Indeks loma: Sve što trebate znati

Indeks loma n medija (npr. Voda, maslinovo ulje itd.) definira se kao kvocijent brzine svjetlosti u vakuumu c i brzine svjetlosti u mediju v. To je bezdimenzionalni broj koji ovisi o temperaturi medija i valnoj duljini svjetlosnog snopa.

Jednostavnim riječima, indeks loma opisuje koliko brzo svjetlosni snop putuje kroz medij u usporedbi s vakuumom. Ovaj odnos opisan je formulom:

n = c / v

Na ovoj stranici steći ćete bitna znanja o mjerenjima indeksa loma i indeksa loma.

Saznajte više o definiciji indeksa loma, aplikacijama, kako ga izmjeriti i još mnogo toga.

Samo preuzmite naš PDF vodič za refraktometriju kako biste saznali više o mjerenju indeksa loma.

Ovaj besplatni vodič pomoći će vam da saznate više o refraktometriji, uključujući kako izbjeći pogreške pri mjerenju indeksa loma.

Indeks loma i indeks refrakcije su različiti nazivi za istu stvar, kao što je gore navedeno. Koji se izraz koristi uvelike ovisi o tome gdje živite. Na primjer, ljudi u SAD-u često koriste "indeks refrakcije", dok ljudi u Indiji obično koriste "indeks loma". 

Refraktometrija je analitička metoda koja se koristi za mjerenje indeksa loma uzorka kako bi se odredio njegov sastav ili čistoća. Refraktometrija je kvalitativna i nerazorna tehnika koja se temelji na Snellovom zakonu.

Metoda refraktometrije, koja se u velikoj mjeri koristi u industriji u svrhu kontrole kvalitete, koristi refraktometar. Raspravljat ćemo o refraktometriji i uporabi refraktometara u poglavljima koja slijede.

Prije nego što zaronimo u tehničko objašnjenje indeksa loma, pogledajmo vizualni primjer koji pokazuje brzinu svjetlosti i efekt indeksa loma u različitim medijima.

Ovdje su stakleni štapići uronjeni u tri čaše ispunjene različitim medijima:

Stakleni mediji
1. Voda
2. Voda i ulje cedra
3. Cedrovo ulje

Što se događa u svakoj čaši?

Voda ima niži indeks loma (n = 1,333) od staklenog štapića (n = 1,517). Stoga je moguće vidjeti cijeli štapić u staklu 1 i dio štapića u staklu 2.

S druge strane, stakleni štapić (n = 1,517) i ulje cedra (n = 1,516) imaju gotovo identične indekse loma. To uzrokuje da uronjeni štapić nestane u ulju cedra (djelomično u staklu 2 i potpuno u staklu 3).

Na temelju Snellovog zakona razvijeni su refraktometri za mjerenje indeksa loma tekućina i polučvrstih uzoraka.

Mjerna ćelija digitalnog refraktometra ima shematsku postavku temeljenu na Snellovom zakonu. Stoga se oslanja na potpunu unutarnju refleksiju i kritični kut. Evo kako to funkcionira:

Izvor svjetlosti (1) je svjetleća dioda (LED). Emitirana LED zraka prolazi kroz polarizacijski filtar (2), interferencijski filtar (3) i žarišne leće (4) prije nego što dođe do uzorka putem safirne prizme (5).

Reflektirano svjetlo (kut incidencije > kritični kut) skreće se pomoću leće (6) na optički senzor CCD (7) koji određuje kritični kut. Osim toga, moderni digitalni refraktometri automatski kontroliraju temperaturu u granici prizme / uzorka kako bi se povećala točnost mjerenja.

Digitalni refraktometar mjeri indeks loma ili povezane vrijednosti tekućeg uzorka metodom ukupne refleksije. Ovo mjerenje se vrši automatski, što smanjuje utjecaj operatera i povećava točnost. Pomoću malog volumena uzorka (0,5 do 1 mL) vrlo precizna mjerenja indeksa loma provode se u nekoliko sekundi.

