Das Refraktometrie ist eine Methode zur optischen Analyse von Substanzen, die den Brechungsindex einer Substanz misst, um ihre Haupteigenschaften zu bestimmen. Es basiert auf der Tatsache, dass Licht beim Übergang von einem Medium zum anderen eine Richtungsänderung erfährt, die von der Art dieser Medien abhängt..
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt c = 300.000 km / s, in Wasser beispielsweise sinkt sie auf v = 225.000 km / s. Brechungsindex n ist genau als Quotient definiert Lebenslauf.
Angenommen, Licht einer bestimmten Wellenlänge fällt in einem vorbestimmten Winkel auf die Oberfläche, der zwei verschiedene Materialien begrenzt. Dann ändert sich die Richtung des Strahls, da jedes Medium einen anderen Brechungsindex hat.
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Das Snellsche Gesetz bezieht den Brechungsindex zwischen zwei Medien 1 und 2 wie folgt auf:
n1 sen θ1 = nzwei sen θzwei
Hier n1 ist der Brechungsindex im Medium 1, θ1 ist der Einfallswinkel des Strahls auf die Grenzfläche, nzwei ist der Brechungsindex im Medium 2 undzwei ist der Brechungswinkel, in welcher Richtung der durchgelassene Strahl fortgesetzt wird.
Der Brechungsindex von Materialien ist konstant und unter bestimmten physikalischen Bedingungen bekannt. Damit können Sie den Brechungsindex eines anderen Mediums berechnen.
Zum Beispiel, wenn Licht durch ein Glasprisma fällt, dessen Index n ist1 und dann erhalten wir für die Substanz, deren Index wir wissen wollen, indem wir den Einfallswinkel und den Brechungswinkel sorgfältig messen, Folgendes:
nzwei = (sin θ1 / sen θzwei). n1
Das Refraktometer ist ein Instrument, das den Brechungsindex einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs mit flachen und glatten Flächen misst. Es gibt zwei Arten von Refraktometern:
-Optisch-manueller Typ wie Abbes Refraktometer.
-Digitale Refraktometer.
Das Abbe-Refraktometer wurde im 19. Jahrhundert von Ernst Abbe (1840-1905) erfunden, einem deutschen Physiker, der maßgeblich zur Entwicklung der Optik und Thermodynamik beitrug. Diese Art von Refraktometer ist in der Lebensmittelindustrie und in Lehrlabors weit verbreitet und besteht im Wesentlichen aus:
-Eine Lampe als Lichtquelle, in der Regel Natriumdampf, deren Wellenlänge bekannt ist. Es gibt Modelle, die normales weißes Licht verwenden, das alle sichtbaren Wellenlängen enthält, aber eingebaute Prismen haben Amici-Prismen, das eliminiert unerwünschte Wellenlängen.
-EIN Beleuchtungsprisma und andere Brechungsprisma, zwischen denen die Probe liegt, deren Index gemessen werden soll.
-Thermometer, da der Brechungsindex von der Temperatur abhängt.
-Anpassungsmechanismen für das Bild.
-Das Okular, durch das der Betrachter die Messung durchführt.
Die Anordnung dieser Grundteile kann je nach Ausführung variieren (siehe Abbildung 3 links). Dann werden wir die Funktionsprinzipien sehen.
Das Verfahren ist wie folgt: Die Probe wird zwischen dem festen Brechungsprisma und dem kippbaren Beleuchtungsprisma platziert-.
Das Brechungsprisma ist hochglanzpoliert und sein Brechungsindex ist hoch, während das Beleuchtungsprisma auf der Kontaktfläche matt und rau ist. Auf diese Weise wird beim Einschalten der Lampe Licht in alle Richtungen auf die Probe emittiert..
Ray AB in Abbildung 3 ist derjenige mit der größtmöglichen Abweichung, sodass ein Beobachter rechts von Punkt C ein schattiertes Feld sieht, während der Sektor links beleuchtet wird. Der Anpassungsmechanismus wird jetzt aktiviert, da versucht wird, die beiden Felder gleich groß zu machen.
Zu diesem Zweck befindet sich auf dem Okular eine Hilfsmarke, die je nach Design variiert. Es kann sich jedoch auch um ein Kreuz oder eine andere Art von Signal handeln, das zur Zentrierung der Felder dient.
Indem die beiden Felder gleich groß gemacht werden, kann der kritische Winkel oder Grenzwinkel gemessen werden. Dies ist der Winkel, unter dem der durchgelassene Strahl die Oberfläche passieren würde, die das Medium trennt (siehe Abbildung 4)..
Wenn Sie diesen Winkel kennen, können Sie den Brechungsindex der Probe direkt anhand des Prismas berechnen. Schauen wir uns das unten genauer an..
In der folgenden Abbildung sehen wir, dass der kritische Winkel θc ist derjenige, bei dem sich der Strahl direkt über die Grenzfläche bewegt.
Wenn der Winkel weiter vergrößert wird, erreicht der Strahl nicht die Mitte 2, sondern wird reflektiert und setzt sich in der Mitte 1 fort. Das auf diesen Fall angewandte Snell-Gesetz wäre: sin θzwei = sin 90º = 1, was direkt zum Brechungsindex in Medium 2 führt:
nzwei = n1 sen θc
Nun, der kritische Winkel wird genau erhalten, indem die Größe der Licht- und Schattenfelder, die durch das Okular gesehen werden, gleichgesetzt wird, wodurch auch eine abgestufte Skala beobachtet wird.
