굴절계 주요 특징을 결정하는 물질의 굴절률을 측정 물질의 광학 분석하는 방법이다. 빛이 한 매체에서 다른 매체로 이동할 때 이러한 매체의 특성에 따라 방향이 변경된다는 사실에 기반합니다.
진공 상태에서 빛의 속도는 c = 300,000 km / s이지만 물에서는 예를 들어 v = 225,000 km / s로 감소합니다. 굴절률 n은 c / v 비율로 정확하게 정의됩니다.
그림 1. 과일의 당 함량을 측정하는 데 사용되는 굴절계. 출처 : Wikimedia Commons.
특정 파장의 빛이 두 가지 다른 물질을 제한하는 표면에서 미리 정해진 각도로 떨어지는 경우를 가정 해 보겠습니다. 그러면 각 매체가 다른 굴절률을 갖기 때문에 광선의 방향이 변경됩니다.
굴절률 계산 방법
Snell의 법칙은 두 미디어 1과 2 사이의 굴절률을 다음과 같이 관련시킵니다.
여기서 n 1 은 매체 1의 굴절률, θ 1 은 경계면에서 광선의 입사각, n 2 는 매체 2 의 굴절률, θ 2 는 굴절 각도입니다. 전송 된 빔이 계속됩니다.
그림 2. 두 개의 다른 매체를 비추는 광선. 출처 : Wikimedia Commons.
재료의 굴절률은 일정하며 특정 물리적 조건에서 알려져 있습니다. 이를 통해 다른 매체의 굴절률을 계산할 수 있습니다.
예를 들어, 빛이 지수가 n 1 인 유리 프리즘을 통과 한 다음 지수를 알고 싶은 물질을 통과하여 입사각과 굴절각을 신중하게 측정하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
굴절계의 유형
굴절계는 표면이 평평하고 매끄러운 액체 또는 고체의 굴절률을 측정하는 도구입니다. 굴절계에는 두 가지 유형이 있습니다.
-아베 굴절계와 같은 광학 수동 유형.
-디지털 굴절계.
-아베 굴절계와 같은 광학 수동식
아베 굴절계는 19 세기에 광학 및 열역학의 발전에 크게 기여한 독일 물리학자인 Ernst Abbe (1840-1905)에 의해 발명되었습니다. 이 유형의 굴절계는 식품 산업 및 교육 실험실에서 널리 사용되며 기본적으로 다음으로 구성됩니다.
-광원으로서의 램프, 일반적으로 나트륨 증기이며 파장이 알려져 있습니다. 모든 가시 파장을 포함하는 일반 백색광을 사용하는 모델이 있지만 원하지 않는 파장을 제거하는 Amici 프리즘이라는 프리즘이 내장되어 있습니다.
-조명 프리즘과 다른 굴절 프리즘, 그 사이에 인덱스를 측정 할 샘플이 배치됩니다.
-온도계는 굴절률이 온도에 따라 다르기 때문에.
-이미지 조정 메커니즘.
-관찰자가 측정을 수행하는 접안 렌즈.
이러한 기본 부품의 배열은 디자인에 따라 다를 수 있습니다 (왼쪽 그림 3 참조). 다음으로 우리는 작동 원리를 볼 것입니다.
그림 3. 왼쪽에는 Abbe 굴절계가 있고 오른쪽에는 기본 작동 다이어그램이 있습니다. 출처 : Wikimedia Commons. 丰泽 一号
Abbe 굴절계의 작동 원리
절차는 다음과 같습니다. 샘플은 고정 된 굴절 프리즘과 고정 가능한 조명 프리즘 사이에 배치됩니다.
굴절 프리즘은 광택이 높고 굴절률이 높으며 조명 프리즘은 접촉면이 무광택이며 거칠습니다. 이런 식으로 램프가 켜지면 빛이 샘플의 모든 방향으로 방출됩니다.
그림 3의 Ray AB는 가능한 가장 큰 편차를 가지고 있으므로 C 지점의 오른쪽에서 관찰자는 음영 처리 된 필드를 볼 수 있고 왼쪽의 섹터는 조명됩니다. 이제 조정 메커니즘이 작동합니다. 원하는 것은 두 필드의 크기를 동일하게 만드는 것입니다.
이를 위해 접안 렌즈에 보조 표시가 있으며 이는 디자인에 따라 다르지만 필드를 중앙에 배치하는 역할을하는 교차 또는 다른 유형의 신호일 수 있습니다.
두 필드를 동일한 크기로 만들면 임계 각도 또는 한계 각도를 측정 할 수 있습니다. 즉, 투과 된 광선이 매체를 분리하는 표면을 지나가는 각도입니다 (그림 4 참조).
이 각도를 알면 프리즘의 굴절률을 사용하여 샘플의 굴절률을 직접 계산할 수 있습니다. 아래에서 더 자세히 살펴 보겠습니다.
임계 각도
다음 그림에서 임계각 θ c 는 광선이 경계 표면 바로 위로 이동하는 각도임을 알 수 있습니다.
각도가 더 증가하면 빔은 중간 2에 도달하지 않지만 반사되어 중간 1에서 계속됩니다.이 경우에 적용되는 Snell의 법칙은 다음과 같습니다. sin θ 2 = sin 90º = 1, 이는 직접적으로 이어집니다. 매질 2의 굴절률 :
그림 4. 임계 각도. 출처 : F. Zapata.
글쎄요, 임계각은 접안 렌즈를 통해 보이는 빛과 그림자의 영역의 크기를 동일시함으로써 정확하게 얻어지며 눈금도 관찰됩니다.
