Tìm hiểu nguyên lý khúc xạ kế

1. CHỈ SỐ KHÚC XẠ LÀ GÌ?

Mọi vật chất mà ánh sáng tương tác đều có chiết suất (RI, ký hiệu là n). Chỉ số khúc xạ n là tốc độ ánh sáng trong chân không so với tốc độ ánh sáng trong môi trường đang xét: 

n = Tốc độ ánh sáng trong chân không / Tốc độ ánh sáng trong môi trường

Ví dụ:

Nước có chiết suất là 1.33 nghĩa là ánh sáng truyền trong chân không nhanh hơn trong nước 1.33

2. NGUYÊN LÝ ĐO CỦA KHÚC XẠ KẾ

     Hoạt động của khúc xạ kế dựa trên nguyên lý vật lý khúc xạ ánh sáng – định luật Snell. Ánh sáng chậm lại khi truyền vào môi trường chiết quang hơn và tăng tốc khi truyền vào môi trường chiết quang kém hơn. Sự thay đổi tốc độ đi kèm với sự thay đổi hướng và ở một góc tới nhất định, ánh sáng hoàn toàn không khúc xạ trong môi trường thứ hai mà bị phản xạ hoàn toàn. Góc tại đó được gọi là góc tới hạn và chính góc này mà khúc xạ kế đo được.

     Một cách dễ dàng để hình dung hiện tượng này là dựa vào vị trí thực tế và quan sát một con cá bên dưới mặt nước. Sự khúc xạ ánh sáng rời khỏi nước và đi vào không khí khiến chúng ta cảm nhận được vị trí của cá gần hơn thực tế.

                        Hình 1: Sự khúc xạ ánh sáng phản chiếu từ                             Hình 2: Sự chênh lệch chiết suất càng lớn 
                        con cá (từ mặt trời) khiến chúng ta cảm nhận                           thì sự thay đổi hướng càng lớn
                        được vị trí của con cá gần hơn thực tế.

Định luật Snell

     Trong sơ đồ này, chùm tia A chiếu vào mặt phân cách của môi trường 1 (có chiết suất = n1) và môi trường 2 (có chiết suất = n2, trong đó n2 > n1) ở góc tới α1. Điều này dẫn đến sự phản xạ một phần (chùm tia A') và khúc xạ một phần (chùm tia A ở góc β1) ở bề mặt ranh giới.

     Ở một góc tới α2 nhất định, một phần của chùm sáng bị phản xạ và phần khác bị khúc xạ dọc theo mặt phân cách của hai môi trường. Điều này được gọi là phản xạ toàn phần và góc được gọi là góc tới hạn của phản xạ toàn phần.

     Khi chùm tia tới nghiêng một góc lớn hơn góc tới hạn α thì chùm tia sáng sẽ bị phản xạ toàn bộ (chùm tia C').

     Định luật Snell có thể được áp dụng để xác định RI của môi trường 1. Định luật phát biểu rằng tỉ số của RI bằng tỉ số nghịch đảo của sin của các góc α1 và β1.

     Khi α2 = α tới hạn thì góc α1 = β1 = 90°. Việc thay thế các giá trị này vào định luật Snell sẽ cho

     Do đó, việc đo RI của môi trường 2 và góc tới hạn của phản xạ toàn phần α tới hạn có thể mang lại RI của môi trường 2

Hình 3: Các tia sáng tới hoặc bị phản xạ toàn phần (α>α tới hạn) hoặc bị khúc xạ một phần và phản xạ một phần (α<α tới hạn), tùy thuộc vào góc của chúng.

Khúc xạ kế kỹ thuật số hoạt động như thế nào?

