Brekingsindex: alles wat u moet weten

De brekingsindex n van een medium (bijv. water, olijfolie, enz.), ook wel de brekingsindex genoemd, wordt gedefinieerd als het quotiënt van de lichtsnelheid in vacuüm c en de lichtsnelheid in het medium v. Het is een dimensieloos getal dat afhangt van de temperatuur van het medium en de golflengte van de lichtstraal.

Simpel gezegd, de brekingsindex beschrijft hoe snel een lichtstraal door een medium reist in vergelijking met een vacuüm. Deze relatie wordt beschreven met de formule:

n = c / v

Op deze pagina vind u de essentiële kennis over de brekingsindex en het meten ervan.

Lees meer over de definitie van brekingsindex, toepassingen, hoe deze te meten en nog veel meer.

Download dan gewoon onze informatiegids voor refractometrie (PDF) voor meer informatie over brekingsindexmetingen.

Deze gratis gids helpt u meer te weten te komen over refractometrie, inclusief hoe u fouten kunt voorkomen bij het meten van de brekingsindex.

Brekingsindex (refractive index) en index van breking (index of refraction) zijn verschillende namen voor hetzelfde, zoals hierboven vermeld. Welke term wordt gebruikt, hangt grotendeels af van waar je woont. Mensen in de VS gebruiken bijvoorbeeld vaak "index of refraction", terwijl men in India vaak "refractive index" gebruikt.

Refractometrie is een analytische methode die wordt gebruikt om de brekingsindex van een monster te meten. Zo bepaalt men de samenstelling of zuiverheid ervan. Refractometrie is een kwalitatieve en niet-destructieve techniek die gebaseerd is op de wet van Snellius.

De refractometriemethode, die vaak binnen de industrie wordt gebruikt voor kwaliteitscontrole, maakt gebruik van een refractometer. In de volgende paragrafen behandelen we refractometrie en het gebruik van refractometers.

Voordat we ingaan op de technische uitleg van de brekingsindex, kijken we hiernaast naar een visueel voorbeeld dat de lichtsnelheid en het brekingsindexeffect in verschillende media laat zien.

Hier worden glasstaven ondergedompeld in drie glazen gevuld met verschillende media:

Glazen media
1. Water
2. Water en cederolie
3. Cederolie

Wat gebeurt er in elk glas?

Water heeft een lagere brekingsindex (n = 1,333) dan de glazen staaf (n = 1,517). Daarom is het mogelijk om de hele staaf in glas 1 en een deel van de staaf in glas 2 te zien.

In het derde glas hebben de glasstaaf (n = 1,517) en de cederolie (n = 1,516) bijna identieke brekingsindices. Hierdoor lijkt de ondergedompelde staaf te verdwijnen in de cederolie (gedeeltelijk in glas 2 en volledig in glas 3).

Op basis van de wet van Snellius zijn refractometers ontwikkeld om de brekingsindex van vloeistoffen en halfvaste monsters te meten.

Een meetcel van een digitale refractometer heeft een schematische opzet op basis van de wet van Snellius. Daarom vertrouwt het op totale interne reflectie en de kritische invalshoek. Dit is hoe het werkt:

De lichtbron (1) is een light-emitting diode (LED). De uitgezonden LED-lichtstraal gaat door een polarisatiefilter (2), een interferentiefilter (3) en een focale lens (4) voordat deze het monster bereikt via het saffierprisma (5).

Het gereflecteerde licht (invalshoek > kritische hoek) wordt via een lens (6) afgebogen naar de optische sensor CCD (7) die de kritische hoek bepaalt. Bovendien regelen moderne digitale refractometers automatisch de temperatuur binnen de tolerantiewaarden van de prisma en het monster om de nauwkeurigheid van de meting te verbeteren.

Een digitale refractometer meet de brekingsindex of gerelateerde waarden van een vloeistofmonster met behulp van de totale reflectiemethode. Deze meting wordt automatisch uitgevoerd, voor een minimale invloed van de operator en een verbeterde nauwkeurigheid. Met behulp van een klein monstervolume (0,5 tot 1 ml) worden binnen enkele seconden zeer nauwkeurige metingen van de brekingsindex uitgevoerd.

