رفرکتومتر چیست؟

رفرکتومتر چیست؟

اشتراک گذاری در email
اشتراک گذاری در twitter
اشتراک گذاری در linkedin
اشتراک گذاری در facebook
اشتراک گذاری در telegram
اشتراک گذاری در whatsapp
رفرکتومتر وسیله ای نوری است که می توان از آن برای اندازه گیری ضریب شکست ماده استفاده کرد و با تبدیل ضریب شکست، می توان وزن مخصوص، میزان قند (Brix یا Plato) را بدست آورد و کاربردهای زیادی در صنایع گوناگون دارد. همچنین این دستگاه وسیله ای برای اندازه گیری سرعت نور است؛ اگرچه نتیجه کار مستقیماً توسط میزان نور مشخص نمی شود اما به صورت وابسته به سرعت نور است.

فهرست مطالب

رفرکتومتر وسیله ای نوری است که می توان از آن برای اندازه گیری ضریب شکست ماده (معمولاً مایع ولی برای جامدات نیز به کار می رود) استفاده کرد و با تبدیل ضریب شکست، می توان وزن مخصوص، میزان قند (Brix یا Plato) را بدست آورد. هنگامی که پرتو نور از یک محیط  وارد محیطی  دیگر با غلظت  متفاوت  می شود، به دلیل  تغییرسرعت عبوری  پرتو نو، مسیر آن از مسیر اولیه منحرف می گردد. این پدیده شکست نور نام دارد. در صورتی که محیط دوم از محیط اول ضریب شکست  بیشتری داشته باشد نور به خط عمود بر فصل مشترک دو محیط نزدیکتر می گردد و در صورتی که غلظت کمتری داشته باشد از خط عمود بر سطح دور می شود. رفرکتومتر نیز وسیله ای برای اندازه گیری سرعت نور است؛ اگرچه نتیجه کار مستقیماً توسط میزان نور مشخص نمی شود اما به صورت وابسته به سرعت نور است.

بازتاب داخلی کلی

قبل از پرداختن به اساس کار رفرکتومتر به یک موضوع مهم فیزیکی به نام بازتاب داخلی کلی می پردازیم. زیرا رفرکتومتر بر پایه همین پدیده ساخته شده است. برای درک کامل بازتاب داخلی، با یک آزمایش فکری شروع می کنیم. فرض کنید که یک پرتوی لیزر در داخل یک مخزن آب به سمت مرز بین آب و هوا  تابانده می شود. سپس فرض کنید که زاویه ای که نوری به سمت بالا تابیده شده به آرامی تغییر می کند و رفته رفته به سمت زوایای بزرگتر شروع به حرکت می کند. طبق اصول فیزیکی نور هم بازتابیده می شود و هم پدیده شکست رخ می دهد. همچنین مشاهده خواهیم کرد که شدت اشعه منعکس شده و شکسته شده (انکسار) ثابت نمی ماند. در زاویه تابش نزدیک به ۰ درجه، بیشتر انرژی نور از مرز عبور می کند و تعداد کمی از آن بازتاب می یابد. هرچه زاویه تابش به زوایای بیشتر افزایش یابد، شدت شکست کمتر و بازتابش بیشتری خواهیم  داشت. یعنی هرچه زاویه تابش افزایش می یابد، میزان روشنایی اشعه شکست خورده کاهش یافته و میزان روشنایی اشعه منعکس شده افزایش می یابد. سرانجام، ما مشاهده خواهیم کرد که زوایای بازتاب و انکسار برابر هستند. از آنجا که امواج نور از حالت طبیعی یعنی زاویه صفر درجه دور می شوند، زاویه انکسار از زاویه تابش بیشتر خواهد بود. اگر زاویه نور فرودی ۶۰ درجه باشد، دیگر هیچ اشعه انکساری وجود نخواهد داشت یعنی نور کاملاً منعکس می شود. این اصول در نمودار زیر به تصویر کشیده شده است. به این حالت بازتابش کلی گفته می شود.

اساس کار رفرکتومتر

ضریب شکست nD (ضریب شکست ماده مجهول)، نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت نور در یک نمونه است. اساس کار رفرکتومتر در تابش نور مرئی با یک طول موج مشخص و هدایت این نور به سمت محلول مورد نظر و عبور آن است که چون ضریب شکست این دو محیط با یکدیگر متفاوت است، بخشی از نور بازتاب شده و مابقی آن وارد مایع می‌شود. میزان شکست نور مانند اثر انگشت برای محلول هایی با غلظت یکسان و در دما و فشار برابر منحصر به فرد است.

