- Kā aprēķināt refrakcijas indeksu
- Refraktometru veidi
- - Optiski-manuāls tips, piemēram, Abbe refraktometrs
- Kā darbojas Abbe refraktometrs
- Kritiskais leņķis
- Viļņa garuma nozīme
- Priekšrocības un trūkumi
- Manuālais Abbe refraktometrs
- Digitālie refraktometri
- Lietojumprogrammas
- Atsauces
Refraktometram ir metode, optiskās analīzes vielu, kas mēra atstarošanas indeksu vielas, lai noteiktu tās galvenās iezīmes. Tā pamatā ir fakts, ka gaisma, pārejot no viena medija uz otru, piedzīvo virziena maiņu, kas ir atkarīga no šo mediju rakstura.
Gaismas ātrums vakuumā ir c = 300 000 km / s, bet, piemēram, ūdenī tas samazinās līdz v = 225 000 km / s. Refrakcijas indeksu n precīzi definē kā c / v attiecību.
1. attēls. Refraktometrs, ko izmanto cukura satura noteikšanai augļos. Avots: Wikimedia Commons.
Pieņemsim, ka noteikta viļņa garuma gaisma nokrīt noteiktā leņķī uz virsmas, kas ierobežo divus dažādus materiālus. Tad mainīsies starojuma virziens, jo katrai barotnei ir atšķirīgs refrakcijas indekss.
Kā aprēķināt refrakcijas indeksu
Snella likums saista refrakcijas indeksu starp diviem medijiem 1 un 2 kā:
Šeit n 1 ir refrakcijas indekss vidē 1, θ 1 ir starojuma leņķa leņķis uz robežas virsmas, n 2 ir refrakcijas indekss vidē 2 un θ 2 ir refrakcijas leņķis, kurā virzienā pārraidītais stars turpinās.
2. attēls. Gaismas stari, kas iedarbojas uz diviem dažādiem nesējiem. Avots: Wikimedia Commons.
Materiālu refrakcijas indekss ir nemainīgs un zināmos fiziskos apstākļos. Ar to var aprēķināt citas barotnes refrakcijas indeksu.
Piemēram, ja gaisma iet caur stikla prizmu, kuras indekss ir n 1, un tad caur vielu, kuras indeksu mēs vēlamies uzzināt, uzmanīgi izmērot krišanas leņķi un refrakcijas leņķi, iegūstam:
Refraktometru veidi
Refraktometrs ir instruments, ar kuru mēra šķidruma vai cietas vielas refrakcijas koeficientu ar plakanām un gludām virsmām. Pastāv divu veidu refraktometri:
-Optiskais-manuālais tips, piemēram, Abbe refraktometrs.
-Digitālie refraktometri.
- Optiski-manuāls tips, piemēram, Abbe refraktometrs
Abbe refraktometru 19. gadsimtā izgudroja vācu fiziķis Ernsts Abbe (1840–1905), kurš deva ievērojamu ieguldījumu optikas un termodinamikas attīstībā. Šāda veida refraktometru plaši izmanto pārtikas rūpniecībā un mācību laboratorijās, un to galvenokārt veido:
- lukturis kā gaismas avots, parasti nātrija tvaiks, kura viļņa garums ir zināms. Ir modeļi, kas izmanto parasto balto gaismu, kas satur visus redzamos viļņu garumus, bet tiem ir iebūvētas prizmas, ko sauc par Amici prizmām, kuras novērš nevēlamus viļņu garumus.
- Apgaismojuma prizma un cita refrakcijas prizma, starp kurām ievieto paraugu, kura indekss jāmēra.
-Termometrs, jo refrakcijas koeficients ir atkarīgs no temperatūras.
-Pieregulēšanas mehānismi attēlam.
-Okulārs, caur kuru novērotājs veic mērījumus.
Šo pamatdaļu izvietojums var atšķirties atkarībā no konstrukcijas (sk. 3. attēlu pa kreisi). Tālāk mēs redzēsim darbības principus.
3. attēls. Kreisajā pusē atrodas Abbe refraktometrs, bet labajā pusē pamata darbības shēma. Avots: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Kā darbojas Abbe refraktometrs
Procedūra ir šāda: paraugu novieto starp refrakcijas prizmu, kura ir fiksēta, un apgaismojuma prizmu, pagriežot.
