Refraktometr Abbego

Refraktometr Abbego – przyrząd optyczny służący do pomiarów współczynnika załamania światła z wykorzystaniem zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia, zaprojektowany przez Ernsta Abbego (1840–1905); umożliwia badania współczynnika załamania cieczy i ciał stałych o gęstości optycznej mniejszej od gęstości optycznej materiału pryzmatów (flint, szkło kwarcowe, kwarc)^[1].

Refraktometr firmy Zeiss. Pryzmat oświetleniowy jest odchylony i instrument jest gotowy do nałożenia nań badanej substancji

Refraktometr Abbego z 1897 r.

Zasada działania

Współczynnik załamania światła (n) jest wyznaczany na podstawie wartości kąta granicznego ${\displaystyle (\theta _{gr})}$ na podstawie prawa Snelliusa:

${\displaystyle n_{A}\sin \theta _{p}=n_{B}\sin \theta _{z},}$

${\displaystyle \sin \theta _{p}={\frac {n_{B}}{n_{A}}}\sin \theta _{z}.}$

gdzie dolne indeksy A i B odnoszą się do sąsiadujących ośrodków o różnej gęstości optycznej.

Kąt graniczny jest zdefiniowany jako wartość kąta padania światła ${\displaystyle (\theta _{p}),}$ biegnącego z ośrodka o większej wartości ${\displaystyle n,}$ w sytuacji, gdy kąt załamania ${\displaystyle (\theta _{z})}$ osiąga wartość 90° (promień „ślizga się” po powierzchni granicznej)^[2][3]:

${\displaystyle \theta _{z}=90^{\circ },}$

${\displaystyle \sin \theta _{z}=1,}$

${\displaystyle \theta _{p}}$ = ${\displaystyle \theta _{gr}.}$

W refraktometrze wiązka promieniowania (np. monochromatyczna żółta linia D sodu z lampy sodowej) przechodzi przez dwa pryzmaty (A), między którymi znajduje się badana warstwa o mniejszej gęstości optycznej (B, np. woda lub roztwór wodny).

Wiązka ulega załamaniu lub odbiciu, zależnie od kąta padania i stosunku współczynników załamania w obu ośrodkach, równego stosunkowi sinusów kątów padania (1) i załamania (2). Konstrukcja przyrządu umożliwia stopniową zmianę kąta padania.

Precyzyjne wyznaczenie wartości kąta granicznego uzyskuje się dzięki zastosowaniu pryzmatu o szorstkiej powierzchni. Rozproszenie światła na tej powierzchni powoduje, że część wiązki o średnim kącie padania równym kątowi granicznemu (w odniesieniu do powierzchni gładkiej) ulega załamaniu, a część – odbiciu (granica pól wskazuje kąt graniczny). W okularze jest obserwowane pole częściowo oświetlone. Ostra granica między polem ciemnym i jasnym wskazuje wartość kąta granicznego^[2][3].

Zasada działania refraktometru AbbegoPo lewej:
Obserwowane pole jest jasne, gdy kąt 1 jest mniejszy od ${\displaystyle \theta _{z}.}$ Kąt 3 jest równy ${\displaystyle \theta _{gr},}$ ponieważ ${\displaystyle \theta _{z}}$ = 90°.
Kąt 4 jest większy od ${\displaystyle \theta _{gr}}$ – zachodzi odbicie fali pod kątem 4
Po prawej:
Wskutek zmatowienia powierzchni zachodzi równocześnie załamanie i odbicie.
Granica między polem jasnym i ciemnym odpowiada kątowi granicznemu ${\displaystyle \theta _{gr}.}$

Konstrukcja i obsługa

Główną częścią refraktometru są połączone zawiasowo dwa pryzmaty – oświetleniowy i pomiarowy, pomiędzy które wprowadza się kroplę badanej cieczy. Pryzmaty znajdują się w obudowie utrzymywanej w stałej, kontrolowanej temperaturze (w popularnej wersji urządzenia stosuje się obieg wody z termostatu). Na pryzmat oświetleniowy, z matową powierzchnią, jest kierowane światło odbite od zwierciadła (np. promieniowanie słoneczne lub z lampy sodowej)^[4].

Wiązka wychodząca z bloku pryzmatów jest kierowana do kompensatora – zestawu pryzmatów Amiciego sprzężonych z pokrętłem, którego obrót umożliwia zmniejszenie aberracji chromatycznej (tęczowego rozmycia granicy pól), co jest szczególnie ważne w przypadku stosowania światła białego. Obracając drugie pokrętło stopniowo zmienia się ustawienie pryzmatów i lusterka względem lunetki poszukując położenia, w którym obserwowana w okularze granica między polem jasnym i ciemnym znajduje się na przecięciu nici pajęczych. W tym położeniu odczytuje się ze skali przyrządu – w okularze drugiej lunetki – wartość współczynnika załamania. W przypadku badań stężenia cukru w roztworach wodnych wynik może być bezpośrednio odczytany z dodatkowej skali^[4][5][6][7].

Refraktometrami Abbego są nazywane również różnorodne nowoczesne urządzenia, wzorowane na konstrukcji klasycznej, np. automatyczne refraktometry cyfrowe o wysokiej dokładności i precyzji, z automatyczną kompensacją temperatury, wbudowanym źródłem światła i cyfrowymi wyświetlaczami wyniku pomiaru^[8][9].