屈折計は、その主な特徴を決定する物質の屈折率を測定する物質の光学的分析方法です。光は、ある媒体から別の媒体に通過するときに、これらの媒体の性質に応じて方向が変化するという事実に基づいています。
真空中の光の速度はc = 300,000 km / sですが、たとえば水中では、v = 225,000 km / sに減少します。屈折率nはc / v比として正確に定義されます。
図1.果物の糖度を測定するために使用される屈折計。出典：ウィキメディア・コモンズ。
特定の波長の光が、2つの異なる材料を制限する表面の所定の角度で落ちるとします。次に、各媒質の屈折率が異なるため、光線の方向が変化します。
屈折率を計算する方法
スネルの法則は、2つのメディア1と2の間の屈折率を次のように関連付けます。
ここで、N 1は、 θ媒体1の屈折率であり、1は境界面上の光線の入射角があり、n 2は媒質2の屈折率であり、θ 2れた方向に、屈折角であります送信ビームは継続します。
図2. 2つの異なるメディアに当たる光線。出典：ウィキメディア・コモンズ。
材料の屈折率は一定であり、特定の物理的条件下では既知です。これにより、別の媒体の屈折率を計算できます。
たとえば、屈折率がn 1のガラスプリズムを通り、次に屈折率が知りたい物質を光が通過する場合、入射角と屈折角を注意深く測定すると、次のようになります。
屈折計の種類
屈折計は、表面が平らで滑らかな液体または固体の屈折率を測定する機器です。屈折計には2つのタイプがあります。
-アッベ屈折計のような光学手動タイプ。
-デジタル屈折計。
-アッベの屈折計のような光学手動タイプ
アッベ屈折計は、光学と熱力学の発展に大きく貢献したドイツの物理学者、エルンストアッベ（1840-1905）によって19世紀に発明されました。このタイプの屈折計は、食品業界や教育研究所で広く使用されており、基本的には次のもので構成されています。
-光源としてのランプ、一般にナトリウム蒸気。その波長は既知です。すべての可視波長を含む通常の白色光を使用するモデルもありますが、不要な波長を排除するAmiciプリズムと呼ばれるプリズムが組み込まれています。
-照明プリズムと別の屈折プリズム。その間に屈折率を測定するサンプルが配置されます。
-屈折率は温度に依存するため、温度計。
-画像の調整メカニズム。
-観察者が測定を行うための接眼レンズ。
これらの基本的なパーツの配置は、デザインによって異なる場合があります（左の図3を参照）。次に、動作原理を見ていきます。
図3.左側はアッベ屈折計、右側は基本的な操作図。出典：ウィキメディア・コモンズ。丰泽一号
アッベ屈折計のしくみ
手順は次のとおりです。サンプルは、固定されている屈折プリズムと、固定可能な照明プリズムの間に配置されます。
屈折プリズムは高度に研磨され、その屈折率は高いですが、照明プリズムは接触面がマットで粗いです。このようにして、ランプがオンになると、サンプルのすべての方向に光が放射されます。
図3のレイABは、可能な限り最大の偏差を持つものです。したがって、ポイントCの右側では、観察者は影付きのフィールドを見ることができ、左側のセクターは照らされます。2つのフィールドのサイズを同じにしたいので、調整メカニズムが実行されます。
このため、アイピースには補助マークがあり、これはデザインによって異なりますが、十字または別のタイプの信号で、フィールドを中央に配置することができます。
2つのフィールドを同じサイズにすることで、臨界角または限界角を測定できます。臨界角は、媒体を分離する表面をかすめる透過光線が通過する角度です（図4を参照）。
この角度がわかれば、プリズムの屈折率を使用して、サンプルの屈折率を直接計算できます。これについて以下で詳しく見てみましょう。
臨界角
次の図では、臨界角θていることがわかり、cは光線がちょうど境界面上を移動れるものです。
角度がさらに増加されている場合、ビームは、中央の2に達していないが、反射して中央の1スネルの法則に続くが、この場合に適用されるようになります：θ罪2どの直接リード=罪90º= 1、媒質2の屈折率に：
図4.臨界角。出典：F. Zapata。
まあ、臨界角は、接眼レンズを通して見られる光と影のフィールドのサイズを等しくすることによって正確に取得されます。接眼レンズを通して、段階的なスケールも観察されます。
スケールは通常、屈折率を直接読み取るように調整されているため、屈折計のモデルに応じて、オペレーターは次の画像で観察されているものと同様のものが表示されます。
