Brydningsindeks: Alt hvad du behøver at vide

Brydningsindekset n for et medium (f.eks. Vand, olivenolie osv.), også kaldet Refractive Index, defineres som kvotienten af lysets hastighed i vakuum c og lysets hastighed i mediet v. Det er et dimensionsløst tal, der afhænger af mediets temperatur og lysstrålens bølgelængde.

Med enkle ord beskriver brydningsindekset, hvor hurtigt en lysstråle bevæger sig gennem et medium sammenlignet med et vakuum. Dette forhold beskrives ved formlen:

n = c / v

På denne side får du vigtig viden om brydningsindeks og brydningsindeksmålinger.

Lær mere om definitionen af brydningsindeks, applikationer, hvordan man måler det og meget mere.

Bare download vores refraktometriguide PDF for at lære mere om brydningsindeksmåling.

Denne gratis vejledning hjælper dig med at lære mere om refraktometri, herunder hvordan du undgår fejl ved måling af brydningsindeks.

Brydningsindeks og Refractive Index er forskellige navne for den samme ting, som nævnt ovenfor. 

Refraktometri er en analytisk metode, der anvendes til at måle brydningsindekset for en prøve for at bestemme dens sammensætning eller renhed. Refraktometri er en kvalitativ og ikke-destruktiv teknik, der er baseret på Snells lov.

Refraktometrimetoden, som i vid udstrækning anvendes i industrien til kvalitetskontrolformål, bruger et refraktometer. Vi vil diskutere refraktori og brug af refraktometre i de følgende kapitler.

Før vi dykker ned i den tekniske forklaring af brydningsindeks, lad os se på et visuelt eksempel, der viser lysets hastighed og brydningsindekseffekten i forskellige medier.

Her nedsænkes glasstænger i tre glas fyldt med forskellige medier:

Glas Medier
1. Vand
2. Vand og cedertræolie
3. Cedertræolie

Hvad sker der i hvert glas?

Vand har et lavere brydningsindeks (n = 1.333) end glasstangen (n = 1.517). Derfor er det muligt at se hele stangen i glas 1 og en del af stangen i glas 2.

På den anden side har glasstangen (n = 1, 517) og cedertræolien (n = 1, 516) næsten identiske brydningsindekser. Dette får den nedsænkede stang til at forsvinde i cedertræolien (delvist i glas 2 og helt i glas 3).

Baseret på Snells lov blev der udviklet refraktometre til måling af brydningsindekset for væsker og halvfaste prøver.

En digital refraktometermålecelle har en skematisk opsætning baseret på Snells lov. Derfor er den afhængig af total intern refleksion og den kritiske vinkel. Sådan fungerer det:

Lyskilden (1) er en lysemitterende diode (LED). Den udsendte LED-stråle passerer gennem et polarisationsfilter (2), et interferensfilter (3) og et brændvidde (4), før den når prøven via safirprismet (5).

Det reflekterede lys (indfaldsvinklen > den kritiske vinkel) afbøjes via en linse (6) til den optiske sensor CCD (7), der bestemmer den kritiske vinkel. Derudover styrer moderne digitale refraktometre automatisk temperaturen i prisme-/prøvegrænsen for at forbedre målingens nøjagtighed.

Et digitalt refraktometer måler brydningsindekset eller relaterede værdier for en væskeprøve ved hjælp af totalrefleksionsmetoden. Denne måling udføres automatisk, hvilket reducerer operatørens indflydelse og forbedrer nøjagtigheden. Ved hjælp af et lille prøvevolumen (0,5 til 1 ml) udføres meget nøjagtige målinger af brydningsindekset på få sekunder.

Manuelle refraktometre såsom Abbe-refraktometre kan også bruges til at måle brydningsindeks. De erstattes dog hurtigt af digitale, ofte håndholdte refraktometre.

Så hvad er forholdet mellem bestemmelse af brydningsindeks og temperatur?

Først skal vi forstå effekten af temperatur på en flydende prøve. Temperatur påvirker det rum, hvor atomer passer sammen for at skabe et molekyle. Atomvibrationer stiger, når temperaturen stiger, hvilket får atomerne til at bevæge sig længere fra hinanden og reducerer prøvemediets optiske densitetsværdi.

Som tidligere nævnt beskriver brydningsindekset, hvor hurtigt en lysstråle bevæger sig gennem medier. Hvis et medium er mindre optisk tæt på grund af en temperaturstigning, vil lyset bevæge sig hurtigere, hvilket får den afbøjede vinkel til at skifte lidt. Med andre ord, jo højere temperatur, jo lavere brydningsindeks, som vist i grafen nedenfor, der bruger vand som prøvemedium.

Som du kan se, har prøvetemperaturen stor indflydelse på måleproceduren. Derfor skal temperaturen måles nøjagtigt og om muligt kontrolleres.

Ældre instrumenter som Abbe-refraktometre kan kræve et vandbad for at kontrollere temperaturen, mens mange moderne, digitale refraktometre bruger Peltier-elementer til at styre systemtemperaturen. Dette sikrer en hurtig og præcis bestemmelse af brydningsindeksværdien.

I en brydningsindeksmåling betyder bølgelængden af lysstrålen noget på grund af dispersionens virkning på egenskaberne af bølger i et medium (kendt som dispersionsrelation). Næsten alle stoffer har forskellige brydningsindekser, der også varierer afhængigt af den anvendte bølgelængde. Denne spredningsrelation kan beregnes som følger.