스케일은 일반적으로 굴절률을 직접 판독하기 위해 보정되므로 굴절계 모델에 따라 작업자는 다음 이미지에서 관찰되는 것과 유사한 것을 보게됩니다.
그림 5. 굴절계의 눈금은 굴절률을 직접 제공하도록 보정됩니다. 출처 : 굴절계. 오레곤 주립 대학.
수직선의 도움으로 위쪽 눈금은 주요 측정 값 인 1.460을 나타내고 아래쪽 눈금은 0.00068을 나타냅니다. 추가 할 때 굴절률은 1.46068입니다.
파장의 중요성
조명 프리즘에 떨어지는 빛은 방향을 바꿉니다. 그러나 전자기파이기 때문에 변화는 입사 파의 길이 인 λ에 따라 달라집니다.
백색광은 모든 파장을 포함하기 때문에 각 파장은 다른 정도로 굴절됩니다. 흐릿한 이미지를 생성하는 이러한 혼합을 방지하려면 고해상도 굴절계에 사용되는 빛이 고유하고 알려진 파장을 가져야합니다. 가장 많이 사용되는 것은 파장이 589.6 nm 인 소위 나트륨 D 라인입니다.
너무 많은 정밀도가 필요하지 않은 경우에는 파장이 혼합되어 있어도 자연광으로 충분합니다. 그러나 이미지에서 밝은 부분과 어두운 부분 사이의 가장자리가 흐려지는 것을 방지하기 위해 일부 모델은 Amici의 보정 프리즘을 추가합니다.
장점과 단점
굴절계는 물질의 순도를 알 수있는 빠르고 저렴하며 신뢰할 수있는 기술이므로 화학, 생물 분석 및 식품 기술에 널리 사용됩니다.
하지만 굴절률이 같은 물질이 다르기 때문에 어떤 물질이 분석되고 있는지 알아야합니다. 예를 들어, 시클로 헥산과 일부 설탕 용액은 20 ° C의 온도에서 동일한 굴절률을 갖는 것으로 알려져 있습니다.
한편, 굴절률은 굴절 용액의 압력과 농도 외에도 위에서 언급했듯이 온도에 크게 의존합니다. 고정밀 측정이 필요한 경우 이러한 모든 매개 변수를주의 깊게 모니터링해야합니다.
사용할 굴절계의 유형은 용도에 따라 많이 달라집니다. 다음은 주요 유형의 몇 가지 특성입니다.
수동 아베 굴절계
-신뢰할 수 있고 유지 보수가 적은 도구입니다.
-일반적으로 저렴합니다.
-굴절계의 기본 원리에 익숙해지는 데 매우 적합합니다.
-샘플과 접촉하는 프리즘의 표면이 긁히지 않도록주의해야합니다.
-매번 사용 후 청소해야하지만 종이나 거친 재료로는 청소할 수 없습니다.
-굴절계 운영자는 교육을 받아야합니다.
-각 측정은 손으로 등록해야합니다.
-일반적으로 특정 범위의 물질에 대해 특별히 보정 된 저울과 함께 제공됩니다.
-보정이 필요합니다.
-수조 온도 조절 시스템은 사용이 번거로울 수 있습니다.
디지털 굴절계
-측정 값이 화면에 직접 나타나기 때문에 읽기 쉽습니다.
-그들은 고정밀 판독을 위해 광학 센서를 사용합니다.
-그들은 얻은 데이터를 저장하고 내보낼 수 있으며 언제든지 상담 할 수 있습니다.
-굴절률을 측정하기 어려운 물질이라도 매우 정확합니다.
-다른 스케일을 프로그래밍 할 수 있습니다.
-물로 온도 조절이 필요하지 않습니다.
-일부 모델은 밀도 측정을 통합하거나 밀도 계, pH 미터 등에 연결하여 시간을 절약하고 동시 측정을 얻을 수 있습니다.
-재 보정은 필요하지 않지만, 증류수 등 잘 알려진 물질의 굴절률을 측정하여 제대로 작동하는지 수시로 확인합니다.
-수동 굴절계보다 비쌉니다.
응용
샘플의 굴절률을 알면 순도를 나타내므로이 기술이 식품 산업에서 널리 사용됩니다.
-오일의 품질 관리에서 순도를 결정합니다. 예를 들어 굴절계를 통해 다른 저품질 오일을 추가하여 해바라기 오일이 낮아 졌는지 알 수 있습니다.
그림 6. 식품 기술 연구소. 출처 : Piqsels.
-설탕 음료, 잼, 우유 및 그 파생물 및 다양한 소스의 당 함량을 알기 위해 식품 산업에서 사용됩니다.
-그들은 또한 당도 및 알코올 함량을 결정하기 위해 와인 및 맥주의 품질 관리에 필요합니다.
-시럽, 향수, 세제 및 모든 종류의 에멀젼의 품질 관리를위한 화학 및 제약 산업에서.
-단백질 대사로 인한 노폐물 인 요소의 혈중 농도를 측정 할 수 있습니다.
참고 문헌
- 화학 실험실 기법. 굴절계. 출처 : 2.ups.edu.
- Gavira, J. 굴절계. 출처 : triplenlace.com
- 메틀 러-톨레도. 밀도 및 굴절 측정을위한 다양한 기술 비교. 출처 : mt.com.
- Net InterLab. 굴절계 란 무엇이며 용도는 무엇입니까? 출처 : net-interlab.es.
- 오레곤 주립 대학. 굴절계의 원리. 출처 : sites.science.oregonstate.edu.