Il rifrattometria è un metodo di analisi ottica delle sostanze che misura l'indice di rifrazione di una sostanza per determinarne le caratteristiche principali. Si basa sul fatto che la luce, passando da un medium all'altro, subisce un cambio di direzione che dipende dalla natura di questi media..
La velocità della luce nel vuoto è c = 300.000 km / s, ma in acqua, ad esempio, diminuisce av = 225.000 km / s. Indice di rifrazione n è definito appunto come il quoziente CV.
Supponiamo che la luce di una certa lunghezza d'onda cada con un angolo predeterminato sulla superficie che limita due materiali diversi. Quindi la direzione del raggio cambierà, perché ogni mezzo ha un indice di rifrazione diverso.
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La legge di Snell mette in relazione l'indice di rifrazione tra due mezzi 1 e 2 come:
n1 sen θ1 = nDue sen θDue
Qui n1 è l'indice di rifrazione nel mezzo 1, θ1 è l'angolo di incidenza del raggio sulla superficie limite, nDue è l'indice di rifrazione nel mezzo 2 eDue è l'angolo di rifrazione, in cui continua il raggio trasmesso.
L'indice di rifrazione dei materiali è costante ed è noto in determinate condizioni fisiche. Con questo puoi calcolare l'indice di rifrazione di un altro mezzo.
Ad esempio, se la luce passa attraverso un prisma di vetro il cui indice è n1 e quindi per la sostanza di cui vogliamo conoscere l'indice, misurando attentamente l'angolo di incidenza e l'angolo di rifrazione, otteniamo:
nDue = (sin θ1 / sen θDue). n1
Il rifrattometro è uno strumento che misura l'indice di rifrazione di un liquido o di un solido con facce piatte e lisce. Esistono due tipi di rifrattometri:
-Tipo ottico-manuale come il rifrattometro di Abbe.
-Rifrattometri digitali.
Il rifrattometro di Abbe fu inventato nel XIX secolo da Ernst Abbe (1840-1905), un fisico tedesco che contribuì in modo significativo allo sviluppo dell'ottica e della termodinamica. Questo tipo di rifrattometro trova largo impiego nell'industria alimentare e nei laboratori didattici ed è costituito essenzialmente da:
-Una lampada come sorgente luminosa, generalmente vapore di sodio, la cui lunghezza d'onda è nota. Esistono modelli che utilizzano la normale luce bianca, che contiene tutte le lunghezze d'onda visibili, ma hanno prismi incorporati chiamati Prismi di Amici, che eliminano le lunghezze d'onda indesiderate.
-UN prisma di illuminazione e altro prisma rifrangente, tra cui si colloca il campione di cui misurare l'indice.
-Termometro, poiché l'indice di rifrazione dipende dalla temperatura.
-Meccanismi di regolazione dell'immagine.
-L'oculare, attraverso il quale l'osservatore effettua la misura.
La disposizione di queste parti di base può variare a seconda del design (vedere la figura 3 a sinistra). Quindi vedremo i principi di funzionamento.
La procedura è la seguente: il campione viene posto tra il prisma di rifrazione - che è fisso - e il prisma di illuminazione - inclinabile-.
Il prisma di rifrazione è molto lucido e il suo indice di rifrazione è alto, mentre il prisma di illuminazione è opaco e ruvido sulla superficie di contatto. In questo modo, all'accensione della lampada, la luce viene emessa in tutte le direzioni sul campione..
Il raggio AB in figura 3 è quello con la maggiore deviazione possibile, quindi a destra del punto C un osservatore vedrà un campo ombreggiato, mentre il settore a sinistra sarà illuminato. Il meccanismo di regolazione entra ora in azione, poiché ciò che si cerca è fare in modo che i due campi abbiano la stessa dimensione.
Per questo è presente un segno di aiuto sull'oculare, che varia a seconda del design, ma può essere una croce o un altro tipo di segnale, che serve a centrare i campi.
Rendendo i due campi della stessa dimensione, si può misurare l'angolo critico o angolo limite, che è l'angolo al quale passerebbe il raggio trasmesso sfiorando la superficie che separa il mezzo (vedi figura 4).
La conoscenza di questo angolo permette di calcolare direttamente l'indice di rifrazione del campione, prendendo quello del prisma. Vediamolo più in dettaglio di seguito..
Nella figura seguente vediamo che l'angolo critico θc è quello in cui il raggio viaggia appena sopra la superficie limite.
Se l'angolo viene aumentato ulteriormente, il raggio non raggiunge il centro 2, ma viene riflesso e continua nel mezzo 1. La legge di Snell applicata a questo caso sarebbe: sin θDue = sin 90º = 1, che porta direttamente all'indice di rifrazione nel mezzo 2:
nDue = n1 sen θc
Ebbene, l'angolo critico si ottiene proprio equiparando la dimensione dei campi di luce e ombra visti attraverso l'oculare, attraverso i quali si osserva anche una scala graduata.
