Indice de réfraction : l’essentiel à savoir

L’indice de réfraction, également appelé indice réfractaire ou indice de réfractation, est défini comme le quotient de la vitesse de la lumière lorsqu’elle traverse deux milieux. Il s’agit d’un nombre sans dimension qui dépend de la température et de la longueur d’onde du faisceau lumineux. En langage clair, l’indice de réfraction décrit la vitesse à laquelle un faisceau lumineux traverse un milieu, et cette relation est décrite par la formule suivante :

n = c / v

Où :

n désigne l’indice de réfraction
c désigne la vitesse de la lumière dans le vide (ou l’air)
v désigne la vitesse de la lumière dans le milieu (eau ou huile d’olive, par exemple)

Cette page vous présente l’essentiel à savoir sur la mesure de l’indice de réfractation et le concept lui-même.

Découvrez la définition de l’indice de réfraction, ses applications, comment le mesurer et bien plus encore.

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Ce guide gratuit vous fait découvrir la réfractométrie et explique comment mener à bien vos mesures de l’indice de réfraction.

Comme le suggère l’introduction, l’indice de réfraction, l’indice réfractaire et l’indice de réfractation sont des termes différents employés pour désigner la même chose. En anglais, le terme utilisé dépend en grande partie de l’emplacement géographique. Par exemple, le terme « indice réfractaire » (index of refraction) est privilégié aux États-Unis, tandis que les Indiens utilisent plutôt l’« indice de réfraction » (refractive index). Nous utiliserons ces termes de manière interchangeable dans cet article.

La réfractométrie est une méthode d’analyse utilisée pour mesurer l’indice de réfraction d’un échantillon, afin de déterminer sa composition ou sa pureté. La réfractométrie est une technique qualitative et non destructive basée sur la loi de Snell-Descartes.

La méthode de réfractométrie, largement utilisée dans le secteur industriel à des fins de contrôle qualité, nécessite l’emploi d’un réfractomètre. Les paragraphes qui suivent reviendront sur la réfractométrie et l’utilisation des réfractomètres.

Avant d’expliquer plus en détail en quoi consiste l’indice de réfraction, prenons un exemple visuel afin d’illustrer l’effet de la vitesse de la lumière et de l’indice de réfraction dans différents milieux.

Dans cet exemple, des baguettes de verre sont immergées dans trois verres remplis de différentes substances :

Milieu dans chaque verre
1 Eau
2 Eau et huile de cèdre
3 Huile de cèdre

Que se passe-t-il dans chaque verre ?

L’eau a un indice de réfraction plus faible (n = 1,333) que la baguette de verre (n = 1,517). Par conséquent, il est possible de voir la baguette entière dans le verre 1 et une partie de la baguette dans le verre 2.

En revanche, la baguette de verre (n = 1,517) et l’huile de cèdre (n = 1,516) ont des indices de réfraction presque identiques. Ainsi, la baguette immergée semble disparaître dans l’huile de cèdre (partiellement dans le verre 2 et entièrement dans le verre 3).

La loi de Snell-Descartes a permis de mettre au point des réfractomètres servant à mesurer l’indice de réfraction des échantillons liquides et semi-solides.

La cellule de mesure d’un réfractomètre numérique présente une configuration schématique basée sur la loi de Snell-Descartes. Elle repose donc sur la réflexion totale interne et l’angle critique. Voici son fonctionnement :

La source de lumière (1) est une diode électroluminescente (LED). Le faisceau émis par la LED passe à travers un filtre de polarisation (2), un filtre d’interférence (3) et une lentille de focalisation (4) avant d’atteindre l’échantillon via le prisme en saphir (5).

La lumière réfléchie (angle d’incidence > angle critique) est déviée par une lentille (6) vers le capteur optique CCD (7) qui détermine l’angle critique. Par ailleurs, les réfractomètres numériques modernes contrôlent automatiquement la température à la limite prisme/échantillon pour améliorer la précision de la mesure.

Un réfractomètre numérique mesure l’indice de réfraction ou les valeurs connexes d’un échantillon liquide en utilisant la méthode de réflexion totale. Cette mesure est effectuée automatiquement, ce qui réduit l’influence de l’opérateur et améliore la précision. En utilisant un petit volume d’échantillon (de 0,5 à 1 mL), il est possible de réaliser des mesures très précises de l’indice de réfraction en quelques secondes seulement.