Vi ved, at lysets hastighed i et medium er:

v = c/n

Hvor:
n er brydningsindekset
c er lysets hastighed i et vakuum (eller luft)
v er lysets hastighed i medierne

Tilsvarende er bølgelængden i samme medium:

λ = λ₀/n

hvor λ₀ er bølgelængden af det lys i et vakuum (eller luft).

Derfor er brydningsindekset (n) omvendt proportionalt med bølgelængden og også med lysets hastighed. Det betyder, at jo større bølgelængde, jo lavere brydningsindeks. Dette forhold er repræsenteret af ligningen:

v(λ) = c/n(λ)

For industrielle anvendelser, hvor brydningsindeksmåling er påkrævet, er det imidlertid nødvendigt at have en defineret, præcis bølgelængde for at gøre det muligt at analysere brydningsindeksmåling af forskellige prøver under de samme betingelser for kvalitetskontrol.

For at generere en defineret bølgelængde bruger refraktometre oftest natrium D-linjen, hvilket svarer til 589, 3 nm. På grund af det faktum, at det er en bredt tilgængelig, pålidelig og stabil lyskilde, har natrium D-linjen længe været anvendt til undersøgelse af brydningsindeks.

n = brydningsindekset

t = temperatur (°C)

D = D-linjen af natrium

Imidlertid repræsenteres brydningsindekset generelt mere enkelt som nD.

Måling af brydningsindeks kontrollerer renheden og koncentrationen af flydende, halvflydende og faste prøver. Brydningsindeksværdier kan også bestemmes for gasser. Ved brug af et digitalt refraktometer kan væsker og halvvæskeprøver måles med høj nøjagtighed (f.eks. ned til - / + 0,00002). Gas- og faste prøver kræver specialiserede instrumenter eller tilbehør til nøjagtig måling af brydningsindeks.

Derudover kan brydningsindekset korreleres med en lang række koncentrationer, som kan bruges til at karakterisere mange forskellige prøver i mange forskellige industrier og applikationer, såsom:

• Mad og drikke: Måling af Brix (sukkerindhold) i læskedrikke eller Oechsle i druemost, der anvendes til vinfremstilling.
• Kemisk: Bestemmelse af frysepunkt (⁰C eller ⁰F), syre/basekoncentration eller tilstedeværelsen af organisk opløsningsmiddel og uorganisk salt i % w/w eller v/v.
• Pharma: Måling af hydrogenperoxid- eller methanolprocenter eller vurdering af koncentrationer af forskellige stoffer i human urin.

Derudover skaber kombinationen af brydningsindeks med densitetsmåling for nogle applikationer en enkel, men kraftfuld kvalitetskontrolteknik. Disse bestemmelser kan automatiseres fuldt ud.

Ud over Brix-skalaen findes der andre sammenlignelige skalaer til angivelse af saccharoseindholdet i en prøve, f.eks. Platon-, Baumé-, Oechsle- og Balling-grader. Få mere at vide om deres forskelle, beregninger, brug og hvordan man måler.

Absolut brydningsindeks beregnes med henvisning til det vakuum, hvori lys formerer sig med størst mulig hastighed på 299.792.458 meter i sekundet (lysets hastighed). I praksis betragtes den luft, vi indånder, imidlertid også som et referencemedium, selvom lys formerer sig med en lidt langsommere hastighed (1.0003 gange langsommere) end det gør gennem et vakuum.

Således kan vi sige, at det absolutte brydningsindeks måler, hvor mange gange lysets hastighed er større i et vakuum (eller luft) end i andre medier.

Her er et praktisk eksempel på vandets absolutte brydningsindeks ved 20 °C, hvorigennem vi ved, at lys bevæger sig med 2,25 x 10⁸m/s.

Det betyder, at lys bevæger sig 1,33333 gange langsommere gennem vand end gennem et vakuum (eller luft).

Relativ brydningsindeks defineres som forholdet mellem lyshastighederne mellem to andre medier end vaccum (eller luft). For eksempel kunne man måle brydningsindekset for olivenolie i forhold til vandets brydningsindeks. Der er imidlertid ingen praktisk anvendelse til måling af relativt brydningsindeks i industrielle applikationer.

Moderne digitale instrumenter kan let bestemme brydningsindekset for væsker med en høj grad af nøjagtighed. Instrumenter med høj opløsning er dog ingen garanti for nøjagtige resultater. Gode måleprincipper skal også anvendes.

Vidste du for eksempel, at utilstrækkelig rengøring af prismet - eller blot at tørre gammel prøve af med en klud - kan forfalske din næste måling drastisk?

Fordi disse instrumenter måler vinklen for total refleksion fra prismets overflade, vil selv det tyndeste lag af gammel prøve have en betydelig indvirkning på brydningsindeksmålingen af enhver ny prøve, der tilføjes til den.

Download vejledningen til måling af brydningsindeks, og lær nyttige tip og tip til at undgå fejl ved måling af væskers brydningsindeks.

Uanset om du arbejder med kemikalier, fødevarer, drikkevarer eller andre produkter, der kan være pastaagtige eller flydende, er der vigtige detaljer, der skal behandles for at forbedre dine brydningsindeksanalyser. Disse omfatter spørgsmål som:

• Hvor ofte skal jeg kalibrere mit instrument?
• Hvilket opløsningsmiddel skal jeg bruge til at rengøre målecellen / prismet?
• Min prøve er pastaagtig / tyktflydende. Hvad er den bedste måde at håndtere og måle det på?

Svarene på disse spørgsmål kan direkte påvirke dine beslutninger. Se vores interaktive hæfte, der besvarer de mest stillede spørgsmål om brydningsindeks, Brix og densitetsmålinger!