- Come calcolare l'indice di rifrazione
- Tipi di rifrattometri
- - Tipo ottico-manuale come il rifrattometro di Abbe
- Come funziona il rifrattometro di Abbe
- L'angolo critico
- Importanza della lunghezza d'onda
- Vantaggi e svantaggi
- Rifrattometro manuale di Abbe
- Rifrattometri digitali
- applicazioni
- Riferimenti
Il rifrattometro è un metodo di analisi ottica di sostanze che misura l'indice di rifrazione di una sostanza per determinarne le caratteristiche principali. Si basa sul fatto che la luce, passando da un mezzo all'altro, subisce un cambio di direzione che dipende dalla natura di questi media.
La velocità della luce nel vuoto è c = 300.000 km / s, ma in acqua, ad esempio, diminuisce av = 225.000 km / s. L'indice di rifrazione n è precisamente definito come il rapporto c / v.
Figura 1. Rifrattometro utilizzato per misurare il contenuto di zucchero nella frutta. Fonte: Wikimedia Commons.
Supponiamo che la luce di una certa lunghezza d'onda cada con un angolo predeterminato sulla superficie che limita due materiali diversi. Quindi la direzione del raggio cambierà, perché ogni mezzo ha un diverso indice di rifrazione.
Come calcolare l'indice di rifrazione
La legge di Snell mette in relazione l'indice di rifrazione tra due mezzi 1 e 2 come:
Qui n 1 è l'indice di rifrazione nel mezzo 1, θ 1 è l'angolo di incidenza del raggio sulla superficie limite, n 2 è l'indice di rifrazione nel mezzo 2 e θ 2 è l'angolo di rifrazione, in quale direzione il raggio trasmesso continua.
Figura 2. Raggio di luce che colpisce due diversi media. Fonte: Wikimedia Commons.
L'indice di rifrazione dei materiali è costante ed è noto in determinate condizioni fisiche. Con questo è possibile calcolare l'indice di rifrazione di un altro mezzo.
Ad esempio, se la luce passa attraverso un prisma di vetro il cui indice è n 1 e quindi attraverso la sostanza di cui si vuole conoscere l'indice, misurando con attenzione l'angolo di incidenza e l'angolo di rifrazione, si ottiene:
Tipi di rifrattometri
Il rifrattometro è uno strumento che misura l'indice di rifrazione di un liquido o di un solido con facce piatte e lisce. Esistono due tipi di rifrattometri:
-Tipo ottico-manuale come il rifrattometro di Abbe.
-Rifrattometri digitali.
- Tipo ottico-manuale come il rifrattometro di Abbe
Il rifrattometro Abbe fu inventato nel XIX secolo da Ernst Abbe (1840-1905), un fisico tedesco che contribuì in modo significativo allo sviluppo dell'ottica e della termodinamica. Questo tipo di rifrattometro trova largo impiego nell'industria alimentare e nei laboratori didattici e si compone essenzialmente di:
-Una lampada come sorgente di luce, generalmente vapori di sodio, la cui lunghezza d'onda è nota. Esistono modelli che utilizzano la normale luce bianca, che contiene tutte le lunghezze d'onda visibili, ma hanno prismi incorporati chiamati prismi di Amici, che eliminano le lunghezze d'onda indesiderate.
-Un prisma di illuminazione e un altro prisma di rifrazione, tra i quali viene posto il campione di cui misurare l'indice.
-Termometro, poiché l'indice di rifrazione dipende dalla temperatura.
-Meccanismi di regolazione dell'immagine.
-L'oculare, attraverso il quale l'osservatore effettua la misura.
La disposizione di queste parti di base può variare a seconda del design (vedere la figura 3 a sinistra). Successivamente vedremo i principi di funzionamento.
Figura 3. A sinistra un rifrattometro di Abbe ea destra un diagramma di funzionamento di base. Fonte: Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Come funziona il rifrattometro di Abbe
La procedura è la seguente: il campione viene posto tra il prisma di rifrazione, che è fisso, e il prisma di illuminazione, manipolabile.
Il prisma di rifrazione è molto lucido e il suo indice di rifrazione è alto, mentre il prisma di illuminazione è opaco e ruvido sulla superficie di contatto. In questo modo, all'accensione della lampada, la luce viene emessa in tutte le direzioni sul campione.
Il raggio AB in figura 3 è quello con la maggiore deviazione possibile, quindi a destra del punto C un osservatore vedrà un campo ombreggiato, mentre il settore a sinistra sarà illuminato. Il meccanismo di regolazione entra ora in azione, poiché quello che vuoi è fare in modo che i due campi abbiano la stessa dimensione.
Per questo c'è un segno di aiuto sull'oculare, che varia a seconda del design, ma può essere una croce o un altro tipo di segnale, che serve a centrare i campi.
Rendendo i due campi della stessa dimensione, si può misurare l'angolo critico o angolo limite, che è l'angolo al quale il raggio trasmesso passerebbe sfiorando la superficie che separa il mezzo (vedi figura 4).
La conoscenza di questo angolo permette di calcolare direttamente l'indice di rifrazione del campione, prendendo quello del prisma. Vediamolo più in dettaglio di seguito.
L'angolo critico
Nella figura seguente vediamo che l'angolo critico θ c è quello in cui il raggio viaggia appena sopra la superficie di confine.
Se l'angolo viene aumentato ulteriormente, il raggio non raggiunge il centro 2, ma viene riflesso e continua nel mezzo 1. La legge di Snell applicata a questo caso sarebbe: sin θ 2 = sin 90º = 1, che porta direttamente all'indice di rifrazione nel mezzo 2:
Figura 4. Angolo critico. Fonte: F. Zapata.
