Indeks refrakcji: wszystko co musisz wiedzieć

Współczynnik załamania światła n ośrodka (np. wody, oliwy z oliwek itp.), zwany także współczynnikiem załamania, definiuje się jako iloraz prędkości światła w próżni c i prędkości światła w ośrodku v. Jest to liczba bezwymiarowa, która zależy od temperatury ośrodka i długości fali wiązki światła.

Wskaźnik załamania światła opisuje, jak szybko promień światła przemieszcza się przez ośrodek w porównaniu do próżni. Zależność tę opisuje wzór:

n = c / v

Na tej stronie zdobędziesz niezbędną wiedzę na temat pomiaru indeksu refrakcji.

Dowiedz się więcej o definicji współczynnika załamania światła, zastosowaniach i sposobie jego pomiaru.

Aby dowiedzieć się więcej o pomiarze indeksu refrakcji pobierz plik PDF z poradnikiem refraktometrii.

Ten bezpłatny przewodnik pomoże Ci dowiedzieć się więcej o refraktometrii, między innymi o tym, jak uniknąć błędów podczas pomiaru indeksu refrakcji.

Indeks refrakcji i współczynnik załamania światła to synonimy. To, który termin zostanie użyty, zależy w dużej mierze od tego, gdzie mieszkasz. Na przykład ludzie w USA często używają "indeksu refrakcji", podczas gdy ludzie w Indiach mają tendencję do używania "współczynnika załamania światła". W tej dyskusji będziemy używać tych terminów zamiennie.

Refraktometria to metoda analityczna stosowana do pomiaru indeksu refrakcji próbki w celu określenia jej składu lub czystości. Refraktometria jest jakościową i niezawodną techniką opartą na prawie Snella.

Refraktometria to metoda, która jest szeroko stosowana w przemyśle do celów kontroli jakości. 

Zanim przejdziemy do technicznego wyjaśnienia współczynnika załamania światła, spójrzmy na wizualny przykład, który pokazuje prędkość światła i efekt współczynnika załamania światła w różnych ośrodkach.

Tutaj szklane pręty są zanurzone w trzech szklankach wypełnionych różnymi mediami:

1. Woda
2. Woda i olej cedrowy
3. Olej cedrowy

Co dzieje się w każdej szklance?

Woda ma niższy współczynnik załamania światła (n = 1333) niż pręt szklany (n = 1517). Dlatego można zobaczyć cały pręt w szkle w naczyniu nr 1 i część pręta w naczyniu nr 2.

Z drugiej strony pręt szklany (n = 1,517) i olej cedrowy (n = 1,516) mają prawie identyczny współczynnik załamania światła. Powoduje to, że zanurzony pręt wydaje się znikać w oleju cedrowym (częściowo w naczyniu nr 2 i całkowicie w naczyniu nr 3).

W oparciu o prawo Snella opracowano refraktometry do pomiaru współczynnika załamania światła w próbkach ciekłych i półstałych.

Cela pomiarowa refraktometru cyfrowego jest oparta na prawie Snella. Dlatego opiera się na całkowitym wewnętrznym odbiciu i krytycznym kącie. Oto jak to działa:

Źródłem światła (1) jest dioda elektroluminescencyjna (LED). Emitowana wiązka LED przechodzi przez filtr polaryzacyjny (2),filtr interferencyjny (3) i soczewki ogniskowe (4), zanim dotrze do próbki przez pryzmat szafirowy (5).

Światło odbite (kąt padania > kąt krytyczny) jest odchylane przez soczewkę (6) do optycznej elektrody CCD (7), która określa kąt krytyczny. Ponadto nowoczesne refraktometry cyfrowe automatycznie kontrolują temperaturę na granicy pryzmatu i próbki, aby zwiększyć dokładność pomiaru.

Refraktometr cyfrowy mierzy współczynnik załamania światła lub powiązane wartości w próbce cieczy przy użyciu metody całkowitego odbicia. Pomiar odbywa się automatycznie, co zmniejsza wpływ operatora i zwiększa dokładność. Przy małej objętości próbki (od 0,5 do 1 ml) bardzo dokładne pomiary indeksu załamania światła są wykonywane w ciągu kilku sekund.

