الإنكسار

عند وضع مصاصة العصير في كأس مملؤ بالماء فإن المصاصة تظهر منكسرة، والآن إذا وضعت المصاصة في كأس مملؤ بالماء المحتوي على سكر مذاب في الماء، فإن المصاصة ستظهر منكسرة أكثر من الحالة الأولى (أنظر الشكل). هذه الظاهرة معروفة بمبدأ الإنكسار الضوئي، مقاييس الإنكسار تستعمل هذه الظاهرة في التطبيقات العملية، وهي مبنية على مبدأ أن كلما زادت كثافة المادة (عند إذابة السكر في الماء مثلاً) فإن معامل الإنكسار الضوئي لها يزداد (درجة ظهور المصاصة منكسرة). لقد قام بصناعة مقاييس الإنكسار الدكتور إرنست آبي، العالم الألماني/النمساوي وذلك في بدايات القرن العشرين.

مبدأ عمل مقاييس الإنكسار

هناك نظامان لمعرفة معدل الإنكسار لمادة ما: الأنظمة الشفافة والأنظمة الإنعكاسية، مقاييس الإنكسار المحمولة يدوياً ومقاييس إنكسار آبي التي تستخدم الأنظمة الشفافة، بينما مقاييس الإنكسار الرقمية تستخدم الأنظمة الإنعكاسية.

الأنظمة الشفافة

نظام الكشف في مقاييس الإنكسار المحمولة يدوياً(نظام شفاف) تم توضيحه بالأسفل.

أنظمة الإنعكاس

نظام الكشف المستعمل في مقاييس الإنكسار الرقمية (نظام الإنعكاس) سيتم توضيحه بالأسفل.في الشكل المرفق في الأسفل، الضوء A الذي تم إسقاطه من الجهة اليسرى من أسفل المنشور لم ينعكس عند الحد الفاصل ولكن خرج من خلال العينة. الضوء B إنعكس عند الحد الفاصل متجهاً لليمين مباشرة مع الحد الفاصل وبأتجاهه. الضوء C لأن له درجة سقوط كبيرة لن يسمح له بالنفاذ إلى جهة العينة، وقد تم عكسه كلية بإتجاه الجهة السفلية يمين المنشور.وكنتيجة لذلك يتم الحصول على خط فاصل يفصل ما بين المناطق المضيئة والمناطق المعتمة على جانبي الخط المنقط "B" كما في الشكل. وبما أن زاوية الإنعكاس لهذا الخط الفاصل تتناسب طردياً مع معدل الإنكسار فإن موضع الخط الفاصل ما بين المناطق المضيئة والمعتمة يتم إستقبالها بواسطة مستشعر ويتم تحويلها إلى معدل إنكسار.

فيما يتعلق بمقياس بركس (%)

تبين درجة بركس النسبة المئوية (%) لتركيز المواد الصلبة المحتوى في عينة ما (محلول الماء). المواد الصلبة الذائبة عبارة عن مجموع كل المواد الصلبة الذائبة في الماء، بما فيها السكر، الملح، البروتين، الأحماض، إلى أخره والقراءة تعطي كمية كل تلك المواد الصلبة، بشكل أساسي، نسبة بركس (%) تم معايرتها على أن تعادل عدد جرامات سكر القصب المحتوى في 100 جم من محلول سكر القصب، لذلك عند قياس محلول السكر فإن نسبة بركس (%) يجب أن تطابق تماماً التركيز الحقيقي. أما المحاليل الأخرى التي تحتوي على مواد أخرى وخصوصاً عندما يريد الواحد أن يعرف بدقة التركيز في هذه الحالة من الضروري إستعمال جداول التحويل.

>إستخدامات مقاييس الإنكسار

الفواكه

عند قياس تركيز سكر الفواكه، فإن مقاييس الإنكسار لها الفوائد التالية:

الصناعات الغذائية

بقياس تركيز السكر أو نسبة (%) المواد الصلبة المحتوى للمنتجات الغذائية المختلفة، فأنه يمكن الحصول على الفوائد التالية:

مجالات بحث وصناعات أخرى

• عندما تنتقل موجات الضوء. كما هو مبين في الشكل1 يظهر كأنه ينتقل بإتجاه واحد، بالحقيقة إن الضوء ينتقل في جميع الإتجاهات كما يبين الشكل 2.

