Refraktometr

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Refraktometr Ernsta Abbego z 1897 r.
Wikimedia Commons

Refraktometr – przyrząd do badania współczynników załamania światła różnych ośrodków (substancji), przede wszystkim cieczy. Klasycznym urządzeniem jest refraktometr Abbego, opracowany w końcu XIX wieku. Współcześnie stosuje się liczne typy nowoczesnych aparatów, o konstrukcji oraz dokładności i precyzji dostosowanej do konkretnych potrzeb. Dostępne są m.in. precyzyjnie kalibrowane aparaty z automatyczną kompensacją temperatury w przestrzeni, do której jest wprowadzana próbka. W wielu sytuacjach nie wymagających bardzo wysokiej precyzji pomiarów są stosowane łatwe w obsłudze zminiaturyzowane olfaktometry kieszonkowe.

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Ilustracja prawa załamania światła na granicy ośrodków o różnych wartościach współczynnika załamania, n1 > n2 (żółte pole ilustruje rozproszenie wiązki padającej, które umożliwia obserwację granicy między polem jasnym i ciemnym w okularze przyrządu, gdy Θ1 = Θgr.)
Zasada działania refraktometru Pulfricha
Zasada działania refraktometru interferometrycznego Jamina

Klasyczny pomiar współczynnika załamania światła (n) polega na wyznaczaniu wartości kąta granicznego (Θgr) na podstawie prawa Snelliusa (wykorzystanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia)[1][2][3]:

n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2, \quad
\sin \theta_1 = \frac{n_2}{n_1} \sin \theta_2.

gdzie dolne indeksy 1 i 2 odnoszą się do sąsiadujących ośrodków o różnej gęstości optycznej. Kąt graniczny jest zdefiniowany jako wartość kąta padania światła (Θ1), biegnącego z ośrodka o większej wartości n (n1 > n2) w sytuacji, gdy kąt załamania (Θ2) osiąga wartość 90° (promień załamany „ślizga się” po powierzchni granicznej):

\theta_2 = 90^o,
\sin \theta_2 = 1,
\theta_1 = \theta_{gr}.

Znane wartości kąta granicznego i współczynnika załamania światła zastosowanego w refraktometrze materiału optycznego (np. szkło kwarcowe, n1), pozwalają obliczyć współczynnik załamania światła substancji badanej (n2), która kontaktuje się z tym materiałem optycznym.

Podstawą działania innych refraktometrów, nazywanych interferometrycznymi, jest definicja drogi optycznej[3][4]:

L={n}{S}\,

gdzie

S – rzeczywista droga przebyta przez światło (droga geometryczna),
n – bezwzględny współczynnik załamania światła ośrodka:
n =\frac{c}{v}
gdzie:
cprędkość światła w próżni (ok. 3×108 m/s),
v – prędkość światła w danym ośrodku.

Podstawowe typy aparatów[edytuj | edytuj kod]

Stosowane są np.[1]:

Refraktometr Abbego[2]
W refraktometrze wiązka promieniowania (np. monochromatyczna żółta linia D sodu z lampy sodowej) przechodzi przez dwa pryzmaty, między którymi znajduje się badana warstwa o mniejszej gęstości optycznej (np. woda lub roztwór wodny).
Wiązka ulega załamaniu lub odbiciu, zależnie od kąta padania i stosunku współczynników załamania w obu ośrodkach, równego stosunkowi sinusów kątów padania i załamania. Konstrukcja przyrządu umożliwia stopniową zmianę nachylenia pryzmatów względem wiązki padającej, w poszukiwaniu takiego kąta, przy którym w okularze pole widzenia w okularze jest oświetlone w połowie. Po wyzerowaniu przyrządu (np. z użyciem wody destylowanej) ze skali odczytuje bezpośrednio wartość n.
Refraktometr Pulfricha[5]
Jego zasadniczą częścią jest kostka szklana, której boczna ścianka jest dokładnie prostopadła do ścianki górnej. Obie ścianki są dokładnie oszlifowane. Próbkę badaną ustawia się na kostce (kontakt optyczny uzyskuje się dzięki stosowaniu cieczy imersyjnej o współczynniku załamania mniejszym od n szkła i większym od n próbki, np. olejku cedrowego). Wiązka monochromatycznego światła (np. z lampy sodowej) jest kierowana stycznie do powierzchni kontaktu ośrodków (kąt padania jest równy 90°). Ruchoma luneta umożliwia znalezienie wartości kąta granicznego. Skrajnemu kątowi załamania wiązki wychodzącej odpowiada takie położenie lunetki, w którym pole widzenia jest równo podzielone na obszar jasny i ciemny. Promień (1) jest więc skrajnym promieniem wszystkich promieni wychodzących z refraktometru. Odpowiada mu ściśle określone położenie lunety L, określone kątem a, przy którym ostro zaznacza się wyżej wspomniana granica między jasnym polem widzenia a ciemnym.
Refraktometr Jamina[4]
Jest jednym z rodzajów refraktometrów interferencyjnych (zob. interferometry). Umożliwia określanie różnicy między drogą optyczną dwóch wiązek promieniowania, przebywających tę samą drogę rzeczywistą S przez ośrodki o dwóch różnych współczynnikach załamania (na drodze tych wiązek umieszczane są np. kuwety z gazami lub cieczami o różnym składzie). Obie wiązki, różniące się po przebyciu różnych dróg n×S fazą fali elektromagnetycznej, ulegają interferencji. Centralny prążek obrazu interferencyjnego odgrywa wówczas rolę wskazówki w przyrządzie pomiarowym – przesuwa się w różnym stopniu od centrum i może być w kontrolowany sposób sprowadzony do tego położenia.