Refrakcijas prizma ir ļoti noslīpēta, un tās refrakcijas indekss ir augsts, savukārt apgaismojuma prizma ir matēta un raupja uz saskares virsmas. Tādā veidā, ieslēdzot lampu, parauga visos virzienos izstaro gaismu.
Ray AB 3. attēlā ir ar vislielāko iespējamo novirzi, tāpēc pa labi no punkta C novērotājs redzēs aizēnotu lauku, bet sektors pa kreisi tiks izgaismots. Pielāgošanas mehānisms stājas spēkā tagad, jo jūs vēlaties panākt, lai abiem laukiem būtu vienāds izmērs.
Tam okulārā ir atbalsta zīme, kas mainās atkarībā no konstrukcijas, bet tas var būt krusts vai cita veida signāls, kas kalpo lauku centrēšanai.
Padarot abus laukus vienādus, var izmērīt kritisko leņķi vai ierobežojošo leņķi, kas ir leņķis, pa kuru pārraidītais stars iet gar ganības virsmu, kas atdala barotni (sk. 4. attēlu).
Zinot šo leņķi, var tieši aprēķināt parauga refrakcijas indeksu, ņemot vērā prizmu. Apskatīsim to sīkāk zemāk.
Kritiskais leņķis
Nākamajā attēlā mēs redzam, ka kritiskais leņķis θ c ir tas, ar kuru stars stiepjas tieši virs robežas virsmas.
Ja leņķi palielina vēl vairāk, tad stars nesasniedz 2. vidu, bet tiek atspoguļots un turpinās 1. vidū. Šajā gadījumā piemērotais Snella likums būtu: sin θ 2 = sin 90 ° = 1, kas tieši ved līdz refrakcijas indeksam vidē 2:
4. attēls. Kritiskais leņķis. Avots: F. Zapata.
Nu, kritisko leņķi iegūst precīzi, pielīdzinot gaismas un ēnas lauku lielumu, kas redzams caur okulāru, caur kuru tiek novērota arī graduēta skala.
Skalu parasti kalibrē refrakcijas indeksa tiešai nolasīšanai, tāpēc atkarībā no refraktometra modeļa operators redzēs kaut ko līdzīgu tam, kas novērots šajā attēlā:
5. attēls. Refraktometra skala ir kalibrēta, lai tieši iegūtu refrakcijas koeficientu. Avots: Refraktometrija. Oregonas Valsts universitāte.
Augšējā skala ar vertikālās līnijas palīdzību norāda galveno mērījumu: 1.460, bet apakšējā skala rāda 0.00068. Pievienojot, refrakcijas koeficients ir 1,46068.
Viļņa garuma nozīme
Gaisma, kas nokrīt uz apgaismojuma prizmas, mainīs tās virzienu. Bet tā kā tas ir elektromagnētiskais vilnis, izmaiņas būs atkarīgas no λ, no krītošā viļņa garuma.
Tā kā baltā gaisma satur visus viļņu garumus, katrs no tiem tiek refrakcionēts atšķirīgā pakāpē. Lai izvairītos no šādas sajaukšanās, iegūstot izplūdušu attēlu, augstas izšķirtspējas refraktometrā izmantotajai gaismai jābūt unikālai un zināmai viļņa garumam. Visizplatītākā ir tā saucamā nātrija D līnija, kuras viļņa garums ir 589,6 nm.
Gadījumos, kad nav nepieciešama pārāk liela precizitāte, pietiek ar dabisko apgaismojumu, pat ja tas satur dažādu viļņu garumu. Tomēr, lai izvairītos no attēla malas izplūšanas starp gaišo un tumšo, daži modeļi pievieno Amici kompensējošās prizmas.
Priekšrocības un trūkumi
Refraktometrija ir ātrs, lēts un uzticams paņēmiens vielas tīrības zināšanai, tāpēc to plaši izmanto ķīmijā, bioanalīzē un pārtikas tehnoloģijās.
Bet, tā kā ir dažādas vielas ar vienādu refrakcijas indeksu, ir jāzina, kura tiek analizēta. Piemēram, ir zināms, ka cikloheksānam un dažiem cukurotiem šķīdumiem ir vienāds refrakcijas koeficients 20 ° C temperatūrā.
