- Sådan beregnes brydningsindekset
- Typer af refraktometre
- - Optisk-manuel type som Abbes refraktometer
- Sådan fungerer Abbe Refractometer
- Den kritiske vinkel
- Betydningen af bølgelængde
- Fordele og ulemper
- Manuel Abbe Refractometer
- Digitale refraktometre
- Applikationer
- Referencer
Den refraktometer er en fremgangsmåde til optisk analyse af stoffer, som måler brydningsindekset af et stof for at bestemme dets hovedtræk. Det er baseret på det faktum, at lys, når de går fra et medium til et andet, gennemgår en retningsændring, der afhænger af arten af disse medier.
Lysets hastighed i vakuum er c = 300.000 km / s, men for eksempel i vand falder den til v = 225.000 km / s. Brydningsindekset n er nøjagtigt defineret som c / v-forholdet.
Figur 1. Refraktometer brugt til at måle sukkerindholdet i frugter. Kilde: Wikimedia Commons.
Antag, at lys med en bestemt bølgelængde falder i en forudbestemt vinkel på overfladen, der begrænser to forskellige materialer. Derefter vil stråleretningen ændre sig, fordi hvert medium har et andet brydningsindeks.
Sådan beregnes brydningsindekset
Snells lov angår brydningsindekset mellem to medier 1 og 2 som:
Her er n 1 brydningsindekset i medium 1, θ 1 er indfaldsvinklen for strålen på grænseoverfladen, n 2 er brydningsindekset i medium 2 og θ 2 er brydningsvinklen, i hvilken retning den transmitterede stråle fortsætter.
Figur 2. Lysstråle, der rammer to forskellige medier. Kilde: Wikimedia Commons.
Materialets brydningsindeks er konstant og er kendt under visse fysiske forhold. Med dette kan brytningsindekset for et andet medium beregnes.
For eksempel, hvis lys passerer gennem et glasprisme, hvis indeks er n 1 og derefter gennem det stof, hvis indeks vi ønsker at kende, må vi omhyggeligt måle indfaldsvinklen og brydningsvinklen:
Typer af refraktometre
Refraktometer er et instrument, der måler brytningsindekset for en væske eller et fast stof med flade og glatte flader. Der er to typer refraktometre:
-Optisk-manuel type som Abbe refraktometer.
- Digitale refraktometre.
- Optisk-manuel type som Abbes refraktometer
Abbe refraktometer blev opfundet i det 19. århundrede af Ernst Abbe (1840-1905), en tysk fysiker, der bidrog væsentligt til udviklingen af optik og termodynamik. Denne type refraktometer bruges i vid udstrækning i fødevareindustrien og undervisningslaboratorier og består dybest set af:
-En lampe som en kilde til lys, generelt natriumdamp, hvis bølgelængde er kendt. Der er modeller, der bruger normalt hvidt lys, der indeholder alle synlige bølgelængder, men de har indbyggede prismer, der kaldes Amici-prismer, som fjerner uønskede bølgelængder.
-Et belysningsprisme og et andet brydningsprisme, mellem hvilket prøven, hvis indeks skal måles, placeres.
-Thermometer, da brydningsindekset afhænger af temperaturen.
-Justeringsmekanismer til billedet.
-O okularet, gennem hvilket observatøren foretager målingen.
Arrangementet af disse grundlæggende dele kan variere afhængigt af designet (se figur 3 til venstre). Derefter ser vi principperne for driften.
Figur 3. Til venstre et Abbe refraktometer og til højre et grundlæggende driftsdiagram. Kilde: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Sådan fungerer Abbe Refractometer
Proceduren er som følger: prøven placeres mellem brydningsprismet - som er fast- og belysningsprismet - indstilleligt-.
Brydningsprismet er stærkt poleret, og dets brydningsindeks er højt, mens oplysningsprismet er mat og ru på kontaktfladen. På denne måde, når lampen tændes, udsendes lys i alle retninger på prøven.
Ray AB i figur 3 er den med størst mulig afvigelse, så til højre for punkt C vil en observatør se et skraveret felt, mens sektoren til venstre bliver oplyst. Justeringsmekanismen træder i kraft nu, da det, du ønsker, er at gøre de to felter til at have samme størrelse.
Til dette er der et hjælpemærke på okularet, der varierer afhængigt af designet, men det kan være et kryds eller en anden type signal, der tjener til at centrere felterne.
Ved at gøre de to felter samme størrelse, kan den kritiske vinkel eller grænsevinkel måles, hvilket er den vinkel, hvormed den transmitterede stråle vil passere ved at græse den overflade, der adskiller mediet (se figur 4).
At kende denne vinkel giver mulighed for direkte at beregne brytningsindekset for prøven, idet det tages af prisme. Lad os se på dette mere detaljeret nedenfor.
Den kritiske vinkel
I den følgende figur ser vi, at den kritiske vinkel θ c er den, hvor strålen bevæger sig lige over grænseoverfladen.
Hvis vinklen øges yderligere, når strålen ikke midten 2, men reflekteres og fortsætter i midten 1. Snells lov, der er anvendt i dette tilfælde, ville være: sin θ 2 = sin 90º = 1, der fører direkte til brydningsindekset i medium 2:
Figur 4. Kritisk vinkel. Kilde: F. Zapata.
Nå, den kritiske vinkel opnås nøjagtigt ved at sidestille størrelsen på felterne med lys og skygge, der ses gennem okularet, gennem hvilket en gradueret skala også observeres.
