การหักเหของแสง: เหตุผลประเภทของเครื่องวัดการหักเหของแสงการใช้งาน - เคมี - 2026

เครื่องวัดการหักเหของแสงเป็นวิธีการวิเคราะห์ทางแสงของสารที่วัดดัชนีการหักเหของสารเพื่อกำหนดคุณสมบัติหลัก มันขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าแสงเมื่อผ่านจากสื่อหนึ่งไปยังอีกสื่อหนึ่งจะมีการเปลี่ยนทิศทางซึ่งขึ้นอยู่กับลักษณะของสื่อเหล่านี้

ความเร็วของแสงในสุญญากาศคือ c = 300,000 กม. / วินาที แต่ในน้ำจะลดลงเป็น v = 225,000 กม. / วินาที ดัชนีหักเห n ถูกกำหนดอย่างแม่นยำเป็นอัตราส่วน c / v

รูปที่ 1. เครื่องวัดการหักเหของแสงใช้ในการวัดปริมาณน้ำตาลในผลไม้ ที่มา: Wikimedia Commons

สมมติว่าแสงของความยาวคลื่นหนึ่งตกในมุมที่กำหนดไว้ล่วงหน้าบนพื้นผิวซึ่ง จำกัด วัสดุสองชนิดที่แตกต่างกัน จากนั้นทิศทางของรังสีจะเปลี่ยนไปเนื่องจากตัวกลางแต่ละชนิดมีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกัน

วิธีการคำนวณดัชนีการหักเหของแสง

กฎของ Snell เกี่ยวข้องกับดัชนีการหักเหของแสงระหว่างสองสื่อ 1 และ 2 ดังนี้:

ในที่นี้ n ₁คือดัชนีการหักเหของแสงในตัวกลาง 1, θ ₁คือมุมตกกระทบของรังสีบนพื้นผิวขอบเขต n ₂คือดัชนีการหักเหของแสงในตัวกลาง 2 และθ ₂คือมุมของการหักเหในทิศทางใด ลำแสงที่ส่งยังคงดำเนินต่อไป

รูปที่ 2. รังสีของแสงกระทบสื่อสองชนิดที่แตกต่างกัน ที่มา: Wikimedia Commons

ดัชนีหักเหของวัสดุมีค่าคงที่และทราบภายใต้สภาวะทางกายภาพบางประการ ด้วยเหตุนี้จึงสามารถคำนวณดัชนีหักเหของตัวกลางอื่นได้

ตัวอย่างเช่นหากแสงผ่านปริซึมแก้วซึ่งมีดัชนีเป็น n ₁แล้วผ่านสารที่เราต้องการทราบดัชนีโดยวัดมุมตกกระทบและมุมหักเหอย่างระมัดระวังเราจะได้:

ประเภทของเครื่องวัดการหักเหของแสง

เครื่องวัดการหักเหของแสงเป็นเครื่องมือที่ใช้วัดดัชนีการหักเหของของเหลวหรือของแข็งที่มีหน้าเรียบและเรียบ เครื่องวัดการหักเหของแสงมีสองประเภท:

-Optical-manual ประเภทเช่น Abbe refractometer

- เครื่องวัดการหักเหของแสงแบบดิจิตอล

- ประเภทออปติคอลแมนนวลเช่นเครื่องวัดการหักเหของแสงของ Abbe

เครื่องวัดการหักเหของแสง Abbe ถูกประดิษฐ์ขึ้นในศตวรรษที่ 19 โดย Ernst Abbe (1840-1905) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันผู้มีส่วนสำคัญในการพัฒนา Optics และ Thermodynamics เครื่องวัดการหักเหของแสงประเภทนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหารและห้องปฏิบัติการการเรียนการสอนโดยทั่วไปประกอบด้วย:

- หลอดไฟเป็นแหล่งกำเนิดแสงโดยทั่วไปแล้วไอโซเดียมซึ่งทราบความยาวคลื่น มีโมเดลที่ใช้แสงสีขาวปกติซึ่งมีความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ทั้งหมด แต่มีปริซึมในตัวที่เรียกว่าปริซึม Amici ซึ่งกำจัดความยาวคลื่นที่ไม่ต้องการออกไป