Les réfractomètres manuels, tels qu’un réfractomètre d’Abbe optique de paillasse ou un réfractomètre portable classique, permettent également de mesurer l’indice de réfraction. Découvrez leurs avantages et inconvénients.

Quelle est la relation entre la détermination de l’indice de réfraction et la température ?

Nous devons d’abord comprendre l’effet de la température sur un échantillon liquide. La température influence l’espace dans lequel les atomes s’assemblent pour créer une molécule. La vibration atomique augmente avec la température, ce qui entraîne un éloignement des atomes et réduit la valeur de la densité optique du milieu de l’échantillon.

Comme nous l’avons vu précédemment, l’indice de réfraction décrit la vitesse à laquelle un faisceau lumineux traverse un milieu. Si un milieu est moins dense optiquement en raison d’une augmentation de la température, la lumière se déplace plus rapidement, ce qui entraîne un léger décalage de l’angle de déviation. En d’autres termes, plus la température est élevée, plus l’indice de réfraction est faible, comme le montre le graphique ci-dessous qui utilise l’eau comme milieu d’échantillon.

Comme vous pouvez le constater, la température de l’échantillon a une influence majeure sur le déroulement de la mesure. Par conséquent, la température doit être mesurée avec précision et, si possible, contrôlée.

Pour les instruments plus anciens tels que les réfractomètres d’Abbe, le contrôle de la température passe parfois par l’utilisation d’un bain-marie. La plupart des réfractomètres numériques modernes utilisent néanmoins des modules Peltier pour contrôler la température du système. Il est ainsi possible de déterminer la valeur de l’indice de réfraction de manière rapide et précise.

Dans le cadre de la mesure de l’indice de réfractation, la longueur d’onde du faisceau lumineux est importante en raison de la relation de dispersion, c’est-à-dire l’effet de la dispersion sur les propriétés des ondes dans un milieu. Presque toutes les substances ont des indices de réfraction différents, qui varient également en fonction de la longueur d’onde utilisée. Cette relation de dispersion peut être calculée comme suit.

Nous savons que la vitesse de la lumière dans un milieu correspond à :

v = c/n

Où :
n désigne l’indice de réfraction
c désigne la vitesse de la lumière dans le vide (ou l’air)
v désigne la vitesse de la lumière dans le milieu

De même, la longueur d’onde dans le même milieu est :

λ = λ₀/n

où λ₀ désigne la longueur d’onde de cette lumière dans le vide (ou l’air).

L’indice de réfraction (n) est donc inversement proportionnel à la longueur d’onde ainsi qu’à la vitesse de la lumière. Cela signifie que plus la longueur d’onde est grande, plus l’indice de réfraction est faible. Cette relation est définie par l’équation suivante :

v(λ) = c/n(λ)

Pour les applications industrielles nécessitant la mesure de l’indice de réfractation, il est cependant essentiel d’avoir une longueur d’onde définie et précise. La mesure de l’indice de réfraction de différents échantillons à analyser pourra ainsi s’effectuer dans les mêmes conditions à des fins de contrôle qualité.

Pour générer une longueur d’onde définie, les réfractomètres utilisent le plus souvent la raie D du sodium, qui correspond à 589,3 nm. Étant donné que cette longueur d’onde est largement disponible, fiable et stable, elle est utilisée depuis longtemps dans l’étude de l’indice de réfraction.

n = indice de réfraction

t = température (°C)

D = raie D du sodium

Cependant, l’indice de réfraction est généralement désigné plus simplement par nD.

La mesure de l’indice de réfractation permet de vérifier la pureté et la concentration des échantillons liquides, semi-liquides et solides. Il est également possible de déterminer les valeurs d’indice de réfraction des gaz. L’utilisation d’un réfractomètre numérique garantit une mesure extrêmement précise des échantillons liquides et semi-liquides (par exemple jusqu’à -/+ 0,00002). Il est nécessaire d’utiliser des instruments ou des accessoires spécialisés pour mesurer précisément l’indice de réfraction des échantillons de gaz et de solides.

