Det refraktometri er en metode til optisk analyse af stoffer, der måler brydningsindekset for et stof for at bestemme dets vigtigste egenskaber. Det er baseret på det faktum, at lys, når det passerer 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 det til v = 225.000 km / s. Brydningsindeks n defineres nøjagtigt som kvotienten c / v.
Antag at lys med en bestemt bølgelængde falder i en forudbestemt vinkel på overfladen, der begrænser to forskellige materialer. Derefter vil strålens retning ændre sig, fordi hvert medium har et andet brydningsindeks.
Artikelindeks
Snells lov vedrører brydningsindekset mellem to medier 1 og 2 som:
n1 sen θ1 = nto sen θto
Her n1 er brydningsindekset i mediet 1, θ1 er indstrålingsvinklen for strålen på grænsefladen, nto er brydningsindekset i mediet 2 ogto er brydningsvinklen, i hvilken retning den transmitterede stråle fortsætter.
Brydningsindekset for materialer er konstant og er kendt under visse fysiske forhold. Med dette kan du beregne brydningsindekset for et andet medium.
For eksempel, hvis lys passerer gennem et glasprisme, hvis indeks er n1 og så for det stof, hvis indeks vi ønsker at vide, nøje måle indfaldsvinklen og brydningsvinklen, opnår vi:
nto = (synd θ1 / sen θto). n1
Refraktometeret er et instrument, der måler brydningsindekset for en væske eller et fast stof med flade og glatte ansigter. Der er to typer refraktometre:
-Optisk-manuel type såsom Abbes refraktometer.
-Digitale refraktometre.
Abbe-refraktometeret 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 anvendes i vid udstrækning i fødevareindustrien og undervisningslaboratorierne og består grundlæggende af:
-En lampe som en lyskilde, generelt natriumdamp, hvis bølgelængde er kendt. Der er modeller, der bruger normalt hvidt lys, som indeholder alle de synlige bølgelængder, men de har indbyggede prismer kaldet Amici prismer, der fjerner uønskede bølgelængder.
-EN lysprisme og andre brydningsprisme, mellem hvilken prøven, hvis indeks skal måles, placeres.
-Termometer, da brydningsindekset afhænger af temperaturen.
-Justeringsmekanismer for billedet.
-Okularet, gennem hvilket observatøren gennemfører målingen.
Arrangementet af disse grundlæggende dele kan variere afhængigt af designet (se figur 3 til venstre). Så vil vi se driftsprincipperne.
Fremgangsmåden er som følger: prøven placeres mellem brydningsprismet - som er fast - og belysningsprismet - vippbart-.
Brydningsprismen er stærkt poleret, og dets brydningsindeks er høj, mens belysningsprismen er mat og ru på kontaktoverfladen. Når lampen tændes, udsendes der på denne måde 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 skyggefuldt felt, mens sektoren til venstre vil blive belyst. Justeringsmekanismen træder i kraft nu, da det, der søges, er at få de to felter til at have samme størrelse.
Til dette er der et hjælpemærke på okularet, der varierer alt efter designet, men det kan være et kryds eller en anden type signal, der tjener til at centrere markerne.
Ved at gøre de to felter med samme størrelse kan den kritiske vinkel eller grænsevinklen måles, hvilket er den vinkel, hvormed den transmitterede stråle passerer og græsser på overfladen, der adskiller mediet (se figur 4).
At kende denne vinkel giver mulighed for direkte at beregne brydningsindekset for prøven under prisme. Lad os se nærmere på dette nedenfor..
I den følgende figur ser vi, at den kritiske vinkel θc er den, hvor strålen bevæger sig lige over grænsefladen.
Hvis vinklen øges yderligere, når strålen ikke midten 2, men reflekteres og fortsætter i midten 1. Snells lov anvendt i dette tilfælde ville være: sin θto = sin 90º = 1, hvilket fører direkte til brydningsindekset i medium 2:
nto = n1 sen θc
Nå, den kritiske vinkel opnås nøjagtigt ved at ligne størrelsen på felterne for lys og skygge set gennem okularet, hvorigennem en gradueret skala også observeres.
