رفراکتومتور چه چیزی را اندازه گیری می کند؟

 رفراکتومتر یک ابزار اپتیکی و دستگاهی تخصصی برای تست محیطی و اندازه گیری است که برای تشخیص ویژگی های مواد نیمه شفاف (مانند مایعات و محلول های آبی)، با استفاده از پدیده شکست نور طراحی شده است.

رفراکتومتر به طور گسترده در زمینه های مختلف از جمله اپتیک، شیمی، گوهرشناسی و صنایع غذایی و آشامیدنی، برای شناسایی مایع، ارزیابی خلوص و غلظت هر ماده ای که اضافه شده است، استفاده می شود.

در این مقاله با ما همراه باشید تا ساختار کامل رفراکتومتر را بررسی کرده و با انواع مختلف آن آشنا شویم. اما پیش از آنکه به دستگاه رفراکتومتر بپردازیم، بهتر که مختصری در مورد پدیده شکست نور و ارتباط آن با غلظت بپردازیم.

ارتباط شکست نور و غلظت ماده

شکست نور به خمش یا تغییر جهت نور در هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگری با خواص نوری متفاوت اشاره دارد و به دلیل تغییر در سرعت نور هنگام عبور از مواد مختلف رخ می دهد.

هنگامی که نور از محیطی با چگالی نوری بالاتر به محیطی با چگالی نوری کمتر حرکت می کند، از حالت عادی یا یک خط فرضی عمود بر سطح مرز بین دو محیط خم می شود.

از سوی دیگر، اگر نور از محیطی با چگالی نوری کمتر به محیطی با چگالی نوری بالاتر حرکت کند، به سمت حالت عادی خم می شود.

یکی از مثال‌ های رایج شکست نور زمانی است که وقتی یک مداد درون یک لیوان آب فرو می‌ رود و به نظر می رسد که خم شده است.

این موضوع به این دلیل اتفاق می‌ افتد که آب چگالی نوری بالاتری نسبت به هوا دارد و بنابراین، باعث می‌ شود پرتوهای نور در حین حرکت از هوا به آب و سپس بازگشت به هوا کند و خم شوند و مداد خمیده دیده شود.

مقدار خمش یا شکستی که برای پرتوهای نور رخ می دهد به زاویه ورود نور به محیط جدید و همچنین تفاوت در چگالی نوری بین دو محیط بستگی دارد.

پدیده شکست نور، به ویژه در لنزها، منشورها و سایر دستگاه های نوری که نور را برای اهداف مختلف تنظیم می کنند، مانند دوربین ها، عینک ها و میکروسکوپ ها اهمیت دارد.

از سوی دیگر، غلظت به مقدار یک ماده خاص در حجم معینی از یک محلول یا مخلوط اشاره دارد که معمولاً بر حسب مول بر لیتر یا گرم بر لیتر اندازه گیری می شود. غلظت یک محلول می تواند به دو صورت بر شکست نور تأثیر بگذارد:

تغییر در ضریب شکست

ضریب شکست محلول، به طور مستقیم به غلظت ذرات املاح در حلال بستگی دارد. به این معنی که اگر غلظت افزایش یابد، ضریب شکست محلول نیز افزایش می یابد و منجر به خمش بیشتر نور می شود.

تغییر در طول مسیر

وجود ذرات املاح در محلول می تواند بر طول مسیر عبور نور از آن تأثیر مستقیمی بگذارد. هنگامی که نور از یک محلول غلیظ عبور می کند، ممکن است با ذرات املاح بیشتری مواجه شود که منجر به طول مسیر طولانی تری می شود و در نتیجه، می تواند منجر به افزایش شکست شود زیرا نور با ذرات بیشتری تعامل می کند.

ساختار یک رفرکتومتر

همانطور که پیش از این نیز ذکر شد، رفراکتومتر دستگاهی اپتیکی است که ضریب شکست یک ماده را اندازه گیری می کند. ضریب شکست میزان خمش نور هنگام عبور از یک محیط است که غلظت یا ترکیب یک محلول را نشان می دهد.

اصل کار یک رفراکتومتر شامل مراحل زیر است:

منبع نور

از آنجا که رفراکتومترها بر اساس رفتار شکست نور آنالیز انجام می دهند، بنابراین هر دستگاه دارای یک منبع نور داخلی است که معمولاً یک لامپ LED یا یک لامپ سدیم است که یک پرتو نور تک رنگ ساطع می کند.

منشور

نمونه ای که باید اندازه گیری شود، بر روی یک منشور و در یک چاه نمونه (مکانی شبیه به چاه) قرار می گیرد تا نور منبع به آن بتابد.