La scala è solitamente calibrata per la lettura diretta dell'indice di rifrazione, quindi a seconda del modello del rifrattometro, l'operatore vedrà qualcosa di simile a quanto osservato nell'immagine seguente:
La scala superiore, con l'aiuto della linea verticale, indica la misura principale: 1.460, mentre la scala inferiore indica 0.00068. Quando si aggiunge, abbiamo l'indice di rifrazione 1.46068.
La luce che cade sul prisma di illuminazione cambierà la sua direzione. Ma poiché è un'onda elettromagnetica, la variazione dipenderà da λ, la lunghezza dell'onda incidente.
Poiché la luce bianca contiene tutte le lunghezze d'onda, ognuna viene rifratta in misura diversa. Per evitare questa miscelazione che si traduce in un'immagine sfocata, la luce utilizzata in un rifrattometro ad alta risoluzione deve avere una lunghezza d'onda unica e nota. La più utilizzata è la cosiddetta linea D del sodio, la cui lunghezza d'onda è di 589,6 nm.
Nei casi in cui non è richiesta troppa precisione, la luce naturale è sufficiente, anche se contiene una miscela di lunghezze d'onda. Tuttavia, per evitare di sfocare il bordo tra le aree chiare e scure dell'immagine, alcuni modelli aggiungono i prismi di compensazione di Amici..
La rifrattometria è una tecnica veloce, economica e affidabile per conoscere la purezza di una sostanza, motivo per cui è ampiamente utilizzata in chimica, bioanalisi e tecnologia alimentare..
Ma poiché ci sono diverse sostanze con lo stesso indice di rifrazione, è necessario sapere quale si sta analizzando. Ad esempio, è noto che il cicloesano e alcune soluzioni zuccherine hanno lo stesso indice di rifrazione a una temperatura di 20 ° C..
D'altra parte, l'indice di rifrazione è fortemente dipendente dalla temperatura, come detto sopra, oltre alla pressione e concentrazione della soluzione rifrattiva. Tutti questi parametri devono essere attentamente monitorati quando sono richieste misurazioni di alta precisione..
Quanto al tipo di rifrattometro da utilizzare, dipende molto dall'applicazione a cui è destinato. Ecco alcune caratteristiche delle principali tipologie:
-È uno strumento affidabile e che richiede poca manutenzione.
-Di solito sono economici.
-Molto appropriato per familiarizzare con i principi fondamentali della rifrattometria.
-Bisogna fare attenzione a non graffiare la superficie del prisma a contatto con il campione..
-Deve essere pulito dopo ogni utilizzo, ma non può essere eseguito con carta o materiali ruvidi.
-L'operatore del rifrattometro deve avere una formazione.
-Ogni misurazione deve essere registrata a mano.
-Di solito sono dotati di bilance calibrate specificamente per una certa gamma di sostanze..
-Necessitano di essere calibrati.
-Il sistema di controllo della temperatura del bagno d'acqua può essere complicato da usare.
-Sono facili da leggere, poiché la misurazione appare direttamente su uno schermo.
-Utilizza sensori ottici per letture di alta precisione.
-Hanno la possibilità di memorizzare ed esportare i dati ottenuti e di poterli consultare in qualsiasi momento.
-Sono estremamente precisi, anche per sostanze il cui indice di rifrazione è difficile da misurare.
-È possibile programmare scale differenti.
-Non richiedono la regolazione della temperatura con l'acqua.
-Alcuni modelli incorporano misure di densità, ad esempio, o possono essere collegati a densimetri, pHmetri e altri, per risparmiare tempo e ottenere misurazioni simultanee.
-Non è necessario ricalibrarli, ma verificarne di volta in volta il corretto funzionamento misurando l'indice di rifrazione di sostanze note, come ad esempio l'acqua distillata..
-Sono più costosi dei rifrattometri manuali.
Conoscere l'indice di rifrazione di un campione indica il suo grado di purezza, motivo per cui la tecnica è ampiamente utilizzata nell'industria alimentare:
-Nel controllo di qualità degli oli, per determinarne la purezza. Ad esempio, attraverso la rifrattometria è possibile sapere se un olio di girasole è stato abbassato aggiungendo altri oli di qualità inferiore.
-Viene utilizzato nell'industria alimentare per conoscere il contenuto di zucchero in bevande zuccherate, marmellate, latte e suoi derivati e salse varie.
-Sono anche necessari nel controllo di qualità di vini e birre, per determinare il contenuto di zucchero e il contenuto di alcol..
-Nell'industria chimica e farmaceutica per il controllo qualità di sciroppi, profumi, detergenti e tutti i tipi di emulsioni.
-Possono misurare la concentrazione di urea - uno spreco del metabolismo delle proteine - nel sangue.
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