Brytningsindex: Allt du behöver veta

Brytningsindex n för ett medium (t.ex. vatten, olivolja, etc.), definieras som kvoten av ljusets hastighet i vakuum c och ljusets hastighet i mediet v. Det är ett dimensionslöst tal som beror på mediets temperatur och ljusstrålens våglängd.

Med enkla ord beskriver brytningsindexet hur snabbt en ljusstråle färdas genom ett medium jämfört med ett vakuum. Detta förhållande beskrivs med formeln:

n = c / v

På den här sidan får du viktig kunskap om brytningsindex och brytningsindexmätningar.

Lär dig mer om definitionen av brytningsindex, tillämpningar, hur du mäter det och mycket mer.

Ladda bara ner vår refraktometriguide i PDF-format för att lära dig mer om mätning av brytningsindex.

Den här kostnadsfria guiden hjälper dig att lära dig mer om refraktometri, inklusive hur du undviker fel när du mäter brytningsindex.

Brytningsindex och brytning av ljus är olika namn för samma sak, som nämnts ovan. 

Refraktometri är en analysmetod som används för att mäta brytningsindex för ett prov för att bestämma dess sammansättning eller renhet. Refraktometri är en kvalitativ och icke-destruktiv teknik som bygger på Snells lag.

Refraktometrimetoden, som till stor del används inom industrin för kvalitetskontrolländamål, använder en refraktometer. Vi kommer att diskutera refraktometri och användning av refraktometrar i kapitlen som följer.

Innan vi dyker in i den tekniska förklaringen av brytningsindex, låt oss titta på ett visuellt exempel som visar ljusets hastighet och brytningsindexeffekten i olika medier.

Här är glasstavar nedsänkta i tre glas fyllda med olika medier:

Glasmedia
1. Vatten
2. Vatten och cederolja
3. Cederolja

Vad händer i varje glas?

Vatten har ett lägre brytningsindex (n = 1,333) än glasstaven (n = 1,517). Därför är det möjligt att se hela staven i glas 1 och en del av staven i glas 2.

Å andra sidan har glasstaven (n = 1,517) och cederoljan (n = 1,516) nästan identiska brytningsindex. Detta gör att den nedsänkta staven verkar försvinna i cederoljan (delvis i glas 2 och helt i glas 3).

Baserat på Snells lag utvecklades refraktometrar för att mäta brytningsindex för vätskor och halvfasta prover.

En digital refraktometermätcell har en schematisk uppställning baserad på Snells lag. Därför förlitar den sig på total intern reflektion och den kritiska vinkeln. Så här fungerar det:

Ljuskällan (1) är en lysdiod (LED). Den emitterade LED-strålen passerar genom ett polarisationsfilter (2), ett interferensfilter (3) och en fokal lins (4) innan den når provet via safirprismat (5).

Det reflekterade ljuset (infallsvinkel > kritisk vinkel) avleds via en lins (6) till den optiska sensorn CCD (7) som bestämmer den kritiska vinkeln. Dessutom styr moderna digitala refraktometrar automatiskt temperaturen i prisma/provgränsen för att förbättra mätningens noggrannhet.

En digital refraktometer mäter brytningsindex eller relaterade värden för ett vätskeprov med hjälp av totalreflektionsmetoden. Denna mätning görs automatiskt, vilket minskar operatörens påverkan och förbättrar noggrannheten. Med hjälp av en liten provvolym (0,5 till 1 ml) utförs mycket noggranna mätningar av brytningsindexet på några sekunder.

Manuella refraktometrar som Abbe refraktometrar kan också användas för att mäta brytningsindex. De ersätts dock snabbt av digitala, ofta handhållna refraktometrar.

Så vad är förhållandet mellan bestämning av brytningsindex och temperatur?

Först måste vi förstå temperaturens effekt på ett vätskeprov. Temperaturen påverkar utrymmet där atomer passar ihop för att skapa en molekyl. Atomvibrationer ökar när temperaturen ökar, vilket gör att atomerna rör sig längre ifrån varandra och minskar provmediets optiska densitetsvärde.

Som tidigare nämnts beskriver brytningsindexet hur snabbt en ljusstråle färdas genom media. Om ett medium är mindre optiskt tätt på grund av en temperaturökning kommer ljuset att färdas snabbare, vilket gör att den avböjda vinkeln förskjuts något. Med andra ord, ju högre temperatur, desto lägre brytningsindex, som visas i grafen nedan som använder vatten som provmedium.

Som du kan se har provtemperaturen stor inverkan på mätproceduren. Därför måste temperaturen mätas noggrant och om möjligt kontrolleras.

Äldre instrument som Abbe-refraktometrar kan kräva ett vattenbad för att kontrollera temperaturen, medan många moderna, digitala refraktometrar använder Peltier-element för att kontrollera systemtemperaturen. Detta säkerställer en snabb och exakt bestämning av brytningsindexvärdet.

I en mätning av brytningsindex spelar ljusstrålens våglängd roll på grund av dispersionens effekt på egenskaperna hos vågor i ett medium (känd som dispersionsrelation). Nästan alla ämnen har olika brytningsindex som också skiljer sig åt beroende på vilken våglängd som används. Detta spridningsförhållande kan beräknas på följande sätt.

