Indice di rifrazione: tutto ciò che occorre sapere

L'indice di rifrazione è il quoziente tra la velocità di un raggio di luce che attraversa due mezzi trasmissivi. Si tratta di una grandezza adimensionale che varia in funzione della temperatura e della lunghezza d'onda del raggio di luce. In parole semplici, descrive quanto velocemente il raggio di luce attraversa il materiale; questa relazione viene descritta dalla formula:

n = c / v

Dove:

n è l'indice di rifrazione
c è la velocità della luce nel vuoto (o nell'aria)
v è la velocità della luce nel mezzo (ad esempio, acqua, olio d'oliva e così via)

In questa pagina troverete alcune informazioni essenziali sull'indice di rifrazione e sulla sua misurazione.

Scoprite di più sulla definizione dell'indice di rifrazione, sulle sue applicazioni, su come lo si misura e molto altro ancora.

Scaricate la nostra guida sulla rifrattometria in PDF per saperne di più sulla misurazione dell'indice di rifrazione.

Questa guida gratuita vi aiuterà a saperne di più sulla rifrattometria e su come evitare gli errori durante la misurazione dell'indice di rifrazione.

L'indice di rifrazione e l'indice rifrattivo sono nomi diversi per indicare la stessa cosa, come detto in precedenza. L'uso del termine dipende in gran parte dall'area geografica. Ad esempio, negli Stati Uniti si usa spesso "indice di rifrazione" mentre in India si tende a utilizzare "indice rifrattivo". Useremo questi termini in modo intercambiabile in questa discussione.

La rifrattometria è un metodo analitico utilizzato per misurare l'indice di rifrazione di un campione per stabilirne la composizione o la purezza. La rifrattometria è una tecnica qualitativa e non distruttiva basata sulla legge di Sell.

Il metodo della rifrattometria, ampiamente utilizzato nell'industria per il controllo qualità, si basa sull'utilizzo di un rifrattometro. Esamineremo la rifrattometria e l'uso dei rifrattometri nei capitoli che seguono.

Prima di addentrarci negli aspetti più tecnici, diamo un'occhiata a un'immagine che illustra la velocità della luce e l'effetto della rifrazione in mezzi trasmissivi diversi.

Nell'esempio, possiamo vedere tre contenitori di vetro in cui altrettante bacchette di vetro sono immerse in mezzi diversi:

Mezzi nei contenitori
1. Acqua
2. Acqua e olio di cedro
3. Olio di cedro

Cosa accade in ciascun contenitore?

L'acqua ha un indice di rifrazione (n = 1,333) inferiore a quello della bacchetta in vetro (n = 1,517). Ecco perché è visibile per intero nel contenitore 1 e in parte nel contenitore 2.

D'altro canto, la bacchetta di vetro (n = 1,517) e l'olio di cedro (n = 1,516) presentano indici di rifrazione quasi identici. Questo è il motivo per cui la bacchetta immersa nell'olio di cedro sembra scomparire (solo in parte nel contenitore 2 e per intero nel contenitore 3).

I rifrattometri sono stati sviluppati in base alla legge di Snell per misurare l'indice di rifrazione di campioni liquidi e semiliquidi.

La cella di misura dei rifrattometri digitali presenta una configurazione basata sulla legge di Snell e, quindi, sfrutta il fenomeno della riflessione interna totale e dell'angolo critico. Ecco come funziona:

La sorgente di luce (1) è un diodo luminoso (LED). Il raggio LED emesso passa attraverso un filtro di polarizzazione (2), un filtro interferenziale (3) e una lente focale (4) prima di colpire il campione attraverso il prisma di zaffiro (5).

La luce riflessa (angolo di incidenza > angolo critico) viene deviata attraverso una lente (6) al sensore ottico CCD (7) che determina l’angolo critico. Inoltre, per aumentare l'accuratezza della misurazione, i rifrattometri digitali moderni regolano automaticamente la temperatura dell'interfaccia prisma/campione.

