ضریب شکست چیست + عوامل موثر بر آن

مبانی انکسار سنجی

اندازه‌گیری ضریب شکست، برای تعیین ویژگی‌های نمونه‌های مایع و جامد بکار می‌رود. بعنوان مثال، اندازه‌گیری غلظت محلول‌ها با استفاده از ضریب شکست انجام می‌پذیرد. شناسایی این ضریب، امکان کنترل کیفیت مخلوط های چند جزئی و بررسی نمونه‌ها را از نظر خلوص فراهم می‌سازد. این مقاله، نمای کلی از موضوع را در اختیار شما قرار می‌دهد.

ضریب شکست چیست؟

هر ماده‌ای که با نور بر هم کنش داشته باشد، دارای ضریب شکست (RI نماد n) است. این پارامتر، ثابت و بدون بعد است و چگونگی سرعت حرکت نور از یک محیط خاص را نسبت به سرعت حرکت نور از یک محیط مرجع (معمولا خلاء یا هوا) را توصیف می‌کند. هر چه چگالی نوری محیط کمتر باشد، سرعت نور در داخل محیط بیشتر شده و ضریب شکست آن کاهش می‌یابد.

نمونه‌هایی از سرعت نور در محیط های مختلف

این پارامتر در یک ماده به طول موج λ نور و درجه حرارت T ماده بستگی دارد. اگر اندازه‌گیری آن در شرایط استاندارد انجام نپذیرد؛ طول موج و دما با مراجعه به این ضریب تعیین می‌گردد. طول موج استاندارد برای اندازه گیری انکسار 589nm است. در این شرایط ضریب شکست (n) اغلب به صورت nD نوشته می‌شود. چندین مقیاس از این پارامتر مورد استفاده قرار گرفته است. نسبت سرعت نور در خلاء بر نسبت سرعت نور در محیط، ضریب شکست مطلق محیط را نشان می‌دهد. معمول‌ترین روش در انکسارسنجی، استفاده از ضریب شکست نسبت به هوا می‌باشد. از آنجا که ضریب شکست مطلق محیط مورد نظر و همچنین ضریب شکست هوا به دما بستگی دارد، بنابراین تعیین جزئیات ضروری است.

متغیرهای رایج در مفهوم ضریب شکست

• نسبت ضریب شکست محیط وابسته به دما به نسبت هوای استاندارد (هوای استاندارد؛ دارای دمای 20˚C، 1013 hPa و 50% رطوبت نسبی است)
• نسبت ضریب شکست وابسته به دمای محیط بر نسبت هوا (دمای هوا و دمای محیط یکسان است)

• بخوانید: رفرکتومتر (رفراکتومتر) چیست و انواع آن کدامند

نحوه تشخیص زاویه بحرانی

آسان‌ترین روش برای درک این پدیده، تجسم موقعیت واقعی و موقعیت مشاهده شده یک ماهی در زیر سطح آب است. شکست نوری که از آب خارج شده و به هوا می‌رسد، باعث می‌شود تا موقعیت ماهی را نزدیکتر از آنچه که هست، مشاهده کنیم!

شکل 1) شکست نور منعکس شده از ماهی (از خورشید) باعث می‌شود موقعیت ماهی را نزدیکتر از آنچه که هست مشاهده کنیم.

شکل 2) هرچه اختلاف شاخص‌های شکست نور بیشتر باشد، تغییر جهت نیز بیشتر است.

شکل 3: شکست نور از ماهی، در موقعیت‌های مختلف.

در ماهی بژ: بخشی از نور به هوا منکسر می‌شود و بخشی دیگر دوباره به داخل آب منعکس می‌شود.

در ماهی قرمز: نور دقیقا در سطح مرزی منکسر شده و وارد هوا نمی‌شود.

و در ماهی آبی رنگ: هیچ پرتو نوری به هوا منکسر نمی‌شود؛ تمامی پرتوهای نور به درون آب منعکس می‌شوند (انعکاس کامل).

شکل 4: انعکاس کامل

شکل 5: استفاده از مثال ماهی در رفراکتومتر:

بجای دریاچه، منشور (n1) و بجای هوا، نمونه (n2) را در نظر بگیرید.

قانون اسنل

شکل 6: پرتوهای نور ورودی با توجه به زاویه آنها، کاملا منعکس می‌شوند (بحرانی α>α) و یا بخشی از آنها شکسته شده و بخشی دیگر منعکس می‌گردد (بحرانی α<α).

در این نمودار، پرتو A در زاویه  به سطح محیط 1 (ضریب شکست =n1) و محیط 2 (ضریب شکست = n2 و n2>n1) برخورد می‌کند. این برخورد منجر به بازتاب جزئی (پرتو ´A) و شکست جزئی (پرتو A در زاویه β1) در سطح مرزی می‌شود.