Ručni refraktometri, kao što su Abbe refraktometri, također se mogu koristiti za mjerenje indeksa loma. Međutim, brzo ih zamjenjuju digitalni, često ručni refraktometri.

Dakle, kakav je odnos između određivanja indeksa loma i temperature?

Prvo, moramo razumjeti učinak temperature na tekući uzorak. Temperatura utječe na prostor u kojem se atomi uklapaju kako bi stvorili molekulu. Atomske vibracije se povećavaju kako se temperatura povećava, što uzrokuje da se atomi dalje udaljavaju i smanjuje vrijednost optičke gustoće medija uzorka.

Kao što je prethodno spomenuto, indeks loma opisuje koliko brzo svjetlosni snop putuje kroz medije. Ako je medij manje optički gust zbog povećanja temperature, svjetlo će putovati brže, što uzrokuje lagano pomicanje skrenutog kuta. Drugim riječima, što je viša temperatura, to je niži indeks loma, kao što je prikazano na grafikonu ispod kojeg se voda koristi kao medij uzorka.

Kao što možete vidjeti, temperatura uzorka ima veliki utjecaj na postupak mjerenja. Stoga se temperatura mora točno izmjeriti i, ako je moguće, kontrolirati.

Stariji instrumenti kao što su Abbe refraktometri mogu zahtijevati vodenu kupelj za kontrolu temperature, dok mnogi moderni, digitalni refraktometri koriste Peltier elemente za kontrolu temperature sustava. To osigurava brzo i točno određivanje vrijednosti indeksa loma.

U mjerenju indeksa loma valna duljina svjetlosnog snopa važna je zbog učinka disperzije na svojstva valova u mediju (poznatom kao disperzijski odnos). Gotovo sve tvari imaju različite indekse loma koji se također razlikuju ovisno o korištenoj valnoj duljini. Ovaj odnos disperzije može se izračunati na sljedeći način.

Znamo da je brzina svjetlosti u mediju:

v = c/n

Gdje:
n je indeks loma
c je brzina svjetlosti u vakuumu (ili zraku)
v je brzina svjetlosti u medijima

Slično tome, valna duljina u istom mediju je:

λ = λ₀/n

gdje je λ₀ valna duljina tog svjetla u vakuumu (ili zraku).

Stoga je indeks loma (n) obrnuto proporcionalan valnoj duljini, kao i brzini svjetlosti. To znači da što je veća valna duljina, to je niži indeks loma. Taj je odnos predstavljen jednadžbom:

v(λ) = c/n(λ)

Međutim, za industrijske primjene u kojima je potrebno mjerenje indeksa loma potrebno je imati definiranu, preciznu valnu duljinu kako bi se omogućilo mjerenje indeksa loma različitih uzoraka pod istim uvjetima za kontrolu kvalitete.

Da bi se stvorila definirana valna duljina, refraktometri najčešće koriste natrijevu D-liniju, koja odgovara 589,3 nm. Zbog činjenice da je široko dostupan, pouzdan i stabilan izvor svjetlosti, natrijeva D-linija se odavno koristi u proučavanju indeksa loma.

n = indeks loma

t = temperatura (°C)

D = D-linija natrija

Međutim, indeks loma općenito je jednostavnije predstavljen kao nD.

Mjerenje indeksa loma provjerava čistoću i koncentraciju tekućih, polutekućih i krutih uzoraka. Vrijednosti indeksa loma mogu se odrediti i za plinove. Kada se koristi digitalni refraktometar, tekućine i polutekući uzorci mogu se mjeriti s velikom točnošću (npr. do - / + 0,00002). Za plinske i krute uzorke potrebni su specijalizirani instrumenti ili pribor za precizno mjerenje indeksa loma.

