- Kuinka laskea taitekerroin
- Refraktometrien tyypit
- - Optinen-manuaalinen tyyppi, kuten Abben refraktometri
- Kuinka Abbe-refraktometri toimii
- Kriittinen kulma
- Aallonpituuden merkitys
- Hyödyt ja haitat
- Manuaalinen Abbe-refraktometri
- Digitaaliset refraktometrit
- Sovellukset
- Viitteet
Refraktometrin on menetelmä optisen analyysin aineiden mittaa taitekerroin aineen määrittämiseksi sen pääpiirteet. Se perustuu siihen tosiseikkaan, että valossa, siirryttäessä väliaineelta toiselle, tapahtuu suunnanmuutos, joka riippuu näiden väliaineiden luonteesta.
Valon nopeus tyhjiössä on c = 300 000 km / s, mutta esimerkiksi vedessä se laskee arvoon v = 225 000 km / s. Taitekerroin n määritetään tarkasti c / v-suhteeksi.
Kuva 1. Hedelmien sokeripitoisuuden mittaamiseen käytetty refraktometri. Lähde: Wikimedia Commons.
Oletetaan, että tietyn aallonpituuden valo putoaa ennalta määrätyssä kulmassa pintaan, joka rajoittaa kahta eri materiaalia. Silloin säteen suunta muuttuu, koska jokaisella väliaineella on erilainen taitekerroin.
Kuinka laskea taitekerroin
Snellin laki kuvaa kahden väliaineen 1 ja 2 välistä taitekerrointa seuraavasti:
Tässä n 1 on väliaineen 1 taitekerroin, θ 1 on rajan pinnan säteen tulokulma, n 2 on väliaineen 2 taitekerroin ja θ 2 on taitekulma, mihin suuntaan lähetetty säde jatkuu.
Kuva 2. Kahta erilaista materiaalia iskevä valonsäde. Lähde: Wikimedia Commons.
Materiaalien taitekerroin on vakio ja se tunnetaan tietyissä fysikaalisissa olosuhteissa. Tällä voidaan laskea toisen väliaineen taitekerroin.
Esimerkiksi, jos valo kulkee lasiprisman läpi, jonka indeksi on n 1, ja sitten sen aineen läpi, jonka indeksin haluamme tietää, mittaamalla varovaisuuskulma ja taitekulma huolellisesti, saadaan:
Refraktometrien tyypit
Refraktometri on instrumentti, joka mittaa nesteen tai kiinteän aineen taitekertoimen, jolla on litteät ja sileät pinnat. Refraktometrit ovat kahta tyyppiä:
-Optinen-manuaalinen tyyppi, kuten Abbe-refraktometri.
-Digitaaliset refraktometrit.
- Optinen-manuaalinen tyyppi, kuten Abben refraktometri
Abben refraktometri keksittiin 1800-luvulla saksalainen fyysikko Ernst Abbe (1840-1905), joka osallistui merkittävästi optiikan ja termodynamiikan kehittämiseen. Tämän tyyppistä refraktometriä käytetään laajalti elintarviketeollisuudessa ja opetuslaboratorioissa, ja se koostuu pääasiassa:
-Lamppu valonlähteenä, yleensä natriumhöyryä, jonka aallonpituus tunnetaan. On malleja, jotka käyttävät normaalia valkoista valoa, joka sisältää kaikki näkyvät aallonpituudet, mutta niissä on sisäänrakennetut prismat, nimeltään Amici prismat, jotka eliminoivat ei-toivotut aallonpituudet.
-Valaistusprisma ja toinen taitekerros, joiden väliin asetetaan näyte, jonka indeksi on mitattava.
- Lämpömittari, koska taitekerroin riippuu lämpötilasta.
-Kuvan säätömekanismit.
-Okulaari, jonka kautta tarkkailija suorittaa mittauksen.
Näiden perusosien järjestely voi vaihdella mallista riippuen (katso kuva 3 vasemmalla). Seuraavaksi näemme toimintaperiaatteet.
Kuva 3. Vasemmalla Abbe-refraktometri ja oikealla perustiedot toimintakaaviosta. Lähde: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Kuinka Abbe-refraktometri toimii
Menetelmä on seuraava: näyte asetetaan taittumisprismaan, joka on kiinteä, ja valaistusprismaan, joka on rasvainen.