Ebbene, l'angolo critico si ottiene proprio equiparando le dimensioni dei campi di luce e ombra che si vedono attraverso l'oculare, attraverso il quale si osserva anche una scala graduata.
La scala è solitamente calibrata per la lettura diretta dell'indice di rifrazione, quindi a seconda del modello del rifrattometro, l'operatore vedrà qualcosa di simile a quanto osservato nell'immagine seguente:
Figura 5. La scala di un rifrattometro è calibrata per fornire direttamente l'indice di rifrazione. Fonte: rifrattometria. Oregon State University.
La scala superiore, con l'aiuto della linea verticale, indica la misura principale: 1.460, mentre la scala inferiore indica 0.00068. Quando si aggiunge, l'indice di rifrazione è 1,46068.
Importanza della lunghezza d'onda
La luce che cade sul prisma di illuminazione cambierà la sua direzione. Ma poiché è un'onda elettromagnetica, la variazione dipenderà da λ, la lunghezza dell'onda incidente.
Poiché la luce bianca contiene tutte le lunghezze d'onda, ognuna viene rifratta in misura diversa. Per evitare questa miscelazione che si traduce in un'immagine sfocata, la luce utilizzata in un rifrattometro ad alta risoluzione deve avere una lunghezza d'onda unica e nota. La più utilizzata è la cosiddetta linea D del sodio, la cui lunghezza d'onda è di 589,6 nm.
Nei casi in cui non è richiesta una precisione eccessiva, la luce naturale è sufficiente, anche se contiene una miscela di lunghezze d'onda. Tuttavia, per evitare di sfocare il bordo tra chiaro e scuro nell'immagine, alcuni modelli aggiungono i prismi di compensazione di Amici.
Vantaggi e svantaggi
La rifrattometria è una tecnica veloce, economica e affidabile per conoscere la purezza di una sostanza, motivo per cui è ampiamente utilizzata in chimica, bioanalisi e tecnologia alimentare.
Ma poiché esistono diverse sostanze con lo stesso indice di rifrazione, è necessario sapere quale si sta analizzando. Ad esempio, è noto che il cicloesano e alcune soluzioni zuccherine hanno lo stesso indice di rifrazione a una temperatura di 20 ° C.
D'altra parte, l'indice di rifrazione è fortemente dipendente dalla temperatura, come menzionato sopra, oltre alla pressione e concentrazione della soluzione rifrattiva. Tutti questi parametri devono essere attentamente monitorati quando sono richieste misurazioni di alta precisione.
Quanto al tipo di rifrattometro da utilizzare, dipende molto dall'applicazione a cui è destinato. Ecco alcune caratteristiche delle principali tipologie:
Rifrattometro manuale di Abbe
-È uno strumento affidabile e di bassa manutenzione.
- Di solito sono economici.
-Molto appropriato per familiarizzare con i principi fondamentali della rifrattometria.
- Prestare attenzione a non graffiare la superficie del prisma a contatto con il campione.
-Deve essere pulito dopo ogni utilizzo, ma non può essere fatto con carta o materiali ruvidi.
-L'operatore del rifrattometro deve essere addestrato.
-Ogni misura deve essere registrata a mano.
-Solitamente vengono forniti con bilance calibrate specificamente per una certa gamma di sostanze.
-Hanno bisogno di essere calibrati.
-Il sistema di controllo della temperatura del bagno d'acqua può essere ingombrante da usare.
Rifrattometri digitali
-Sono di facile lettura, poiché la misurazione appare direttamente su uno schermo.
-Usano sensori ottici per letture di alta precisione.
-Hanno la possibilità di memorizzare ed esportare i dati ottenuti e di poterli consultare in qualsiasi momento.
-Sono estremamente precisi, anche per sostanze il cui indice di rifrazione è difficile da misurare.
-È possibile programmare scale differenti.
-Non necessita di regolazione della temperatura con acqua.
-Alcuni modelli incorporano misure di densità, ad esempio, o possono essere collegati a densimetri, pHmetri e altri, per risparmiare tempo e ottenere misurazioni simultanee.
-Non è necessario ricalibrarli, ma controllare di volta in volta che funzionino correttamente misurando l'indice di rifrazione di sostanze note, come ad esempio l'acqua distillata.
-Sono più costosi dei rifrattometri manuali.
applicazioni
Conoscere l'indice di rifrazione di un campione indica il suo grado di purezza, motivo per cui la tecnica è ampiamente utilizzata nell'industria alimentare:
-Nel controllo di qualità degli oli, per determinarne la purezza. Ad esempio, attraverso la rifrattometria è possibile sapere se un olio di girasole è stato abbassato aggiungendo altri oli di qualità inferiore.
Figura 6. Laboratorio di tecnologia alimentare. Fonte: Piqsels.
-Viene utilizzato nell'industria alimentare per conoscere il contenuto di zucchero in bevande zuccherate, marmellate, latte e suoi derivati e salse varie.
-Sono necessari anche nel controllo di qualità di vini e birre, per determinare il contenuto di zucchero e il contenuto di alcol.
-Nell'industria chimica e farmaceutica per il controllo qualità di sciroppi, profumi, detergenti e tutti i tipi di emulsioni.
-Possono misurare la concentrazione di urea - uno spreco del metabolismo delle proteine - nel sangue.
Riferimenti
- Tecniche di laboratorio di chimica. Rifrattometria. Recupero da: 2.ups.edu.
- Gavira, J. Refractometry. Estratto da: triplenlace.com
- Mettler-Toledo. Confronto tra diverse tecniche di misurazione della densità e rifrattometria. Estratto da: mt.com.
- Net InterLab. Cos'è un rifrattometro ea cosa serve? Recupero da: net-interlab.es.
- Oregon State University. Principi di rifrattometria. Estratto da: sites.science.oregonstate.edu.