折射率与折射仪的工作原理
折射仪:测量物质折射率、比重、糖度的利器
折射仪是一种光学仪器,透过测量物质对光线的折射现象,来获得物质的折射率、比重、糖度 (Brix,白利糖度) 等资讯。其原理是利用光线在不同介质中传播时,速度会产生差异,进而导致光线行进方向发生偏折,这种现象被称为「折射 (Refraction)」。中文的「屈折」则是进一步解释可见光的折射。所以折射仪通常被称为屈折度计或屈折计 (偶而也被误植为曲折计或曲折度计)。
折射仪透过精密的设计,能够将光线偏折的角度转化为可量化的数据,并与物质的特性建立对应关系,因此能够广泛应用于各个领域。
折射仪的工作原理
当光线从一种介质进入另一种介质时,会因光速变化而导致光线行进方向发生偏折。这也是为何筷子插入水杯时,肉眼会看到筷子被折屈。这是因为光线从水中的筷子表面反射进入空气中以后,改变了方向的缘故。眼睛看到的光线,让大脑误以为水面下的筷子,是在眼睛直线方向的位置。
筷子在水中的折射现象
上述的现象被称为折射。折射仪正是利用了光线折射的原理来测量物质的折射率。
影响折射率的主要因素
折射率会受到多种因素的影响,包括:
物质的种类:不同的物质具有不同的折射率。
光线的波长:光线的波长不同,折射率也会不同。一般来说,波长较短的光线,其折射率较大。
温度:温度升高,物质的密度会降低,折射率也会降低。
比重:另外一种会影响折射率的变因,是溶液的比重 (Specific Gravity),亦称为质量百分比。举例来说,不同比重浓度的蔗糖水,会有不一样的折射率。因此,根据已知蔗糖比重的蔗糖水与折射率之间的关系,便能由溶液的折射率,反推溶液中的蔗糖比重,进而测量出样品的糖度。通常,我们会以 Brix,白利糖度百分比,来表示样品的糖份。也就是在 20°C 的温度下,每100克水溶液中,有多少克的蔗糖?
除了 Brix 之外,亦有用 Plato 柏拉图当作糖分计量单位,常见于啤酒业用来表示黑麦汁的糖份。因此,折射仪,也常被称为糖度计、糖份计、糖度仪。
在实际应用中,通常需要考虑这些因素的影响,才能得到准确的测量结果。
折射仪的光源
折射仪通常会配备一个光源,发射出特定波长的光线。光线会照射到待测物质的表面,并发生折射。折射仪透过精密的光学系统,能够准确地测量折射角。根据司乃耳定律(Snell's Law),就可以计算出物质的折射率。
不过需要注意的是,各种特定单一波长的光线通过相同的物质,结果造成的折射率 (n) ,不尽相同。
目前通用的标准折射率,单位是以 nD 表示,它是以钠灯所产生的双波长光线 (588.995 nm 与 589.592 nm)取两波长的中间值,也就是589.3nm,来定义折射率的绝对测量结果。早期也有用红色氢气灯 (656.2725nm, 单位 nC),蓝色氢气灯 (486.1327nm,单位 nF)来表示某物质的折射率,现在已经比较少用了,因此目前市面上的折射计,都是以 nD 为单位。
新型的折射仪,更是将灯源改为 LED,不但波长特性更稳定,灯源寿命也比钠灯长得多,仪器更容易维护,目前已经逐渐取代传统常需要定期校正的钠灯源。
如何选购折射计?
在选购折射仪时,需要考虑以下因素:
- 测量精度:根据应用需求选择合适精度的折射仪。
- 测量范围:根据待测物质的折射率范围选择合适的测量范围。
- 功能:有些折射仪具有自动补偿温度、自动校准等功能,可以提高测量效率和准确度。
- 品牌和价格:选择知名品牌的折射仪,可以获得更可靠的质量和售后服务。
折射计发展至今,经过不断改善,测量的速度、精度、仪器的稳定度、寿命,都已经获得大幅改善,至今已经成为许多研究、品管,所不可或缺的仪器。新型的数位式折射仪,更采用全反射的测量方式,利用折射率与全反射角度呈正比的特性,来测量出样品的折射率。相较于传统 ABBE 阿贝式屈折度计,由于全反射屈折度计不需要让光线穿透样品到另外一边再量测,因此对于不太透光、高黏稠度、或深色的样品,新型的数位式折射仪,一样能够胜任。
传统 ABBE 与 全反射式屈折度计的比较
势动科技代理来自德国、世界知名品牌 A.KRÜSS 的高品质折射计,在德国精密机构与光学设计下,这一系列的折射仪,不但精准,更是耐用。屈折度计常见的问题,便是光学镜片接缝处漏液,这种现象在德国工艺之下,是很难发生的现象,对于酸碱溶液,也无需特别照顾,滴上蓝宝石光学窗,数秒内便完成测试,擦拭一下便能进行下次量测。
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不太透光又黏稠的的深色食用色素、食用香料,一样能够精准测量糖度
Brix, Plato, 比重 三者之间换算
台湾一直是全球重要的水果产地,食品业也是非常重要的产业,折射仪在这些产业以及相关研究领域的使用,已经行之有年。拿来测量果汁、果冻、食品添加剂、食用色素、食用香料的糖份。近年来,由于酿酒独卖事业的开放,折射仪也是酿酒产业不可或缺的仪器之一。无论是葡萄酒 (红酒、白酒),或者自酿啤酒,要得知原料或成品的品质,有两个数据是依定要知道的,一是 OG 值 (酿造前原始比重),一是 FG 值 (酿造后最后比重)。关于白利糖度 (Brix)、柏拉图糖度 (Plato)、比重 (SG, Specific Gravity) 三者间的关系,以及换算,可由下表得知:
Brix 白利糖度、比重、柏拉图 换算表