РЕФРАКТОМЕТРИЯ

РЕФРАКТОМЕТРИЯ (позднелат. refractio преломление + греч. metreo мерить, измерять) — совокупность оптических методов анализа вещества, основанных на измерении показателя преломления света в исследуемой среде.

Благодаря высокой точности, быстроте и простоте измерений методы рефрактометрии нашли широкое применение в медицине. В клин., физиол. и биохим. лабораториях методами Р. определяют содержание белков (альбуминов, глобулинов и фибриногена) в сыворотке крови, гемоглобина в эритроцитах, небелковых тел. Р. используют для определения чистоты препаратов, анализа растворов для инъекций, порошков лекарственных смесей, определения концентрации спирта в настойках. Методы Р. используют при определении рефракции глаза (см.). По показателю преломления определяют влажность различных пищевых продуктов, содержание белков в молоке и молочных продуктах, семенах масличных растений, жмыхах, шротах и лузге. С помощью методов Р. можно следить за чистотой дистиллированной воды, а также содержанием примесей в питьевой и морской воде.

Рис. 1. Преломление световых лучей на границе двух прозрачных сред n1 и n2: i1 и i2 — углы падения лучей 1 и 2, a1 и а2 — углы преломления, а2 — предельный угол преломления (a2 = 90°). При обратном направлении хода лучей (из среды n2 в среду n1) угол а2 называется углом полного внутреннего отражения (при углах, больших а2, свет не будет проходить в среду n1).

Показатель преломления (n) — это отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде, из к-рой свет падает на границу раздела; выражается отношением синуса угла падения луча света (i) к синусу угла преломления (a) (рис. 1).

Для каждой среды n — величина постоянная, не зависящая от угла падения. На практике п обычно определяют при падении света на преломляющую среду из воздуха. Поскольку величина n зависит от длины волны света и температуры, то при п обычно указывают длину волны света или обозначение спектральной линии, при к-рой производилось измерение, напр., n²⁰_D означает, что n измерено при длине волны 589,3 нм (желтая линия натрия) и температуре, равной 20°. На практике часто используют величину, являющуюся функцией показателя преломления и называемую рефракцией. Рефракция, отнесенная к одному грамму вещества, называется удельной рефракцией (r):

r = [(n² — 1)/(n²+2)]*(1/d)

Рефракция, отнесенная к одному молю вещества, называется молекулярной рефракцией (R):

R = [(n² — 1)/(n²+2)]*(M/d)

тде d — удельный вес вещества, М — молекулярный вес.

Молекулярная рефракция складывается из рефракций, входящих в молекулу атомов, характерна для каждого вещества и позволяет, в частности, идентифицировать состав жидкостей (с точностью до 0,01%), проводить количественный анализ (при расходе вещества 0,001 —0,1 г), изучать строение молекул, определять градиенты концентраций вещества при седиментации, электрофорезе, диффузии.

Читайте также: ГИПОХЛОРГИДРИЯ

По способу измерения n различают несколько методов Р., основными из к-рых являются: 1) методы прямого измерения углов при прохождении луча света через границу раздела двух сред; 2) интерференционные методы; 3) иммерсионные методы.

Рис. 2. Ход лучей через призму с преломляющим углом ф: угол отклонения δ имеет наименьшую величину при угле падения луча света i, равном углу преломления на выходе из призмы β.

В одном из вариантов первого метода исследуемую жидкость наливают в полую призматическую кювету с преломляющим углом φ (рис. 2). Призму освещают параллельным пучком света со стороны одной грани и измеряют наименьший угол отклонения луча света δ, к-рый соответствует симметричному ходу лучей через призму. Величина показателя преломления n_х вычисляется по формуле:

n_x = sin([φ + δ]/2) / sin(φ/2).

Рис. 3. Принципиальная схема измерения показателя преломления методом предельного угла преломления: а — лучи (1 и 2), падающие на призму через образец под разными углами, после преломления остаются внутри предельного угла преломления а, ограниченного лучом 2, для которого угол падения равен 90°; на выходе из призмы образуется резкая граница между светлой областью (I) и тенью (II), наблюдаемая в зрительную трубу; б — лучи (1, 2 и 3), падающие на границу раздела со стороны одной из граней призмы, полностью отражаются при угле падения луча света больше предельного угла i (луч 3) и частично отражаются при угле падения меньше, чем i (луч 2); на выходе из призмы образуется граница между светлой областью (I) и полутенью (III), наблюдаемая в зрительную трубу; φ — преломляющий угол призмы; β — угол преломления на выходе из призмы.

Большее распространение получил метод определения показателя преломления (nх) образца путем измерения предельного угла преломления или угла полного внутреннего отражения на границе образца и призмы с точно известным показателем преломления (n₀), большим, чем n_х (рис. 3). Исследуемую жидкость наливают в прозрачный сосуд, установленный на поверхности призмы (в случае твердого тела одна поверхность его полируется на плоскость, а между этой плоскостью и поверхностью призмы помещают каплю жидкости, к-рая растекается в тонкий плоскопараллельный слой).

В одном варианте метода (рис. 3, а) граница соприкосновения исследуемого образца освещается широким пучком света со стороны образца, а в другом — со стороны одной из граней призмы (рис. 3, б). Расчет производится по формуле

Читайте также: ВЗРЫВ

n_x = n₀sin(а),

где а — предельный угол преломления, соответствующий углу падения луча света i = 90°, n₀ — известное значение угла преломления призмы, n_х — искомое значение показателя преломления.