Handmatige refractometers zoals Abbe-refractometers kunnen ook worden gebruikt om de brekingsindex te meten. Deze worden echter snel vervangen door digitale, en meestal, draagbare refractometers.

Wat is het verband tussen een brekingsindexbepaling en de temperatuur?

Hiervoor moeten we eerst het effect van temperatuur op een vloeistofmonster begrijpen. Temperatuur beïnvloedt de ruimte waarin atomen in elkaar passen om een molecuul te creëren. Atomaire trillingen nemen toe naarmate de temperatuur stijgt, waardoor de atomen verder uit elkaar bewegen en de optische dichtheidswaarde van het monstermedium afneemt.

Zoals eerder opgemerkt, beschrijft de brekingsindex hoe snel een lichtstraal door media reist. Als een medium door een temperatuurstijging optisch minder dicht is, zal het licht zich sneller verplaatsen, waardoor de afgebogen hoek iets verschuift. Met andere woorden, hoe hoger de temperatuur, hoe lager de brekingsindex, zoals weergegeven in de onderstaande grafiek waarin water als monstermedium gebruikt is.

Zoals u kunt zien, heeft de monstertemperatuur een grote invloed op de meetprocedure. Daarom moet de temperatuur nauwkeurig worden gemeten en, indien mogelijk, worden gecontroleerd.

Oudere instrumenten zoals Abbe-refractometers hebben mogelijk een waterbad nodig voor temperatuurregeling, terwijl veel moderne, digitale refractometers Peltier-elementen gebruiken. Dit zorgt voor een snelle en nauwkeurige bepaling van de brekingsindexwaarde.

Bij een brekingsindexmeting is de golflengte van de lichtstraal van belang vanwege het effect van dispersie op de eigenschappen van golven in een medium (bekend als dispersierelatie). Bijna alle stoffen hebben verschillende brekingsindices die ook verschillen afhankelijk van de gebruikte golflengte. Deze spreidingsverhouding kan als volgt worden berekend.

Ten eerste weten we de lichtsnelheid in een medium:

v = c/n

Waar:
n de brekingsindex;
c de snelheid van het licht in een vacuüm (of lucht);
V de snelheid van het licht in de media is.

Eveneens is de golflengte in hetzelfde medium:

λ = λ₀/n

waarbij λ₀ de golflengte is van dat licht in een vacuüm (of lucht).

Daarom is de brekingsindex (n) omgekeerd evenredig met de golflengte en ook met de lichtsnelheid. Dit betekent dat hoe groter de golflengte, hoe lager de brekingsindex. Deze relatie wordt weergegeven door de vergelijking:

v(λ) = c/n(λ)

Voor industriële toepassingen waar brekingsindexmeting vereist is, is het echter noodzakelijk om een gedefinieerde, precieze golflengte te hebben om de brekingsindexmeting van verschillende monsters onder dezelfde omstandigheden te kunnen analyseren voor kwaliteitscontrole.

Om een gedefinieerde golflengte te genereren, gebruiken refractometers meestal de natrium D-lijn, die overeenkomt met 589,3 nm. Deze wordt al lang gebruikt voor het bestuderen van de brekingsindex vanwege het feit dat het een veelvoorkomende, betrouwbare en stabiele lichtbron is.

n = de brekingsindex

t = temperatuur (°C)

D = de D-lijn van natrium

De brekingsindex wordt echter over het algemeen eenvoudiger weergegeven als nD.

Een brekingsindexmeting controleert de zuiverheid en concentratie van vloeibare, halfvloeibare en vaste monsters. Brekingsindexwaarden kunnen ook worden bepaald voor gassen. Bij gebruik van een digitale refractometer kunnen vloeistoffen en halfvloeibare monsters met hoge nauwkeurigheid worden gemeten (bijv. tot - / + 0,00002). Gas- en vaste stofmonsters vereisen gespecialiseerde instrumenten of accessoires voor nauwkeurige brekingsindexmetingen.