No otras puses, refrakcijas indekss ir ļoti atkarīgs no temperatūras, kā minēts iepriekš, papildus refrakcijas šķīduma spiedienam un koncentrācijai. Visi šie parametri ir rūpīgi jāuzrauga, kad nepieciešami ļoti precīzi mērījumi.
Runājot par izmantojamo refraktometra veidu, tas ir ļoti atkarīgs no lietojuma, kuram tas paredzēts. Šeit ir daži galveno tipu raksturlielumi:
Manuālais Abbe refraktometrs
-Tas ir uzticams un zemas uzturēšanas instruments.
-Tie parasti ir lēti.
-Ļoti lietderīgi iepazīties ar refraktometrijas pamatprincipiem.
- Jāuzmanās, lai nesaskrāptu prizmas virsmu, saskaroties ar paraugu.
- Pēc katras lietošanas tas jātīra, bet to nevar izdarīt ar papīru vai neapstrādātiem materiāliem.
- Refraktometra operatoram jābūt apmācītam.
-Katrs mērījums jāreģistrē ar roku.
-Tiem parasti ir svari, kas kalibrēti īpaši noteiktam vielu klāstam.
-Viņi ir jākalibrē.
-Ūdens vannas temperatūras kontroles sistēmu var būt apgrūtinoši izmantot.
Digitālie refraktometri
-Tos ir viegli lasīt, jo mērījumi parādās tieši uz ekrāna.
- augstas precizitātes nolasījumiem viņi izmanto optiskos sensorus.
-Viņiem ir iespēja saglabāt un eksportēt iegūtos datus un jebkurā laikā ir iespēja tos izmantot.
-Tie ir ārkārtīgi precīzi, pat vielām, kuru refrakcijas koeficientu ir grūti izmērīt.
-Ir iespējams programmēt dažādas skalas.
-Vai nav nepieciešama temperatūras regulēšana ar ūdeni.
-Dažos modeļos ir iekļauti, piemēram, blīvuma mērījumi, vai arī tos var savienot ar blīvuma mērītājiem, pH mērītājiem un citiem, lai ietaupītu laiku un iegūtu vienlaicīgus mērījumus.
- Tās nav jāpārkalibrē, bet laiku pa laikam pārbaudiet, vai tās darbojas pareizi, izmērot labi zināmu vielu, piemēram, destilēta ūdens, refrakcijas koeficientu.
-Tie ir dārgāki nekā manuālie refraktometri.
Lietojumprogrammas
Zinot parauga refrakcijas koeficientu, tiek parādīta tā tīrības pakāpe, tāpēc šo paņēmienu plaši izmanto pārtikas rūpniecībā:
-Eļļu kvalitātes kontrolē, lai noteiktu to tīrību. Piemēram, izmantojot refraktometriju, ir iespējams uzzināt, vai saulespuķu eļļa tika pazemināta, pievienojot citas zemākas kvalitātes eļļas.
6. attēls. Pārtikas tehnoloģijas laboratorija. Avots: Piqsels.
-Pārtikas rūpniecībā to izmanto, lai zinātu cukura saturu saldos dzērienos, ievārījumos, pienā un tā atvasinājumos, kā arī dažādās mērcēs.
-Tie ir nepieciešami arī vīnu un alus kvalitātes kontrolē, lai noteiktu cukura un spirta saturu.
-Ķīmiskajā un farmācijas nozarē sīrupa, smaržu, mazgāšanas līdzekļu un visu veidu emulsiju kvalitātes kontrolei.
-Viņi var izmērīt urīnvielas - olbaltumvielu metabolisma atkritumu - koncentrāciju asinīs.
Atsauces
- Ķīmijas laboratorijas paņēmieni. Refraktometrija. Atgūts no: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Refraktometrija. Atgūts no: triplenlace.com
- Mettlers-Toledo. Dažādu blīvuma un refraktometrijas mērīšanas metožu salīdzinājums. Atgūts no: mt.com.
- Neto InterLab. Kas ir refraktometrs un kam tas paredzēts? Atgūts no: net-interlab.es.
- Oregonas Valsts universitāte. Refraktometrijas principi. Atgūts no: vietnes.science.oregonstate.edu.