Do pomiaru indeksu refrakcji można również używać refraktometrów ręcznych takich jak refraktometry Abbego. Są one jednak szybko zastępowane przez cyfrowe, często ręczne refraktometry.

Jaki jest związek między wyznaczaniem indeksu refrakcji a temperaturą?

Po pierwsze, musimy zrozumieć wpływ temperatury na ciekłą próbkę. Temperatura wpływa na przestrzeń, w której atomy łączą się ze sobą, tworząc cząsteczkę. Drgania atomowe wzrastają wraz ze wzrostem temperatury, co powoduje oddalanie się atomów od siebie i zmniejsza wartość gęstości optycznej ośrodka próbki.

Współczynnik załamania światła opisuje, jak szybko wiązka światła przemieszcza się przez media. Jeśli ośrodek jest mniej gęsty optycznie z powodu wzrostu temperatury, światło przemieszcza się szybciej, co powoduje nieznaczne przesunięcie odchylonego kąta. Innymi słowy, im wyższa temperatura, tym niższy współczynnik załamania światła, jak pokazano na poniższym wykresie, na którym wykorzystuje się wodę jako ośrodek próbki.

Jak widać, temperatura próbki ma duży wpływ na procedurę pomiaru. Dlatego temperatura musi być dokładnie mierzona i, jeśli to możliwe, kontrolowana.

Starsze instrumenty, takie jak refraktometry Abbego, mogą wymagać kąpieli wodnej do regulacji temperatury, podczas gdy wiele nowoczesnych, cyfrowych refraktometrów wykorzystuje elementy Peltiera do kontrolowania temperatury systemu. Zapewnia to szybkie i dokładne wyznaczenie wartości współczynnika załamania światła.

W pomiarze współczynnika załamania światła długość fali wiązki światła ma znaczenie ze względu na wpływ dyspersji na właściwości fal w ośrodku. Prawie każda substancja ma inny współczynnik załamania światła, który również różni się w zależności od zastosowanej długości fali. Tę zależność dyspersji można obliczyć w następujący sposób.

Wiemy, że prędkość światła w ośrodku wynosi:

v = c/n

Gdzie:
n jest wskaźnikiem załamania
c jest prędkością światła w próżni (lub powietrzu)
v jest prędkością światła w czynniku

Podobnie, długość fali w tym samym ośrodku wynosi:

λ = λ₀/n

gdzie λ₀ jest długością fali tego światła w próżni (lub powietrzu).

Dlatego współczynnik załamania światła (n) jest odwrotnie proporcjonalny do długości fali, a także do prędkości światła. Oznacza to, że im większa długość fali, tym niższy współczynnik załamania światła. Ta zależność jest reprezentowana przez równanie:

v(λ) = c/n(λ)

Jednak w przypadku zastosowań przemysłowych, w których wymagany jest pomiar indeksu refrakcji, konieczne jest posiadanie określonej, precyzyjnej długości fali, aby umożliwić pomiar współczynnika załamania światła różnych próbek w tych samych warunkach w celu kontroli jakości.

Aby wygenerować określoną długość fali, refraktometry najczęściej używają D-linii sodu, co odpowiada 589,3 nm. Ze względu na to, że jest to powszechnie dostępne, niezawodne i stabilne źródło światła, D-linia sodu od dawna jest stosowana w badaniu współczynnika załamania światła.

n = współczynnik załamania światła

t = temperatura (°C)

D = D-linia sodu

Jednak współczynnik załamania światła jest ogólnie przedstawiany prościej jako nD.

Pomiar indeksu refrakcji sprawdza czystość i stężenie próbek ciekłych, półciekłych i stałych. Wartości współczynnika załamania światła można również określić dla gazów. W przypadku korzystania z refraktometru cyfrowego próbki cieczy i półcieczy można mierzyć z wysoką dokładność (np. do - / + 0,00002). Dokładny pomiar indeksu refrakcji wymaga użycia specjalistycznych urządzeń lub akcesoriów.

