- Hogyan lehet kiszámítani a törés indexét?
- A refraktométerek típusai
- - Optikai-kézi típusú, mint például Abbe refraktométere
- Hogyan működik az Abbe refraktométer?
- A kritikus szög
- A hullámhossz fontossága
- Előnyök és hátrányok
- Kézi Abbe refraktométer
- Digitális refraktométerek
- Alkalmazások
- Irodalom
A refraktométer egy anyag optikai elemzésének módszere, amely az anyag törésmutatóját méri annak főbb jellemzői meghatározása céljából. Ez azon a tényen alapul, hogy az egyik közegről a másikra történő áthaladáskor a fény iránya megváltozik, amely ezen közegek természetétől függ.
A fény sebessége vákuumban c = 300 000 km / s, de például vízben v = 225 000 km / s-ra csökken. Az n törésmutatót pontosan a c / v aránynak kell meghatározni.
1. ábra. A gyümölcsök cukortartalmának mérésére használt refraktométer. Forrás: Wikimedia Commons.
Tegyük fel, hogy egy bizonyos hullámhosszú fény egy meghatározott szögben esik a felületre, amely két különböző anyagot korlátozza. Ekkor a sugár iránya megváltozik, mivel az egyes közegek eltérő törésmutatóval rendelkeznek.
Hogyan lehet kiszámítani a törés indexét?
A Snell törvénye az 1. és 2. közeg közötti törésmutatóját úgy foglalja össze, hogy:
Itt n 1 a törésmutatója az 1. közegben, θ 1 a sugár beesési szöge a határfelületen, n 2 a törés mutatója a 2. közegben és θ 2 a törés szöge, melyik irányba a továbbított sugárzás folytatódik.
2. ábra: Fény sugara, amely két különböző hordozóra ütközik. Forrás: Wikimedia Commons.
Az anyagok törésmutatója állandó és bizonyos fizikai körülmények között ismert. Ezzel kiszámítható egy másik közeg törésmutatója.
Például, ha a fény áthalad egy üvegprizmán, amelynek indexe n 1, majd azon az anyagon keresztül, amelynek indexét meg akarjuk tudni, gondosan mérve a beesési szöget és a fénytörési szöget, akkor az alábbiakat kapjuk:
A refraktométerek típusai
A refraktométer olyan eszköz, amely méri a folyadék vagy szilárd anyag törésmutatóját sima és sima felülettel. Kétféle refraktométer létezik:
-Optikus-manuális típusú, például az Abbe refraktométer.
-Digitális refraktométerek.
- Optikai-kézi típusú, mint például Abbe refraktométere
Az Abbe refraktométert a 19. században Ernst Abbe (1840-1905) találta ki, egy német fizikus, aki jelentős mértékben hozzájárult az optika és a termodinamika fejlesztéséhez. Az ilyen típusú refraktométert széles körben használják az élelmiszeriparban és az oktatási laboratóriumokban, és alapvetően az alábbiakból áll:
- Lámpa, mint fényforrás, általában nátriumgőz, amelynek hullámhossza ismert. Vannak olyan modellek, amelyek normál fehér fényt használnak, amely tartalmazza az összes látható hullámhosszt, de vannak beépített prizmák, úgynevezett Amici prizmák, amelyek kiküszöbölik a nem kívánt hullámhosszokat.
- Világítási prizma és egy másik törésprizma, amelyek között a mintát mérni kívánt mintát kell elhelyezni.
- hőmérő, mivel a törésmutató a hőmérséklettől függ.
-A kép beállítási mechanizmusai.
-A szemlencse, amelyen keresztül a megfigyelő elvégzi a mérést.
Ezen alapelemek elrendezése a konstrukciótól függően változhat (lásd a 3. ábrát balra). Ezután meglátjuk a működés alapelveit.
3. ábra. Bal oldalon az Abbe refraktométer, a jobb oldalon az alapvető működési rajz. Forrás: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Hogyan működik az Abbe refraktométer?