図5.屈折計の目盛りは、屈折率を直接与えるように調整されています。出典：屈折計。オレゴン州立大学。
垂直線を利用した上部の目盛りは、主要な測定値を示しています。1.460、下部の目盛りは0.00068です。追加すると、屈折率は1.46068になります。
波長の重要性
照明プリズムに当たる光は方向を変えます。しかし電磁波なので、変化は入射波の長さλに依存します。
白色光にはすべての波長が含まれているため、それぞれが異なる程度に屈折します。ぼやけた画像になるこの混合を避けるために、高解像度屈折計で使用される光は、ユニークで既知の波長を持たなければなりません。最も使用されているのは、波長が589.6 nmの、いわゆるナトリウムDラインです。
あまり精度を必要としない場合は、混合波長が含まれていても自然光で十分です。ただし、画像の明るい部分と暗い部分のぼやけを避けるために、Amiciの補正プリズムを追加しているモデルもあります。
長所と短所
屈折計は、物質の純度を知るための高速で安価で信頼性の高い技術です。そのため、化学、バイオ分析、食品技術で広く使用されています。
しかし、同じ屈折率を持つ異なる物質が存在するため、どの物質が分析されているかを知る必要があります。たとえば、シクロヘキサンといくつかの糖質溶液は、20°Cの温度で同じ屈折率を持つことが知られています。
一方、屈折率は、前述のように、圧力と屈折溶液の濃度に加えて、温度に大きく依存します。高精度の測定が必要な場合、これらすべてのパラメータを注意深く監視する必要があります。
使用する屈折計のタイプについては、それが意図されているアプリケーションに大きく依存します。主なタイプの特徴は次のとおりです。
手動アッベ屈折計
-それは信頼性が高く、低メンテナンス機器です。
-彼らは通常安いです。
-屈折測定の基本原理に精通するのに非常に適しています。
-サンプルと接触するプリズムの表面を傷つけないように注意する必要があります。
-使用後は毎回清掃する必要がありますが、紙やざらざらした材料で行うことはできません。
-屈折計のオペレーターは訓練を受ける必要があります。
-各測定は手動で登録する必要があります。
-通常、特定の範囲の物質用に特別に調整されたスケールが付属しています。
-キャリブレーションが必要です。
-ウォーターバスの温度制御システムは使いにくい場合があります。
デジタル屈折計
-測定値が画面に直接表示されるため、読みやすい。
-高精度の読み取りに光学センサーを使用します。
-取得したデータを保存およびエクスポートして、いつでも参照できるようにすることができます。
・屈折率の測定が難しい物質でも非常に正確です。
-異なるスケールをプログラムすることが可能です。
・水温調整は不要です。
-たとえば、一部のモデルには密度測定が組み込まれているか、密度計、pHメーターなどに接続して時間を節約し、同時測定を行うことができます。
-それらを再校正する必要はありませんが、例えば蒸留水などのよく知られた物質の屈折率を測定することによって、それらが適切に機能していることを時々チェックします。
-手動の屈折計よりも高価です。
用途
サンプルの屈折率を知ることで、サンプルの純度がわかります。これが、この技術が食品業界で広く使用されている理由です。
-オイルの品質管理において、オイルの純度を決定します。たとえば、屈折計を使用して、他の低品質の油を追加することによってひまわり油が低下したかどうかを知ることができます。
図6.食品技術研究所。出典：Piqsels。
-食品業界で、砂糖の入った飲み物、ジャム、牛乳とその派生物、さまざまなソースの糖度を知るために使用されます。
-また、ワインやビールの品質管理において、糖度とアルコール度数を決定するために必要です。
-シロップ、香水、洗剤、あらゆる種類の乳濁液の品質管理のための化学および製薬業界。
-血液中の尿素（タンパク質代謝による老廃物）の濃度を測定できます。
参考文献
- 化学実験技術。屈折計。回復元：2.ups.edu。
- Gavira、J。屈折計。回収元：triplenlace.com
- メトラー・トレド。密度と屈折率測定のさまざまな手法の比較。から回復：mt.com。
- Net InterLab。屈折計とは何ですか？回収元：net-interlab.es。
- オレゴン州立大学。屈折率測定の原理。復旧元：sites.science.oregonstate.edu。