Wie funktioniert ein Refraktometer?
Refraktometrie ein langer Weg von Plato bis Ernst Abbe
Bereits der Philosoph Plato beschrieb eine Beobachtung, die für das spätere Verständnis des Brechungsindex und des damit verbundenen Brechungsgesetzes wichtig war. Ihm fiel auf, dass Ruder an Luft normales Aussehen zeigten, während sie unter Wasser wie abgeknickt erschienen.
Die erste konkrete Darstellung der Lichtbrechung stammt jedoch von dem persischen Mathematiker und Physiker Ibn Sahl aus dem 10. Jahrhundert. In einer Abhandlung über Brennspiegel und Brenngläser beschäftigte er sich mit der Lichtbrechung und gilt durch diese Arbeit als Entdecker des Brechungsgesetzes.
Seine Erkenntnisse gerieten jedoch in Vergessenheit und wurden erst sechs Jahrhunderte später wieder aufgenommen. Schließlich formulierte 1621 der Professor Willebrord Snell van Royen eine neue Version des Brechungsgesetzes. Seine Erkenntnisse über Lichtbrechung an der Grenzfläche zweier transparenter Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex öffneten die Tür zur Erfindung des Refraktometers.
Ernst Abbe war es schließlich, der 1872 sein Refraktometer der Fachwelt vorstellte. Gebaut wurde es bei Carl Zeiss in Jena. Abbe nutzte Refraktometer zur Prüfung von Balsamen und Harzen sowie für die Mikroskop-Herstellung nötige Immersionsflüssigkeit. Seine Erfindung wird bis zur Gegenwart in Ausbildung, Forschung, Industrie und Pharmazie eingesetzt.
Heute werden vielfach digitale Refraktometer verwendet. Sie arbeiten mit LED-Lichtquellen, Prismen und CCD-Sensoren. Digitale Mehrwellenlängen-Refraktometer ermöglichen sogar das Messen bei verschiedenen Wellenlängen.
Refraktometrie in der Natur
Lichtbrechung zeigt sich in der Natur z. B. an der Wasseroberfläche. Gegenstände oder Tiere, die sich ganz oder teilweise unter Wasser befinden, können geknickt, verkürzt oder angehoben erscheinen, wenn sie an der Grenzfläche „Luft-zu-Wasser“ betrachtet werden.
Die Ursache für diese „Trugbilder“ ist die Brechung des Lichts an der Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex.
Refraktometer und die Totalreflexion
Trifft Licht auf eine Grenzfläche von Medien mit unterschiedlichen Brechungsindexen, so tritt in der Regel Brechung und Reflexion des Lichts ein. Ab einem bestimmten Einfallswinkel, der materialabhängig ist, wird das Licht an der Grenzfläche nicht mehr gebrochen, sondern nur noch reflektiert. Es findet Totalreflexion des Lichts statt. Der kritische Winkel, unter welchem die Totalreflexion beginnt, wird zur Ermittlung des Brechungsindex genutzt.
Der Brechungsindex nD ist der Wert für das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (C Vakuum) zur Lichtgeschwindigkeit in einem Medium (C Medium ). Das D bei nD bezieht sich auf die Wellenlänge von der Natrium-D-Linie bei 589 nm. Das ist die Standardwellenlänge bei Refraktometern.
Was ist Totalreflexion?
Maßgeblich für die Messergebnisse beim Refraktometer ist der kritische Winkel der Totalreflexion.
Mit seiner Hilfe messen Refraktometer den Brechungsindex einer Probe. Bei Plexiglas liegt der kritische Winkel der Totalreflexion bei 42°, daraus ergibt sich ein Brechungsindex von 1,49 nD, gemessen bei 20°C.
Welche Gesetzmäßigkeit gilt bei Totalreflexion?
Das Snelliussche Brechungsgesetz beschreibt die Gesetzmäßigkeit hinter der Brechung. Es gilt: Sind der Einfallswinkel des Lichts (sin Θ T) sowie der Brechungsindex (n1) eines Mediums (Prisma), bekannt und es tritt Totalreflexion auf (sin 90°), können diese Werte genutzt werden, um den unbekannten Brechungsindex (n2) des anderen Mediums (Probe), zu ermitteln.
Warum wird Licht gebrochen?
Licht bewegt sich nicht immer gleich schnell. Die Geschwindigkeit des Lichtes ist abhängig von dem Medium, in dem es sich ausbreitet. Je größer der Brechungsindex eines Mediums, desto geringer ist die Geschwindigkeit des Lichtes. Lichtbrechung entsteht an der Grenzfläche, wenn ein Lichtstrahl von einem Medium in ein anderes wandert und diese Medien verschiedene Brechungsindexe besitzen.
Lichtbrechung verdeutlicht am Beispiel der Medien Luft | Wasser
Wird die Tasse, die Luft (Brechungsindex nD 1,0003) enthält, mit Wasser (Brechungsindex nD 1,3330) aufgefüllt, ist der Inhalt aufgrund der Lichtbrechung deutlicher zu erkennen.
Die Messung des Brechungsindex ist abhängig von der Temperatur des Mediums und der Wellenlänge des verwendeten Lichts.
