Рефрактометр, как он работает и роль в пищевой промышленности

Jun 13, 2023

Заполните форму ниже, и мы вышлем вам по электронной почте PDF-версию книги «Рефрактометр, как он работает и роль в пищевой промышленности».

Заполните форму ниже, чтобы разблокировать доступ ко ВСЕМ аудиостатьям.

Рефрактометр — это прибор, используемый для измерения показателя преломления (n) вещества. Это физическое свойство можно использовать для проведения различных оценок, например, для определения чистоты вещества (путем сравнения его значения n со стандартным значением) или для помощи в идентификации неизвестного вещества путем сравнения его значения n с эталонными значениями. 1 Рефрактометры универсальны по своей конструкции и использованию и способны предоставлять результаты в виде показателей преломления или, в других случаях, в виде прямых измерений таких параметров, как растворимые твердые вещества, концентрация сахара или соленость.

Как работает рефрактометр, показатель преломления и роль закона Снелла

Показатель преломления вещества определяется отношением скорости света в вакууме к скорости света, проходящего через испытуемое вещество, как описано в уравнении 1.

Показатель преломления (n) = (Скорость света в вакууме) (Скорость света в исследуемом веществе)

Уравнение 1: Определение показателя преломления вещества с использованием скорости света.

Когда свет перемещается из одной среды в другую, он меняет не только скорость, но и направление, что приводит к преломлению. Это явление представлено на рисунке 1, где луч света проходит через среды A и B со скоростями vA и vB соответственно.

Согласно закону Снеллиуса, соотношение между синусом угла падения и угла преломления равно показателю преломления второй среды2. Если рассматривать плоскость, перпендикулярную границе раздела, падающий и преломленный лучи образуют углы θA и θB: и показателей преломления сред A и B (nA и nB), можно установить следующее соотношение (уравнение 2):

sin⁡θA = nB = VAsin⁡θB nA VB

Уравнение 2: формула закона Снелла.

Приведенное выше уравнение показывает, что показатель преломления вещества можно найти, измеряя углы падения и преломления, а не измеряя скорость света.

Чтобы лучше понять принципы работы рефрактометров, следует рассмотреть еще одну фундаментальную концепцию — критический угол. По мере увеличения угла падающего светового луча увеличивается и угол преломления (см. рисунок 2А). При определенном угле падения угол преломления достигает 90°, что является максимально возможным углом преломления. В этой конкретной точке, известной как критический угол, луч света движется параллельно границе раздела, и любое дополнительное увеличение угла падения приведет к отражению света.3 Если теперь мы рассмотрим освещенную призму, находящуюся в контакте с жидкостью ( Рисунок 2Б), лучи, идущие ниже критического угла, преломляются, а лучи, идущие выше критического угла, отражаются. При наблюдении из правильного положения критический угол можно представить как переход между темными и светлыми областями. Зная показатель преломления призмы (nA), а также угол преломления θB при критическом угле (т. е. 90°), теперь можно определить показатель преломления жидкости (nB). Это соотношение определяет принцип работы большинства рефрактометров.4

Для точного определения показателя преломления вещества необходимо учитывать дополнительные соображения, в частности, из-за зависимости этого свойства от температуры и длины волны света, используемого для его измерения. Поэтому необходимо проявлять осторожность, чтобы контролировать или компенсировать изменения температуры и длины волны.1

Показатель преломления специфичен для вещества, что делает это свойство простым и эффективным методом определения характеристик материалов и оценки их чистоты. Когда испытуемый образец представляет собой простую смесь двух компонентов, таких как вода и сахар или вода и спирт, первым выбором для их определения является рефрактометр. Хотя более сложные смеси могут давать менее точные определения, рефрактометры все же могут давать приемлемые приближения к концентрации растворенного вещества, подходящие для контроля качества. По этой причине рефрактометры используются в лабораториях, на производстве и в производственных областях, поскольку они просты в использовании, не требуют особого обслуживания и обеспечивают быстрые результаты. Показатель преломления раствора обычно прямо пропорционален его объемной концентрации (м/В), которую можно преобразовать в массовую концентрацию (м/м) при умножении на коэффициент плотности. Это соотношение позволяет взаимно сравнивать данные показателя преломления и удельного веса. Удельный вес или относительная плотность вещества — это отношение плотности к плотности стандартного вещества, обычно воды при температуре 4 °C. Относительную плотность жидкости можно определить с помощью ареометра, который представляет собой устройство, состоящее из герметичной стеклянной трубки с прикрепленной к дну колбой, выполняющей роль балласта. Эти устройства имеют определенную плотность, и, исходя из плавучести ареометра, удельный вес жидкости, в которой он находится, можно определить по напечатанной на нем шкале. Альтернативно удельный вес жидкости можно определить с помощью пикнометра, который представляет собой стеклянную емкость заданного объема и специальную пробку, позволяющую полностью заполнить емкость и выйти пузырькам газа. Это устройство позволяет очень точно измерить объем, что позволяет определить удельный вес жидкости.6 И удельный вес, и показатель преломления можно использовать для определения состава бинарных смесей, что важно для контроля процесса и оценки качества. . Ареометры недороги и просты в использовании, что делает их идеальными, например, для домашних пивоваров. Однако рефрактометрия обеспечивает более быстрые и прямые определения, требует гораздо меньших образцов, чем измерения удельного веса, и может быть более портативным, что делает его предпочтительным выбором для большинства применений в промышленности и производстве продуктов питания.