     Trong khúc xạ kế kỹ thuật số, ánh sáng (1) truyền từ lăng kính (2) có chiết suất cao (thường là thủy tinh hoặc sapphire nhân tạo) vào mẫu (3). Nếu góc tới vượt quá một giá trị nhất định, ánh sáng sẽ bị phản xạ tại ranh giới lăng kính/mẫu (xem phần 'phản xạ toàn phần' ở chương trên). Ánh sáng phản xạ được phát hiện bởi cảm biến CCD (hoặc CMOS) (4): Chỉ số khúc xạ của mẫu được đo càng thấp thì góc tới hạn càng nhỏ và bề mặt được chiếu sáng của cảm biến càng lớn. Do đó, chỉ số khúc xạ của mẫu có thể được tính toán bằng khúc xạ kế, sử dụng tỷ số giữa độ dài của vùng được chiếu sáng và độ dài của vùng tối trên CCD

3. ỨNG DỤNG CỦA KHÚC XẠ KẾ

     Trong phòng thí nghiệm y tế và chẩn đoán thuốc, khúc xạ kế được sử dụng để đo tổng lượng protein máu trong mẫu máu và trọng lượng riêng của mẫu nước tiểu.

     Trong ngành Ngọc học, khúc xạ đá quý là một trong những yêu cầu cơ bản của thiết bị sử dụng trong phòng thí nghiệm. Đá quý là khoáng chất trong suốt và do đó có thể được kiểm tra bằng phương pháp quang học. Khúc xạ kế được sử dụng để giúp xác định các vật liệu đá quý bằng cách đo chỉ số khúc xạ của chúng, một trong những đặc tính chính được sử dụng để xác định loại đá quý. Do sự phụ thuộc của chiết suất vào bước sóng của ánh sáng được sử dụng (sự tán sắc), phép đo thường được thực hiện ở bước sóng của natri vạch D (NaD) ~ 589 nm. Điều này được lọc ra khỏi ánh sáng ban ngày hoặc được tạo ra bằng một diode phát sáng đơn sắc (LED). Một số loại đá như hồng ngọc, ngọc bích, đá tourmalin và đá topaz có tính dị hướng quang học cũng như tính lưỡng chiết dựa trên mặt phẳng phân cực của ánh sáng. Hai chiết suất khác nhau được phân loại bằng cách sử dụng bộ lọc phân cực. Máy đo khúc xạ đá quý có sẵn dưới dạng dụng cụ quang học cổ điển và thiết bị đo lường điện tử với màn hình kỹ thuật số.

     Trong ngành nuôi cá cảnh biển, khúc xạ kế được sử dụng để đo độ mặn và trọng lượng riêng của nước.

     Trong ngành công nghiệp cơ khí và công nghiệp ô tô, khúc xạ kế được sử dụng để đo lượng nồng độ chất làm mát, cụ thể là đo lượng chất làm mát đậm đặc trong dung dịch đã pha thêm chất làm mát gốc nước trong quá trình gia công.

     Trong ngành đồ uống có cồn, khúc xạ kế đo độ ngọt (hay khúc xạ kế đo đường) được sử dụng để đo trọng lượng riêng trước khi lên men để xác định lượng đường sẽ được chuyển hóa thành rượu trong quá trình lên men.

     Khúc xạ kế Brix thường được sử dụng trong các chất bảo quản bao gồm mứt và mật ong. Trong ngành nuôi ong, khúc xạ kế brix được sử dụng để đo lượng nước trong mật ong

4. LỰA CHỌN KHÚC XẠ KẾ Ở ĐÂU ?

     Bạn có thể dễ dàng lựa chọn các mẫu máy đo khúc xạ kể ở Công ty AN HÒA chúng tôi. Công ty chúng tôi với nhiều năm kinh nghiệm trong việc tư vấn cũng như cung cấp các thiết bị khúc xạ kế của các hãng đi đầu công nghệ

CẢM ƠN BẠN ĐÃ QUAN TÂM ĐẾN BÀI VIẾT CỦA CHÚNG TÔI ! HY VỌNG CÓ THỂ ĐỒNG HÀNH CÙNG NHAU Ở NHỮNG DỰ ÁN SẮP TỚI !