قياس الانكسار: الأساس المنطقي ، أنواع أجهزة قياس الانكسار ، التطبيقات - كيمياء - 2026

و الإنكسار هو وسيلة لتحليل البصرية للمواد التي يقيس معامل الانكسار من مادة لتحديد معالمه الرئيسية. يعتمد على حقيقة أن الضوء ، عند مروره من وسيط إلى آخر ، يخضع لتغيير في الاتجاه يعتمد على طبيعة هذه الوسائط.

سرعة الضوء في الفراغ c = 300000 كم / ثانية ، ولكن في الماء ، على سبيل المثال ، تتناقص إلى v = 225000 كم / ثانية. يتم تعريف معامل الانكسار n بدقة على أنه نسبة c / v.

الشكل 1. مقياس إنكسار يستخدم لقياس محتوى السكر في الفاكهة. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

لنفترض أن الضوء ذو الطول الموجي المعين يسقط بزاوية محددة مسبقًا على السطح تحد من مادتين مختلفتين. ثم يتغير اتجاه الشعاع ، لأن لكل وسيط مؤشر انكسار مختلف.

كيفية حساب معامل الانكسار

يربط قانون سنيل مؤشر الانكسار بين وسيطين 1 و 2 على النحو التالي:

هنا n ₁ هو مؤشر الانكسار في الوسط 1 ، θ ₁ هي زاوية سقوط الشعاع على السطح الحدودي ، n ₂ هي مؤشر الانكسار في الوسط 2 و θ ₂ هي زاوية الانكسار ، وفي أي اتجاه تستمر الحزمة المرسلة.

الشكل 2. شعاع من الضوء يضرب وسيطتين مختلفتين. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

معامل الانكسار للمواد ثابت ومعروف في ظل ظروف فيزيائية معينة. باستخدام هذا يمكن حساب معامل الانكسار لوسط آخر.

على سبيل المثال ، إذا مر الضوء عبر منشور زجاجي مؤشره n ₁ ثم عبر المادة التي نريد أن نعرف مؤشرها ، بقياس زاوية السقوط وزاوية الانكسار بعناية ، نحصل على:

أنواع أجهزة قياس الانكسار

مقياس الانكسار هو أداة تقيس معامل الانكسار لسائل أو مادة صلبة ذات أوجه مسطحة وسلسة. يوجد نوعان من أجهزة قياس الانكسار:

-نوع يدوي بصري مثل مقياس الانكسار Abbe.

-مقاييس انكسار رقمية.

- نوع يدوي بصري مثل مقياس إنكسار Abbe

اخترع إرنست آبي (1840-1905) مقياس إنكسار آبي في القرن التاسع عشر ، وهو عالم فيزيائي ألماني ساهم بشكل كبير في تطوير علم البصريات والديناميكا الحرارية. يستخدم هذا النوع من أجهزة قياس الانكسار على نطاق واسع في الصناعات الغذائية والمختبرات التعليمية ويتكون أساسًا من:

- مصباح كمصدر للضوء ، وبخار الصوديوم بشكل عام ، وطوله الموجي معروف. هناك نماذج تستخدم الضوء الأبيض العادي ، والتي تحتوي على جميع الأطوال الموجية المرئية ، ولكنها تحتوي على مناشير مدمجة تسمى موشور Amici ، والتي تقضي على الأطوال الموجية غير المرغوب فيها.

-منشور ضوئي ومنشور انكساري آخر ، توضع بينهما العينة المراد قياس مؤشرها.

-مقياس الحرارة ، حيث يعتمد معامل الانكسار على درجة الحرارة.

-آليات تعديل الصورة.

- العدسة التي من خلالها يجري المراقب القياس.

قد يختلف ترتيب هذه الأجزاء الأساسية حسب التصميم (انظر الشكل 3 على اليسار). بعد ذلك سنرى مبادئ العملية.

الشكل 3. يوجد على اليسار مقياس إنكسار Abbe وعلى اليمين مخطط تشغيل أساسي. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. 丰泽 一号

كيف يعمل مقياس الانكسار آبي

الإجراء كالتالي: توضع العينة بين موشور الانكسار - وهو ثابت - ومنشور الإضاءة - قابل للفتن -.

المنشور الانكساري مصقول للغاية ومعامل انكساره مرتفع ، في حين أن منشور الإضاءة غير لامع وخشن على سطح التلامس. بهذه الطريقة ، عند تشغيل المصباح ، ينبعث الضوء في جميع الاتجاهات على العينة.