- ปริซึมส่องสว่างและปริซึมหักเหอื่นระหว่างที่ตัวอย่างที่ต้องการวัดดัชนี

- เครื่องวัดอุณหภูมิเนื่องจากดัชนีหักเหขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

- กลไกการปรับภาพ

- ช่องมองภาพซึ่งผู้สังเกตการณ์ทำการวัด

การจัดเรียงชิ้นส่วนพื้นฐานเหล่านี้อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการออกแบบ (ดูรูปที่ 3 ด้านซ้าย) ต่อไปเราจะเห็นหลักการของการดำเนินการ

รูปที่ 3 ทางด้านซ้ายของเครื่องวัดการหักเหของแสง Abbe และทางด้านขวาจะมีแผนภาพการทำงานพื้นฐาน ที่มา: Wikimedia Commons 丰泽一号

Abbe Refractometer ทำงานอย่างไร

ขั้นตอนมีดังต่อไปนี้: ตัวอย่างถูกวางไว้ระหว่างปริซึมการหักเหของแสงซึ่งได้รับการแก้ไข - และปริซึมส่องสว่าง –fattable-

ปริซึมหักเหได้รับการขัดเงาสูงและดัชนีการหักเหของแสงสูงในขณะที่ปริซึมส่องสว่างจะเคลือบด้านและหยาบบนผิวสัมผัส ด้วยวิธีนี้เมื่อหลอดไฟเปิดอยู่แสงจะถูกปล่อยออกมาในทุกทิศทางบนตัวอย่าง

เรย์ AB ในรูปที่ 3 เป็นค่าที่มีค่าเบี่ยงเบนมากที่สุดดังนั้นทางด้านขวาของจุด C ผู้สังเกตจะเห็นฟิลด์สีเทาในขณะที่เซกเตอร์ทางด้านซ้ายจะสว่างขึ้น กลไกการปรับเปลี่ยนมาใช้งานได้แล้วเนื่องจากสิ่งที่คุณต้องการคือทำให้ทั้งสองฟิลด์มีขนาดเท่ากัน

สำหรับสิ่งนี้จะมีเครื่องหมายช่วยบนช่องมองภาพซึ่งแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการออกแบบ แต่อาจเป็นสัญญาณกากบาทหรือสัญญาณประเภทอื่นซึ่งทำหน้าที่จัดกึ่งกลางช่อง

ด้วยการทำให้ทั้งสองฟิลด์มีขนาดเท่ากันจะสามารถวัดมุมวิกฤตหรือมุม จำกัด ได้ซึ่งเป็นมุมที่รังสีที่ส่งผ่านไปยังพื้นผิวที่แยกสื่อออกมา (ดูรูปที่ 4)

การรู้มุมนี้ช่วยให้คำนวณดัชนีหักเหของตัวอย่างได้โดยตรงโดยใช้ปริซึมนั้น ลองดูรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่างนี้

มุมวิกฤต

ในรูปต่อไปนี้เราจะเห็นว่ามุมวิกฤตθ _cคือมุมที่รังสีเคลื่อนที่เหนือพื้นผิวขอบเขต

ถ้ามุมเพิ่มขึ้นอีกแล้วลำแสงจะไปไม่ถึงตรงกลาง 2 แต่สะท้อนและต่อตรงกลาง 1. กฎของสเนลล์ที่ใช้กับกรณีนี้จะเป็น: sin θ ₂ = sin 90º = 1 ซึ่งนำไปสู่โดยตรง ไปยังดัชนีการหักเหของแสงในตัวกลาง 2:

รูปที่ 4. มุมวิกฤต ที่มา: F. Zapata

มุมวิกฤตจะได้รับอย่างแม่นยำโดยการเทียบขนาดของช่องแสงและเงาที่มองเห็นผ่านช่องมองภาพซึ่งมีการสังเกตมาตราส่วนที่สำเร็จการศึกษาด้วย

