- Cách tính chỉ số khúc xạ
- Các loại khúc xạ kế
- - Loại thủ công quang học như khúc xạ kế của Abbe
- Cách hoạt động của khúc xạ kế Abbe
- Góc tới hạn
- Tầm quan trọng của bước sóng
- Ưu điểm và nhược điểm
- Khúc xạ kế Abbe bằng tay
- Khúc xạ kế kỹ thuật số
- Các ứng dụng
- Người giới thiệu
Các khúc xạ là một phương pháp phân tích quang học của các chất mà các biện pháp chỉ số khúc xạ của một chất để xác định các tính năng chính của nó. Nó dựa trên thực tế là ánh sáng, khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác, sẽ trải qua sự thay đổi hướng phụ thuộc vào bản chất của các phương tiện này.
Tốc độ ánh sáng trong chân không là c = 300.000 km / s, nhưng trong nước, chẳng hạn, nó giảm xuống v = 225.000 km / s. Chiết suất n được xác định chính xác là tỷ số c / v.
Hình 1. Khúc xạ kế dùng để đo lượng đường trong trái cây. Nguồn: Wikimedia Commons.
Giả sử rằng ánh sáng có bước sóng nhất định rơi theo một góc xác định trước trên bề mặt giới hạn hai vật liệu khác nhau. Khi đó hướng của tia sẽ thay đổi, vì mỗi môi trường có chiết suất khác nhau.
Cách tính chỉ số khúc xạ
Định luật Snell liên hệ chỉ số khúc xạ giữa hai phương tiện 1 và 2 là:
Ở đây n 1 là chiết suất trong môi trường 1, θ 1 là góc tới của tia trên bề mặt biên, n 2 là chiết suất trong môi trường 2 và θ 2 là góc khúc xạ, theo hướng nào chùm tia truyền tiếp tục.
Hình 2. Tia sáng chiếu vào hai môi trường khác nhau. Nguồn: Wikimedia Commons.
Chiết suất của vật liệu là không đổi và được biết trong những điều kiện vật lý nhất định. Bằng cách này, chiết suất của môi trường khác có thể được tính toán.
Ví dụ, nếu ánh sáng đi qua lăng kính thủy tinh có chiết suất n 1 rồi đi qua chất có chiết suất mà ta muốn biết, đo cẩn thận góc tới và góc khúc xạ, ta thu được:
Các loại khúc xạ kế
Khúc xạ kế là một dụng cụ đo chiết suất của chất lỏng hoặc chất rắn có mặt phẳng và nhẵn. Có hai loại khúc xạ kế:
- Loại thủ công quang học như khúc xạ kế Abbe.
-Kiểu khúc xạ kỹ thuật số.
- Loại thủ công quang học như khúc xạ kế của Abbe
Khúc xạ kế Abbe được phát minh vào thế kỷ 19 bởi Ernst Abbe (1840-1905), một nhà vật lý người Đức, người đã đóng góp đáng kể vào sự phát triển của Quang học và Nhiệt động lực học. Loại khúc xạ kế này được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm và các phòng thí nghiệm giảng dạy và về cơ bản bao gồm:
- Một ngọn đèn là nguồn phát sáng, nói chung là hơi natri, đã biết bước sóng. Có những mô hình sử dụng ánh sáng trắng bình thường, chứa tất cả các bước sóng nhìn thấy được, nhưng chúng có lăng kính tích hợp gọi là lăng kính Amici, giúp loại bỏ các bước sóng không mong muốn.
- Một lăng kính chiếu sáng và một lăng kính chiết quang khác, giữa đó đặt mẫu có chiết suất.
-Therm kế, vì chiết suất phụ thuộc vào nhiệt độ.
-Cơ chế điều chỉnh cho hình ảnh.
- Thị kính, qua đó người quan sát thực hiện phép đo.
Sự sắp xếp của các bộ phận cơ bản này có thể thay đổi tùy theo thiết kế (xem hình 3 bên trái). Tiếp theo chúng ta sẽ xem nguyên lý hoạt động.
Hình 3. Bên trái một khúc xạ kế Abbe và bên phải là một sơ đồ hoạt động cơ bản. Nguồn: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Cách hoạt động của khúc xạ kế Abbe
Quy trình thực hiện như sau: mẫu được đặt giữa lăng kính khúc xạ –mặt cố định- và lăng kính chiếu sáng – có thể lắp được-.
