Kırılma İndeksi: Bilmeniz Gereken Her Şey

Kırılma indisi adı da verilen kırılma indeksi, iki farklı ortamda yol alan ışığın hızlarının birbirine oranıdır. Bu, boyutsuz bir sayı olup, sıcaklığa ve ışık demetinin dalga boyuna bağlıdır. Basitçe ifade edersek; kırılma indisi, bir ışık demetinin ortamda ilerleme hızıdır ve bu ilişki, şu formülle ifade edilir:

n=c/v

Burada:

Burada n, kırılma indeksi;
c, ışığın boşlukta (havada) ilerleme hızı;
v de ışığın ortamda (örneğin; su, zeytinyağı vb.) ilerleme hızıdır.

Bu sayfada, kırılma indeksi ve kırılma indeksinin ölçümlerine ilişkin temel bilgileri öğreneceksiniz.

Kırılma indeksinin tanımı, uygulamaları, nasıl ölçüleceği ve daha birçok konu hakkında daha fazla bilgi edinin.

Kırılma indeksi ölçümü hakkında daha fazla bilgi edinmek için refraktometri kılavuzumuzu PDF olarak indirin.

Bu ücretsiz kılavuz, kırılma indeksini ölçerken hatalardan nasıl kaçınılacağı da dâhil olmak üzere, refraktometri hakkında daha fazla bilgi edinmenize yardımcı olacaktır.

Kırılma indisi ve kırılma indeksi, yukarıda belirtildiği gibi aynı anlama gelen, farklı isimlerdir. Terimin İngilizceleri, bölgeye göre değişse de Türkiye'de hem kırılma indeksi hem de kırılma indisi terimleri kullanılmaktadır. Örneğin, ABD'deki insanlar genellikle "index of refraction" kullanırken Hindistan'daki insanlar "refractive index" kullanma eğilimindedir. Burada bu terimleri birbirinin yerine kullanacağız.

Refraktometri, bir numunenin bileşimini veya saflığını belirlemek üzere kırılma indeksini ölçmek için kullanılan analitik bir metottur. Refraktometri, Snell yasasına dayanan niteliksel ve tahribatsız bir tekniktir.

Endüstride büyük ölçüde kalite kontrol amacıyla kullanılan refraktometri metodunda refraktometre kullanılmaktadır. İlerleyen bölümlerde refraktometriyi ve refraktometrelerin kullanımını anlatacağız.

Kırılma indeksinin teknik açıklamasına geçmeden önce farklı ortamlarda ışığın hızını ve kırılma indeksinin etkisini gösteren görsel bir örneğe bakalım.

Burada, cam çubuklar farklı ortamlarla doldurulmuş üç bardağa daldırılmıştır:

Bardak Ortamı
1. Su
2. Su ve sedir yağı
3. Sedir yağı

Her bardakta ne görüyorsunuz?

Suyun kırılma indeksi (n=1,333) cam çubuğunkinden (n=1,517) daha düşüktür. Bu nedenle, birinci bardakta çubuğun bütününü, ikinci bardakta ise bir kısmını görmek mümkündür.

Öte yandan, cam çubuk (n=1,517) ile sedir yağının (n=1,516) kırılma indeksleri hemen hemen eşittir. Bu, batırılan cam çubuğun sedir yağının içinde kaybolmuş gibi görünmesine sebep olur (2. bardakta kısmen, 3. bardakta tamamen).

Yukarıda açıklanan Snell yasasına dayanarak, sıvıların ve yarı katı numunelerin kırılma indeksini ölçen refraktometreler geliştirilmiştir.

Dijital bir refraktometrenin ölçüm hücresinin, Snell yasasına dayanan şematik bir yapısı vardır. Bu nedenle, cihazlar tam iç yansımaya ve kritik açıya dayanır. Nasıl çalıştığını görelim:

Işık kaynağı (1), ışık yayan bir diyottur (LED). Çıkan LED ışın demeti, önce polarizasyon filtresinden (2), girişim filtresinden (3) ve odaklama lenslerinden (4) geçerek safir prizma (5) yoluyla numuneye ulaşır.

Yansıyan ışık (geliş açısı > kritik açı), bir lens (6) vasıtasıyla kritik açıyı belirleyen bir optik sensör CCD'sine (7) yönlendirilir. Ayrıca; modern dijital refraktometreler, ölçümün doğruluğunu artırmak için prizma/numune sınırının sıcaklığını otomatik olarak kontrol eder.

Dijital refraktometre, tam yansıma metoduyla sıvı bir numunenin kırılma indeksini veya bununla ilgili değerleri ölçer. Bu ölçüm otomatik olarak yapılır. Bu, operatör etkisini önemli ölçüde azaltır ve doğruluğu artırır. Yüksek hassasiyette kırılma indisi ölçümleri, küçük bir numune hacmi (0,5-1 ml) kullanılarak, saniyeler içerisinde gerçekleştirilir.

