De refraktometri är en metod för optisk analys av ämnen som mäter ett substans brytningsindex för att bestämma dess huvudsakliga egenskaper. Det är baserat på det faktum att ljus, när det passerar från ett medium till ett annat, genomgår en riktningsförändring som beror på naturen hos dessa medier..
Ljusets hastighet i vakuum är c = 300 000 km / s, men i vatten minskar det till exempel till v = 225 000 km / s. Brytningsindex n definieras exakt som kvoten CV.
Antag att ljus med en viss våglängd faller i en förutbestämd vinkel på ytan som begränsar två olika material. Då ändras strålens riktning, eftersom varje medium har olika brytningsindex.
Artikelindex
Snells lag relaterar till brytningsindex mellan två medier 1 och 2 som:
n1 sen θ1 = ntvå sen θtvå
Här n1 är brytningsindex i mediet 1, θ1 är strålens infallsvinkel på gränsytan, ntvå är brytningsindex i mediet 2 ochtvå är brytningsvinkeln, i vilken riktning den sända strålen fortsätter.
Brytningsindex för material är konstant och är känt under vissa fysiska förhållanden. Med detta kan du beräkna brytningsindex för ett annat medium.
Till exempel om ljus passerar genom ett glasprisma vars index är n1 och sedan för ämnet vars index vi vill veta, noggrant mäta infallsvinkeln och brytningsvinkeln, får vi:
ntvå = (synd θ1 / sen θtvå). n1
Refraktometern är ett instrument som mäter brytningsindex för en vätska eller ett fast ämne med plana och släta ytor. Det finns två typer av refraktometrar:
-Optisk-manuell typ som Abbes refraktometer.
-Digitala refraktometrar.
Abbe-refraktometern uppfanns på 1800-talet av Ernst Abbe (1840-1905), en tysk fysiker som bidragit avsevärt till utvecklingen av optik och termodynamik. Denna typ av refraktometer används i stor utsträckning inom livsmedelsindustrin och undervisningslaboratorier och består i grunden av:
-En lampa som en ljuskälla, vanligtvis natriumånga, vars våglängd är känd. Det finns modeller som använder normalt vitt ljus, som innehåller alla synliga våglängder, men de har inbyggda prismer som kallas Amici-prismer, som eliminerar oönskade våglängder.
-A belysning prisma och andra brytningsprisma, mellan vilket provet vars index ska mätas placeras.
-Termometer, eftersom brytningsindex beror på temperaturen.
-Justeringsmekanismer för bilden.
-Okularet, genom vilket observatören utför mätningen.
Arrangemanget av dessa grundläggande delar kan variera beroende på design (se figur 3 till vänster). Då kommer vi att se principerna för drift.
Proceduren är som följer: provet placeras mellan brytningsprismaet - som är fixerat - och belysningsprismaet - lutbart-.
Brytningsprismaet är mycket polerat och dess brytningsindex är högt, medan belysningsprismaet är matt och grovt på kontaktytan. På detta sätt avges ljuset i alla riktningar på provet när lampan tänds..
Ray AB i figur 3 är den med största möjliga avvikelse, så till höger om punkt C kommer en observatör att se ett skuggat fält, medan sektorn till vänster kommer att belysas. Justeringsmekanismen kommer till handling nu, eftersom det som söks är att göra de två fälten lika stora.
För detta finns ett hjälpmärke på okularet, som varierar beroende på design, men det kan vara ett kors eller en annan typ av signal, som tjänar till att centrera fälten.
Genom att göra de två fälten lika stora kan den kritiska vinkeln eller gränsvinkeln mätas, vilket är den vinkel vid vilken den sända strålen skulle passera och betar ytan som skiljer mediet (se figur 4).
Att känna till denna vinkel gör det möjligt att direkt beräkna provets brytningsindex, med prismans. Låt oss titta på detta mer detaljerat nedan..
I följande bild ser vi att den kritiska vinkeln θc är den där strålen färdas strax över gränsytan.
Om vinkeln ökas ytterligare når strålen inte mitten 2 utan reflekteras och fortsätter i mitten 1. Snells lag som tillämpas i detta fall skulle vara: sin θtvå = sin 90º = 1, vilket leder direkt till brytningsindex i medium 2:
ntvå = n1 sen θc
Tja, den kritiska vinkeln erhålls exakt genom att jämföra storleken på fälten för ljus och skugga sett genom okularet, genom vilket en graderad skala också observeras.