نحوه کار رفرکتومتر به این صورت است که نوری تحت زوایای مختلف به یک منشور که در تماس مستقیم با نمونه است تابیده می شود. وقتی که نور تابشی به مرز مشترک نمونه و منشور تابیده می شود تحت زاویه های مختلفی شکسته می شود. تحت زاویه خاصی بازتاب داخلی رخ می دهد و در این زاویه تمام نور تابشی بازتابیده می شود و یک منطقه روشن و غیر روشن در آشکارساز ظاهر می شود. زاویه ای که از آن بازتاب کل داخلی بوجود می آید، به طرز چشمگیری دو منطقه را از هم جدا می کند، از طریق آن می توان ضریب شکست را تعیین کرد. ضریب شکست اطلاعاتی در مورد خلوص ماده می دهد، اما ترکیب دقیق آن نیست. مثلاً در مورد عسل، میزان جذب نور به مقدار آب بستگی دارد. هرچه میزان آب بیشتر باشد، سرعت نور در عسل سریعتر و ضریب شکست کمتر می شود.

 ساختار رفرکتومتر

دستگاه رفرکتومتر از اجزاء و قسمت‌های زیر تشکیل شده است:
۱) دو منشور که یکی انتشار دهنده Diffusing prism و دیگری شکست دهنده Refracting prism است. نمونه مورد نظر بین این دو منشور قرار می گیرد. نور وارد منشور انتشار دهنده شده و تجزیه می شود، این نور با مشخص وارد نمونه مورد آزمایش شده و سپس به منشور Refracting می رود. (ورود نور از محیط رقیق به غلیظ). قبل از هر بار ریختن محلول، منشورها کاملا تمیز شده و با مقدار کمی از محلول موردنظر، شستشو داده می شود.
۲) دو لنز که یکی لنز تصویر و دیگری لنز n (ضریب شکست) است.
۳) ترمومتر: جهت تنظیم و گزارش دما
۴) پیچ هایی جهت تنظیم تصویر
طراحی اولین نمونه از این دستگاه در اواخر دهه ۱۸۰۰ میلادی توسط ارنست آبه صورت گرفت. آن دستگاه شامل ترمومترهای توکار و حمام سیرکولاتورهای آب بودن که برای کنترل دمای دستگاه و مایعات استفاده می شد. پس از آن دستگاه‌ها مجهز به میکروسکوپ نیز شدند. امروزه این دستگاه در چهار نوع موجود است: رفرکتومتر دستی آنالوگ، رفرکتومتر رومیزی، رفرکتومتر دستی دیجیتال و رفرکتومتر آنلاین.

برای کالیبراسیون و تعیین میزان خطای دستگاه از مواد در دسترس مانند آب مقطر(۳۳۲۵/۱= n) استفاده می کنیم. در برخی رفرکتومترها نور از بین لایه نازکی از نمونه مایع عبور می کند.

کاربردها

دستگاه رفرکتومتر کاربردهای زیادی در صنایع گوناگون دارد. کاربرد‌های رفرکتومتر در صنایع غذایی، دارویی و شیمیایی برای تعیین ضریب شکست، درصد غلظت و اندازه‌گیری بریکس محلول‌ها در حین و پس از پروسۀ تولید می‌باشد. این دستگاه قابلیت اندازه‌گیری ضریب شکست نور و نیز “بریکس” را برای یک محلول دارا می‌باشد. علاوه بر اینها از رفرکتومتر برای اندازه‌گیری غلظت مواد حل شده در حلال مانند درصد غلظت نمک طعام در حوضچه‌های پرورش ماهی و یا تعیین میزان آب در عسل استفاده می‌شود. در صنایع غذایی هم این دستگاه کاربرد بسیار زیادی دارد به طور مثال در کارخانه های قند برای تعیین بریکس محلول قند و یا میزان الکل در نوشیدنی ها استفاده می شود. در پزشکی برای پی بردن به میزان اوره و پروتئین خون، میزان نمک موجود در آن و غلظت مایعات مختلف استفاده می شود و مهمترین کاربرد آن در پزشکی تعیین غلظت Urine در آزمایشگاه است. در صنایع خودرو سازی نیز جهت کنترل وزن مخصوص اسید باتری و ضد یخ نیز مورد استفاده قرار میکیرد.

بریکس واحدی است که بیان گر میزان ذرات جامد موجود در یک محلول است و اصولا به درصد حل شوندۀ حل شده در پایۀ حلال بستگی دارد. مقیاس بریکس توانایی محلول نمونه را بر حسب درصد جرمی بیان میکند. هر چه درجه بریکس محلولی بیشتر باشد، چگالی مواد جامد در آن بیشتر و مقدار آب آن کمتر است. در نظر گرفتن دمای محیط در هنگام اندازه‌گیری بسیار مهم است، مناسب ترین رنج دمایی ۱۸ تا ۲۲ درجه سانتیگراد میباشد.

dapibus ipsum id et, libero. pulvinar Lorem eget venenatis, diam porta. libero