Kırılma indeksini ölçmek için optik masaüstü Abbe veya geleneksel el tipi refraktometre gibi manuel refraktometreler de kullanılabilir. Her birinin avantajları ve dezavantajları hakkında daha fazla bilgi edinin.

Kırılma indeksi tayini ile sıcaklık arasındaki ilişki nedir?

Öncelikle, sıvı bir numune üzerinde sıcaklığın etkisini anlamamız gerekir. Sıcaklık, atomların bir molekülü oluşturmak için bir arada bulunduğu alanı etkiler. Sıcaklık arttıkça atomların titreşimi artar, bu da atomların birbirlerinden uzaklaşmalarına sebep olarak numune ortamının optik yoğunluk değerini azaltır.

Daha önceden belirtildiği gibi, kırılma indeksi, ışık demetinin bir ortamda ne kadar hızla hareket edeceğini belirler. Ortam sıcaklık artışı nedeniyle daha az optik yoğunluğa sahip olursa ışık daha hızlı ilerler, bu da yön değiştirme açısının hafifçe kaymasına neden olur. Diğer bir deyişle, sıcaklık ne kadar artarsa kırılma indeksi o kadar azalır. Bu durum numune ortamı olarak suyun kullanıldığı aşağıdaki grafikte gösterilmektedir.

Gördüğünüz gibi, numune sıcaklığı ölçüm prosedürü üzerinde önemli etki yapar. Bu yüzden, sıcaklığın doğru bir şekilde ölçülmesi ve mümkünse kontrol edilmesi gerekir.

Abbe refraktometreleri gibi eski cihazlar sıcaklığı kontrol etmek için bir su banyosu gerektirirken, modern dijital refraktometrelerin çoğu sistem sıcaklığının kontrolü için Peltier elemanlarından yararlanır. Bu, kırılma indeksi değerinin hızla ve doğru şekilde belirlenmesini sağlar.

Kırılma indeksi ölçümünde, dağılımın bir ortamdaki dalgaların özellikleri üzerindeki etkisinden dolayı ışık demetinin dalga boyu önemlidir (buna dağılım ilişkisi denir). Hemen hemen tüm maddelerin, kullanılan dalga boyuna bağlı olarak da farklılık gösteren farklı kırılma indeksleri vardır. Bu dağılım ilişkisi şöyle hesaplanabilir.

Bir ortamdaki ışığın hızının şu formülle verildiğini biliyoruz:

v=c/n

Burada
n, kırılma indeksi;
c, ışığın boşluktaki (veya havadaki) hızı,
v de ışığın ortamdaki hızıdır

Benzer şekilde, aynı ortamdaki dalga boyu şu şekildedir:

λ=λ₀/n

Burada, λ₀, boşlukta (veya havada) ilerleyen ışığın dalga boyudur.

Buna göre kırılma indeksi (n), hem dalga boyuyla hem de ışığın hızıyla ters orantılıdır. Yani, dalga boyu arttıkça kırılma indeksi azalır. Bu ilişki şu denklemle ifade edilir:

v(λ)=c/n(λ)

Öte yandan, kırılma indeksi ölçümlerinin gerekli olduğu endüstriyel uygulamalarda, kalite kontrolü amacıyla aynı koşullar altında analiz edilmesi gereken farklı numunelerin kırılma indeksinin ölçülmesini sağlayacak, tanımlanmış, hassas bir dalga boyu olması şarttır.

Tanımlanmış bir dalga boyunu üretmek için refraktometreler genellikle 589,3 nm'ye karşılık gelen sodyum D-hattını kullanır. Son derece yaygın bulunan, güvenilir ve stabil bir ışık kaynağı olması nedeniyle, sodyum D-hattı kırılma indeksi çalışmalarında uzun zamandır kullanılmaktadır.

n = kırılma indeksi

t = sıcaklık (°C)

D = sodyumun D-hattı

Bununla birlikte, kırılma indeksi genellikle kısaca nD ile gösterilir.

Kırılma indeksi ölçümü; sıvı, yarı sıvı ve katı numunelerin saflığının ve konsantrasyonunun kontrolü için kullanılır. Gazlar için de kırılma indeksi değerleri belirlenebilir. Dijital bir refraktometre kullanırken, sıvılar ve yarı sıvı numuneler, yüksek hassasiyetle ölçülebilir (örneğin; -/+ 0,00002 seviyesine kadar). Gaz ve katı numuneler, doğru kırılma indeksi ölçümü için özel cihazları veya aksesuarları gerektirir.