در یک زاویه تابش خاص α2، قسمتی از پرتو نور منعکس شده و قسمتی دیگر دقیقا در امتداد سطح مشترک دو محیط شکسته می‌شود. این نوع انعکاس بازتاب کل و زاویه موردنظر نیز زاویه بحرانی بازتاب کل نامیده می‌شوند.

زمانیکه پرتو نور در زاویه ای بزرگتر از زاویه بحرانی α برخورد کند، پرتو نور بطور کامل منعکس می گردد (پرتو ´C).

قانون اسنل برای تعیین RI محیط 1 اعمال می‌شود. این قانون بیان می‌کند که نسبت RI ها با نسبت معکوس سینوس زاویه های α1 و β1 برابر است.

اگر زاویه بحرانی α2 = α باشد، درنتیجه زاویه °α1 = β1 = 90  است. با جایگزینی این مقادیر در قانون اسنل، فرمول زیر بدست می‌آید:

با اندازه‌گیری RI محیط 2 و زاویه بازتاب کل RI، α محیط 2 بدست می‌آید.

این مقاله در هفته آینده، با موضوع فاکتور های موثر بر ضریب شکست ادامه خواهد داشت. از توجه شما تا اینجای این مطلب آموزشی سپاسگزاریم …

ضمن اینکه اگر سوال یا ابهامی در مقاله اخیر داشتید می‌توانید آنرا در زیر همین نوشته مطرح بفرمایید. همکاران ما به تمامی سوالات شما با صبوری و افتخار پاسخ خواهند داد.

• بخوانید: بریکس چیست و چگونه محسابه می‌شود

فاکتور های موثر بر ضریب شکست

وابستگی ضریب شکست به طول موج

تقریباً در همه موارد ضریب شکست طول موج های مختلف، متفاوت است. زیرا هر ماده الگوی خاصی دارد. این فرایند رابطه پراکندگی نامیده می‌شود.

شکل 8، میزان جذب (منحنی آبی) و رابطه پراکندگی (منحنی قرمز) آب را در محدوده‌ای از طول موج‌های مختلف نشان می‌دهد. ضریب شکست در ناحیه طیف مرئی در مقایسه با طیف فروسرخ اولیه کاهش می‌یابد؛ درحالیکه تقریباً هیچ گونه جذبی در این محدوده مشاهده نمی‌شود.

شکل 8: منحنی پراکندگی آب

برای تعیین دقیق ضریب شکست یک نمونه، میزان دقت طول موج انتخابی را با استفاده از یک فیلتر تداخل بسنجید؛ با اینکه بیشترین اندازه گیری های رفراکتومتریک در طول موج 589nm (یا 589.3nm) که مربوط به طول موج سدیم خط-D است انجام می‌پذیرد. در برخی از فرایندها، طول موج های دیگری نیز مورد نیاز است.

پیشینه تاریخی استفاده از طول موج استاندارد 589nm به استفاده از لامپای سدیم باز می‌گردد. این لامپ‌ها بطور گسترده به عنوان منبع نور مقرون به صرفه و معتبر به وفور در دسترس بوده است. عنوان “خط- D” به نماد خط طیفی سدیم اشاره دارد که توسط یک فیزیکدان آلمانی، جوزف فون فراونهوفر، با کشف و نقشه برداری بیش از 570 خطوط طیفی، ارائه شده است.

وابستگی ضریب شکست به دما

دما یکی دیگر از فاکتورهایی است که بطور اساسی بر ضریب شکست اثر می‌گذارد. بنابراین باید در تمامی مراحل، بطور دقیق کنترل و اندازه‌گیری شود. ابزارهای سنتی برای کنترل دما اغلب از یک حمام آب استفاده می‌کنند؛ درحالیکه ابزارهای مدرن از آپشن کنترل دقیق دمای پلتیر برخوردارند. این دستگاه‌ها به کمک سنسور های کنترل‌کننده دما، دمای نمونه و منشور را با دقت بسیار بالا ثبت می‌کنند.

شکل 9: ضریب شکست (589.3nm = ) آب در دمای T نسبت به خلاء طبق قانون Tilton و Taylor (1938) محاسبه شده است.

***

شرکت آذین تجهیز بعنوان شرکتی پیشرو با سابقه فعالیت طولانی در امر واردات و فروش دستگاه‌های آزمایشگاهی، توانسته نیاز جامعه آزمایشگاهی کشورمان را برطرف نماید. جهت سفارش یا خرید دستگاه رفراکتومتر با ضمانت 1 ساله و خدمات پس از فروشِ 10 ساله، می‌توانید با شماره‌‎های 02166578892 و یا 02166572995 ارتباط برقرار کنید تا همکاران ما در واحد فروش شما را راهنمایی کنند.