Bovendien kan de brekingsindex worden gecorreleerd met een breed scala aan concentraties die kunnen worden gebruikt om veel verschillende monsters in veel verschillende industrieën en toepassingen te karakteriseren, zoals:

• Voedingsmiddelen en dranken: Het meten van de Brix (suikergehalte) van frisdranken of de Oechsle van druivenmost die bij de wijnbereiding wordt gebruikt.
• Chemie: Bepaling van het vriespunt (⁰C of ⁰F), zuur/base-concentratie of de aanwezigheid van organisch oplosmiddel en anorganisch zout in % m/w of v/v.
• Farma: Het meten van waterstofperoxide- of methanolpercentages, of het beoordelen van concentraties van verschillende stoffen in menselijke urine.

Bovendien zorgt het combineren van de brekingsindex met een dichtheidsmeting voor sommige toepassingen voor een eenvoudige maar krachtige kwaliteitscontroletechniek. Deze metingen kunnen volledig geautomatiseerd worden.

Naast de Brix-schaal zijn er nog andere vergelijkbare schalen voor het aangeven van het sacharosegehalte in een monster, zoals graden Plato, Baumé, Oechsle en Balling. Lees meer over hun verschillen, berekeningen, gebruik en hoe te meten.

De absolute brekingsindex wordt berekend aan de hand van het vacuüm waarin licht zich voortbeweegt met de grootst mogelijke snelheid van 299.792.458 meter per seconde (de lichtsnelheid). In de praktijk wordt de lucht die we inademen echter ook als referentiemedium beschouwd, ook al beweegt licht zich iets langzamer voort (1,0003 keer langzamer) dan door een vacuüm.

We kunnen dus zeggen dat de absolute brekingsindex meet hoeveel keer de lichtsnelheid groter is in een vacuüm (of lucht) dan in enig ander medium.

Hier is een praktisch voorbeeld van de absolute brekingsindex van water bij 20 °C, waardoor we weten dat licht zich verplaatst met een snelheid van 2,25 x 10⁸m/s.

Dit betekent dat licht 1,333333 keer langzamer door water reist dan door een vacuüm (of lucht).

De relatieve brekingsindex wordt gedefinieerd als de verhouding van de lichtsnelheden tussen twee andere media dan een vacuüm (of lucht). Men zou bijvoorbeeld de brekingsindex van olijfolie kunnen meten ten opzichte van de brekingsindex van water. Er is echter geen praktisch nut voor het meten van de relatieve brekingsindex binnen industriële toepassingen.

Moderne digitale instrumenten kunnen eenvoudig de brekingsindex van vloeistoffen met een hoge mate van nauwkeurigheid bepalen. Instrumenten met een hoge resolutie zijn echter geen garantie voor nauwkeurige resultaten. Er moeten ook goede meetprincipes worden toegepast.

Wist u bijvoorbeeld dat onvoldoende reiniging van het prisma - of gewoon het afvegen van een oud monster met een doek - uw volgende meting drastisch kan vervalsen?

Omdat deze instrumenten de hoek van totale reflectie van het oppervlak van het prisma meten, zal zelfs de dunste laag van het oude monster een aanzienlijke invloed hebben op de brekingsindexmeting van elk nieuw monster dat eraan wordt toegevoegd.

Download de informatiegids voor het meten van de brekingsindex en leer handige tips en hints om fouten te voorkomen bij het meten van de brekingsindex van vloeistoffen.

Of u nu werkt met chemicaliën, voedingsmiddelen, dranken of andere producten die pasteus of vloeibaar kunnen zijn, er zijn belangrijke details die moeten worden aangepakt om uw brekingsindexanalyses te verbeteren. Het gaat hierbij om vragen als:

• Hoe vaak moet ik mijn instrument kalibreren?
• Welk oplosmiddel moet ik gebruiken om de meetcel en prisma te reinigen?
• Mijn monster is pasteus of stroperig. Wat is de beste manier om deze te meten?

De antwoorden op deze vragen kunnen direct van invloed zijn op uw meetresultaten. Bekijk ons interactieve brochure dat de meest gestelde vragen over brekingsindex, Brix en dichtheidsmetingen beantwoordt!