- Hvordan beregne brytningsindeksen
- Typer refraktometre
- - Optisk-manuell type som Abbes refraktometer
- Slik fungerer Abbe Refractometer
- Den kritiske vinkelen
- Betydningen av bølgelengde
- Fordeler og ulemper
- Manuelt Abbe Refractometer
- Digitale refraktometre
- applikasjoner
- referanser
Den refractometer er en metode for optisk analyse av stoffer som måler brytningsindeksen for et stoff for å bestemme de viktigste funksjonene. Det er basert på at lys, når det går fra et medium til et annet, gjennomgår en retningsendring som avhenger av naturen til disse mediene.
Lysets hastighet i vakuum er c = 300.000 km / s, men for eksempel i vann synker den til v = 225.000 km / s. Brytningsindeksen n er nøyaktig definert som c / v-forholdet.
Figur 1. Refraktometer brukt til å måle sukkerinnholdet i frukt. Kilde: Wikimedia Commons.
Anta at lys med en viss bølgelengde faller i en forhåndsbestemt vinkel på overflaten som begrenser to forskjellige materialer. Da vil strålens retning endre seg, fordi hvert medium har en annen brytningsindeks.
Hvordan beregne brytningsindeksen
Snells lov beskriver brytningsindeksen mellom to medier 1 og 2 som:
Her er n 1 brytningsindeksen i medium 1, θ 1 er innfallsvinkelen til strålen på grenseoverflaten, n 2 er brytningsindeksen i medium 2 og θ 2 er brytningsvinkelen, i hvilken retning den overførte strålen fortsetter.
Figur 2. Lysstråle som treffer to forskjellige medier. Kilde: Wikimedia Commons.
Brytningsindeksen for materialer er konstant og er kjent under visse fysiske forhold. Med dette kan brytningsindeksen til et annet medium beregnes.
Hvis lys for eksempel går gjennom et glassprisme hvis indeks er n 1 og deretter gjennom stoffet hvis indeks vi vil vite, må vi nøye måle innfallsvinkelen og brytningsvinkelen:
Typer refraktometre
Refraktometeret er et instrument som måler brytningsindeksen til en væske eller et fast stoff med flate og glatte ansikter. Det er to typer refraktometre:
-Optisk-manuell type som Abbe refraktometer.
-Ditital refraktometre.
- Optisk-manuell type som Abbes refraktometer
Abbe refraktometer ble oppfunnet på 1800-tallet av Ernst Abbe (1840-1905), en tysk fysiker som bidro betydelig til utviklingen av optikk og termodynamikk. Denne typen refraktometer er mye brukt i matindustrien og i undervisningslaboratorier og består i utgangspunktet av:
-En lampe som en kilde til lys, vanligvis natriumdamp, hvis bølgelengde er kjent. Det er modeller som bruker normalt hvitt lys, som inneholder alle synlige bølgelengder, men de har innebygde prismer som kalles Amici-prismer, som eliminerer uønskede bølgelengder.
-Et belysningsprisme og et annet brytningsprisme, mellom hvilket prøven hvis indeks skal måles plasseres.
-Thermometer, siden brytningsindeksen avhenger av temperaturen.
-Justeringsmekanismer for bildet.
- Okularet, som observatøren gjennomfører målingen gjennom.
Arrangementet av disse grunnleggende delene kan variere avhengig av design (se figur 3 til venstre). Neste gang vil vi se prinsippene for driften.
Figur 3. Til venstre et Abbe refraktometer og til høyre et grunnleggende driftsdiagram. Kilde: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Slik fungerer Abbe Refractometer
Prosedyren er som følger: prøven plasseres mellom brytningsprismet - som er fast - og belysningsprismet - synlig -.
Det brytende prisme er sterkt polert og dets brytningsindeks er høyt, mens belysningsprismet er matt og grovt på kontaktflaten. På denne måten, når lampen slås på, sendes det lys ut i alle retninger på prøven.
Ray AB i figur 3 er den med størst mulig avvik, så til høyre for punkt C vil en observatør se et skyggelagt felt, mens sektoren til venstre blir opplyst. Justeringsmekanismen trer i verk nå, siden det du ønsker er å gjøre de to feltene like store.
For dette er det et hjelpemerke på okularet, som varierer avhengig av design, men det kan være et kryss eller en annen type signal, som tjener til å sentrere felt.
Ved å gjøre de to feltene like store, kan den kritiske vinkelen eller grensevinkelen måles, som er vinkelen som den overførte strålen vil passere ved å beite overflaten som skiller mediet (se figur 4).
Når du kjenner til denne vinkelen, kan du direkte beregne brytningsindeksen til prøven og ta den fra prismet. La oss se nærmere på dette nedenfor.
Den kritiske vinkelen
I den følgende figuren ser vi at den kritiske vinkelen θ c er den der strålen beveger seg rett over grenseoverflaten.
Hvis vinkelen økes ytterligere, når ikke strålen midten 2, men reflekteres og fortsetter i midten 1. Snells lov som ble brukt i dette tilfellet vil være: sin θ 2 = sin 90º = 1, som fører direkte til brytningsindeksen i medium 2:
Figur 4. Kritisk vinkel. Kilde: F. Zapata.
Vel, den kritiske vinkelen oppnås nøyaktig ved å likestille størrelsen på feltene med lys og skygge som sees gjennom okularet, gjennom hvilket en gradvis skala også blir observert.