منشورها معمولاً از شیشه یا مواد شفاف دیگری با ضریب شکست شناخته شده ساخته می شوند و شکست نور در فصل مشترک منشور و چاه، بر اساس قانون شکست اسنل است.

عدسی

رفرکتومترها معمولاً حاوی یک یا چند عدسی هستند که برای تمرکز و هدایت نور از طریق ماده مورد اندازه گیری استفاده می شوند.

این عدسی ها به همگرایی نور فرودی و سپس موازی سازی آن پس از عبور از ماده کمک می کنند. پرتوهای نور متمرکز و موازی برای اندازه گیری دقیق ضریب شکست ضروری هستند.

پرتوهای بازتاب و شکست

برای اندازه گیری توسط رفراکتومتر، پرتو نور ساطع شده از منبع نور از نمونه عبور می کند. هنگامی که با سطح مشترک بین نمونه و منشور مواجه می شود، بخشی از نور منعکس می شود در حالی که بقیه شکسته شده یا خم می شود.

آشکارساز نوری و دمایی

انواع مختلفی از رفراکتومتر وجود دارد، اما اکثر آنها از حسگرها یا اشکارسازهای حرارتی و نوری برای اندازه گیری ضریب شکست استفاده می کنند. ترکیب این دو نوع آشکارساز، شکست سنج را قادر می‌سازد تا ضریب شکست یک ماده را به طور دقیق تعیین کند.

برخی از رفراکتومتر ها از حسگر حرارتی مانند ترمیستور یا ترموکوپل برای اندازه گیری دمای نمونه استفاده می کنند. ضریب شکست یک ماده وابسته به دما است، بنابراین با اندازه گیری دما، دستگاه می تواند قرائت های ضریب شکست را متناسب با آن کالیبره کند.

یک سنسور حرارتی معمولاً از یک پروب فلزی تشکیل شده است که با نمونه تماس پیدا کرده و دمای آن را اندازه گیری می نماید.

برای دریافت نور شکسته شده، یک حسگر یا آشکارساز نوری پس از عبور از نمونه قرار می گیرد که شدت یا زاویه شکست نور را اندازه گیری می کند. این حسگرها معمولاً آشکارسازهای نوری مانند فوتودیودها، فوتوترانزیستورها یا CCD ها هستند.

سنسور نوری، شدت نور شکست را تشخیص می دهد و بر اساس زاویه شکست، رفراکتومتر می تواند ضریب شکست را محاسبه کند.

محاسبه ضریب شکست

با مقایسه نور شکسته شده با یک نقطه مرجع شناخته شده، ضریب شکست نمونه تعیین می شود. این نقطه مرجع از ضریب شکست منشور  به دست می آید.

مقیاس nD به ضریب شکست یک ماده اشاره دارد که میزان انتشار نور در آن ماده است و معمولاً در علم اپتیک و مواد برای تعیین خواص نوری یک ماده استفاده می شود.

از سوی دیگر، مقیاس Brix، اندازه‌ گیری میزان قند موجود در محلول است و اغلب در صنایع غذایی و نوشیدنی برای تعیین غلظت قند در مایعات مانند آب میوه یا نوشابه استفاده می شود.

هر دو مقیاس، مقیاس های عددی هستند، اما خواص مختلف مواد را در رفراکتومتر اندازه گیری می کنند.

نمایش اندازه گیری

در نهایت، پس از تکمیل مراحل اندازه گیری، مقدار ضریب شکست بر روی نمایشگر نمایش داده می شود. البته در رفراکتومتر های دستی، این مقدار به صورت چشمی و مقایسه ای خوانده می شود.

برخی از رفراکتومتر ها نیز هستند که ضریب شکست را به پارامترهای خاصی مانند مقیاس Brix (غلظت قند)، شوری یا غلظت مواد دیگر تبدیل می کنند.

چگونه از رفراکتومتر استفاده کنیم؟

اگرچه در نگاه اول همه رفراکتومترهای نوری یکسان به نظر می رسند، اما هر مدل مقیاس مخصوص خود را دارد که می توانید مقدار نتیجه را مستقیماً بخوانید یا باید مقدار نتیجه را از روی مقدار خوانده شده  محاسبه کنید.

برای استفاده از یک رفراکتومتر ساده و دستی، چند قطره از مایع مورد ارزیابی به منشور اندازه گیری اضافه می شود. نمونه را کمی فشار دهید تا حباب های احتمالی و همچنین هوا از بین برود.