Lăng kính khúc xạ được đánh bóng cao và chiết suất cao, trong khi lăng kính chiếu sáng có bề mặt tiếp xúc mờ và nhám. Bằng cách này, khi đèn được bật, ánh sáng được phát ra theo mọi hướng trên mẫu.
Tia AB trong hình 3 là tia có độ lệch lớn nhất có thể, vì vậy ở bên phải điểm C, người quan sát sẽ thấy một trường bóng mờ, trong khi khu vực bên trái sẽ được chiếu sáng. Cơ chế điều chỉnh bắt đầu hoạt động ngay bây giờ, vì những gì bạn muốn là làm cho hai trường có cùng kích thước.
Đối với điều này, có một dấu hỗ trợ trên thị kính, thay đổi tùy thuộc vào thiết kế, nhưng nó có thể là tín hiệu chéo hoặc một loại tín hiệu khác, dùng để căn giữa các trường.
Bằng cách làm cho hai trường có cùng kích thước, có thể đo được góc tới hạn hoặc góc giới hạn, là góc mà tia truyền qua sẽ đi qua bề mặt ngăn cách phương tiện (xem hình 4).
Biết góc này cho phép tính trực tiếp chiết suất của mẫu, lấy chiết suất của lăng kính. Chúng ta hãy xem xét điều này chi tiết hơn dưới đây.
Góc tới hạn
Trong hình sau, chúng ta thấy rằng góc tới hạn θ c là góc mà tại đó tia đi qua mặt biên.
Nếu tăng góc thêm nữa thì chùm sáng không đến giữa 2 mà bị phản xạ và tiếp tục ở giữa 1. Định luật Snell áp dụng cho trường hợp này sẽ là: sin θ 2 = sin 90º = 1, dẫn trực tiếp chiết suất trong môi trường 2 là:
Hình 4. Góc tới hạn. Nguồn: F. Zapata.
Vâng, góc tới hạn thu được chính xác bằng cách cân bằng kích thước của trường ánh sáng và bóng tối được nhìn thấy qua thị kính, qua đó cũng quan sát được thang chia độ.
Thang đo thường được hiệu chuẩn để đọc trực tiếp chỉ số khúc xạ, vì vậy tùy thuộc vào kiểu máy đo khúc xạ, người vận hành sẽ thấy thứ gì đó tương tự như những gì quan sát được trong hình ảnh sau:
Hình 5. Thang đo khúc xạ kế được hiệu chuẩn để đưa ra chỉ số khúc xạ trực tiếp. Nguồn: Đo khúc xạ. Đại học Bang Oregon.
Thang đo trên, với sự trợ giúp của đường thẳng đứng, cho biết số đo chính: 1.460, trong khi thang đo dưới hiển thị 0.00068. Khi thêm vào, chiết suất là 1,46068.
Tầm quan trọng của bước sóng
Tia sáng rơi vào lăng kính chiếu sáng sẽ đổi chiều. Nhưng vì nó là sóng điện từ nên sự thay đổi sẽ phụ thuộc vào λ, độ dài của sóng tới.
Vì ánh sáng trắng chứa tất cả các bước sóng nên mỗi bước sóng bị khúc xạ ở một mức độ khác nhau. Để tránh sự pha trộn này dẫn đến hình ảnh mờ, ánh sáng được sử dụng trong khúc xạ kế có độ phân giải cao phải có bước sóng duy nhất và đã biết. Được sử dụng nhiều nhất là cái gọi là vạch natri D, có bước sóng là 589,6 nm.
Trong trường hợp không cần quá nhiều độ chính xác, ánh sáng tự nhiên là đủ, ngay cả khi nó chứa hỗn hợp các bước sóng. Tuy nhiên, để tránh làm mờ rìa giữa sáng và tối trong ảnh, một số kiểu máy đã thêm lăng kính bù của Amici.
Ưu điểm và nhược điểm
Đo khúc xạ là một kỹ thuật nhanh chóng, rẻ tiền và đáng tin cậy để biết độ tinh khiết của một chất, đó là lý do tại sao nó được sử dụng rộng rãi trong hóa học, phân tích sinh học và công nghệ thực phẩm.