Taitekerroin on kiillotettu ja sen taitekerroin on korkea, kun taas valaistusprisma on mattapintainen ja karkea kosketuspinnalla. Tällä tavalla, kun lamppu syttyy, valoa säteilee näytteen kaikkiin suuntiin.
Kuvan 3 säteellä AB on suurin mahdollinen poikkeama, joten tarkkailija näkee pisteen C oikealla puolella varjostetun kentän, kun taas vasemmalla oleva alue on valaistu. Säätömekanismi otetaan käyttöön nyt, koska haluaa tehdä kahdesta kentästä saman koon.
Tätä varten okulaarissa on apumerkki, joka vaihtelee mallin mukaan, mutta se voi olla ristin tai muun tyyppinen signaali, joka toimii kenttien keskittämiseksi.
Tekemällä molemmat kentät samankokoisiksi, voidaan mitata kriittinen kulma tai rajakulma, joka on kulma, jolla läpäissyt säde kulkisi kasvatusmateriaalin erottavan pinnan laiduntaen (katso kuva 4).
Tämän kulman tunteminen antaa mahdollisuuden laskea näytteen taitekerroin suoraan ottaen prisman. Katsotaanpa tätä tarkemmin alla.
Kriittinen kulma
Seuraavassa kuvassa näemme, että kriittinen kulma θ c on se, jolla säde kulkee vain rajapinnan yli.
Jos kulmaa suurennetaan edelleen, palkki ei saavuta keskustaa 2, mutta heijastuu ja jatkuu keskellä 1. Snellin laki, jota tässä tapauksessa sovellettaisiin, olisi: sin θ 2 = sin 90º = 1, joka johtaa suoraan väliaineen 2 taitekerroin:
Kuva 4. Kriittinen kulma. Lähde: F. Zapata.
No, kriittinen kulma saadaan tarkasti vertaamalla okulaarin läpi näkevien valo- ja varjokenttien kokoa, jonka kautta myös mitta-asteikko havaitaan.
Asteikko kalibroidaan yleensä taitekertoimen lukemista varten, joten refraktometrimallista riippuen käyttäjä näkee jotain samanlaista kuin seuraavassa kuvassa havaitaan:
Kuva 5. Refraktometrin asteikko on kalibroitu antamaan taitekerroin suoraan. Lähde: Refraktometria. Oregonin osavaltion yliopisto.
Yläasteikko osoittaa pystysuoran viivan avulla päämittaa: 1.460, kun taas alempi asteikko näyttää 0.00068. Kun lisätään, taitekerroin on 1,46068.
Aallonpituuden merkitys
Valaistusprismaan kuuluva valo muuttaa sen suuntaa. Mutta koska se on sähkömagneettinen aalto, muutos riippuu λ: stä, tulevan aallon pituudesta.
Koska valkoinen valo sisältää kaikki aallonpituudet, jokainen taitetaan taiteella eri määrin. Tämän sekoittumisen välttämiseksi, joka johtaa sumeaan kuvaan, korkearesoluutioisessa refraktometrissä käytetyn valon on oltava ainutlaatuinen ja tunnettu aallonpituus. Käytetyin on ns. Natrium-D-viiva, jonka aallonpituus on 589,6 nm.
Tapauksissa, joissa ei vaadita liikaa tarkkuutta, luonnollinen valo riittää, vaikka se sisältäisi aallonpituuksien seoksen. Jotkin mallit lisäävät Amicin kompensoiviin prismiin välttääksesi kuvan reunan hämärtymistä vaalean ja tumman välillä.
Hyödyt ja haitat
Refraktometria on nopea, edullinen ja luotettava tekniikka tietämään aineen puhtaus, minkä vuoksi sitä käytetään laajasti kemian, bioanalyysien ja elintarviketekniikan aloilla.
Mutta koska on olemassa erilaisia aineita, joilla on sama taitekerroin, on välttämätöntä tietää, kumpaa analysoidaan. Esimerkiksi sykloheksaanilla ja joillakin sokeripitoisilla liuoksilla tiedetään olevan sama taitekerroin 20 ° C: n lämpötilassa.