Vægten er normalt kalibreret til direkte aflæsning af brydningsindekset, så afhængigt af refraktometermodellen vil operatøren se noget svarende til det, der observeres i det følgende billede:
Den øverste skala viser ved hjælp af den lodrette linje hovedmålingen: 1.460, mens den nederste skala viser 0.00068. Når vi tilføjer, har vi brydningsindekset 1.46068.
Det lys, der falder på lysprismet, vil ændre sin retning. Men da det er en elektromagnetisk bølge, vil ændringen afhænge af λ, længden af den indfaldende bølge.
Da hvidt lys indeholder alle bølgelængder, brydes hver enkelt i forskellig grad. For at undgå denne blanding, der resulterer i et uklart billede, skal lyset, der anvendes 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 billedets lyse og mørke områder tilføjer nogle modeller Amici's kompenserende prismer..
Refraktometri er en hurtig, billig og pålidelig teknik til at kende et stofs renhed, hvorfor det er meget udbredt inden for kemi, bioanalyse og madteknologi..
Men da der er forskellige stoffer med det samme brydningsindeks, er det nødvendigt at vide, hvilken der analyseres. F.eks. Er cyclohexan og nogle sukkerholdige opløsninger kendt for at have det samme brydningsindeks ved en temperatur på 20 ° C..
På den anden side er brydningsindekset meget afhængig af temperaturen som anført ovenfor ud over trykket og koncentrationen af brydningsopløsningen. Alle disse parametre skal overvåges nøje, når der kræves målinger med høj præcision..
Hvad angår den type refraktometer, der skal bruges, afhænger det meget af, hvilken applikation det er beregnet til. Her er nogle egenskaber ved hovedtyperne:
-Det er et pålideligt og vedligeholdelsesinstrument.
-De er normalt billige.
-Meget passende at blive fortrolig med de grundlæggende principper for refraktometri.
-Der skal udvises forsigtighed med ikke at ridse prismeoverfladen i kontakt med prøven..
-Skal rengøres efter hver brug, men kan ikke udføres med papir eller ru materialer.
-Refraktometeroperatøren skal have træning.
-Hver måling skal registreres manuelt.
-De leveres normalt med skalaer, der er kalibreret specifikt til et bestemt udvalg af stoffer..
-De skal kalibreres.
-Vandbadstemperaturkontrolsystem kan være besværligt at bruge.
-De er nemme at læse, da målingen vises direkte på en skærm.
-Brug optiske sensorer til højpræcisionsaflæsninger.
-De har evnen til at gemme og eksportere de opnåede data og være i stand til at høre dem til enhver tid.
-De er ekstremt nøjagtige, selv for stoffer, hvis brydningsindeks er svært at måle.
-Forskellige skalaer kan programmeres.
-De kræver ikke temperaturjustering med vand.
-Nogle modeller indeholder f.eks. Tæthedsmålinger eller kan forbindes til densitetsmålere, pH-målere og andre for at spare tid og opnå samtidige målinger.
-Det er ikke nødvendigt at kalibrere dem igen, men at kontrollere deres korrekte funktion fra tid til anden ved at måle brydningsindekset for velkendte stoffer, f.eks. Destilleret vand..
-De er dyrere end manuelle refraktometre.
At kende brydningsindekset for en prøve indikerer dens renhedsgrad, hvorfor teknikken er meget udbredt i fødevareindustrien:
-I kvalitetskontrol af olier 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.
-Det bruges i fødevareindustrien til at kende sukkerindholdet i sukkerholdige drikkevarer, syltetøj, mælk og dets derivater og forskellige saucer.
-De er også nødvendige i kvalitetskontrollen af vin og øl for at bestemme sukkerindholdet og alkoholindholdet..
-I den kemiske og farmaceutiske industri til kvalitetskontrol af sirupper, parfume, vaskemidler og alle former for emulsioner.
-De kan måle koncentrationen af urinstof - et spild fra proteinmetabolisme - i blodet.
Endnu ingen kommentarer