الشعاع AB في الشكل 3 هو الذي يحتوي على أكبر انحراف ممكن ، لذلك سيرى المراقب حقلاً مظللاً إلى يمين النقطة C ، بينما يضيء القطاع على اليسار. تدخل آلية الضبط حيز التنفيذ الآن ، لأن ما تريده هو جعل الحقلين بالحجم نفسه.

لهذا ، توجد علامة مساعدة على العدسة ، والتي تختلف حسب التصميم ، ولكنها يمكن أن تكون تقاطعًا أو نوعًا آخر من الإشارات ، والتي تعمل على توسيط الحقول.

من خلال جعل الحقلين بالحجم نفسه ، يمكن قياس الزاوية الحرجة أو زاوية الحد ، وهي الزاوية التي يمر بها الشعاع المرسل وهو يرعى السطح الذي يفصل الوسائط (انظر الشكل 4).

تسمح معرفة هذه الزاوية بحساب معامل الانكسار للعينة بشكل مباشر ، مع أخذ المنشور. دعونا نلقي نظرة على هذا بمزيد من التفصيل أدناه.

الزاوية الحرجة

في الشكل التالي ، نرى أن الزاوية الحرجة θ _c هي الزاوية التي ينتقل عندها الشعاع فوق سطح الحد مباشرةً.

إذا زادت الزاوية أكثر ، فلن تصل الحزمة إلى الوسط 2 ، ولكنها تنعكس وتستمر في المنتصف 1. قانون سنيل المطبق على هذه الحالة سيكون: sin θ ₂ = sin 90º = 1 ، مما يؤدي مباشرة إلى معامل الانكسار في الوسط 2:

الشكل 4. زاوية حرجة. المصدر: F. Zapata.

حسنًا ، يتم الحصول على الزاوية الحرجة بدقة من خلال مساواة حجم مجالات الضوء والظل التي تُرى من خلال العدسة ، والتي يتم من خلالها أيضًا ملاحظة مقياس متدرج.

عادة ما يتم معايرة المقياس للقراءة المباشرة لمؤشر الانكسار ، لذلك اعتمادًا على نموذج مقياس الانكسار ، سيرى المشغل شيئًا مشابهًا لما لوحظ في الصورة التالية:

الشكل 5. يتم معايرة مقياس مقياس الانكسار لإعطاء مؤشر الانكسار مباشرة. المصدر: قياس الانكسار. جامعة ولاية أوريغون.

يشير المقياس العلوي بمساعدة الخط العمودي إلى القياس الرئيسي: 1.460 ، بينما يظهر المقياس السفلي 0.00068. عند الجمع ، يكون معامل الانكسار 1.46068.

أهمية الطول الموجي

الضوء الذي يسقط على منشور الإضاءة سيغير اتجاهه. ولكن نظرًا لأنها موجة كهرومغناطيسية ، فسيعتمد التغيير على λ ، طول الموجة الساقطة.

نظرًا لأن الضوء الأبيض يحتوي على جميع الأطوال الموجية ، فإن كل منها ينكسر بدرجة مختلفة. لتجنب هذا الخلط الذي ينتج عنه صورة ضبابية ، يجب أن يكون للضوء المستخدم في مقياس الانكسار عالي الدقة طول موجي واحد معروف. الأكثر استخدامًا هو ما يسمى بخط الصوديوم D ، والذي يبلغ طوله الموجي 589.6 نانومتر.

في الحالات التي لا تتطلب الدقة الزائدة ، يكون الضوء الطبيعي كافيًا ، حتى لو كان يحتوي على مزيج من الأطوال الموجية. ومع ذلك ، لتجنب تشويش الحافة بين الضوء والظلام في الصورة ، تضيف بعض النماذج مناشير Amici التعويضية.

المميزات والعيوب

قياس الانكسار هو تقنية سريعة وغير مكلفة وموثوق بها لمعرفة درجة نقاء مادة ما ، وهذا هو سبب استخدامها على نطاق واسع في الكيمياء والتحليل الحيوي وتكنولوجيا الغذاء.

ولكن نظرًا لوجود مواد مختلفة لها نفس معامل الانكسار ، فمن الضروري معرفة أي منها يتم تحليله. على سبيل المثال ، من المعروف أن الهكسان الحلقي وبعض المحاليل السكرية لها نفس معامل الانكسار عند درجة حرارة 20 درجة مئوية.