I rifrattometri digitali usano il metodo della riflessione totale per determinare l'indice di rifrazione o altri valori correlati di un campione liquido. La misurazione viene eseguita automaticamente, riducendo l'influenza dell'operatore e migliorando l'accuratezza. Con volumi di campione ridotti (da 0,5 a 1 ml), è possibile eseguire misurazioni dell'indice di rifrazione altamente accurate in pochi secondi.

Anche i rifrattometri manuali, come i rifrattometri di Abbe da banco o i rifrattometri portatili tradizionali, consentono di misurare l'indice di rifrazione. Scoprite di più sui vantaggi e svantaggi dei diversi metodi.

Qual è il rapporto tra misurazione dell'indice di rifrazione e temperatura?

Innanzitutto, è necessario comprendere l'effetto della temperatura sui campioni liquidi. La temperatura influenza lo spazio tra gli atomi delle molecole. Quando la temperatura sale, aumenta l'eccitazione atomica; di conseguenza, aumenta la distanza tra gli atomi e si riduce la densità ottica del mezzo del campione.

Come accennato in precedenza, l'indice di rifrazione descrive la velocità con cui il raggio di luce attraversa il mezzo. Se un mezzo è otticamente meno denso a causa di un aumento della temperatura, la luce lo attraverserà più velocemente deviando leggermente l'angolo di rifrazione. In altre parole, maggiore è la temperatura, minore è l'indice di rifrazione, come illustrato dal seguente grafico riferito all'acqua.

Quindi, è evidente che la temperatura esercita una notevole influenza sulla procedura di misurazione. Ecco perché deve essere misurata in modo accurato e, se possibile, regolata.

Gli strumenti più datati, come i rifrattometri di Abbe, possono richiedere un bagno d'acqua per controllare la temperatura; molti moderni rifrattometri digitali, invece, per regolare la temperatura del sistema utilizzano un elemento di Peltier. Questo assicura la misura rapida e accurata del valore dell'indice di rifrazione.

Nella misurazione dell'indice di rifrazione, la lunghezza d'onda del raggio di luce è importante per l'effetto della dispersione sulle proprietà delle onde in un mezzo (noto come relazione di dispersione). Praticamente tutte le sostanze hanno indici di rifrazione diversi, che differiscono anche a seconda della lunghezza d'onda utilizzata. La relazione di dispersione può essere calcolata come segue.

Sappiamo che la velocità della luce in un mezzo è:

v = c/n

Dove:
n è l'indice di rifrazione
c è la velocità della luce nel vuoto (o nell'aria)
v è la velocità della luce nel mezzo

Analogamente, la lunghezza d'onda nello stesso mezzo è:

λ = λ₀/n

dove λ₀ è la lunghezza d'onda di quel raggio di luce nel vuoto (o nell'aria).

Quindi, l'indice di rifrazione (n) è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda, nonché alla velocità della luce. Ciò significa che l'indice di rifrazione diminuisce all'aumentare della lunghezza d'onda. La relazione è rappresentata dalla seguente equazione:

v(λ) = c/n(λ)

Comunque sia, nelle applicazioni industriali che richiedono la misura dell'indice di rifrazione, per il controllo qualità è necessario disporre di una lunghezza d'onda definita e accurata che consenta di analizzare i risultati relativi a diversi campioni nelle stesse condizioni.

Per generare una lunghezza d'onda definita, i rifrattometri utilizzano quasi sempre la linea D del sodio, che corrisponde a 589,3 nm. La linea D del sodio è usata nello studio dell'indice di rifrazione da tempo, perché costituisce una sorgente luminosa ampiamente disponibile, affidabile e stabile.

n = indice di rifrazione

t = temperatura (°C)

D = linea D del sodio

In genere, l'indice di rifrazione è rappresentato più semplicemente come nD.

La misurazione dell'indice di rifrazione viene impiegata per verificare la purezza e la concentrazione di campioni liquidi, semiliquidi e solidi. I valori dell'indice di rifrazione possono essere determinati anche per i gas. Usando un rifrattometro digitale è possibile misurare campioni liquidi e semiliquidi con grande accuratezza (fino a -/+ 0,00002). I campioni solidi e gassosi richiedono strumenti o accessori speciali per una misurazione accurata.

