Brytningsindex: Alt du trenger å vite

Brytningsindex n til et medium (f.eks. vann, olivenolje, etc.) er definert som kvotienten av lysets hastighet i vakuum c og lysets hastighet i mediet v. Det er et dimensjonsløst tall som avhenger av temperaturen på mediet og bølgelengden til lysstrålen.

Med enkle ord beskriver brytningsindex hvor raskt en lysstråle beveger seg gjennom et medium sammenlignet med et vakuum. Dette forholdet er beskrevet med formelen:

n = c / v

På denne siden vil du få viktig kunnskap om brytningsindex og brytningsindexmålinger.

Lær mer om definisjonen av brytningsindex, applikasjoner, hvordan du måler den og mye mer.

Bare last ned vår refraktometriveiledning PDF for å lære mer om måling av brytningsindex.

Denne gratis veiledningen vil hjelpe deg med å lære mer om refraktometri, inkludert hvordan du unngår feil ved måling av brytningsindex.

Brytningsindeks og brytning av lys er forskjellige navn for det samme, som nevnt ovenfor. 

Refraktometri er en analytisk metode som brukes til å måle brytningsindex til en prøve for å bestemme sammensetningen eller renheten. Refraktometri er en kvalitativ og ikke-destruktiv teknikk som er basert på Snells lov.

Refraktometrimetoden, som i stor grad brukes i industrien for kvalitetskontrollformål, bruker et refraktometer. Vi vil diskutere refraktometri og bruk av refraktometere i de følgende kapitlene.

Før vi dykker inn i den tekniske forklaringen på brytningsindex, la oss se på et visuelt eksempel som viser lysets hastighet og brytningsindexeffekten i forskjellige medier.

Her er glassstenger nedsenket i tre glass fylt med forskjellige medier:

Glass Media
1. Vann
2. Vann og sedertreolje
3. Cedarolje

Hva skjer i hvert glass?

Vann har lavere brytningsindex (n = 1,333) enn glassstaven (n = 1,517). Derfor er det mulig å se hele stangen i glass 1 og en del av stangen i glass 2.

På den annen side har glassstangen (n = 1.517) og sedertreoljen (n = 1.516) nesten identiske brytningsindexer. Dette fører til at den nedsenkede stangen ser ut til å forsvinne i sedertreoljen (delvis i glass 2 og helt i glass 3).

Basert på Snells lov ble refraktometere utviklet for å måle brytningsindeksen til væsker og halvfaste prøver.

En digital refraktometer målecelle har et skjematisk oppsett basert på Snells lov. Derfor er den avhengig av total intern refleksjon og den kritiske vinkelen. Slik fungerer det:

Lyskilden (1) er en lysdiode (LED). Den avgitte LED-strålen passerer gjennom et polarisasjonsfilter (2), et interferensfilter (3) og en fokallinse (4) før den når prøven via safirprismet (5).

Det reflekterte lyset (innfallsvinkel > kritisk vinkel) avbøyes via en linse (6) til den optiske sensoren CCD (7) som bestemmer den kritiske vinkelen. I tillegg styrer moderne digitale refraktometere automatisk temperaturen i prisme-/prøvegrensen for å forbedre nøyaktigheten av målingen.

Et digitalt refraktometer måler brytningsindex eller relaterte verdier i en væskeprøve ved hjelp av totalrefleksjonsmetoden. Denne målingen gjøres automatisk, noe som reduserer operatørpåvirkning og øker nøyaktigheten. Ved hjelp av et lite prøvevolum (0,5 til 1 ml) utføres svært nøyaktige målinger av brytningsindeksen i løpet av sekunder.

Manuelle refraktometere som Abbe-refraktometere kan også brukes til å måle brytningsindex. De erstattes imidlertid raskt av digitale, ofte håndholdte refraktometre.

Så hva er forholdet mellom brytningsindexbestemmelse og temperatur?

Først må vi forstå effekten av temperatur på en væskeprøve. Temperaturen påvirker rommet der atomer passer sammen for å skape et molekyl. Atomvibrasjon øker når temperaturen øker, noe som får atomene til å bevege seg lenger fra hverandre og reduserer den optiske tetthetsverdien til prøvemediet.

Som nevnt tidligere beskriver brytningsindex hvor fort en lysstråle beveger seg gjennom media. Hvis et medium er mindre optisk tett på grunn av en temperaturøkning, vil lyset bevege seg raskere, noe som fører til at den avbøyde vinkelen skifter litt. Med andre ord, jo høyere temperatur, jo lavere brytningsindex, som vist i grafen nedenfor som bruker vann som prøvemedium.

Som du kan se, har prøvetemperaturen stor innflytelse på måleprosedyren. Derfor må temperaturen måles nøyaktig og om mulig kontrolleres.

Eldre instrumenter som Abbe-refraktometere kan kreve vannbad for å kontrollere temperaturen, mens mange moderne, digitale refraktometere bruker Peltier-elementer til å kontrollere systemtemperaturen. Dette sikrer en rask og nøyaktig bestemmelse av brytningsindexverdien.

I en brytningsindexmåling betyr bølgelengden til lysstrålen noe på grunn av effekten av dispersjon på egenskapene til bølger i et medium (kjent som dispersjonsforhold). Nesten alle stoffer har forskjellige brytningsindex som også varierer avhengig av bølgelengden som brukes. Denne spredningsrelasjonen kan beregnes som følger.