Osim toga, indeks loma može se povezati sa širokim rasponom koncentracija koje se mogu koristiti za karakterizaciju mnogih različitih uzoraka u mnogim različitim industrijama i primjenama, kao što su:

• Hrana i piće: Mjerenje Brixa (sadržaja šećera) bezalkoholnih pića ili oechsle mošta od grožđa koji se koristi u proizvodnji vina.
• Kemijski: određivanje točke smrzavanja (⁰C ili ⁰F), koncentracije kiseline/baze ili prisutnosti organskog otapala i anorganske soli u % masenog ili v/v.
• Farmacija: Mjerenje postotka vodikovog peroksida ili metanola ili procjena koncentracija različitih tvari u ljudskom urinu.

Osim toga, za neke primjene kombiniranje indeksa loma s mjerenjem gustoće stvara jednostavnu, ali snažnu tehniku kontrole kvalitete. Ta se određivanja mogu potpuno automatizirati.

Osim Brixove ljestvice postoje i druge usporedive ljestvice za označavanje sadržaja saharoze u uzorku, kao što su stupnjevi Platon, Baumé, Oechsle i Balling. Saznajte više o njihovim razlikama, izračunima, upotrebi i načinu mjerenja.

Apsolutni indeks loma izračunava se s obzirom na vakuum u kojem se svjetlost širi najvećom mogućom brzinom od 299.792.458 metara u sekundi (brzina svjetlosti). Međutim, u praksi se zrak koji udišemo također smatra referentnim medijem, iako se svjetlost širi nešto sporijom brzinom (1.0003 puta sporijom) nego kroz vakuum.

Dakle, možemo reći da apsolutni indeks loma mjeri koliko je puta brzina svjetlosti veća u vakuumu (ili zraku) nego u bilo kojem drugom mediju.

Evo praktičnog primjera apsolutnog indeksa loma vode na 20 °C, kroz koji znamo da svjetlost putuje na 2,25 x 10⁸m/s.

To znači da svjetlost putuje 1.33333 puta sporije kroz vodu nego kroz vakuum (ili zrak).

Relativni indeks loma definira se kao omjer brzina svjetlosti između bilo koja dva medija osim vakuma (ili zraka). Na primjer, može se izmjeriti indeks loma maslinovog ulja u odnosu na indeks loma vode. Međutim, ne postoji praktična uporaba za mjerenje relativnog indeksa loma u industrijskim primjenama.

Moderni digitalni instrumenti mogu lako odrediti indeks loma tekućina s visokim stupnjem točnosti. Međutim, instrumenti visoke rezolucije nisu jamstvo točnih rezultata. Moraju se primijeniti i dobra načela mjerenja.

Na primjer, jeste li znali da nedovoljno čišćenje prizme - ili jednostavno brisanje starog uzorka krpom - može drastično falsificirati vaše sljedeće mjerenje?

Budući da ti instrumenti mjere kut potpune refleksije s površine prizme, čak će i najtanji sloj starog uzorka imati značajan utjecaj na mjerenje indeksa loma bilo kojeg novog uzorka koji mu se doda.

Preuzmite Vodič za mjerenje indeksa loma i naučite korisne savjete i savjete kako biste izbjegli pogreške pri mjerenju indeksa loma tekućina.

Bez obzira radite li s kemikalijama, hranom, pićima ili drugim proizvodima koji mogu biti pastozni ili tekući, postoje važni detalji koje treba riješiti kako biste poboljšali analize indeksa loma. To uključuje pitanja kao što su:

• Koliko često trebam kalibrirati svoj instrument?
• Koje otapalo trebam koristiti za čišćenje mjerne ćelije / prizme?
• Moj uzorak je pastozan / viskozan. Koji je najbolji način rukovanja i mjerenja?

Odgovori na ova pitanja mogu izravno utjecati na vaše odluke. Pogledajte našu interaktivnu knjižicu koja odgovara na najčešće postavljana pitanja o mjerenjima indeksa loma, Brixa i gustoće!