Ayrıca; kırılma indisi, birçok farklı sektördeki ve uygulamadaki birçok farklı numuneyi tanımlamak için kullanılabilecek çeşitli konsantrasyonlarla ilişkilendirilebilir. Bunlardan bazıları:

• Gıda ve içecek: Alkolsüz içeceklerin Brix (şeker içeriği) değerinin veya şarap yapımında kullanılan üzüm şırasının Oechsle değerinin ölçülmesi.
• Kimya: Donma noktasının (⁰C veya ⁰F), asit/baz konsantrasyonunun veya ağırlıkça yüzde (%w/w) ya da hacimce yüzde (%v/v) cinsinden organik çözücü ve inorganik tuz mevcudiyetinin belirlenmesi.
• İlaç: Hidrojen peroksit veya metanol yüzdelerinin ölçülmesi ya da insan idrarındaki çeşitli maddelerin konsantrasyonlarının değerlendirilmesi.

Ek olarak, bazı uygulamalarda kırılma indeksinin yoğunluk ölçümü ile birleştirilmesi, basit ancak güçlü bir kalite kontrolü tekniği yaratır. Bu tayin işlemleri tamamen otomatikleştirilebilir.

Bir numunenin içindeki sakaroz içeriğinin belirtilmesi için Brix skalasının yanı sıra Plato, Baumé, Oechsle ve Balling dereceleri gibi başka benzer skalalar da mevcuttur. Bu skalaların farkları, hesaplanmaları, kullanımları ve nasıl ölçülecekleri hakkında daha fazla bilgi edinin.

Mutlak kırılma indeksi, ışığın içinde 299.792.458 metre/saniyelik mümkün olan en yüksek hızda (ışık hızı) yayıldığı boşluk referans alınarak hesaplanır. Bununla birlikte; ışık boşluğa göre içinde biraz daha yavaş (1,0003 kat daha yavaş) yayılsa da soluduğumuz hava da pratikte referans ortam olarak kabul edilir.

Böylece, mutlak kırılma indeksinin, ışık hızının boşlukta (veya havada) diğer ortamlara göre kaç kat daha büyük olduğunu gösteren bir ölçü olduğunu söyleyebiliriz.

Pratik bir örnek olarak, ışığın içinde 2,25 x 10⁸m/s hızla hareket ettiğini bildiğimiz, 20°C'deki suyun mutlak kırılma indeksini ele alalım.

Bu, ışığın suyun içinde boşlukta (veya havada) olduğundan 1,33333 kat daha yavaş ilerlediği anlamına gelir.

Bağıl kırılma indeksi, boşluk (veya hava) dışındaki herhangi iki ortamın ışık hızlarının oranı olarak tanımlanır. Örneğin, zeytinyağının suya göre kırılma indeksi ölçülebilir. Öte yandan, endüstriyel uygulamalarda bağıl kırılma indeksinin ölçülmesinin pratik bir kullanımı yoktur.

Modern dijital cihazlar, sıvıların kırılma indeksini kolaylıkla ve yüksek seviyede bir doğrulukta belirleyebilir. Bununla birlikte, yüksek çözünürlüklü cihazlar doğru sonuç alınacağını garanti etmez. Doğru ölçüm prensiplerinin uygulanması gerekir.

Örneğin, prizmanın yeteri kadar temiz olmamasının veya eski numunenin bir bezle silinmesiyle yetinilmesinin bir sonraki ölçümünüzü büyük oranda yanıltabileceğini biliyor muydunuz?

Bu cihazlar, prizmanın yüzeyindeki toplam yansıma açısını ölçtüğünden, eski numuneden kalan en ince tabaka bile üzerine eklenen yeni numunenin kırılma indeksi ölçümünü önemli ölçüde etkiler.

"Kırılma İndeksi Ölçümü Kılavuzu"nu indirerek sıvıların kırılma indeksini ölçerken hatalardan kaçınmanızı sağlayacak faydalı ipuçlarını ve püf noktalarını öğrenin.

İster kimyasallar, gıdalar ve içeceklerle ister hamurumsu veya sıvı olan diğer ürünlerle çalışın, kırılma indeksi analizlerinizi iyileştirmek için hesaba katmanız gereken önemli ayrıntılar vardır. Bunlar aşağıdakilere benzer soruları içerir:

• Cihazımı hangi sıklıkta kalibre etmeliyim?
• Ölçüm hücresini/prizmasını temizlemek için hangi çözücüyü kullanmalıyım?
• Numunem hamurumsu/koyu kıvamlı. Bu numuneyi kullanmanın ve ölçmenin en iyi yolu nedir?

Bu sorulara verilen yanıtlar, tayin işlemlerinizi doğrudan etkileyebilir. Kırılma indeksi, Brix ve yoğunluk ölçümü hakkında en sık sorulan sorulara yanıt veren etkileşimli kitapçığımızı inceleyin.