Рефрактометрия и поляриметрия

Рефрактометрический и поляриметрический оптические методы широко используют в практике анализа пищевых продуктов. При прохождении через поверхность раздела двух сред световой луч отклоняется от первоначального направления, т. е. преломляется. Величина угла отклонения зависит от концентрации и температуры среды. Угол падения и преломления связан соотношением, которое называется показателем преломления. Рефрактометрия основана на измерении показателя преломления.

Некоторые вещества обладают оптической активностью, то есть они способны вращать плоскость поляризованного луча. Метод поляриметрии основан на определении угла вращения поляризованного луча.

Метод рефрактометрии основан на определении показателя преломления (рефракции). Показатель преломления зависит от температуры и концентрации раствора, а также от длины волны проходящего света.

Каждое вещество в смеси сохраняет преломляющую способность, и показатель преломления смеси соответствует сумме показателей преломления всех входящих в смесь компонентов. При прохождении луча света из одной среды в другую, например из воздуха в стекло, он направлен по прямой, когда падает перпендикулярно на поверхность раздела сред. Если луч света падает под некоторым углом, он преломляется и отношение синуса угла падения (угол между направлением падающего луча и перпендикуляром к поверхности раздела сред) к синусу угла преломления (угол между направлением преломленного луча к перпендикуляру поверхности раздела) является постоянной величиной и выражается как показатель преломления, в данном случае стекла по отношению к воздуху.

Устройство рефрактометров основано на явлении полного внутреннего отражения на границе раздела двух сред, из которых одна является более плотной. Рефрактометры имеют две призмы — измерительную и осветительную. Измерительная призма изготовлена из оптического стекла с высоким известным показателем преломления. Одна из ее граней служит границей раздела, где происходит преломление и полное внутреннее отражение. Рефрактометры различаются величиной показателя преломления измерительных призм, поэтому величина измеряемых показателей преломления в них находится в определенных пределах.

Применяемые рефрактометры показывают не угол полного внутреннего отражения, а непосредственно показатель преломления – процент сухого вещества (по сахарозе) или по условной шкале – число рефракции. В зависимости от исследуемых веществ и условий, для которых составлены таблицы, измерения выполняются при разных температурах. Постоянную температуру поддерживают с помощью ультратермостата.

Поляриметрия. Поляризованным называют свет, у которого электромагнитные колебания происходят только в одной плоскости, перпендикулярной направлению луча света. Эта плоскость называется плоскостью колебания, а перпендикулярная ей плоскость – плоскостью поляризации. Обе плоскости взаимосвязаны: при изменении положения одной плоскости на ту же величину изменяется положение другой.

При прохождении поляризованного света через слой оптически активного вещества плоскость полуризации изменяет свое положение, поворачиваясь вправо или влево (если смотреть навстречу лучу света) на некоторый угол, который называется углом вращения плоскости поляризации. Вращение плоскости поляризации вправо обозначают знаком «+», влево – знаком «-».

Величина угла зависит не только от оптической активности вещества, но и от условий ее измерения, а именно: от температуры, длины волны света, толщины слоя оптически активного вещества, концентрации его раствора, а также от природы растворителя.

Прибор для измерения угла поворота плоскости поляризации света называется поляриметром. Главным узлом прибора является система, состоящая из двух призм Николя, изготовленных их исландского шпата (кальцита).

Кальцит обладает свойством двойного лучепреломления. Луч естественного света при входе в природный кристалл кальцита распределяется на два полностью поляризованных луча, имеющих взаимно перпендикулярные плоскости поляризации.

Коэффициенты преломления этих лучей разные, поэтому они выходят из кристалла по некоторым углом по отношению друг к другу и дают два изображения рассматриваемого предмета. Двухпреломляющее свойство кристалла используют, чтобы освободиться от одного из лучей. Для этого кристалл распиливают пополам и обе половины склеивают канадским бальзамом по месту распила. Для того, чтобы луч света попадал на слой бальзама под определенным углом, нижнюю и верхнюю грани кристалла спиливают под некоторым углом, боковые грани покрывают черной краской. Обработанный, таким образом кристалл, называют призмой Николя.

Поляризатор – призма Николя или другое поляризующее устройство - основной элемент поляриметра. За поляризатором расположено другое такое же устройство (анализатор), которое позволяет выявить положение плоскости поляризации.

Используя поляризатор и анализатор, можно измерять оптическое вращение, вызываемое веществом. Для этого их вначале устанавливают накрест (на темноту), затем между ними помещают анализируемое вещество, вращающее плоскость поляризации. Поляризованный луч, проходя через раствор, повернет свою плоскость на некоторый угол и частично пройдет через анализатор. Вследствие чего будет наблюдаться ослабление затемнения. Чтобы погасить этот свет, анализатор нужно повернуть на угол, равный углу поворота плоскости поляризации луча при прохождении его через раствор. На измерении этого угла и основан принцип работы поляризатора.

Отклонение плоскости поляризации выражают в угловых градусах и называют углом вращения плоскости поляризации. Угол вращения зависит от природы анализируемого вещества, его концентрации, толщины слоя, длины волны света и температуры.

Метод исследования веществ, основанный на измерении величины угла вращения плоскости поляризации света при прохождении его через оптически активные вещества, называется поляриметрией. Величина такого вращения в растворах зависит от их концентрации оптически активных веществ, например, сахаров. Асимметрический углеродный атом в сахарах делает их оптически активными, способными вращать плоскость поляризации. Это свойство является функцией концентрации водных растворов сахара, поэтому, измеряя угол вращения, можно определить содержание сахара.

Сахариметр отличается от поляриметра тем, что анализатор в нем установлен неподвижно. При работе с сахариметром пользуются обычно белым светом.

Ультразвуковой метод.

УЗ представляет собой упругие волны с частотой приблизительно от 15-20 кГц до 109Гц. Область частот УЗ от 109 до 1012-1013 Гц называют гиперзвуком. По физической природе УЗ не отличается от обычного звука, поэтому частотная ганица между ними условна. Ввиду малой длины волны УЗ характер его распространения определяется в первую очередь молекулярной структурой среды, поэтому измеряя скорость и коэффициент затухания, можно судить о молекулярных свойствах вещества. По таким данным можно осуществлять контроль за протеканием того или иного процесса (контроль состава разных жидкостей, концентрации смесей газов).