Toisaalta taitekerroin riippuu suuresti lämpötilasta, kuten edellä mainittiin, taiteliuoksen paineen ja pitoisuuden lisäksi. Kaikkia näitä parametreja on tarkkailtava huolellisesti, kun vaaditaan erittäin tarkkoja mittauksia.
Käytettävän refraktometrin tyypistä riippuu paljon siitä, mihin sovellukseen se on tarkoitettu. Tässä on joitain päätyyppien ominaisuuksia:
Manuaalinen Abbe-refraktometri
-Se on luotettava ja vähän huoltoa vaativa instrumentti.
-Ne ovat yleensä halpoja.
-Erittäin tarkoituksenmukainen tutustua refraktometrian perusperiaatteisiin.
- On huolehdittava siitä, etteivät naarmuta prisman pintaa kosketuksessa näytteen kanssa.
- On puhdistettava jokaisen käytön jälkeen, mutta sitä ei voida tehdä paperilla tai karkealla materiaalilla.
- Refraktometrimittarilla on oltava koulutus.
- Jokainen mittaus on rekisteröitävä käsin.
-Ne toimitetaan yleensä asteikolla, jotka on kalibroitu erityisesti tietylle ainealueelle.
- Ne on kalibroitava.
-Vesihauteen lämpötilanhallintajärjestelmän käyttö voi olla hankalaa.
Digitaaliset refraktometrit
-Ne ovat helppo lukea, koska mittaus näkyy suoraan näytöllä.
- He käyttävät optisia antureita tarkkuuden lukemiin.
-Neillä on mahdollisuus tallentaa ja viedä saatuja tietoja ja pystyä käyttämään niitä milloin tahansa.
-Ne ovat erittäin tarkkoja, jopa aineille, joiden taitekerrointa on vaikea mitata.
-Eri asteikot voidaan ohjelmoida.
-Ei vaadi lämpötilan säätämistä vedellä.
- Joissakin malleissa on esimerkiksi tiheysmittauksia tai ne voidaan liittää tiheysmittareihin, pH-mittareihin ja muihin, jotta voidaan säästää aikaa ja saada samanaikaisia mittauksia.
- Niitä ei tarvitse kalibroida uudelleen, mutta tarkista aika ajoin, että ne toimivat kunnolla mittaamalla tunnettujen aineiden, kuten esimerkiksi tislatun veden, taitekerroin.
-Ne ovat kalliimpia kuin manuaaliset refraktometrit.
Sovellukset
Näytteen taitekertoimen tunteminen osoittaa näytteen puhtauden, minkä vuoksi tekniikkaa käytetään laajalti elintarviketeollisuudessa:
- Öljyjen laadunvalvonnassa niiden puhtauden määrittämiseksi. Esimerkiksi refraktometrian avulla on mahdollista tietää, laskettiinko auringonkukkaöljyä lisäämällä muita heikommanlaatuisia öljyjä.
Kuva 6. Ruokatekniikan laboratorio. Lähde: Piqsels.
- Sitä käytetään elintarviketeollisuudessa sokeripitoisten juomien, hillojen, maidon ja sen johdannaisten sekä erilaisten kastikkeiden sokeripitoisuuden tuntemiseen.
- Niitä tarvitaan myös viinien ja oluiden laadunvalvonnassa sokeripitoisuuden ja alkoholipitoisuuden määrittämiseksi.
-Kemia- ja lääketeollisuudessa siirappien, hajuvesien, pesuaineiden ja kaikenlaisten emulsioiden laadunvalvontaan.
-Ne voivat mitata urean - proteiinimetabolian jätteen - pitoisuutta veressä.
Viitteet
- Kemian laboratoriotekniikat. Refraktometrimenetelmällä. Palautettu: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Refraktometria. Palautettu osoitteesta: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. Eri tekniikoiden vertailu tiheyden ja refraktometrian mittaamiseksi. Palautettu osoitteesta: mt.com.
- Net InterLab. Mikä on refraktometri ja mihin se on tarkoitettu? Palautettu: net-interlab.es.
- Oregonin osavaltion yliopisto. Refraktometrian periaatteet. Palautettu osoitteesta: sites.science.oregonstate.edu.