โดยปกติสเกลจะได้รับการปรับเทียบสำหรับการอ่านค่าดัชนีหักเหโดยตรงดังนั้นผู้ปฏิบัติงานจะเห็นสิ่งที่คล้ายกับสิ่งที่สังเกตได้ในภาพต่อไปนี้:

รูปที่ 5. สเกลของเครื่องวัดการหักเหของแสงถูกปรับเทียบเพื่อให้ดัชนีหักเหโดยตรง ที่มา: Refractometry. มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอเรกอน

มาตราส่วนบนด้วยความช่วยเหลือของเส้นแนวตั้งระบุการวัดหลัก: 1.460 ในขณะที่มาตราส่วนล่างแสดง 0.00068 เมื่อเพิ่มดัชนีหักเหคือ 1.46068

ความสำคัญของความยาวคลื่น

แสงที่ตกกระทบกับปริซึมส่องสว่างจะเปลี่ยนทิศทาง แต่เนื่องจากเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าการเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับλความยาวของคลื่นตกกระทบ

เนื่องจากแสงสีขาวมีความยาวคลื่นทั้งหมดจึงหักเหในระดับที่ต่างกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการผสมนี้ที่ส่งผลให้เกิดภาพเลือนแสงที่ใช้ในเครื่องวัดการหักเหของแสงความละเอียดสูงจะต้องมีความยาวคลื่นที่เป็นเอกลักษณ์และเป็นที่รู้จัก ที่ใช้กันมากที่สุดคือสายโซเดียม D ซึ่งมีความยาวคลื่น 589.6 นาโนเมตร

ในกรณีที่ไม่ต้องการความแม่นยำมากเกินไปแสงธรรมชาติก็เพียงพอแม้ว่าจะมีความยาวคลื่นผสมกันก็ตาม อย่างไรก็ตามเพื่อหลีกเลี่ยงการเบลอขอบระหว่างแสงและความมืดในภาพบางรุ่นจะเพิ่มปริซึมชดเชยของ Amici

ข้อดีและข้อเสีย

การหักเหของแสงเป็นเทคนิคที่รวดเร็วราคาไม่แพงและเชื่อถือได้ในการทราบความบริสุทธิ์ของสารซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านเคมีการวิเคราะห์ทางชีวภาพและเทคโนโลยีอาหาร

แต่เนื่องจากมีสารหลายชนิดที่มีดัชนีการหักเหของแสงเหมือนกันจึงจำเป็นต้องทราบว่าสารใดกำลังถูกวิเคราะห์ ตัวอย่างเช่นไซโคลเฮกเซนและสารละลายน้ำตาลบางชนิดมีดัชนีการหักเหของแสงเท่ากันที่อุณหภูมิ 20 ° C

ในทางกลับกันดัชนีหักเหขึ้นอยู่กับอุณหภูมิดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นนอกเหนือจากความดันและความเข้มข้นของสารละลายหักเห พารามิเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้ต้องได้รับการตรวจสอบอย่างรอบคอบเมื่อต้องการการวัดที่มีความแม่นยำสูง

สำหรับประเภทของเครื่องวัดการหักเหของแสงที่จะใช้นั้นขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการ ลักษณะบางส่วนของประเภทหลักมีดังนี้