• عند إنتقال موجات الضوء، والتي تنتقل في جميع الإتجاهات، من خلال لوحة تحتوي فتحات شعرية موضوعة في طريق إنتشاره فإن موجات الضوء الموازية لفتحات اللوحة الشعرية هي التي تنفذ، أما موجات الضوء التي تتذبذ في الإتجاهات الأخرى يتم حجزها ومنعها من النفاذ بواسطة الفتحات الشعرية في اللوحة، (أنظر الشكل3)الضوء النافذ الذي يتذبذب بإتجاه واحد يسمى ضوء مستقطب والأداة الشعرية تسمى لوحة الإستقطاب.

• عندما يتنقل الضوء المستقطب خلال أنبوب الملاحظة المملؤ بسائل لا يجعل موجات الضوء تدور (عينة ماء مثلاً) فإن الضوء يستمربالتموج في نفس الإتجاه حتى بعد عبوره من خلال السائل. (شكل4)

• وعلى النقيض، عندما تنتقل موجات الضوء من خلال أنبوب ملاحظة مملؤ بعينة من محلول يجعل موجة الضوء تدور (محلول سكروز مثلاً، فإن موجة الضوء تبدأ بالدوران حتى بعد عبورها من خلال المحلول. (الشكل5)، هذا يسمى تدوير ضوئي.

• العينات التي تجعل الضوء يدور عادة ما يكون لها معادلة جزيئية تحتوي على كربون غير متناظر (يشاى اليها بالعلامة "C")، ويعتبر السكر من أكثرها إنتشاراً. الحديث عن الكربون الغير متناظر يمكن أن يكون تقنياً جداً. لذلك فإن توضيح الكربون الغير متناظر سيكون في قسم لاحق.

• تخيل أن يكون مسار تنقل الضوء يحتوي على لوحة إستقطاب وأنبوب ملاحظة ولوحة إستقطاب أخرى ومستشعر، واحداً بعد الآخر. (الشكل 6 و7 )

• المسار في الشكل 6 يحتوي على أنبوب ملاحظة مملؤ بالماء، وفي الشكل 7 عينة محلول كمحلول السكروز مثلاً الذي يسبب دوران الضوء.

• في الشكل 6 كمية من الضوء تصل إلى المستشعر

• في الشكل 7 الضوء لا يصل إلى المستشعر. (إذا تحدثنا تقنياً، فيما يتعلق بالمتجهات فإن نسبة ضئيلة جداً من الضوء سوف تصل إلى المستشعر، ولكن لتفترض أن الضوء لن يصل إلى المستشعر في هذه الحالة).

• عند تدوير لوح الإستقطاب الثاني كما هو مبين في شكل 8، فإن نفس كمية الضوء في الشكل 6 ستصل إلى المستشعر في هذه الحالة الان.

تشغيل على تهيئة – صفر في مقياس الإستقطاب

• شغل على تهيئة- صفر كما هو مبين في الخطوة في الشكل 6، في إجراءات الضبط الحقيقية، إستعمال أنبوب الملاحظة المملؤ بالماء غير ضروري ويمكن العمل في وضعية تهيئة- صفر بجعل الضوء يمر عبر الهواء.

• بعدها، ضع أنبوب الملاحظة المملؤ بعينة من المحلول الذي يسبب دوران موجة الضوء، كما يبين الشكل 8.

• قم بتدوير لوحة الإستقطاب الثانية حتى يتم وصول نفس الكمية من الضوء إلى المستشعر الضوئي كالتي وصلت إلى المستشعر في حالة وضعية تهيئة - الصفر.

• زاوية دوران لوحة الإستقطاب التي تحصل عليها تعادل زاوية دوران محلول العينة.

تعليمات مقياس الإستقطاب POLAX-2L تم وصفها بنفس الطريقة الموضحة أعلاه، المستشعر المذكور هنا هو نفس عينك (في تعليمات POLAX-2L). خطوات عمل وضعية تهيئة - الصفر على جهاز AP-100 ليست مطابقة تماماً للخطوات المبينة هنا، ولكن كليهما يستعملان نفس المبدأ.