На практике обычно измеряют не предельный угол преломления, а угол выхода предельного луча из призмы в воздух β. В этом случае

n_х = sinφ √(n₀² — sin²β) ± cosφsinβ,

где φ — угол преломления призмы (остальные обозначения те же).

Наиболее чувствительным является интерференционный метод измерения показателей преломления. Если луч света определенной длины волны от одного источника света разделить на два параллельных луча и затем их свести вместе, то при наличии постоянной разности фаз между колебаниями электромагнитных волн в одном луче относительно другого в плоскости пересечения лучей будет наблюдаться интерференция. Помещение на пути одного луча кюветы с исследуемым веществом, а на пути другого такой же кюветы с эталонным веществом (т. е. показатель преломления n_э к-рого точно известен) приводит к смещению интерференционной картины на m полос по сравнению со случаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же веществом. В этом случае значение nх рассчитывают по формуле:

n_х = n_э ± mλ/l,

где λ — длина волны света, l — длина кюветы.

Наибольшее распространение этот метод получил при Р. газообразных и жидких прозрачных веществ, определении количества примесей, концентраций разбавленных растворов и т. д.

При Р. преломления твердых тел, не имеющих определенной формы (напр., порошков, кусков стекла и др.), используется иммерсионный метод, основанный на подборе эталонной иммерсионной жидкости с показателем преломления, равным показателю преломления исследуемого образца (n_э — n_х). При помещении исследуемого образца в эту жидкость он становится «невидимым» .

При иммерсионном методе заранее готовится набор эталонных жидкостей, в к-рые последовательно вводится исследуемый образец. При достижении оптической однородности среды измеряют показатель преломления жидкости с помощью одного из описанных выше методов. Как правило, наблюдение с помощью иммерсионного метода ведется под микроскопом.

К рефрактометрам, работающим по принципу измерения предельного угла преломления, относятся рефрактометры Пульфриха, Аббе, погружные рефрактометры. Чувствительность этих приборов около 10^-4. В рефрактометре Пульфриха используется измерительная призма с преломляющим углом а — 90°, рефрактометре Аббе — измерительная призма имеет угол а = 60°. В связи с тем, что показатель преломления зависит от температуры, рефрактометры снабжаются термостатирующим устройством (водяной рубашкой), которое позволяет измерять угол преломления при определенной температуре или определять температурную зависимость коэффициента преломления образца.

Читайте также: ГОМОЙОТЕРМНЫЕ ЖИВОТНЫЕ

Рис. 4. Принципиальная оптическая схема погружного рефрактометра: 1 — луч света от осветительного устройства; 2 — зеркало; 3 — исследуемая жидкость; 4 — измерительная призма; 5 — компенсатор для устранения дисперсии призмы и исследуемой жидкости; 6 — объектив; 7 — микровинт; 8, 9 — линзы окуляра; 10 — картина, наблюдаемая в окуляре.

На практике для измерения показателя преломления жидкостей широкое распространение получил погружной рефрактометр (рис. 4). Измерительная призма во время работы погружается непосредственно в исследуемую жидкость, к-рая наливается в прозрачный стаканчик. Лучи света от осветительного устройства отражаются зеркалом, проходят через образец и попадают на измерительную призму. Отсчет ведется по шкале, нанесенной на линзу окуляра.

Применяются также рефрактометры специального назначения, напр., рефрактометры типа РПЛ (для определения сахара в водных растворах), РЖ (для определения жиров) и др. В производственных технологических процессах для непрерывного контроля за качеством продукции и автоматического регулирования хода процесса созданы автоматические регистрирующие и регулирующие приборы с фотоэлектронным определением величины показателя преломления n. Переход на фотоэлектронную регистрацию позволяет повысить чувствительность рефрактометров до 1•10^-6.

Рис. 5. Принципиальная оптическая схема интерферометра Жамена: 1 — луч света от осветительного устройства; 2 — отражающие пластины; 5 — эталонный образец; 4 — исследуемый образец; 5 — зрительная труба.

Для измерения показателей преломления с использованием интерференции волн служат интерференционные рефрактометры, среди к-рых наибольшее распространение получили интерферометры Жамена (рис. 5), Рождественского и Рэлея. Принцип работы этих интерферометров одинаков, различаются они лишь методами получения когерентных пучков, к-рые проходят через эталонный и исследуемый образцы и затем сводятся вместе. По смещению интерференционной картины, длине образца (кюветы) и величине показателя преломления эталона определяется показатель преломления исследуемого образца. В интерферометре Рождественского лучи разделяются с помощью полупрозрачных пластин, в интерферометре Рэлея — с помощью двух щелевых диафрагм. Чувствительность интерференционных рефрактометров 10^-7—10^-8.

См. также Оптические методы исследования.

Библиография: Бокий Г. Б. Иммерсионный метод, М., 1948; Иоффе Б. В. Рефрактометрические методы химии, Л., 1974, библиогр.; JI яликов Ю. С. и Клячко Ю. А. Теоретические основы современного качественного анализа, М., 1978; Методы анализа пищевых, сельскохозяйственных продуктов и медицинских препаратов, пер. с англ., под ред. А. Ф. Наместникова, М., 1974.

В. Н. Верхотуров.