Skalaen er vanligvis kalibrert for direkte avlesning av brytningsindeksen, så avhengig av refraktometermodellen vil operatøren se noe som ligner på det som er observert i følgende bilde:
Figur 5. Skalaen til et refraktometer er kalibrert for å gi brytningsindeksen direkte. Kilde: Refraktometri. Oregon State University.
Den øvre skalaen, med hjelp av den vertikale linjen, indikerer hovedmålingen: 1.460, mens den nedre skalaen viser 0.00068. Når du legger til, er brytningsindeksen 1.46068.
Betydningen av bølgelengde
Lyset som faller på lysingsprismet, vil endre retning. Men siden det er en elektromagnetisk bølge, vil endringen avhenge av λ, lengden på hendelsesbølgen.
Siden hvitt lys inneholder alle bølgelengder, brytes hver enkelt i en annen grad. For å unngå denne blandingen som resulterer i et uklar bilde, må lyset som brukes i et høyoppløselig refraktometer ha en unik og kjent bølgelengde. Den mest brukte er den såkalte natrium D-linjen, hvis bølgelengde er 589,6 nm.
I tilfeller der det ikke kreves for mye presisjon, er naturlig lys tilstrekkelig, selv om det inneholder en blanding av bølgelengder. For å unngå å gjøre kanten mellom lys og mørk i bildet uskarpe, legger noen modeller til Amicis kompenserende prismer.
Fordeler og ulemper
Refraktometri er en rask, billig og pålitelig teknikk for å kjenne et stoffs renhet, og det er derfor det er mye brukt i kjemi, bioanalyse og matteknologi.
Men siden det er forskjellige stoffer med samme brytningsindeks, er det nødvendig å vite hvilken som blir analysert. For eksempel er cykloheksan og noen sukkerholdige oppløsninger kjent for å ha samme brytningsindeks ved en temperatur på 20 ° C.
På den annen side er brytningsindeksen sterkt avhengig av temperatur, som nevnt ovenfor, i tillegg til trykket og konsentrasjonen av brytningsoppløsningen. Alle disse parametrene må overvåkes nøye når målinger med høy presisjon er nødvendige.
Når det gjelder hvilken type refraktometer som skal brukes, avhenger det mye av applikasjonen det er beregnet for. Her er noen kjennetegn på hovedtypene:
Manuelt Abbe Refractometer
-Det er et pålitelig og lite vedlikeholdsinstrument.
-De er vanligvis billige.
-Myktig å bli kjent med de grunnleggende prinsippene for refraktometri.
- Forsiktighet må utvises for ikke å ripe overflaten av prismen i kontakt med prøven.
-Rør rengjøres etter hver bruk, men kan ikke gjøres med papir eller grove materialer.
-Fraktasjonsmåleren må ha trening.
-Hver måling må registreres for hånd.
-De kommer vanligvis med skalaer som er kalibrert spesielt for et visst utvalg av stoffer.
-De trenger å bli kalibrert.
-Temperaturkontrollsystemet for vannbad kan være tungvint å bruke.
Digitale refraktometre
-De er enkle å lese, siden målingen vises direkte på en skjerm.
-De bruker optiske sensorer for høyt presisjonsavlesning.
-De har muligheten til å lagre og eksportere innhentede data og være i stand til å konsultere dem når som helst.
-De er ekstremt nøyaktige, selv for stoffer hvis brytningsindeks er vanskelig å måle.
-Det er mulig å programmere forskjellige skalaer.
-Krever ikke temperaturjustering med vann.
-Noen modeller inkluderer for eksempel tetthetsmålinger eller kan kobles til tetthetsmålere, pH-meter og andre for å spare tid og oppnå samtidige målinger.
-Det er ikke nødvendig å kalibrere dem på nytt, men sjekk fra tid til annen at de fungerer som de skal ved å måle brytningsindeksen for kjente stoffer, for eksempel destillert vann.
-De er dyrere enn manuelle refraktometre.
applikasjoner
Å kjenne til en prøves brytningsindeks indikerer dens renhetsgrad, og det er grunnen til at teknikken brukes mye i matindustrien:
-I kvalitetskontroll av oljene, for å bestemme deres renhet. For eksempel gjennom refraktometri er det mulig å vite om en solsikkeolje ble senket ved å tilsette andre oljer av lavere kvalitet.
Figur 6. Matteknologisk laboratorium. Kilde: Piqsels.
-Det brukes i matindustrien for å kjenne sukkerinnholdet i sukkerholdige drikker, syltetøy, melk og dets derivater og forskjellige sauser.
-De er også nødvendige i kvalitetskontrollen av viner og øl for å bestemme sukkerinnholdet og alkoholinnholdet.
-I den kjemiske og farmasøytiske industrien for kvalitetskontroll av sirup, parfyme, vaskemidler og alle slags emulsjoner.
-De kan måle konsentrasjonen av urea - avfall fra proteinmetabolisme - i blodet.
referanser
- Kjemi-laboratorieteknikker. Refraktometri. Gjenopprettet fra: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Refraktometry. Gjenopprettet fra: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. Sammenligning av forskjellige teknikker for måling av tetthet og refraktometri. Gjenopprettet fra: mt.com.
- Nett InterLab. Hva er et refraktometer og hva er det for? Gjenopprettet fra: net-interlab.es.
- Oregon State University. Prinsipper for refraktometri. Gjenopprettet fra: sites.science.oregonstate.edu.