굴절계, 식품 산업에서의 작동 방식 및 역할

Jun 13, 2023

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굴절계는 물질의 굴절률(n)을 측정하는 데 사용되는 장치입니다. 이 물리적 특성은 물질의 순도를 결정(n 값을 표준 값과 비교하여)하거나 n 값을 참조 값과 비교하여 알려지지 않은 물질을 식별하는 데 도움을 주는 등 다양한 평가를 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 1 굴절계는 설계와 용도가 다양하며 굴절률 또는 기타 경우에는 용해성 고형분, 당 농도 또는 염도와 같은 매개변수를 직접 측정하여 결과를 제공할 수 있습니다.

굴절계의 작동 원리, 굴절률 및 스넬의 법칙의 역할

물질의 굴절률은 방정식 1에 설명된 바와 같이 시험 물질을 통과하는 빛의 속도에 대한 진공에서의 빛의 속도의 비율에 의해 결정됩니다.

굴절률(n) = (진공에서의 빛의 속도) (시험 물질에서의 빛의 속도)

방정식 1: 광속을 사용하여 물질의 굴절률을 정의합니다.

빛이 한 매체에서 다른 매체로 이동할 때 속도뿐만 아니라 방향도 바뀌어 굴절이 발생합니다. 이 현상은 그림 1에 나타나 있는데, 여기서 광선은 각각 vA와 vB의 속도로 매체 A와 B를 통과합니다.

스넬의 법칙에 따르면 입사각과 굴절각의 사인 사이의 관계는 두 번째 매질의 굴절률과 동일합니다.2 경계면에 수직인 평면을 고려하면 입사빔과 굴절빔은 각도 θA와 θB를 형성합니다. 그리고 매체 A와 B의 굴절률(nA 및 nB)을 사용하면 다음과 같은 관계가 성립될 수 있습니다(식 2).

sin⁡θA = nB = VAsin⁡θB nA VB

방정식 2: 스넬의 법칙 공식.

위의 방정식은 빛의 속도를 측정하는 것이 아니라 입사각과 굴절각을 측정하여 물질의 굴절률을 알 수 있음을 보여줍니다.

굴절계의 작동 원리를 더 잘 이해하려면 고려해야 할 또 다른 기본 개념인 임계각이 있습니다. 입사 광선의 각도가 증가함에 따라 굴절 각도도 증가합니다(그림 2A 참조). 특정 입사각에서 굴절각은 최대 굴절각인 90°에 도달합니다. 임계각이라고 알려진 이 특정 지점에서 광선은 경계면과 평행하게 이동하며 입사각이 추가로 증가하면 빛이 반사됩니다.3 이제 액체와 접촉하는 조명 프리즘을 고려하면( 그림 2B), 임계각 아래로 이동하는 빔은 굴절되고 임계각 이상으로 이동하는 빔은 반사됩니다. 올바른 위치에서 관찰하면 임계각은 어두운 영역과 밝은 영역 사이의 전환으로 시각화될 수 있습니다. 프리즘의 굴절률(nA)과 임계각(즉, 90°)에서의 굴절각 θB를 알면 이제 액체의 굴절률(nB)을 결정할 수 있습니다. 이 관계는 대부분의 굴절계의 작동 원리를 확립합니다.4

물질의 굴절률을 정확하게 결정하려면 특히 온도와 측정에 사용되는 빛의 파장에 대한 이 특성의 의존성으로 인해 추가 고려 사항을 고려해야 합니다. 따라서 온도 변화와 파장을 제어하거나 보상하는 데 주의를 기울여야 합니다.1

굴절률은 물질마다 다르므로 이 특성은 물질을 특성화하고 순도를 평가하는 쉽고 효율적인 방법입니다. 테스트 샘플이 물과 설탕, 물과 알코올 등 두 가지 성분의 단순한 혼합물인 경우 특성 분석을 위한 첫 번째 선택은 굴절계입니다. 더 복잡한 혼합물은 덜 정확한 측정을 생성할 수 있지만 굴절계는 여전히 품질 관리에 적합한 허용 가능한 용질 농도의 근사치를 제공할 수 있습니다. 이러한 이유로 굴절계는 사용이 간편하고 유지 관리가 적으며 빠른 결과를 제공하므로 실험실, 산업 및 생산 분야에서 사용됩니다. 용액의 굴절률은 일반적으로 부피별 농도(m/V)에 정비례하며 밀도 계수를 곱하면 질량별 농도(m/m)로 변환할 수 있습니다. 이 관계를 통해 굴절률과 비중 데이터를 상호 비교할 수 있습니다. 물질의 비중 또는 상대 밀도는 표준 물질(보통 4°C의 물)에 대한 밀도의 비율입니다. 액체의 상대 밀도는 바닥에 전구가 부착되어 안정기 역할을 하는 밀봉된 유리관으로 만들어진 장치인 비중계를 사용하여 결정할 수 있습니다. 이러한 장치는 특정 밀도를 가지며 비중계의 부력을 기반으로 장치가 놓인 액체의 비중을 인쇄된 눈금으로 읽을 수 있습니다. 대안으로, 액체의 비중은 지정된 부피의 유리 용기와 용기가 완전히 채워지고 기포가 빠져나갈 수 있게 해주는 특수 마개인 비중병을 사용하여 측정할 수 있습니다. 이 장치를 사용하면 매우 정확한 부피를 측정할 수 있으므로 유체의 비중을 결정할 수 있습니다.6 비중과 굴절률 모두 공정 제어 및 품질 평가에 필수적인 이원 혼합물의 조성을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. . 비중계는 저렴하고 사용이 간편하여 가정 양조업자에게 이상적입니다. 그러나 굴절계는 더 빠르고 직접적인 결정을 가능하게 하고 비중 측정보다 훨씬 작은 샘플이 필요하며 휴대성이 더 좋기 때문에 대부분의 산업 및 식품 생산 응용 분야에서 선호되는 선택입니다.