折光率：您需要了解的一切

折光率（折射率）定义为光穿过两种不同介质时的速度比值。它是一个取决于温度和波长的无量纲数。简言之，折光率描述的是光束穿过介质的速度，此关系由下列公式表示：

n = c / v

其中：

n为折光率
c为真空（或空气）中的光速
v为介质（例如：水、橄榄油等）中的光速

本页将向您介绍关于折光率以及折光率测量的基本知识。

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本免费指南将帮助您了解有关折光测量的更多内容，包括如何在测量折光率时避免误差。

如前文所述，折光率与折光指数是同一个概念的不同名称。使用哪个术语很大程度上取决于您的居住地。例如，美国人经常使用“折光指数”，而印度人则倾向于使用“折光率”。本次讨论中，这两个术语均可互换使用。

折光测量是一种分析方法，用于测量样品的折光率，以确定其成分或纯度。折光率测量基于斯涅尔定律，是一种定性且对样本无破坏的技术。

折光率测量法作为折光率仪在工业生产中被广泛使用，以实现质量控制目的。我们将在接下来的章节中讨论折光测量与折光率仪的使用。

在深入了解折光指数的技术说明前，首先来看一个光速和折光指数效应在不同介质中的可视化实例。

此处，我们将玻璃棒分别浸入三个装有不同介质的玻璃杯中。

玻璃杯中的介质：1.水 2.水和柏木油
3.柏木油

每个杯子中发生了什么？

水的折光率（n = 1.333）低于玻璃棒（n = 1.517）。因此，可以在第一个杯子中看到完整的玻璃棒，在第二个杯子中能看到玻璃棒的一部分。

另一方面，玻璃棒的折光率（n = 1.517）与柏木油的折光率（n = 1.516）基本相同。这导致插入的玻璃棒似乎在柏木油中消失（在第二个杯子中部分消失，在第三个杯子中完全消失）。

根据斯涅尔定律开发出用于测量液体与半固体样品折光率的折光率仪。

数字折光率仪测量单元基于斯涅耳定律而设计。因此，它依靠全反射与临界角。以下为其工作原理：

光源（1）为发光二极管（LED）。发出的LED光束穿过偏振滤光器（2）、干涉滤光镜（3）和聚光透镜（4），然后通过蓝宝石棱镜（5）到达样品。

反射光（入射角>临界角）通过透镜（6）偏斜至确定临界角的光学传感器CCD（7）。此外，现代化数字折光率仪自动控制棱镜/样品边界的温度，以提高测量准确度。

数字折光率仪采用全反射方法测量液体样品的折光率或其他相关值，测量过程自动完成，减少操作人员影响，提高结果准确度。使用少量样品（0.5 — 1 mL），只需几秒钟便可非常准确地测量折光率。

手动折光率仪（例如：光学台式阿贝折光率仪或传统手持折光率仪）也可用于测量折光率。详细了解其优缺点。

那么折光率测定和温度之间有什么关系？

首先，我们需要了解温度对于液体样品的影响。温度会对原子组成分子的空间产生影响当温度升高时原子振动加剧，导致原子之间进一步分离从而减小介质样品的光学密度值

如前所述，折光率描述的是光束穿过介质的速度。如果由于温度升高，介质光学密度值减小，光线在其中的传播速度加快，使得偏角略有偏移。换言之，如下图所示，以水作为样品介质的情况下，温度越高，折光率越低。

可以见得，样品温度对测量过程具有主要影响作用。因此，必须准确测量温度，如果可能的话，最好对其加以控制。

阿贝折光仪之类的老款仪器可能需要使用水浴控制温度，而许多现代化数字折光率仪利用珀耳帖元件控制系统温度。这可确保快速准确地测量折光率值。

在折光率测量过程中，由于色散效应在介质中对光波性质的影响（也被称为色散关系），波长也是重要因素之一。几乎所有物质都具有不同的折光率，这些折光率也因所使用的波长而异。这种色散关系可按照下列公式计算得出。