คู่มือ Abbe Refractometer

- เป็นเครื่องมือที่เชื่อถือได้และมีการบำรุงรักษาต่ำ

- มักมีราคาถูก

- เหมาะสมมากที่จะทำความคุ้นเคยกับหลักการพื้นฐานของการวัดการหักเหของแสง

- ต้องใช้ความระมัดระวังอย่าให้พื้นผิวของปริซึมสัมผัสกับตัวอย่าง

- ต้องทำความสะอาดทุกครั้งหลังการใช้งาน แต่ไม่สามารถทำได้ด้วยกระดาษหรือวัสดุหยาบ

- ผู้ปฏิบัติงานเครื่องวัดการหักเหของแสงต้องผ่านการฝึกอบรม

- การวัดแต่ละครั้งต้องลงทะเบียนด้วยมือ

- มักจะมาพร้อมกับเครื่องชั่งที่สอบเทียบโดยเฉพาะสำหรับสารบางประเภท

- ต้องมีการสอบเทียบ

- ระบบควบคุมอุณหภูมิอ่างน้ำอาจยุ่งยากในการใช้งาน

เครื่องวัดการหักเหของแสงดิจิตอล

- อ่านง่ายเนื่องจากการวัดจะปรากฏบนหน้าจอโดยตรง

- ใช้เซ็นเซอร์ออปติคัลเพื่อการอ่านค่าที่มีความแม่นยำสูง

- มีความสามารถในการจัดเก็บและส่งออกข้อมูลที่ได้รับและสามารถให้คำปรึกษาได้ตลอดเวลา

- มีความแม่นยำสูงแม้สำหรับสารที่มีดัชนีการหักเหของแสงยากที่จะวัด

- เป็นไปได้ที่จะตั้งโปรแกรมเครื่องชั่งต่างๆ

- ไม่ต้องปรับอุณหภูมิด้วยน้ำ

- บางรุ่นมีการวัดความหนาแน่นเช่นหรือสามารถเชื่อมต่อกับเครื่องวัดความหนาแน่นเครื่องวัด pH และอื่น ๆ เพื่อประหยัดเวลาและรับการวัดพร้อมกัน

- ไม่จำเป็นต้องปรับเทียบใหม่ แต่ควรตรวจสอบเป็นครั้งคราวว่าสารเหล่านี้ทำงานอย่างถูกต้องหรือไม่โดยการวัดดัชนีการหักเหของสารที่รู้จักกันดีเช่นน้ำกลั่นเป็นต้น

- มีราคาแพงกว่าเครื่องวัดการหักเหของแสงแบบแมนนวล

การประยุกต์ใช้งาน

การทราบดัชนีหักเหของตัวอย่างบ่งชี้ระดับความบริสุทธิ์ซึ่งเป็นสาเหตุที่เทคนิคนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหาร:

- ในการควบคุมคุณภาพของน้ำมันเพื่อตรวจสอบความบริสุทธิ์ ตัวอย่างเช่นการหักเหของแสงจะสามารถทราบได้ว่าน้ำมันดอกทานตะวันลดลงหรือไม่โดยการเติมน้ำมันคุณภาพต่ำอื่น ๆ

รูปที่ 6. ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีอาหาร ที่มา: Piqsels

- ใช้ในอุตสาหกรรมอาหารเพื่อทราบปริมาณน้ำตาลในเครื่องดื่มที่มีน้ำตาลแยมนมอนุพันธ์และซอสต่างๆ

- ยังจำเป็นในการควบคุมคุณภาพของไวน์และเบียร์เพื่อกำหนดปริมาณน้ำตาลและปริมาณแอลกอฮอล์

- ในอุตสาหกรรมเคมีและยาสำหรับการควบคุมคุณภาพของน้ำเชื่อมน้ำหอมผงซักฟอกและอิมัลชั่นทุกชนิด

- สามารถวัดความเข้มข้นของยูเรียซึ่งเป็นของเสียจากการเผาผลาญโปรตีนในเลือด

อ้างอิง

1. เทคนิคห้องปฏิบัติการเคมี. การหักเหของแสง กู้คืนจาก: 2.ups.edu.
2. Gavira, J. การหักเหของแสง. ดึงมาจาก: triplenlace.com
3. Mettler-Toledo การเปรียบเทียบเทคนิคต่าง ๆ ในการวัดความหนาแน่นและการหักเหของแสง สืบค้นจาก: mt.com.
4. อินเตอร์แล็บเน็ต. เครื่องวัดการหักเหของแสงคืออะไรและมีไว้เพื่ออะไร? ดึงมาจาก: net-interlab.es.
5. มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอเรกอน หลักการหักเหของแสง กู้คืนจาก: sites.science.oregonstate.edu.