Vi vet att ljusets hastighet i ett medium är:

v = c/n

Var:
n är brytningsindexet,
c är ljusets hastighet i vakuum (eller luft)
v är ljusets hastighet i mediet

På samma sätt är våglängden i samma medium:

λ = λ₀/n

där λ₀ är ljusets våglängd i vakuum (eller luft).

Därför är brytningsindexet (n) omvänt proportionellt mot våglängden och även mot ljusets hastighet. Det betyder att ju större våglängd, desto lägre brytningsindex. Detta förhållande representeras av ekvationen:

v(λ) = c/n(λ)

För industriella tillämpningar där brytningsindexmätning krävs är det dock nödvändigt att ha en definierad, exakt våglängd för att möjliggöra att brytningsindexmätningen av olika prover kan analyseras under samma förhållanden för kvalitetskontroll.

För att generera en definierad våglängd använder refraktometrar oftast natrium-D-linjen, som motsvarar 589,3 nm. På grund av det faktum att det är en allmänt tillgänglig, pålitlig och stabil ljuskälla har natrium D-linjen länge använts i studien av brytningsindex.

n = brytningsindex

t = temperatur (°C)

D = D-linjen för natrium

Brytningsindexet representeras dock i allmänhet enklare som nD.

Mätning av brytningsindex kontrollerar renheten och koncentrationen av flytande, halvflytande och fasta prover. Brytningsindexvärden kan också bestämmas för gaser. Vid användning av en digital refraktometer kan vätskor och halvvätskeprover mätas med hög noggrannhet (t.ex. ner till - / + 0,00002). Gas- och fasta prover kräver specialiserade instrument eller tillbehör för noggrann mätning av brytningsindex.

Dessutom kan brytningsindexet korreleras till ett brett spektrum av koncentrationer som kan användas för att karakterisera många olika prover i många olika industrier och applikationer, såsom:

• Mat och dryck: Mätning av Brix (sockerhalt) i läskedrycker eller Oechsle av druvmust som används vid vinframställning.
• Kemikalie: Bestämning av fryspunkt (⁰C eller ⁰F), syra/baskoncentration eller förekomst av organiskt lösningsmedel och oorganiskt salt i viktprocent eller volymprocent.
• Läkemedel: Mätning av väteperoxid- eller metanolprocent, eller bedömning av koncentrationer av olika ämnen i mänsklig urin.

Dessutom, för vissa applikationer, skapar en kombination av brytningsindex med en densitetsmätning en enkel men kraftfull kvalitetskontrollteknik. Dessa bestämningar kan automatiseras helt och hållet.

Förutom Brix-skalan finns det andra jämförbara skalor för att ange sackaroshalten i ett prov, t.ex. graderna Platon, Baumé, Oechsle och Balling. Läs mer om deras skillnader, beräkningar, användning och hur du mäter.

Absolut brytningsindex beräknas med hänvisning till det vakuum i vilket ljus sprids med största möjliga hastighet av 299 792 458 meter per sekund (ljusets hastighet). Men i praktiken anses luften vi andas också vara ett referensmedium, även om ljus sprids med en något långsammare hastighet (1,0003 gånger långsammare) än det gör genom ett vakuum.

Således kan vi säga att det absoluta brytningsindexet mäter hur många gånger ljusets hastighet är större i vakuum (eller luft) än i något annat medium.

Här är ett praktiskt exempel på vattnets absoluta brytningsindex vid 20 °C, genom vilket vi vet att ljus färdas med 2,25 x 10⁸m/s.

Detta innebär att ljus färdas 1,33333 gånger långsammare genom vatten än genom vakuum (eller luft).

Relativt brytningsindex definieras som förhållandet mellan ljushastigheterna mellan två andra medier än vakuum (eller luft). Till exempel kan man mäta brytningsindex för olivolja i förhållande till brytningsindex för vatten. Det finns dock ingen praktisk användning för att mäta relativt brytningsindex i industriella tillämpningar.

Moderna digitala instrument kan enkelt bestämma brytningsindex för vätskor med hög noggrannhet. Högupplösta instrument är dock ingen garanti för korrekta resultat. Goda mätprinciper måste också tillämpas.

Visste du till exempel att otillräcklig rengöring av prismat – eller att helt enkelt torka av gammalt prov med en trasa – drastiskt kan förfalska din nästa mätning?

Eftersom dessa instrument mäter vinkeln för total reflektion från prismats yta, kommer även det tunnaste lagret av gammalt prov att ha en betydande inverkan på brytningsindexmätningen av alla nya prov som läggs till det.

Ladda ner guiden för mätning av brytningsindex och lär dig användbara tips och råd för att undvika fel när du mäter brytningsindex för vätskor.

Oavsett om du arbetar med kemikalier, livsmedel, drycker eller andra produkter som kan vara degiga eller flytande, finns det viktiga detaljer som måste åtgärdas för att förbättra dina brytningsindexanalyser. Dessa inkluderar frågor som:

• Hur ofta ska jag kalibrera mitt instrument?
• Vilket lösningsmedel ska jag använda för att rengöra mätcellen/prismat?
• Mitt prov är degigt/trögflytande. Vilket är det bästa sättet att hantera och mäta det?

Svaren på dessa frågor kan direkt påverka dina beslut. Kolla in vårt interaktiva häfte som svarar på de vanligaste frågorna om brytningsindex, Brix och densitetsmätningar!