Skalan kalibreras vanligtvis för direkt avläsning av brytningsindex, så beroende på refraktometermodellen kommer operatören att se något liknande det som observeras i följande bild:
Den övre skalan, med hjälp av den vertikala linjen, indikerar huvudmätningen: 1.460, medan den nedre skalan visar 0.00068. När vi lägger till har vi brytningsindex 1.46068.
Ljuset som faller på ljusprisman kommer att ändra riktning. Men eftersom det är en elektromagnetisk våg beror förändringen på λ, längden på den infallande vågen.
Eftersom vitt ljus innehåller alla våglängder bryts var och en i olika grad. För att undvika denna blandning som resulterar i en suddig bild måste ljuset som används i en refraktometer med hög upplösning ha en unik och känd våglängd. Den mest använda är den så kallade natrium D-linjen, vars våglängd är 589,6 nm.
I fall där för mycket precision inte krävs är naturligt ljus tillräckligt, även om det innehåller en blandning av våglängder. För att undvika suddig kant mellan de ljusa och mörka områdena i bilden lägger dock vissa modeller till Amicis kompenserande prismer..
Refraktometri är en snabb, billig och pålitlig teknik för att känna till ett ämnes renhet, varför det används i stor utsträckning inom kemi, bioanalys och livsmedelsteknik..
Men eftersom det finns olika ämnen med samma brytningsindex är det nödvändigt att veta vilken som analyseras. Exempelvis är cyklohexan och vissa sockerlösningar kända för att ha samma brytningsindex vid en temperatur av 20 ° C..
Å andra sidan är brytningsindexet starkt beroende av temperaturen, såsom anges ovan, förutom trycket och koncentrationen av brytningslösningen. Alla dessa parametrar måste övervakas noggrant när mätningar med hög precision krävs..
När det gäller vilken typ av refraktometer som ska användas beror det mycket på vilken applikation den är avsedd för. Här är några egenskaper hos huvudtyperna:
-Det är ett pålitligt och underhållsinstrument.
-De är vanligtvis billiga.
-Mycket lämpligt att bekanta sig med de grundläggande principerna för refraktometri.
-Försiktighet måste iakttas för att inte repa på prismans yta i kontakt med provet..
-Måste rengöras efter varje användning, men kan inte göras med papper eller grova material.
-Refraktometeroperatören måste ha utbildning.
-Varje mätning måste registreras för hand.
-De kommer vanligtvis med skalor som är kalibrerade specifikt för ett visst ämnesområde..
-De måste kalibreras.
-Vattenbadets temperaturkontrollsystem kan vara besvärligt att använda.
-De är lätta att läsa, eftersom mätningen visas direkt på en skärm.
-Använd optiska sensorer för avläsningar med hög precision.
-De har förmågan att lagra och exportera den erhållna informationen och att kunna konsultera dem när som helst.
-De är extremt exakta, även för ämnen vars brytningsindex är svårt att mäta.
-Olika skalor kan programmeras.
-De kräver inte temperaturjustering med vatten.
-Vissa modeller innehåller t.ex. densitetsmätningar eller kan anslutas till densitetsmätare, pH-mätare och andra för att spara tid och erhålla samtidiga mätningar.
-Det är inte nödvändigt att kalibrera dem, utan att kontrollera att de fungerar då och då genom att mäta brytningsindex för välkända ämnen, till exempel destillerat vatten..
-De är dyrare än manuella refraktometrar.
Att känna till ett brytningsindex för ett prov indikerar dess renhetsgrad, varför tekniken används i stor utsträckning inom livsmedelsindustrin:
-I kvalitetskontrollen av oljor, för att bestämma deras renhet. Till exempel, genom refraktometri är det möjligt att veta om en solrosolja sänktes genom att tillsätta andra oljor av lägre kvalitet.
-Det används i livsmedelsindustrin för att känna till sockerhalten i sockerhaltiga drycker, sylt, mjölk och dess derivat och olika såser.
-De är också nödvändiga vid kvalitetskontrollen av viner och öl för att bestämma sockerhalten och alkoholhalten..
-Inom den kemiska och läkemedelsindustrin för kvalitetskontroll av sirap, parfymer, tvättmedel och alla typer av emulsioner.
-De kan mäta koncentrationen av urea - ett avfall från proteinmetabolism - i blodet.
Ingen har kommenterat den här artikeln än.