سپس، نور را نشانه بگیرید و به چشمی نگاه کنید. نور شکسته شده به چشمی می رسد که دارای یک دکمه تنظیم فوکوس است و به راحتی می توان خط شاخص را مشاهده کرد.
با تنظیم دکمه فوکوس، کاربر می تواند یک خط انتقال تیره به روشن به نام خط مرزی را مشاهده کند.
موقعیت این خط مرزی برای اندازه گیری ضریب شکست استفاده می شود.

در رفراکتومتر های نوع دیجیتال، این خط مرزی با استفاده از مقیاس یا بازخوانی دیجیتالی بر روی نمایشگر نمایش داده می شود و نیازی به مقایسه چشمی نیست.

رفرکتومترها در کجا استفاده می شوند؟

کشاورزی

از دستگاه رفراکتومتر در صنعت کشاورزی و برای اندازه گیری میزان قند (Brix) در میوه ها، سبزیجات و محصولات زراعی استفاده می شود. این اطلاعات برای تعیین زمان برداشت بهینه، ارزیابی کیفیت میوه و نظارت بر فرآیند رسیدن بسیار مهم هستند.

صنایع غذایی و آشامیدنی

در صنایع غذایی و آشامیدنی از دستگاه شکست سنج برای اندازه گیری غلظت قند، نمک یا پروتئین در محصولات مختلف استفاده می شود و این امر به اطمینان از ثبات و کنترل کیفیت در طول فرآیند تولید کمک می کند.

صنعت داروسازی

یکی دیگر از موارد استفاده رفرکتومترها برای اندازه گیری ضریب شکست ترکیبات و فرآورده های دارویی است. این اطلاعات می تواند بینشی در مورد خلوص، غلظت و پایداری داروها و محلول ها ارائه دهد.

صنعت پتروشیمی

در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی از دستگاه های شکست سنج برای تجزیه و تحلیل ترکیب و کیفیت فرآورده های نفتی استفاده می شود.

آنها به تعیین پارامترهایی مانند چگالی، گرانش API و ضریب شکست کمک می کنند که برای ارزیابی خلوص و عملکرد سوخت، روان کننده ها و سایر مواد پتروشیمی بسیار ضروری هستند.

گوهرشناسی

رفرکتومترها به طور گسترده در حوزه گوهرشناسی و به منظور شناسایی و ارزیابی سنگ های قیمتی استفاده می شوند. با اندازه گیری ضریب شکست یک سنگ جواهر، گوهرشناسان می توانند نوع، اصالت و ارزش بالقوه آن را تعیین نمایند.

صنعت استخر و آبگرم

از موارد کاربردی دیگر دستگاه های رفرکتومتر، اندازه گیری میزان شوری آب استخر و آبگرم را نیز می توان نام برد، زیرا اطلاعات حاصل از این دستگاه ها کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که آب به درستی متعادل بوده و برای استفاده ایمن است.

صنایع دریایی

در صنایع دریایی برای اندازه گیری شوری آب دریا از دستگاه های شکست سنج استفاده می شود، زیرا برای حفظ شرایط مطلوب در آکواریوم ها، مخازن ماهی و استخرهای آب شور اطلاعات مهم و مفیدی را در اختیار قرار می دهد.

علوم محیطی

در علم محیط زیست نیز از رفراکتومتر برای آنالیز کیفیت آب و ارزیابی غلظت مواد جامد محلول استفاده می شود که برای پایش سطوح آلودگی و ارزیابی سلامت اکوسیستم های آبی بسیار کلیدی است.

تولید عسل و کنترل کیفی آن

رفرکتومترها معمولاً توسط زنبورداران برای تعیین میزان رطوبت و کیفیت عسل استفاده می شوند. این کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که عسل با استانداردهای صنعتی مطابقت دارد و در طول ذخیره سازی نیز پایدار باقی می ماند.

سخن پایانی

یک دستگاه رفراکتومتر یا شکست سنج، از خمش نور هنگام عبور از نمونه برای تعیین ضریب شکست آن استفاده می کند که اطلاعاتی در مورد ترکیب یا غلظت آن ارائه می دهد.

غلظت یک محلول می تواند بر سایر خواص نور مانند جذب و پراکندگی تأثیر بگذارد و در نتیجه، این عوامل می توانند بر نحوه تعامل نور با محلول و رفتار شکست آن تأثیر بگذارند.

در این مقاله ساختار ساده ترین ساختار دستگاه های رفراکتومتر و کاربردهای گوناگون آنها توضیح داده شد. امیدواریم که مفید بوده باشد.

منابع

Wikipedia

Analytical Chemistry

Instrumentation Reference Book