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Refraktometr kieszonkowy

Pomiary wchodzące w zakres refraktometrii obejmują[6][7][8][9]:

  • analizy jakościowe, np. identyfikacja związków chemicznych i określanie stopnia ich zanieczyszczenia, kontrola jakościowa surowców i produktów w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, kosmetycznym, paliwowym, diagnostyka medyczna,
  • analizy ilościowe, np. oznaczenia stężenia cukru w moszczu wina, alkoholu etylowego w piwie, wody w miodzie, soli w wodzie morskiej,
  • badania fizykochemiczne, prowadzone w celu wyjaśnienia zagadnień oddziaływania fal elektromagnetycznych na powłoki elektronowe atomów i cząsteczek (np. wyznaczanie refrakcji molowych i jej składowych)[10].

Współczesne refraktometry są urządzeniami o różnej konstrukcji i dokładności, dostosowanej do tych specyficznych zastosowań[6][7][8][9].

Przypisy

  1. 1,0 1,1 Krzysztof Rebilas: Refraktometr Abbego. Pomiar współczynnika załamania światła i wyznaczanie stężenia roztworów (pol.). W: Materiały dydaktyczne (ćwiczenia laboratoryjne) [on-line]. krzysztofrebilas.republika.pl. [dostęp 2012-08-28].
  2. 2,0 2,1 Władysław Artur Woźniak: Pomiary optyczne, wykład 4 (pol.). W: Politechnika Wrocławska, Instytut Fizyki; materiały dydaktyczne [on-line]. www.if.pwr.wroc.pl. [dostęp 2013-12-18]., wykład 5
  3. 3,0 3,1 Praca zbiorowa, red. Jerzy Kuryłowicz i wsp.: Słownik fizyczny. Warszawa: Wiedza powszechna, 1984, s. 344–345. ISBN 83-214-0053-1.
  4. 4,0 4,1 Badanie zależności współczynnika załamania gazów od ciśnienia za pomocą refraktometru interferencyjnego Jamina (pol.). W: Materiały dydaktyczne [on-line]. Zakład Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii, Instytutu Fizyki, Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie; Grupa prof. dr hab. Zbigniewa Postawy. [dostęp 2013-12-18].
  5. Współczynnika załamania światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha (pol.). W: Materiały dydaktyczne [on-line]. Instytut Fizyki, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Politechnika Częstochowska. [dostęp 2013-12-18].
  6. 6,0 6,1 Products » Laboratory instruments » Refractometer (ang.). W: Strona internetowa Schmidt + Haensh GmbH & Co. [on-line]. [dostęp 2013-12-18].
  7. 7,0 7,1 Prezentacja refraktometrów (pol.). W: Strona internetowa GF Microsystems Sp. z o.o. [on-line]. [dostęp 2013-12-18].
  8. 8,0 8,1 Do czego służy refraktometr? (pol.). www.refraktometr.eu. [dostęp 2013-12-18].
  9. 9,0 9,1 Refraktometry i polarymetry (pol.). VWR International Sp. z o.o.. [dostęp 2013-12-18].
  10. Stanisław Bursa: Chemia fizyczna. Wyd. Wyd. 2 popr. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1979, s. 171–174. ISBN 83-01-00152-6.