Nhưng vì có những chất khác nhau có cùng chiết suất nên cần biết chất nào đang được phân tích. Ví dụ, xyclohexan và một số dung dịch có đường được biết là có cùng chiết suất ở nhiệt độ 20 ° C.
Mặt khác, chiết suất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, như đã nói ở trên, ngoài áp suất và nồng độ của dung dịch khúc xạ. Tất cả các thông số này phải được theo dõi cẩn thận khi yêu cầu các phép đo có độ chính xác cao.
Đối với loại khúc xạ kế để sử dụng, nó phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng mà nó được sử dụng. Dưới đây là một số đặc điểm của các loại chính:
Khúc xạ kế Abbe bằng tay
-Nó là một công cụ đáng tin cậy và bảo trì thấp.
- Chúng thường rẻ.
-Rất thích hợp để làm quen với các nguyên tắc cơ bản của phép đo khúc xạ.
- Phải cẩn thận để không làm xước bề mặt lăng kính tiếp xúc với mẫu.
-Phải vệ sinh sau mỗi lần sử dụng, nhưng không thể làm bằng giấy hoặc vật liệu thô ráp.
-Người vận hành khúc xạ kế phải được đào tạo.
-Mỗi phép đo phải được đăng ký bằng tay.
- Chúng thường đi kèm với các cân được hiệu chuẩn đặc biệt cho một loạt chất nhất định.
-Chúng yêu cầu được hiệu chuẩn.
-Hệ thống kiểm soát nhiệt độ nước tắm có thể cồng kềnh khi sử dụng.
Khúc xạ kế kỹ thuật số
-Chúng rất dễ đọc, vì phép đo xuất hiện trực tiếp trên màn hình.
-Chúng sử dụng cảm biến quang học để đọc chính xác cao.
- Họ có khả năng lưu trữ và xuất dữ liệu thu được và có thể tham khảo ý kiến của họ bất cứ lúc nào.
-Chúng cực kỳ chính xác, ngay cả đối với các chất có chiết suất khó đo.
-Có thể lập trình các thang đo khác nhau.
-Không yêu cầu điều chỉnh nhiệt độ với nước.
-Một số mô hình kết hợp các phép đo mật độ, ví dụ, hoặc có thể được kết nối với máy đo mật độ, máy đo pH và các máy khác, để tiết kiệm thời gian và có được các phép đo đồng thời.
- Không cần thiết phải hiệu chuẩn lại chúng, nhưng thỉnh thoảng kiểm tra xem chúng có hoạt động tốt hay không bằng cách đo chiết suất của các chất nổi tiếng, chẳng hạn như nước cất.
-Chúng đắt hơn khúc xạ kế thủ công.
Các ứng dụng
Biết chiết suất của một mẫu cho biết mức độ tinh khiết của nó, đó là lý do tại sao kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm:
-Trong kiểm tra chất lượng của dầu, để xác định độ tinh khiết của chúng. Ví dụ, thông qua phép đo khúc xạ, có thể biết liệu dầu hướng dương có bị hạ thấp hay không bằng cách thêm các loại dầu khác có chất lượng thấp hơn.
Hình 6. Phòng thí nghiệm công nghệ thực phẩm. Nguồn: Piqsel.
-Nó được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm để biết hàm lượng đường trong đồ uống có đường, mứt, sữa và các dẫn xuất của nó và các loại nước sốt khác nhau.
-Chúng cũng cần thiết trong việc kiểm tra chất lượng rượu và bia, để xác định hàm lượng đường và độ cồn.
-Trong ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm để kiểm tra chất lượng của xi-rô, nước hoa, chất tẩy rửa và tất cả các loại nhũ tương.
-Chúng có thể đo nồng độ urê - chất thải từ quá trình chuyển hóa protein - trong máu.
Người giới thiệu
- Kỹ thuật Phòng thí nghiệm Hóa học. Đo khúc xạ. Được khôi phục từ: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Đo khúc xạ. Được khôi phục từ: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. So sánh các kỹ thuật đo mật độ và đo khúc xạ khác nhau. Được khôi phục từ: mt.com.
- Net InterLab. Khúc xạ kế là gì và nó dùng để làm gì? Đã khôi phục từ: net-interlab.es.
- Đại học Bang Oregon. Nguyên lý của phép đo khúc xạ. Được khôi phục từ: sites.science.oregonstate.edu.