Hier angegebene Brechungsindex-Werte sind bei 20°C gemessen.
Was passiert genau?
Erreicht der Lichtstrahl die Wasseroberfläche, wird er teilweise „transmittiert“ und teilweise „reflektiert“. Das heißt ein Teil des Lichtstrahls breitet sich weiter im Wasser aus und der andere Teil des Lichtstrahls wird zurück in die Luft reflektiert. Der „transmittierte“ Teil ändert an der Grenzfläche „Luft-zu-Wasser“ seine Ausbreitungsrichtung unter dem Brechungswinkel 22,04°. Der Lichtstrahl wird also bei gefüllter Tasse aufgrund des Wassers gebrochen.
Wozu dient die Messung mit dem Refraktometer?
Die Geräte ermitteln den Brechungsindex flüssiger oder fester Substanzen, aus dem sich deren Identität und Qualität sowie die Konzentration in binären (Gemisch aus zwei unterschiedlichen Komponenten) oder quasibinären Mischungen ableiten lassen. Gibt man beispielsweise zu reinem Wasser Zucker hinzu, verändert sich der Brechungsindex in Abhängigkeit von der zugegebenen Menge. Gibt man Salz ins Wasser, verändert sich der Brechungsindex ebenfalls, aber in einem anderen Verhältnis zur Konzentration. Das bedeutet: Wenn Wasser bei 20°C keinen Brechungsindex von 1,3330 nD aufweist, ist es kein reines Wasser.
Messprinzip der Digitalrefraktometer
Bei Digitalrefraktometern wird der kritische Winkel der Totalreflexion in Reflexion gemessen. Lichtquelle und Fotodetektor befinden sich auf der gleichen Seite der Probe. Dabei sind Lichtquelle, Prisma und Fotodetektor so zueinander ausgerichtet, dass es, sofern keine Probe auf dem Prisma vorliegt, über die gesamte Fläche des Prismas zu einer Totalreflexion kommt. Befindet sich eine Probe auf dem Prisma, findet die Totalreflexion nicht mehr über die gesamte Fläche des Prismas statt. Zwei Beispiele gemessen bei 20°C:
Bei einer Wasserprobe auf einem Saphirprisma beträgt der kritische Winkel der Totalreflexion 49°.
Bei einer Probe mit Honig (Wassergehalt 18%) beträgt der kritische Winkel der Totalreflexion 57°.
Auf dem Fotodetektor entsteht ein beleuchteter und ein unbeleuchteter Bereich. Der Winkel, ab der Totalreflexion entsteht, trennt die zwei Bereiche erkennbar ab, wodurch der Brechungsindex ermittelt werden kann.
Der Brechungsindex gibt Aufschluss über die Reinheit einer Substanz, nicht aber über die genaue Zusammensetzung. Bei Honig ist die Lichtbrechung abhängig vom Wassergehalt. Je höher der Wassergehalt, desto schneller ist die Lichtgeschwindigkeit im Honig, desto kleiner der Brechungsindex.
Digitalrefraktometer arbeiten mit Reflexionslicht, das bedeutet: Das Licht muss die Probe nicht durchqueren. Dadurch haben Farbe-, Textur oder Beschaffenheit der Probe nur einen geringen Einfluss auf die Messung. Selbst vermeintlich anspruchsvolle Proben wie Marmeladen können mit einem Digitalrefraktometer vermessen werden.
Messprinzip der Hand- und Abbe-Refraktometer
Handrefraktometer und Abbe-Refraktometer arbeiten mit Durchlicht: Der Lichtstrahl trifft hier durch zwei rechtwinklige Prismen, ein Beleuchtungsprisma und ein Messprisma. Beide Prismen bestehen aus Glas mit gleichem Brechungsindex und werden gegeneinander gepresst.
Im Zwischenraum dieser beiden Prismen wird die Probe platziert. Die Beleuchtungsprisma-Innenseite, die Kontakt mit der Probe hat, ist aufgeraut. Dadurch kann einfallendes Licht in diffusen Strahlen unter allen möglichen Winkeln in die Probe eindringen. An der Grenzfläche „Probe-Messprisma“ werden diese Lichtstrahlen gebrochen und durchwandern in unterschiedlichen Winkeln die Grenzfläche.
Das Messprisma durchwandern nur Strahlen, die in einem Winkel kleiner als der kritische Winkel der Totalreflexion einstrahlen. Dadurch entsteht auf einem Schirm ein Hell-Dunkel-Bereich. Eingestellt auf die Grenzlinie kann der Brechungsindex auf einer mitlaufenden Skala abgelesen werden.
Das Abbe-Refraktometer hat eine weite Verbreitung gefunden, weil es eine einfache und schnelle Messung des Brechungsindex ermöglicht. Die Bedienung des Gerätes ist schnell erlernt.
Neben Durchlicht können Abbe-Refraktometer auch in Reflexion arbeiten. Dies ermöglicht Abbe-Refraktometern, neben flüssigen Proben auch Feststoffe messen zu können.
Handrefraktometer sind wegen ihrer alltagstauglichen, handlichen und robusten Bauweise beliebt. Es gibt manuelle Handrefraktometer in verschiedenen Ausführungen mit verschiedenen Skalen.