L’indice de réfraction peut également être corrélé à un vaste éventail de concentrations permettant de caractériser de nombreux échantillons différents dans plusieurs secteurs et applications, notamment :

• Aliments et boissons : mesure du degré Brix (de la teneur en sucre) des boissons non alcoolisées ou du degré Oechsle du moût de raisin utilisé dans la vinification.
• Produits chimiques : détermination du point de congélation (⁰C ou ⁰F), de la concentration acide/base, ou de la présence de solvant organique et de sel inorganique en % p/p ou v/v.
• Produits pharmaceutiques : mesure des pourcentages de peroxyde d’hydrogène ou de méthanol, ou évaluation des concentrations de diverses substances dans l’urine humaine.

Par ailleurs, pour certaines applications, la combinaison de l’indice de réfraction avec la masse volumique offre une technique de contrôle qualité simple, mais performante. Il est possible d’automatiser entièrement ces déterminations.

Outre l’échelle de Brix, il existe d’autres échelles comparables pour indiquer la teneur en saccharose dans un échantillon, comme les degrés Plato, Baumé, Oechsle et Balling. Découvrez leurs différences, leurs calculs, leur utilisation et la façon de les mesurer.

L’indice de réfraction absolu est calculé par rapport au vide dans lequel la lumière se propage avec la plus grande vitesse possible de 299 792 458 mètres par seconde (la vitesse de la lumière). Cependant, dans la pratique, l’air que nous respirons est également considéré comme un milieu de référence, même si la lumière s’y propage à une vitesse légèrement plus lente (1,0003 fois plus lentement) que dans le vide.

Ainsi, il est possible d’affirmer que l’indice de réfraction absolu mesure la supériorité de la vitesse de la lumière dans le vide (ou l’air) par rapport à tout autre milieu.

Voyons un cas pratique de l’indice de réfraction absolu de l’eau à 20 °C. Nous savons qu’à travers ce milieu la lumière se déplace à 2,25 x 10⁸ m/s.

Cela signifie que la lumière se déplace 1,33333 fois plus lentement dans l’eau que dans le vide (ou l’air).

L’indice de réfraction relatif est défini comme le rapport des vitesses de la lumière entre deux milieux autres que le vide (ou l’air). On pourrait, par exemple, mesurer l’indice de réfraction de l’huile d’olive par rapport à celui de l’eau. Cependant, il n’existe pas d’utilisation pratique pour mesurer l’indice de réfraction relatif dans les applications industrielles.

Les réfractomètres numériques modernes permettent de déterminer facilement et avec un haut degré de précision l’indice de réfraction des liquides. Toutefois, les instruments à haute résolution ne garantissent pas forcément des résultats précis. Il est également indispensable d’observer les bonnes pratiques en matière de mesure.

Par exemple, saviez-vous que le fait de mal nettoyer le prisme, voire de simplement essuyer l’ancien échantillon à l’aide d’un chiffon, peut considérablement fausser la mesure suivante ?

Comme ces instruments mesurent l’angle de réflexion totale à la surface du prisme, même la couche la plus mince de l’ancien échantillon aura une incidence importante sur la mesure de l’indice de réfractation de tout nouvel échantillon ajouté.

Téléchargez le guide sur la mesure de l’indice de réfractation et bénéficiez de conseils et d’astuces pour éviter les erreurs lors de la mesure de l’indice de réfraction de liquides.

Lorsque vous travailliez avec des produits chimiques, des aliments, des boissons ou d’autres produits qui peuvent être pâteux ou liquides, vous devez tenir compte des détails importants afin d’améliorer vos analyses d’indice de réfraction. Il s’agit notamment de questions telles que :

• À quelle fréquence dois-je étalonner mon instrument ?
• Quel solvant dois-je utiliser pour nettoyer la cellule de mesure/prisme ?
• Mon échantillon est pâteux/visqueux. Quelle est la meilleure méthode pour le manipuler et le mesurer ?

Les réponses à ces questions peuvent influencer directement les mesures. Consultez notre brochure interactive qui fournit des réponses aux questions fréquemment posées sur l’indice de réfraction, le degré Brix et les masses volumiques.