我们知道介质中的光速为：

v = c/n

其中：
n为折光率，
c为真空（或空气）中的光速，
v为介质中的光速

类似的，同种介质中的波长为：

λ = λ₀/n

其中 λ₀光为真空（或空气）中的波长。

因此，折光率（n）与波长以及光速成反比。这意味着波长越长，折光率越低。此关系由下列等式表示：

v(λ) = c/n(λ)

然而，对于需要测量折光率的行业应用来说，必须具有明确的、精确的波长，使其在相同质控条件下分析不同样品的折光率。

为了确定一个明确的波长，折光仪最常使用钠光谱D线，数值为589.3 nm。由于其作为光源的广泛性、可靠性及稳定性，钠光谱D线早已用于折光率研究。

n = 折光率

t = 温度（°C）

D = 钠D线

但是，折光率通常更简单地以nD表示。

折光率测量检查液体、半液体与固体样品的纯度与浓度。也可测定气体的折光率值。当使用数字折光率仪时，可以非常精确地测量液体与半液体样品（例如误差范围可低至- / + 0.00002）。气体与固体样品需要专门的仪器或配件才能进行准确的折光率测量。

此外，折光率可与一系列能够表征不同行业或应用中不同样品特性的浓度值相关联，例如：

• 食品与饮料：测量软饮的白利糖度（糖分含量）或者葡萄酒酿造过程中选用葡萄的奥斯勒度。
• 化工：确定凝固点（⁰C或⁰F）、酸/碱浓度或有机溶剂和无机盐的百分比（% w/w或v / v）。
• 制药：测量过氧化氢或甲醇的百分比，或评估人体尿液中不同物质的浓度。

此外，对于一些应用，将折光率同密度测量相结合可形成既简单又强大的质量控制方法。这些测定可实现全自动化。

除了白利糖度之外，还有其他可作比较用的糖度度量，用于表明样品中的蔗糖含量，如柏拉图度、波美度、奥斯勒度和波林度。详细了解其区别、计算方法、使用率以及测量方法。

绝对折光率以真空中光传播的最大可能速度299,792,458米/秒（即光速）为参考值进行计算。然而事实上，我们呼吸的空气也可被作为参考介质，即使光在其中的传播速度略低于在真空内的传播速度（速度比真空光速慢1.0003倍）。

因此，我们可以说绝对折光率测量的是真空（或空气）中光速与其他任何介质中光速的倍数关系。

以下为20 °C时水的绝对折光率实例（测量可得@20°C，水中光速为2.25 x 10⁸m/s。

这意味着水中的光速比真空（或空气）中的光速慢1.33333倍。

相对折光率定义为任何两种非真空（或空气）介质之间的光速比。例如，有人可能会测量橄榄油相对于水的折光率。但是，测量相对折光率在工业应用中无实际用途。

现代数字化仪器可以轻松精确地测量液体折光率。然而，高分辨率仪器并不能保证获得准确的结果。还必须采用良好的测量原则。

例如，您是否知道棱镜盘清洁不充分—或只是简单用布擦拭掉上一个样品—会使得下一次测量结果严重失真？

由于这些仪器测量棱镜表面的全反射角度，因此即使是一层极薄的残留样品也会对添加在上方的任何新样品的折光率测量产生巨大影响。

下载《折光率测量指南》，了解关于在测量液体折光率时避免错误的有用技巧与提示。

无论您的测量的是化学药品、食品、饮料还是其他糊状或液体产品，都需要解决一些重要的细节问题，从而改善折光率分析结果。涉及到的问题包括：

• 仪器应该多久校准一次？
• 应该使用哪种清洗剂清洁测量池/棱镜？
• 我的样品是糊状/粘性的。处理和测量样本的最佳方式是？

这些问题的答案会直接影响到您的测定。查看我们的互动手册，其中对关于折光率、白利糖度以及密度测量的最常见问题进行了回答！