Az eljárás a következő: a mintát a rögzített refrakciós prizma és a megvilágítási prizma között fordítják.
A törésprizma erősen csiszolt és törésmutatója magas, míg a megvilágítási prizma matt és durva az érintkezési felületen. Ilyen módon, amikor a lámpa be van kapcsolva, a minta minden irányba sugároz.
A 3. ábrán az AB sugarat a lehető legnagyobb eltéréssel látják el, tehát a megfigyelő a C ponttól jobbra egy árnyékolt mezőt lát, míg a bal oldali szektor meg lesz világítva. A beállítási mechanizmus most működik, mivel azt akarja, hogy a két mező azonos méretű legyen.
Ehhez van egy segédjel a szemlencsén, amely a kiviteltől függően változhat, de lehet kereszt vagy más típusú jel, amely a mezők központosítását szolgálja.
A két mező azonos méretűvé tételével meg lehet mérni a kritikus szöget vagy a határszöget, azaz a szöget, amelyen az átadott sugár áthaladna a közeget elválasztó felület legeltetésekor (lásd a 4. ábrát).
Ennek a szögnek a megismerése lehetővé teszi a minta törésmutatójának közvetlen kiszámítását, a prizma alapján. Nézzük ezt részletesebben az alábbiakban.
A kritikus szög
A következő ábrán láthatjuk, hogy a θ c kritikus szög az, ahol a sugarat csak a határfelület felett haladja.
Ha a szöget tovább növelik, akkor a sugár nem éri el a 2. közepet, hanem visszatükröződik és folytatódik az 1. közepén. Ebben az esetben a Snell törvénye lenne: sin θ 2 = sin 90º = 1, amely közvetlenül vezet a törésmutatóhoz a 2. közegben:
4. ábra: Kritikus szög. Forrás: F. Zapata.
Nos, a kritikus szöget pontosan úgy érik el, ha a szemlencsén keresztül látott fény- és árnyékmezők méretét egyenlővé teszik, amelyen keresztül egy skálát is megfigyelnek.
A skálát általában a törésmutató közvetlen leolvasására kalibrálják, tehát a refraktométer modelljétől függően a kezelő valami hasonlót fog látni, mint amit a következő kép mutat meg:
5. ábra: A refraktométer skáláját úgy kalibrálják, hogy közvetlenül adja meg a törésmutatót. Forrás: Refraktometria. Oregon Állami Egyetem.
A felső skála a függőleges vonal segítségével jelzi a fő mérést: 1.460, míg az alsó skála a 0.00068. Összeadáskor a törésmutató 1,46068.
A hullámhossz fontossága
A megvilágítási prizmára eső fény megváltoztatja irányát. Mivel ez egy elektromágneses hullám, a változás λ-től, a beeső hullám hosszától függ.
Mivel a fehér fény az összes hullámhosszt tartalmazza, mindegyik eltérő mértékben refraktál. Annak elkerülése érdekében, hogy ez a keveredés homályos képet eredményez, a nagy felbontású refraktométerben használt fénynek egyetlen ismert hullámhosszúnak kell lennie. A legelterjedtebb az úgynevezett nátrium-D vonal, amelynek hullámhossza 589,6 nm.
Azokban az esetekben, amikor nem szükséges túl nagy pontosság, elegendő a természetes fény, még akkor is, ha hullámhosszúság keverékét tartalmazza. Annak elkerülése érdekében, hogy a képen a sötét és a sötét szél elmosódjon, néhány modell hozzáteszi az Amici kompenzáló prizmáit.
Előnyök és hátrányok
A refraktometria gyors, olcsó és megbízható módszer az anyag tisztaságának megismerésére, ezért széles körben használják a kémiában, a bioanalízisben és az élelmiszer-technológiában.
Mivel azonban vannak olyan anyagok, amelyek ugyanazon törésmutatóval rendelkeznek, meg kell tudni, melyiket elemzik. Például a ciklohexán és néhány cukros oldatok ismert törésmutatóval rendelkeznek 20 ° C hőmérsékleten.