Skalaen er normalt kalibreret til direkte aflæsning af brydningsindekset, så afhængigt af refraktometermodellen vil operatøren se noget, der ligner det, der er observeret i følgende billede:
Figur 5. Skalaen på et refraktometer er kalibreret for at give brydningsindekset direkte. Kilde: Refraktometri. Oregon State University.
Den øverste skala viser ved hjælp af den lodrette linje hovedmåling: 1.460, mens den nedre skala viser 0.00068. Ved tilføjelse er brydningsindekset 1.46068.
Betydningen af bølgelængde
Lyset, der falder på belysningsprismet, ændrer retning. Men da det er en elektromagnetisk bølge, afhænger ændringen af λ, længden af hændelsesbølgen.
Da hvidt lys indeholder alle bølgelængder, brydes hver enkelt i en anden grad. For at undgå denne blanding, der resulterer i et uklar billede, skal lyset, der bruges i et refraktometer med høj opløsning, have en unik og kendt bølgelængde. Den mest anvendte er den såkaldte natrium-D-linje, hvis bølgelængde er 589,6 nm.
I tilfælde, hvor der ikke kræves for meget præcision, er naturligt lys tilstrækkeligt, selvom det indeholder en blanding af bølgelængder. For at undgå at sløre kanten mellem lys og mørk på billedet tilføjer nogle modeller Amicis kompenserende prismer.
Fordele og ulemper
Refraktometri er en hurtig, billig og pålidelig teknik til at kende et stofs renhed, og det er derfor, det bruges i vid udstrækning inden for kemi, bioanalyse og fødevareteknologi.
Men da der er forskellige stoffer med det samme brydningsindeks, er det nødvendigt at vide, hvilken der analyseres. F.eks. Vides cyclohexan og nogle sukkeropløsninger at have det samme brydningsindeks ved en temperatur på 20 ° C.
På den anden side er brydningsindekset meget afhængig af temperaturen, som nævnt ovenfor, ud over trykket og koncentrationen af brydningsopløsningen. Alle disse parametre skal overvåges omhyggeligt, når der kræves høj præcisionsmålinger.
Hvad angår typen af refraktometer, der skal bruges, afhænger det meget af den applikation, det er beregnet til. Her er nogle karakteristika for hovedtyperne:
Manuel Abbe Refractometer
-Det er et pålideligt og lavt vedligeholdelsesinstrument.
-De er normalt billige.
-Meget passende at blive fortrolig med de grundlæggende principper for refraktometri.
- Man skal være forsigtig med ikke at ridse overfladen af prismet i kontakt med prøven.
-Rør rengøres efter hver brug, men kan ikke udføres med papir eller ru materialer.
-Frakturmåleren skal have træning.
-Hver måling skal registreres manuelt.
-De leveres normalt med skalaer, der er kalibreret specifikt til et bestemt område af stoffer.
-De skal kalibreres.
-Temperaturreguleringssystemet for vandbad kan være besværligt at bruge.
Digitale refraktometre
-De er lette at læse, da målingen vises direkte på en skærm.
-De bruger optiske sensorer til aflæsning med høj præcision.
-De har muligheden for at gemme og eksportere de opnåede data og til enhver tid kunne konsultere dem.
-De er ekstremt nøjagtige, selv for stoffer, hvis brydningsindeks er vanskelig at måle.
-Det er muligt at programmere forskellige skalaer.
- Kræver ikke temperaturjustering med vand.
-Nogle modeller indbefatter for eksempel tæthedsmålinger eller kan forbindes til tæthedsmålere, pH-målere og andre for at spare tid og opnå samtidige målinger.
-Det er ikke nødvendigt at kalibrere dem igen, men kontroller fra tid til anden, at de fungerer korrekt ved at måle brydningsindekset for velkendte stoffer, f.eks. Destilleret vand.
-De er dyrere end manuelle refraktometre.
Applikationer
At kende en prøve's brydningsindeks indikerer dens renhedsgrad, hvorfor teknikken er vidt brugt i fødevareindustrien:
-I kvalitetskontrol af olierne for at bestemme deres renhed. For eksempel er det gennem refraktometri muligt at vide, om en solsikkeolie blev sænket ved at tilføje andre olier af lavere kvalitet.
Figur 6. Fødevareteknologisk laboratorium. Kilde: Piqsels.
-Det bruges i fødevareindustrien til at kende sukkerindholdet i sukkerholdige drikkevarer, syltetøj, mælk og dets derivater og forskellige saucer.
-De er også nødvendige i kvalitetskontrol af vin og øl for at bestemme sukkerindholdet og alkoholindholdet.
-I den kemiske og farmaceutiske industri til kvalitetskontrol af sirupper, parfume, vaskemidler og alle slags emulsioner.
-De kan måle koncentrationen af urinstof - spild fra proteinmetabolisme - i blodet.
Referencer
- Kemi Lab-teknikker. Refraktometri. Gendannes fra: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Refraktometry. Gendannes fra: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. Sammenligning af forskellige teknikker til måling af densitet og refraktometri. Gendannes fra: mt.com.
- Net InterLab. Hvad er et refraktometer, og hvad er det til? Gendannes fra: net-interlab.es.
- Oregon State University. Principper for refraktometri. Gendannes fra: sites.science.oregonstate.edu.