In più, l'indice di rifrazione può essere messo in relazione con un'ampia gamma di concentrazioni che consentono di caratterizzare numerosi tipi di campioni in molti settori e applicazioni differenti. Ecco qualche esempio:

• Alimenti e bevande: si misura il grado Brix delle bibite o il grado Oechsle dell'uva nella produzione dei vini (contenuto di zucchero).
• Industria chimica: si determina il punto di congelamento (in °C o °F), la concentrazione acido/base o la presenza di solventi organici e sali inorganici in % w/w or v/v.
• Industria farmaceutica: si misurano le percentuali di perossido di idrogeno o metanolo, o si determinano le concentrazioni di diverse sostanze nell'urina umana.

In più, per alcune applicazioni, combinando l'indice di rifrazione con una misura della densità si realizza una tecnica di controllo qualità tanto semplice quanto potente. Queste misure possono diventare completamente automatiche.

Oltre alla scala Brix, per indicare il contenuto di zucchero nei campioni sono disponibili altre scale analoghe, come i gradi Plato, Baumé, Oechsle e Balling. Scopri di più su differenze, calcoli, usi e metodi di misura con le diverse scale.

L'indice di rifrazione è calcolato in riferimento al vuoto, in cui la luce si propaga alla massima velocità possibile pari a 299.792.458 metri al secondo (la "velocità della luce"). Tuttavia, nella pratica, anche l'aria che respiriamo è considerata un mezzo di riferimento, nonostante la luce vi si propaghi a una velocità leggermente inferiore (1,0003 volte più lentamente) rispetto al vuoto.

L'indice di rifrazione assoluto è dato dal rapporto tra la velocità di un raggio di luce nel vuoto (o nell'aria) e la sua velocità quando attraversa un qualsiasi altro mezzo.

Ecco un esempio concreto dell'indice di rifrazione assoluto dell'acqua a 20 °C, attraverso la quale la luce viaggia a una velocità pari a 2,25 x 10⁸m/s.

Ciò significa che, quando attraversa l'acqua, la luce viaggia a una velocità 1,33333 volte inferiore rispetto a quando attraversa il vuoto (o l'aria).

L'indice di rifrazione relativo è definito come il rapporto tra la velocità di un raggio di luce che attraversa due mezzi diversi dal vuoto (o dall'aria). Ad esempio, si potrebbe determinare l'indice di rifrazione dell'olio rispetto all'indice di rifrazione dell'acqua. Nelle applicazioni industriali, tuttavia, in genere non si registrano usi pratici per la misurazione dell'indice di rifrazione relativo.

I moderni strumenti digitali consentono di determinare facilmente l'indice di rifrazione dei liquidi con un'accuratezza elevata. Tuttavia, un'alta risoluzione non è sufficiente a garantire risultati affidabili: è necessario applicare anche buoni principi di misurazione.

Sapevate che una pulizia non accurata del prisma (o il fatto di rimuovere il campione semplicemente con un panno) può falsare drasticamente la misura successiva?

Dato che questi strumenti misurano l'angolo di riflessione totale sulla superficie del prisma, lasciare anche una minima traccia del campione precedente può avere un impatto significativo sulla misura dell'indice di rifrazione del campione successivo.

Scaricate la guida sulla misura dell'indice di rifrazione per ottenere consigli e suggerimenti utili su come evitare gli errori quando si determina l’indice di rifrazione dei liquidi.

Che si tratti di sostanze chimiche, alimenti, bevande o altri prodotti in forma liquida o pastosa, per migliorare le analisi dell'indice di rifrazione è importare prestare attenzione ad alcuni dettagli. Ecco alcune domande che è importante porsi:

• Con quale frequenza è opportuno tarare lo strumento?
• Quale solvente si deve usare per pulire la cella di misurazione/il prisma?
• Il campione è pastoso/viscoso. Qual è il modo migliore per prepararlo e misurarlo?

Le risposte a queste domande incidono direttamente sulle misure. Date un'occhiata al nostro opuscolo con le risposte alle domande più frequenti su indice di rifrazione, grado Brix e misura della densità.