Заломленням або рефракцією називається зміна напряму прямолінійного поширення світла при переході з одного середовища в іншу. Рефрактометрія як спосіб, що вимірює заломлення світла, включає всі методи кількісної оцінки цього явища. Заломлення світла оцінюється за величиною показника заломлення, який в свою чергу залежить від складу речовин, їх концентрації та молекулярної структури. На цій залежності і побудований рефрактометричний аналіз [4].
Рефрактометрія знаходить застосування при визначенні чистоти дистильованої води, визначення сахарози у водних розчинах, концентрації загального білка сироватки крові, для ідентифікації різних речовин і т. д. Вимірювання показника заломлення є простою процедурою, вимагає дуже малих кількостей досліджуваного речовини і мінімальної витрати часу.
Все що випускаються в даний час рефрактометри, незалежно від їх призначення, побудовані на принципі рефрактометрів типу Аббе або типу Пульфриха, але і в тих і в інших вимірювання засновані на визначенні величини граничного кута заломлення.
Принцип пристрою рефрактометрів типу Аббе і Пульфриха.
Основний типовий вузол рефрактометрів типу Аббе - комплекс призм - вимірювальної та освітлювальної. Тонкий шар досліджуваної рідини знаходиться між щільно притиснутими гранями
обох призм. Поверхня освітлювальної призми, що стикається з досліджуваною рідиною, матова, шорстка, розсіює світло, що входить через неї в шар рідини, внаслідок чого промені світла пронизують рідина в різних напрямках.
Промінь, кут падіння якого найбільш близький до прямого (граничний промінь), видиме в зорову трубу поле ділиться на темну і світлу половини. З допомогою спеціального маховичка можна блок призм встановити ст. таке положення, при якому граничний промінь буде суміщений з оптичною віссю зорової труби, а межа світлого і темного поля - з видимим в трубу перетином двох прямих ліній, через яке проходить ця уявна вісь. За положенням спостерігається в визирную трубку відлікової лінії на шкалі визначають величину показника заломлення.
Межа темного і світлого полів виявилася б розмитою і пофарбованого у всі кольори веселки внаслідок розкладання білого світла при проходженні його через вимірювальну призму. Для попередження цього явища в рефрактометрах типу Аббе застосовуються спеціальні пристрої - компенсатори дисперсії.
Коефіцієнт заломлення рідин значно змінюється під впливом температури. Тому в рефрактометрах для підвищення точності застосовується термостатування. Термостатування в рефрактометрах типу Аббе здійснюється циркуляцією води певної температури через нижню і верхню камери призменного блоку. Температура повинна підтримуватися з точністю ±0,1-0,5° С.
У рефрактометрах типу Пульфриха є всього одна призма, до якої прикріплений стаканчик, куди наливається досліджувана рідина. Промінь світла, спрямований уздовж поверхні розділу рідина - призма, не спотворюється, тому кут падіння цього променя точно дорівнює 90°, що визначає більшу точність приладів цього типу.
Зануреними рефрактометрами називаються прилади, вимірювальна призма яких занурюється в склянку з досліджуваною рідиною.
У таких рефрактометрах відсутня освітлювальна призма і зріз вимірювальної призми контактує безпосередньо з досліджуваною рідиною.
Сучасні рефрактометри володіють точністю до 10~3, а при користуванні спеціальними методами рефрактометрії точність може бути збільшена в 10-1000 разів.
Вітчизняна промисловість випускає різні рефрактометри, в тому числі рефрактометр лабораторний універсальний (РЛУ), рефрактометр лабораторний, рефрактометр лабораторний прецизійний, рефрактометри ІРФ-22 та ІРФ-23 [48].
Рефрактометр ІРФ-23 призначається для визначення показників заломлення рідких і твердих тіл в інтервалі 1,33-1,78, з точністю до 1·10-4 (рис. 93). Рефрактометр ІРФ-23 є найбільш складним, тому нижче наводиться його опис.
Рис. 93. Рефрактометр ІРФ-23.
Оптична частина приладу складається з вимірювальної призми, відлікової системи, зорової труби і системи для освітлення досліджуваного об'єкта. У отсчетную систему включений лімб з захисним склом, освітлюваний через конденсор, світлофільтр з лампою розжарювання, відліковий мікроскоп, що складається з об'єктиву, відбивних призм і окуляра. В фокальній площині окуляра поміщена спіральна шкала червоного кольору з індексом. Відліковий пристрій призначений для точного відліку кута повороту зорової труби за лимбу. Лімб закритий кожухом. Ціна поділки шкали лімба 1°. Грубий поворот зорової труби проводиться рукою, точний - мікрометричним гвинтом. Окуляр труби має компенсаторну наводку по гостроті зору.
Зорова труба складається з об'єктива, відбивної призми, перехрестя, освітлювальної призми і окуляра. Зорова труба може працювати за принципом автоколлиматора, при цьому для підсвічування перехрестя використовується світло лампи, відображений двома відбивними призмами і збиральної лінзою.
Освітлення об'єкта може здійснюватися світлом розрядних трубок або натрієвої лампою.
При точних вимірах температуру вимірювальної призми і досліджуваної рідини необхідно підтримувати постійною в межах ±0,5°. Для цієї мети на призмової камері є два штуцери, на які надягають гумові шланги, що з'єднуються з ультратермостатом.
Фірма Карл Цейсс (НДР) випускає численні моделі рефрактометри, в тому числі рефрактометри Аббе, заглибні, для роботи в польових умовах (ручні). Одна з останніх моделей (модель П) [47] рефрактометра Аббе принципово не відрізняється від вітчизняного рефрактометра РЛУ.
Занурювальний рефрактометр фірми Цейсс [42], комплектується термопризмами, що дозволяють проводити дослідження при відносно високих температурах (до 50°С). Важливою перевагою термопризм є також можливість використання малих кількостей речовини (у середньому 0,04 мл) і дослідження летких речовин. Крім зазначеної термопризмы, до приладу додається проточна призма, дозволяє проводити дослідження безперервно поточних рідин, а також речовин, що розкладаються на повітрі.
Проточна призма складається з занурювальний призми і відповідного проточного корпусу, встановлюваного на рефрактометре. При необхідності терморегулювання корпус проточною призми може приєднуватися до термостата, для чого на ній є штуцери.
Певний інтерес представляє польовий (ручний) рефрактометр цієї фірми [79]. Прилад призначений для роботи безпосередньо на полях, в садах і виноградниках і служить для визначення змісту цукристих речовин в коренеплодах (цукровий буряк), ягодах, винограді.
В укладанні, крім рефрактометра, є: пристосування для узяття проби, щипці-прес для вичавлювання невеликої кількості соку (рис. 94, а). В основу визначення цукристості покладена закономірна зв'язок між вмістом цукристого речовини в соку і його светопреломлением.
Одну-дві краплі соку наносять на призму 1 рефрактометра, накривають кришкою 2 і дивляться проти світла в окуляр (мал. 94, б), де видно шкала, верхня частина якої темніше нижньої (рис. 94, в). Лінія поділу, яка співпадає з певним показником на шкалі, відповідає величині змісту цукристих речовин в соку. Прилад дозволяє проводити визначення з точністю 0,2%.
Аналогічний прилад моделі RR випускається Польською фірмою «Varimex» [78].
Рис. 94.
а, б, в - Польовий (ручний) рефрактометр. Пояснення в тексті.
