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Messparameter

Refraktometrie

Veröffentlicht von Stefan Langner am 27.09.2017 11:36:00

Probenaufnahme eines RefraktometersAls Refraktometrie bezeichnet man die Messung des Brechungsindexes. Der Brechungsindex ist eine optische Eigenschaft einer Substanz und der in ihr gelösten Partikel.

Der Brechungsindex ist von Temperatur und Wellenlänge abhängig

Der Brechungsindex einer Substanz hängt stark von der Temperatur und der Wellenlänge des Lichts ab, mit dem er gemessen wird. Aus diesem Grund muss darauf geachtet werden, dass Abweichungen in beiden Parametern von vorgegebenen Werten kompensiert werden. Der Brechungsindex wird üblicherweise mit einer Referenztemperatur von 20 °C angegeben. Als Wellenlänge wird standardmäßig die der Natrium D-Linie bei 589 nm gewählt (gelb).

Die Definition des Brechungsindex

Der Brechungsindex ist das Verhältnis der Vakuumlichtgeschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit in einer Substanz. Eine Folge dieser Eigenschaft ist, dass Licht sich „verbiegt“ oder die Richtung wechselt, wenn es durch eine Substanz mit einem anderen Brechungsindex gestrahlt wird. Dieser Vorgang wird als Brechung bezeichnet. Beim Übergang von einer Substanz mit einem höheren Brechungsindex zu einer mit einem niedrigeren Brechungsindex wird ein kritischer Winkel beobachtet, bei dem ein einfallender Lichtstrahl nicht mehr gebrochen wird sondern Reflexion an der Grenzfläche zwischen beiden Medien stattfindet. Das wird als interne Totalreflexion bezeichnet.

Der Brechungsindex wird aus dem gemessenen kritischen Winkel ermittelt

Der kritische Winkel kann einfach benutzt werden, um den Brechungsindex gemäß der folgenden Gleichung zu bestimmen:

sin (Θkritisch) = n2 / n1

Hierin ist n2 der Brechungsindex Dichte des Mediums mit der geringeren Dichte, n1 der des Mediums mit der höheren Dichte.

Winkel bei der Brechungsindexmessung

Digitalrefraktometer messen den Brechungsindex zuverlässig

Ein Digitalrefraktometer verwendet eine (gelbe) LED, um Licht durch ein Prisma zu strahlen, das in Kontakt mit der Probe ist. Ein Zeilenbildsensor bestimmt den kritischen Winkel der Totalreflexion. Spezielle Algorithmen führen die Temperaturkompensation durch und rechnen den Brechungsindex in die gewünschte Einheit um. Die Prinzipskizze zeigt den Strahlengang eines Hanna Digitalrefraktometers.

Schematischer Strahlengang eines Hanna Digitalrefraktometers

Die Refraktometrie lässt Rückschlüsse auf die Konzentration aber nicht die Art einer Substanz zu

Aus der Größe des Brechungsindex lässt sich einfach auf den Gehalt einer Substanz in einer Lösung rückschließen, aber nicht auf die Art der Substanz. Voraussetzung für die Richtigkeit einer Messung ist daher, dass die zu messende Substanz bekannt ist und die Konzentration in passenden Einheiten angegeben wird. Unser Artikel über die WineLine-Refraktometer veranschaulicht das.

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