- Kako izračunati indeks loma
- Vrste refraktometrov
- - Optično-ročni tip, kot je Abbejev refraktometer
- Kako deluje Refraktometer Abbe
- Kritični kot
- Pomen valovne dolžine
- Prednosti in slabosti
- Ročni refraktometer Abbe
- Digitalni refraktometri
- Prijave
- Reference
Refraktometer je metoda optično analizo snovi, ki meri lomni količnik snovi za določitev njegove glavne značilnosti. Temelji na dejstvu, da svetloba pri prehodu iz enega medija v drugega spreminja smer, ki je odvisna od narave teh medijev.
Hitrost svetlobe v vakuumu je c = 300.000 km / s, v vodi pa se na primer zmanjša na v = 225.000 km / s. Indeks loma n je natančno opredeljen kot razmerje c / v.
Slika 1. Refraktometer, ki se uporablja za merjenje vsebnosti sladkorja v sadju. Vir: Wikimedia Commons.
Predpostavimo, da svetloba določene valovne dolžine pade pod vnaprej določen kot na površino, ki omejuje dva različna materiala. Nato se bo smer žarka spremenila, ker ima vsak medij različen indeks loma.
Kako izračunati indeks loma
Snellov zakon povezuje indeks loma med dvema medijema 1 in 2 kot:
Tu je n 1 indeks loma v mediju 1, θ 1 je kot vpadanja žarka na mejni površini, n 2 je indeks loma v mediju 2 in θ 2 je kot loma, v katero smer se preneseni žarek nadaljuje.
Slika 2. Žar svetlobe, ki zadene dva različna medija. Vir: Wikimedia Commons.
Indeks loma materialov je stalen in je znan v določenih fizičnih pogojih. S tem je mogoče izračunati indeks loma drugega medija.
Na primer, če svetloba prehaja skozi stekleno prizmo, katere indeks je n 1, nato pa skozi snov, katere indeks želimo vedeti, natančno izmerimo vpadni kot in kot loma.
Vrste refraktometrov
Refraktometer je instrument, ki meri indeks loma tekočine ali trdne snovi z ravnimi in gladkimi ploskvami. Obstajata dve vrsti refraktometrov:
-Optično-ročni tip, kot je refraktometer Abbe.
-Digitalni refraktometri.
- Optično-ročni tip, kot je Abbejev refraktometer
Refraktometer Abbe je v 19. stoletju izumil Ernst Abbe (1840-1905), nemški fizik, ki je pomembno prispeval k razvoju optike in termodinamike. Ta vrsta refraktometra se široko uporablja v prehrambeni industriji in učnih laboratorijih, v osnovi pa je sestavljena iz:
-Svetilka kot vir svetlobe, običajno natrijeva para, katere valovna dolžina je znana. Obstajajo modeli, ki uporabljajo normalno belo svetlobo, ki vsebuje vse vidne valovne dolžine, vendar imajo vgrajene prizme, imenovane Amici prizme, ki odpravljajo neželene valovne dolžine.
- svetlobna prizma in druga lomljiva prizma, med katero je postavljen vzorec, katerega indeks je treba izmeriti.
-Termometer, saj je lomni indeks odvisen od temperature.
- Mehanizmi za prilagajanje slike.
-Očišče, s pomočjo katerega opazovalec izvaja meritev.
Razporeditev teh osnovnih delov se lahko razlikuje glede na zasnovo (glej sliko 3 levo). Nato bomo videli načela delovanja.
Slika 3. Na levi refraktometer Abbe, na desni pa osnovni diagram delovanja. Vir: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Kako deluje Refraktometer Abbe
Postopek je sledeč: vzorec se postavi med refrakcijsko prizmo - ki je fiksirana - in svetlobno prizmo - maščobno.
Prelomna prizma je visoko polirana, njen lomni indeks pa visok, osvetljevalna prizma pa mat in hrapava na kontaktni površini. Na ta način se ob vklopu žarnice svetloba oddaja v vseh smereh vzorca.
Ray AB na sliki 3 je tisti z največjim možnim odstopanjem, zato bo desno od točke C opazovalec videl senčeno polje, sektor na levi pa osvetljen. Mehanizem za prilagajanje začne delovati zdaj, saj želite, da sta obe polji enaki velikosti.
Za to je na okularju oznaka pomoči, ki se razlikuje glede na zasnovo, lahko pa je križ ali druga vrsta signala, ki služi za centriranje polj.
Če obe polji postaneta enaki velikosti, je mogoče izmeriti kritični kot ali mejni kot, to je kot, pod katerim bi oddajal žarek, ki paša površino, ki ločuje medij (glej sliko 4).
Poznavanje tega kota omogoča neposredno izračun indeksa loma vzorca, pri čemer upoštevamo prizmo. Oglejmo si to podrobneje spodaj.
Kritični kot
Na naslednji sliki vidimo, da je kritični kot θ c tisti, pri katerem žarek potuje tik čez mejno površino.
Če se kot bolj poveča, žarek ne doseže sredine 2, ampak se odraža in nadaljuje na sredini 1. Snelllov zakon, ki se uporablja v tem primeru, bi bil: sin θ 2 = sin 90º = 1, kar vodi neposredno na indeks loma v mediju 2:
Slika 4. Kritični kot. Vir: F. Zapata.
No, kritični kot dobimo natančno z izenačitvijo velikosti polj svetlobe in sence, ki jih vidimo skozi okular, skozi katera je opaziti tudi stopnjevano lestvico.