Ponadto wskaźnik refrakcji może być skorelowany z szerokim zakresem stężeń, które można wykorzystać do scharakteryzowania wielu różnych próbek w wielu różnych branżach i zastosowaniach, takich jak:

• Branża spożywcza: pomiar wartości Brix (zawartości cukru) w napojach bezalkoholowych lub wartości Oechsle moszczu winogronowego używanego w produkcji wina.
• Chemiczne: oznaczanie temperatury krzepnięcia (⁰C lub ⁰F), stężenia kwasu/dno, denko lub obecności rozpuszczalnika organicznego i soli nieorganicznej w % w/w lub v/v.
• Farmacja: Pomiar procentów nadtlenku wodoru lub metanolu lub ocena stężeń różnych substancji w ludzkim moczu.

Dodatkowo, w przypadku niektórych zastosowań, połączenie współczynnika załamania światła z pomiarem gęstości tworzy prostą, ale potężną technikę kontroli jakości. Wyznaczanie tych substancji może być w pełni zautomatyzowane.

Oprócz skali Brixa istnieją inne porównywalne indeksy do oznaczania zawartości sacharozy w próbce, takie jak stopnie Plato, Baumé, Oechsle i Balling. Dowiedz się więcej o ich różnicach, obliczeniach, zastosowaniu i sposobie pomiaru.

Bezwzględny indeks refrakcji jest obliczany w odniesieniu do próżni, w której światło rozchodzi się z największą możliwą prędkością 299 792 458 metrów na sekundę (prędkość światła). Jednak w praktyce powietrze, którym oddychamy, jest również uważane za ośrodek odniesienia, mimo że światło rozchodzi się z nieco mniejszą prędkością (1,0003 razy wolniejszą) niż przez próżnię.

Można więc powiedzieć, że bezwzględny współczynnik załamania światła mierzy, ile razy prędkość światła jest większa w próżni (lub powietrzu) niż w jakimkolwiek innym ośrodku.

Oto praktyczny przykład bezwzględnego współczynnika załamania światła wody w temperaturze 20 °C, przez który wiemy, że światło przemieszcza się z prędkością 2,25 x 10⁸m/s.

Oznacza to, że światło przemieszcza się 1,33333 razy wolniej przez wodę niż przez próżnię (lub powietrze).

Względny współczynnik załamania światła definiuje się jako stosunek prędkości światła między dowolnymi dwoma czynnikami innymi niż próżnia (lub powietrze). Na przykład można zmierzyć współczynnik załamania światła oliwy z oliwek w stosunku do współczynnika załamania światła wody. Nie ma jednak praktycznego zastosowania do pomiaru względnego współczynnika załamania światła w zastosowaniach przemysłowych.

Nowoczesne urządzenia cyfrowe umożliwiają łatwe wyznaczanie indeksu refrakcji cieczy o dużym stopniu dokładność. Jednak instrumenty o wysokiej rozdzielczości nie gwarantują dokładnych wyników. Należy również stosować się do Dobrych Praktyk Pomiarowych

Czy wiesz na, że niewystarczające czyszczenie pryzmatu lub po prostu wycieranie starej próbki szmatką może drastycznie zafałszować następny pomiar?

Ponieważ instrumenty te mierzą kąt całkowitego odbicia od powierzchni pryzmatu, nawet najcieńsza warstwa starej próbki będzie miała znaczący wpływ na pomiar współczynnika załamania światła każdej dodanej do niej nowej próbki.

Pobierz poradnik: Pomiar indeksu refrakcji i poznaj przydatne wskazówki i porady pozwalające uniknąć błędów podczas pomiaru indeksu refrakcji.

Niezależnie od tego, czy pracujesz z chemikaliami, żywnością, napojami czy innymi produktami, takimi jak pasty lub próbki płynne, istnieją ważne szczegóły, o których warto pamiętać, aby poprawić analizy indeksu refrakcji. W trakcie badań indeksu refrakcji często pojawiają się pytania takie jak:

• Jak często należy kalibrować urządzenie?
• Jakiego rozpuszczalnika należy użyć do czyszczenia komory pomiarowej / pryzmatu?
• Moja próbka jest lepka lub o konsystencji pasty. Jak ją przygotować i poddać pomiarowi?

Odpowiedzi na te pytania mogą mieć bezpośredni wpływ na wyniki pomiarów. Sprawdź naszą interaktywną broszurę, która odpowiada na najczęściej zadawane pytania dotyczące pomiaru indeksu refrakcji, Brix i gęstości!