Másrészről, a törésmutató nagyban függ a hőmérséklettől, amint azt fentebb már említettük, amellett, hogy a refrakciós oldat nyomását és koncentrációját meghatározzuk. Ezeket a paramétereket gondosan ellenőrizni kell, amikor nagy pontosságú mérésekre van szükség.
Ami a használni kívánt refraktométer típusát illeti, ez nagymértékben függ attól a felhasználástól, amelyre szánták. Itt található a fő típusok néhány jellemzője:
Kézi Abbe refraktométer
- Ez egy megbízható és alacsony karbantartási eszköz.
- Általában olcsók.
- Nagyon helyénvaló megismerni a refraktometria alapelveit.
- Ügyelni kell arra, hogy ne karcolja meg a prizma felületét a mintával érintkezve.
- Minden használat után meg kell tisztítani, de nem végezhető el papírral vagy durva anyagokkal.
-A refraktométer-kezelőnek képzettséggel kell rendelkeznie.
-Minden mérést kézzel kell regisztrálni.
- Általában olyan mérlegekkel érkeznek, amelyeket kifejezetten egy bizonyos anyagtartományra kalibráltak.
-Nem kell kalibrálni.
-A vízfürdő hőmérséklet-szabályozó rendszerének használata nehézkes lehet.
Digitális refraktométerek
-Könnyen olvashatók, mivel a mérés közvetlenül a képernyőn jelenik meg.
-A nagy pontosságú leolvasáshoz optikai érzékelőket használnak.
- Képesek tárolni és exportálni a megszerzett adatokat, és bármikor hozzáférhetnek hozzájuk.
- Rendkívül pontosak, még olyan anyagok esetében is, amelyek törési mutatóját nehéz mérni.
- Lehetséges különféle skálák programozása.
-Nem kell vízhőmérsékletet beállítani.
- Egyes modellek tartalmaznak például sűrűségmérést, vagy csatlakoztathatók sűrűségmérőkhöz, pH-mérőkhöz és másokhoz az idő megtakarítása és az egyidejű mérések elérése érdekében.
- Nem szükséges újrakalibrálni, de időről időre ellenőrizze, hogy megfelelően működnek-e a jól ismert anyagok, például a desztillált víz törésmutatója.
- Ezek drágábbak, mint a kézi refraktométerek.
Alkalmazások
A minta törésmutatójának ismerete jelzi a minta tisztaságát, ezért a technikát széles körben használják az élelmiszeriparban:
-Az olajok minőség-ellenőrzésénél meg kell határozni azok tisztaságát. Például refraktometria segítségével megtudhatjuk, hogy a napraforgóolajat más alacsonyabb minőségű olajok hozzáadásával csökkent-e.
6. ábra. Élelmiszer-technológiai laboratórium. Forrás: Piqsels.
- Az élelmiszeriparban felhasználják a cukros italok, dzsemek, tej és származékai, valamint különféle szószok cukortartalmának megismerésére.
- Ezek szükségesek a borok és sörök minőség-ellenőrzésében, a cukortartalom és az alkoholtartalom meghatározásához.
-A vegyiparban és a gyógyszeriparban a szirupok, parfümök, tisztítószerek és mindenféle emulzió minőség-ellenőrzésére.
- Megmérhetik a karbamid - a fehérje-anyagcseréből származó hulladék - koncentrációját a vérben.
Irodalom
- Kémiai laboratóriumi technikák. Refraktometria. Helyreállítva: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Refraktometria. Helyreállítva: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. A sűrűség és a refraktometria mérésének különböző technikáinak összehasonlítása. Helyreállítva: mt.com.
- Net InterLab. Mi az a refraktométer és mi az? Helyreállítva: net-interlab.es.
- Oregon Állami Egyetem. A refraktometria alapelvei. Helyreállítva a következő helyről: sites.science.oregonstate.edu.