Lestvica se običajno kalibrira za neposredni odčitek indeksa loma, zato bo operater, odvisno od modela refraktometra, videl nekaj podobnega, kot je prikazano na naslednji sliki:
Slika 5. Lestvica refraktometra se kalibrira tako, da neposredno poda indeks loma. Vir: Refraktometrija. Oregon State University.
Zgornja lestvica s pomočjo navpične črte označuje glavno meritev: 1.460, spodnja lestvica pa 0.00068. Ko dodate, je lomni indeks 1,46068.
Pomen valovne dolžine
Svetloba, ki pade na svetlobno prizmo, bo spremenila svojo smer. Ker pa gre za elektromagnetno valovanje, bo sprememba odvisna od λ, dolžine vpadnega vala.
Ker bela svetloba vsebuje vse valovne dolžine, se vsaka lomi do različne stopnje. Da bi se izognili temu mešanju, ki ima za posledico nejasno sliko, mora imeti svetloba, uporabljena v refraktometru visoke ločljivosti, edinstveno in znano valovno dolžino. Najbolj uporabljena je tako imenovana natrijeva linija D, katere valovna dolžina je 589,6 nm.
V primerih, ko ni potrebna prevelika natančnost, zadostuje naravna svetloba, tudi če vsebuje mešanico valovnih dolžin. Da pa se izogne zamegljenosti roba med svetlobo in temno na sliki, nekateri modeli dodajo Amicijeve kompenzacijske prizme.
Prednosti in slabosti
Refraktometrija je hitra, poceni in zanesljiva tehnika za poznavanje čistosti snovi, zato jo pogosto uporabljajo v kemiji, bioanalizi in prehrambeni tehnologiji.
Ker pa obstajajo različne snovi z istim lomnim indeksom, je treba vedeti, katero analiziramo. Na primer, znano je, da imata cikloheksan in nekatere sladkorne raztopine enak lomni indeks pri temperaturi 20 ° C.
Po drugi strani pa je lomni indeks poleg tlaka in koncentracije lomljive raztopine zelo odvisen tudi od temperature, kot je že omenjeno. Vse potrebne parametre je treba skrbno nadzorovati, kadar so potrebne natančne meritve.
Glede uporabljenega tipa refraktometra je veliko odvisno od uporabe, za katero je namenjen. Tu je nekaj značilnosti glavnih vrst:
Ročni refraktometer Abbe
-To je zanesljiv in malo vzdrževalni instrument.
-Običajno so poceni.
- Zelo primerno je, da se seznanimo s temeljnimi načeli refraktometrije.
- Paziti je treba, da površine stika ne opraskate v stiku z vzorcem.
- Po vsaki uporabi ga je treba očistiti, vendar ga ni mogoče storiti s papirjem ali grobo materiali.
-Operater refraktometra mora biti usposobljen.
-Vsako merjenje je treba registrirati ročno.
- Običajno imajo tehtnice, kalibrirane posebej za določeno vrsto snovi.
-To jih je treba umeriti.
- Sistem za nadzor temperature vodne kopeli je lahko težaven za uporabo.
Digitalni refraktometri
-Lehek je za branje, saj se meritev pojavi neposredno na zaslonu.
-Za natančne odčitke uporabljajo optične senzorje.
- Imajo možnost shranjevanja in izvoza pridobljenih podatkov in kadar koli se lahko z njimi posvetujejo.
-Izredno natančni so, tudi za snovi, katerih indeks loma je težko izmeriti.
- Možno je programirati različne lestvice.
-Ne potrebujejo prilagajanja temperature z vodo.
- Nekateri modeli vključujejo meritve gostote, na primer ali jih je mogoče povezati z merilniki gostote, pH metri in drugimi, da prihranite čas in pridobite hkratne meritve.
- Ni potrebno, da jih ponovno umerite, ampak občasno preverite, ali delujejo pravilno, tako da izmerite lomni indeks znanih snovi, na primer destilirane vode.
-Trejši so od ročnih refraktometrov.
Prijave
Poznavanje lomnega indeksa vzorca kaže na stopnjo njegove čistosti, zato se tehnika široko uporablja v prehrambeni industriji:
-V kontroli kakovosti olj, da ugotovimo njihovo čistost. Na primer z refraktometrijo je mogoče vedeti, ali je bilo sončnično olje znižano z dodajanjem drugih olj nižje kakovosti.
Slika 6. Laboratorij za živilsko tehnologijo. Vir: Piqsels.
-V prehrambeni industriji se uporablja za poznavanje vsebnosti sladkorja v sladkih pijačah, džemovih, mleku in njegovih derivatih ter različnih omakah.
-Previdni so tudi pri nadzoru kakovosti vin in piva za določitev vsebnosti sladkorja in alkohola.
-V kemični in farmacevtski industriji za nadzor kakovosti sirupov, parfumov, detergentov in vseh vrst emulzij.
-Mojo izmeriti koncentracijo sečnine - odpadka zaradi presnove beljakovin - v krvi.
Reference
- Tehnike laboratorija kemije. Refraktometrija. Pridobljeno od: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Refraktometrija. Pridobljeno: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. Primerjava različnih tehnik merjenja gostote in refraktometrije. Pridobljeno: mt.com.
- Neto InterLab. Kaj je refraktometer in čemu služi? Obnovljeno iz: net-interlab.es.
- Oregon State University. Načela refraktometrije. Obnovljeno od: sites.science.oregonstate.edu.