линия Р - синяя линия в спектре водорода (
).
Следует отметить, что вещества с весьма близкими показателями преломления имеют различную дисперсию. Поэтому определение дисперсии может помочь избежать ошибки при установлении природы - идентификации вещества.
И, наоборот, совпадающие значения и показателя преломления, и дисперсии служат подтверждением правильности сделанного вывода.
При рефрактометрических измерениях должна быть учтена зависимость показателя преломления от температуры. Необходимо знать, какой температуре соответствует измеренный показатель преломления. При рефрактометрическом анализе измерения показателей преломления должны производиться при одной и той же температуре. Измерения, осуществляемые с целью идентификации вещества, должны быть произведены при температуре, соответствующей табличным значениям коэффициентов преломления.
Современные рефрактометры, имеют приспособления для термостатирования, позволяющие делать измерения при данной заданной температуре.
2. Молекулярная рефракция.
Показатель преломления вещества связан с его плотностью. Увеличение плотности вещества, которое может быть следствием увеличения давления для газовых сред или следствием перекристаллизации твердого тела при переходе вещества из одной аллотропической модификации в другую, ведет, как правило, к. увеличению показателя преломления.
Связь между показателем преломления и плотностью 
в самом общем виде может быть выражена следующим образом: 
, где r - коэффициент пропорциональности, называемый удельной рефракцией.
На основании представлений о поляризации атомов и молекул вещества (диэлектрика) в электрическом поле можно прийти к заключению, что функция 
имеет вид:
, тогда 
, откуда 
.
Поляризация связана со смещением (деформацией) электронных оболочек атома относительно его положительно заряженного ядра. В результате электрические «центры тяжести» положительного и отрицательного электричества уже не совпадают в одной точке, и атом становится полярным. Полярной становится и составленная из атомов молекула. Поляризуется, следовательно, и вещество в целом (органическая жидкость, например).
Оказывается, что явление рефракции - преломления света - связано с поляризацией молекул вещества в электромагнитном поле видимого света, в результате которой поток световых частиц-фотонов отклоняется от первоначального направления. Известно, что еще Ньютон считал преломление света следствием притяжения световых частиц частицами вещества.
Умножение удельной рефракции (r) на молекулярную массу (M) дает величину (R) молекулярной рефракции вещества:
(формула Лоренца-Лоренца).
Величины удельной и молекулярной рефракций определяются только интенсивностью поляризации частиц вещества в электромагнитном поле падающего света и зависят, следовательно, от способности этих частиц поляризоваться, что определяется только природой вещества и не зависит от внешних условий, температуры, давления и агрегатного состояния вещества. Таким образом, молекулярную рефракцию можно рассматривать как среднюю меру поляризуемости молекул. Удельная рефракция 
- это, очевидно, рефракция одного грамма вещества.
В связи с тем, что поляризация молекулы есть суммарный эффект поляризации входящих в ее состав атомов, численное значение молекулярной рефракции должно быть суммой атомных рефракций. Поэтому молекулярная рефракция является аддитивным свойством (от лат. «additivus» - придаточный, получаемый путем сложения). Например, молекулярная рефракция этана С2 Нб может быть представлена как сумма атомных рефракций углерода и водорода следующим образом:
.
Молекулярная и удельная рефракции смеси веществ также аддитивны и представляют собой сумму соответствующих рефракций компонентов с учетом их количества в смеси. Например, для смеси бензола и толуола (
и 
- мольные доли этих веществ в смеси) молекулярная рефракция будет равна:
.
Величины атомных рефракций представлены в соответствующих таблицах
Для экспериментального определения молекулярной рефракции необходимо измерить показатель преломления вещества и его плотность. Значение R вычисляется затем по формуле Лоренца-Лоренца. Полученные результаты могут быть сравнены со значением молекулярной рефракции, найденным как сумма атомных рефракций и рефракций связей по табличным данным в соответствии с гипотетической формулой исследуемого вещества. Достаточно удовлетворительное совпадение найденных в том и другом случае значений может служить подтверждением правильности представлений о составе и строении исследуемого вещества, составленных на основании данных химического анализа и изучения химических свойств. Допустимыми могут считаться расхождения в 0,2-0,4 см3/моль и для не очень сложных соединений 0,1-0,2 см3/моль.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
Основные порталы (построено редакторами)