من ناحية أخرى ، فإن معامل الانكسار يعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة ، كما ذكر أعلاه ، بالإضافة إلى ضغط وتركيز محلول الانكسار. يجب مراقبة كل هذه المعلمات بعناية عند الحاجة إلى قياسات عالية الدقة.

أما بالنسبة لنوع مقياس الانكسار المستخدم ، فإنه يعتمد كثيرًا على التطبيق المخصص له. فيما يلي بعض خصائص الأنواع الرئيسية:

مقياس الانكسار اليدوي آبي

- إنها أداة صيانة موثوقة ومنخفضة.

- عادة ما تكون رخيصة الثمن.

- مناسب جدًا للتعرف على المبادئ الأساسية لقياس الانكسار.

- يجب الحرص على عدم خدش سطح المنشور عند ملامسته للعينة.

- يجب تنظيفه بعد كل استخدام لكن لا يمكن تنظيفه بالورق أو المواد الخشنة.

-يجب أن يكون مشغل مقياس الانكسار لديه تدريب.

- يجب تسجيل كل قياس يدويًا.

-عادة ما تأتي مع موازين معايرة خصيصا لمجموعة معينة من المواد.

- تتطلب معايرتها.

- قد يكون استخدام نظام التحكم في درجة حرارة حمام الماء مرهقًا.

أجهزة قياس الانكسار الرقمية

- يسهل قراءتها ، حيث يظهر القياس مباشرة على الشاشة.

- يستخدمون مجسات بصرية لقراءات عالية الدقة.

- لديهم القدرة على تخزين وتصدير البيانات التي حصلوا عليها والقدرة على الرجوع إليهم في أي وقت.

- إنها دقيقة للغاية ، حتى بالنسبة للمواد التي يصعب قياس معامل انكسارها.

- من الممكن برمجة مقاييس مختلفة.

- لا يتطلب تعديل درجة الحرارة بالماء.

- تتضمن بعض النماذج قياسات الكثافة ، على سبيل المثال ، أو يمكن توصيلها بمقاييس الكثافة ، ومقاييس الأس الهيدروجيني وغيرها ، لتوفير الوقت والحصول على قياسات متزامنة.

- ليس من الضروري إعادة معايرتها ، ولكن تحقق من وقت لآخر من أنها تعمل بشكل صحيح عن طريق قياس معامل الانكسار للمواد المعروفة ، مثل الماء المقطر على سبيل المثال.

- إنها أغلى من أجهزة قياس الانكسار اليدوية.

التطبيقات

تشير معرفة معامل الانكسار لعينة ما إلى درجة نقائها ، ولهذا السبب تستخدم التقنية على نطاق واسع في صناعة الأغذية:

- في مراقبة جودة الزيوت لتحديد نقاوتها. على سبيل المثال ، من خلال قياس الانكسار ، من الممكن معرفة ما إذا كان قد تم تخفيض زيت عباد الشمس عن طريق إضافة زيوت أخرى منخفضة الجودة.

الشكل 6. معمل تكنولوجيا الغذاء. المصدر: Piqsels.

- يستخدم في الصناعات الغذائية لمعرفة محتوى السكر في المشروبات السكرية والمربيات والحليب ومشتقاته والصلصات المختلفة.

- وهي ضرورية أيضًا في مراقبة جودة النبيذ والبيرة ، لتحديد محتوى السكر ومحتوى الكحول.

- في الصناعة الكيماوية والصيدلانية لمراقبة جودة الشراب والعطور والمنظفات وجميع أنواع المستحلبات.

- يمكنهم قياس تركيز اليوريا - نفايات من استقلاب البروتين - في الدم.

المراجع

1. تقنيات مختبر الكيمياء. قياس الانكسار. تم الاسترجاع من: 2.ups.edu.
2. جافيرا ، ج. تم الاسترجاع من: triplenlace.com
3. ميتلر توليدو. مقارنة بين التقنيات المختلفة لقياس الكثافة والانكسار. تم الاسترجاع من: mt.com.
4. Net InterLab. ما هو مقياس الانكسار وما الغرض منه؟ تم الاسترجاع من: net-interlab.es.
5. جامعة ولاية أوريغون. مبادئ قياس الانكسار. تم الاسترجاع من: sites.science.oregonstate.edu.