Die Skala ist normalerweise für das direkte Ablesen des Brechungsindex kalibriert. Je nach Refraktometermodell sieht der Bediener also etwas Ähnliches wie im folgenden Bild:
Die obere Skala zeigt mit Hilfe der vertikalen Linie das Hauptmaß an: 1,460, während die untere Skala 0,00068 anzeigt. Beim Hinzufügen haben wir den Brechungsindex 1.46068.
Das Licht, das auf das Beleuchtungsprisma fällt, ändert seine Richtung. Da es sich jedoch um eine elektromagnetische Welle handelt, hängt die Änderung von λ ab, der Länge der einfallenden Welle.
Da weißes Licht alle Wellenlängen enthält, wird jede in unterschiedlichem Maße gebrochen. Um diese Vermischung zu vermeiden, die zu einem unscharfen Bild führt, muss das in einem hochauflösenden Refraktometer verwendete Licht eine eindeutige und bekannte Wellenlänge haben. Am häufigsten wird die sogenannte Natrium-D-Linie verwendet, deren Wellenlänge 589,6 nm beträgt.
In Fällen, in denen keine zu hohe Präzision erforderlich ist, ist natürliches Licht ausreichend, auch wenn es eine Mischung von Wellenlängen enthält. Um jedoch zu vermeiden, dass der Rand zwischen den hellen und dunklen Bereichen des Bildes unscharf wird, fügen einige Modelle Amicis Kompensationsprismen hinzu..
Die Refraktometrie ist eine schnelle, kostengünstige und zuverlässige Technik, um die Reinheit einer Substanz zu ermitteln. Deshalb wird sie häufig in der Chemie, Bioanalyse und Lebensmitteltechnologie eingesetzt..
Da es jedoch verschiedene Substanzen mit demselben Brechungsindex gibt, muss bekannt sein, welche analysiert wird. Beispielsweise ist bekannt, dass Cyclohexan und einige zuckerhaltige Lösungen bei einer Temperatur von 20 ° C den gleichen Brechungsindex aufweisen..
Andererseits ist der Brechungsindex, wie oben angegeben, zusätzlich zum Druck und zur Konzentration der Brechungslösung stark von der Temperatur abhängig. Alle diese Parameter müssen sorgfältig überwacht werden, wenn hochpräzise Messungen erforderlich sind..
Die Art des zu verwendenden Refraktometers hängt stark von der Anwendung ab, für die es bestimmt ist. Hier sind einige Merkmale der Haupttypen:
-Es ist ein zuverlässiges und wartungsarmes Instrument.
-Sie sind normalerweise billig.
-Sehr geeignet, um sich mit den Grundprinzipien der Refraktometrie vertraut zu machen.
-Es muss darauf geachtet werden, die Oberfläche des Prismas in Kontakt mit der Probe nicht zu zerkratzen..
-Muss nach jedem Gebrauch gereinigt werden, kann aber nicht mit Papier oder rauen Materialien durchgeführt werden.
-Der Refraktometerbediener muss geschult sein.
-Jede Messung muss von Hand aufgezeichnet werden.
-Sie werden normalerweise mit Skalen geliefert, die speziell für einen bestimmten Stoffbereich kalibriert sind..
-Sie müssen kalibriert werden.
-Die Verwendung des Wasserbadtemperaturregelungssystems kann umständlich sein.
-Sie sind leicht abzulesen, da die Messung direkt auf einem Bildschirm angezeigt wird.
-Verwenden Sie optische Sensoren für hochpräzise Messwerte.
-Sie haben die Möglichkeit, die erhaltenen Daten zu speichern und zu exportieren und sie jederzeit abzurufen.
-Sie sind selbst für Substanzen, deren Brechungsindex schwer zu messen ist, äußerst genau.
-Es können verschiedene Skalen programmiert werden.
-Sie erfordern keine Temperatureinstellung mit Wasser.
-Einige Modelle enthalten beispielsweise Dichtemessungen oder können an Dichtemessgeräte, pH-Messgeräte und andere angeschlossen werden, um Zeit zu sparen und gleichzeitige Messungen zu erhalten.
-Es ist nicht erforderlich, sie neu zu kalibrieren, sondern von Zeit zu Zeit ihren ordnungsgemäßen Betrieb zu überprüfen, indem der Brechungsindex bekannter Substanzen wie beispielsweise destilliertem Wasser gemessen wird..
-Sie sind teurer als manuelle Refraktometer.
Die Kenntnis des Brechungsindex einer Probe zeigt ihren Reinheitsgrad an, weshalb die Technik in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet ist:
-Bei der Qualitätskontrolle von Ölen, um deren Reinheit zu bestimmen. Zum Beispiel ist es durch Refraktometrie möglich zu wissen, ob ein Sonnenblumenöl durch Zugabe anderer Öle geringerer Qualität gesenkt wurde.
-Es wird in der Lebensmittelindustrie verwendet, um den Zuckergehalt in zuckerhaltigen Getränken, Marmeladen, Milch und ihren Derivaten sowie verschiedenen Saucen zu kennen.
-Sie sind auch bei der Qualitätskontrolle von Weinen und Bieren erforderlich, um den Zucker- und Alkoholgehalt zu bestimmen..
-In der chemischen und pharmazeutischen Industrie zur Qualitätskontrolle von Sirupen, Parfums, Waschmitteln und allen Arten von Emulsionen.
-Sie können die Konzentration von Harnstoff - einem Abfall aus dem Proteinstoffwechsel - im Blut messen.
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