Vi vet at lysets hastighet i et medium er:

v = c / n

Hvor:
n er brytningsindex
c er lysets hastighet i vakuum (eller luft)
V er lysets hastighet i media

Tilsvarende er bølgelengden i samme medium:

λ = λ₀/n

hvor λ₀ er bølgelengden til det lyset i vakuum (eller luft).

Derfor er brytningsindex (n) omvendt proporsjonal med bølgelengden og også med lysets hastighet. Dette betyr at jo større bølgelengde, jo lavere brytningsindex. Dette forholdet er representert ved ligningen:

v(λ) = c/n(λ)

For industrielle applikasjoner der brytningsindexmåling er nødvendig, er det imidlertid nødvendig å ha en definert, presis bølgelengde for å tillate brytningsindxsmåling av forskjellige prøver å bli analysert under de samme forholdene for kvalitetskontroll.

For å generere en definert bølgelengde bruker refraktometere oftest natrium D-linjen, som tilsvarer 589,3 nm. På grunn av det faktum at det er en allment tilgjengelig, pålitelig og stabil lyskilde, har natrium D-linjen lenge vært brukt i studiet av brytningsindex.

n = brytningsindeksen

t = temperatur (°C)

D = D-linjen av natrium

Imidlertid er brytningsindeksen generelt representert enklere som nD.

Måling av brytningsindex kontrollerer renheten og konsentrasjonen av væske-, halvflytende og faste prøver. Brytningsindexverdier kan også bestemmes for gasser. Ved bruk av digitalt refraktometer kan væsker og halvvæskeprøver måles med høy nøyaktighet (f.eks. ned til - / + 0,00002). Gass- og faste prøver krever spesialiserte instrumenter eller tilbehør for nøyaktig måling av brytningsindex.

I tillegg kan brytningsindex korreleres til et bredt spekter av konsentrasjoner som kan brukes til å karakterisere mange forskjellige prøver i mange forskjellige bransjer og applikasjoner, for eksempel:

• Mat og drikke: Måling av Brix (sukkerinnhold) i brus eller Oechsle av drue må brukes i vinfremstilling.
• Kjemisk: Bestemmelse av frysepunkt (⁰C eller ⁰F), syre/base-konsentrasjon eller tilstedeværelse av organisk løsningsmiddel og uorganisk salt i % w/w eller v/v.
• Pharma: Måling av hydrogenperoksid- eller metanolprosenter, eller vurdering av konsentrasjoner av forskjellige stoffer i urin hos mennesker.

I tillegg, for noen applikasjoner, kombinerer brytningsindex med en tetthetsmåling en enkel, men kraftig kvalitetskontrollteknikk. Disse bestemmelsene kan være helautomatiserte.

I tillegg til Brix-skalaen er det andre sammenlignbare skalaer for å indikere sukroseinnhold i en prøve, for eksempel grader Platon, Baumé, Oechsle og Balling. Lær mer om forskjeller, beregninger, bruk og hvordan du måler.

Absolutt brytningsindex beregnes med referanse til vakuumet der lyset forplanter seg med størst mulig hastighet på 299 792 458 meter per sekund (lysets hastighet). Men i praksis betraktes luften vi puster også som et referansemedium, selv om lyset forplanter seg med litt lavere hastighet (1.0003 ganger langsommere) enn det gjør gjennom et vakuum.

Dermed kan vi si at den absolutte brytningsindex måler hvor mange ganger lysets hastighet er større i vakuum (eller luft) enn i noe annet medium.

Her er et praktisk eksempel på vannets absolutte brytningsindex ved 20 °C, der vi vet at lyset beveger seg ved 2,25 x 10⁸m/s.

Dette betyr at lyset beveger seg 1,33333 ganger langsommere gjennom vann enn gjennom vakuum (eller luft).

Relativ brytningsindex er definert som forholdet mellom lyshastighetene mellom to andre medier enn et vakuum (eller luft). For eksempel kan man måle brytningsindex for olivenolje i forhold til brytningsindex for vann. Det er imidlertid ingen praktisk bruk for å måle relativ brytningsindex i industrielle applikasjoner.

Moderne digitale instrumenter kan enkelt bestemme brytningsindex for væsker med høy grad av nøyaktighet. Instrumenter med høy oppløsning er imidlertid ingen garanti for nøyaktige resultater. Gode måleprinsipper må også legges til grunn.

Visste du for eksempel at utilstrekkelig rengjøring av prismet - eller bare tørke av gammel prøve med en klut - kan drastisk forfalske din neste måling?

Fordi disse instrumentene måler vinkelen for total refleksjon fra overflaten av prismet, vil selv det tynneste laget av gammel prøve ha en betydelig innvirkning på brytningsindexmåling av enhver ny prøve som legges til den.

Last ned veiledningen for måling av brytningsindex og lær nyttige tips og trix for å unngå feil når du måler brytningsindex til væsker.

Enten du jobber med kjemikalier, matvarer, drikkevarer eller andre produkter som kan være deigaktige eller flytende, er det viktige detaljer som må tas opp for å forbedre brytningsindexanalysene dine. Disse inkluderer spørsmål som:

• Hvor ofte bør jeg kalibrere instrumentet mitt?
• Hvilket løsemiddel skal jeg bruke til å rengjøre målecellen / prismet?
• Min prøve er pasty / tyktflytende. Hva er den beste måten å håndtere og måle det på?

Svarene på disse spørsmålene kan direkte påvirke dine bestemmelser. Ta en titt på vårt interaktive hefte som svarer på de mest stilte spørsmålene om brytningsindex, Brix og tetthetsmålinger!