Strahlenbrechung

Wenn ein Strohhalm in ein Glas Wasser gestellt wird, erscheint er gekrümmt. Stellt man nun den Strohhalm in ein Glas Wasser mit gelöstem Zucker, erscheint er sogar noch stärker gekrümmt (vgl. die Abbildungen). Dieses Phänomen ist bekannt unter dem Namen Brechungsgesetz. Refraktometer sind Messinstrumente, die sich dieses Gesetz der Lichtbrechung zunutze machen. Sie basieren auf dem Prinzip, das der Brechungsindex (d.h. wie stark gekrümmt der Strohhalm erscheint) proportional zur Dichte einer Substanz steigt (z.B. wenn Zucker im Wasser aufgelöst wird). Das Refraktometer wurde von Dr. Ernst Abbe, einem deutsch-österreichischen Wissenschaftler des frühen 20. Jahrhunderts entwickelt.

Das Prinzip des Refraktometers

Hierbei gibt es zwei Systeme zur Erfassung des Brechungsindex : Transparentsysteme und Reflexionssysteme. Handrefraktometer und das Abbe-Refraktometer verwenden Transparentsysteme während digitale Refraktometer Reflexionssysteme benutzen.

Transparentsysteme

Es folgt eine Zusammenfassung des Erfassungssystems für Handrefraktometer (Transparentsystem) :

Reflexionssysteme

Im folgenden wird das Erfassungssystem für digitale Refraktometer (Reflexionssystem) dargestellt. In der Abbildung unten wird das Licht A, ausgehend von der unteren Linken des Prismas, nicht durch die Grenze zurückreflektiert, sondern tritt durch die Probe aus. Licht B wird durch die Grenzfläche nach rechts reflektiert, direkt entlang der Prismengrenze. Licht C, mit einem zu großen Einfallwinkel, um zur Probenseite durchgelassen zu werden, wird vollständig zur unteren Rechten des Prismas reflektiert. Infolgedessen entsteht eine Grenzlinie, die in der Abbildung Lichtfelder und Dunkelfelder zu beiden Seiten entlang der punktierten Linie "B' teilt. Da der Reflexionswinkel dieser Grenzlinie zum Brechungsindex proportional ist, wird die Position der Grenzlinie zwischen hellen und dunklen Gebieten durch einen Sensor aufgenommen und in den Brechungsindex umgewandelt.

Die Brix ( % )-Skala

Brix (%) mißt den Prozentsatz der Konzentration gelöster Feststoffe in einer Probe (wässrige Lösung). Der Anteil an gelösten Stoffen ist die Gesamtmenge aller Feststoffe, einschließlich Zucker, Salze, Proteine, Säuren etc., die im Wasser gelöst sind, der Messwert entspricht deren Gesamtmenge. Grundsätzlich wird Brix (%) kalibriert als Grammgehalt von Rohrzucker enthalten in 100g Rohrzuckerlösung. Beim Messen einer Zuckerlösung müßte Brix (%) also exakt der tatsächlichen Konzentration entsprechen. Bei Lösungen mit anderen Bestandteilen ist eine Umrechnungstabelle erforderlich, insbesondere, wenn man deren genaue Konzentration feststellen möchte.

Anwendungen des Refraktometers

FRÜCHTE

Das Messen des Zuckergehalts in Früchten durch den Refraktometer bringt folgenden  Nutzen :

LEBENSMITTELINDUSTRIE

Das Messen des Zuckergehalts oder des Gehalts gelöster Feststoffe (%) in diversen Nahrungsmittel bringt folgenden Nutzen :

SONSTIGE INDUSTRIE- UND FORSCHUNGSBEREICHE

Der Gang der Lichtwellen. Wie in Figur 1 gezeigt, scheint sich Licht unidirektional auszubreiten. In Wirklichkeit breitet sich Licht in alle Richtungen aus, wie in Figur 2 gezeigt.

Wenn Licht, das sich in alle Richtungen wellenartig ausbreitet, ein Gitter durchläuft, das in seinem Weg liegt, passieren nur die Lichtwellen, die parallel in Richtung der Gitterstäbe oszillieren, Lichtwellen, die in anderen Richtungen oszillieren, werden von den Gitterstäben abgefangen (Figur 3). Solches Licht, das sich nur in einer bestimmten Richtung wellenartig ausbreitet, wird polarisiertes Licht genannt, das Gitter ist eine sogenannte Polarisationsplatte.

Wenn polarisiertes Licht den mit einer Probenlösung gefüllten Einblicktubus durchläuft, der das Licht nicht rotieren läßt (z.B. Wasser), breiten sich die Lichtwellen weiterhin in die gleiche Richtung aus, auch nach Passieren der Lösung (Figur 4).

Geht es aber durch einen Einblicktubus, der mit einer Beispiellösung gefüllt ist, die Licht rotieren läßt (z.B. Saccharoselösung), beginnen sich die Lichtwellen zu drehen, während sie die Lösung durchlaufen. (Figur 5) Dies ist die sogenannte optische Drehung.

Proben, die Licht rotieren lassen, weisen eine molekulare Formel auf, die asymmetrischer Kohlenstoff enthält (angezeigt durch "C" ). Am gängigsten Zucker. Die Darstellung asymmetrischen Kohlenstoffs ist hochgradig technischer Natur und erfolgt in einem späteren Abschnitt.

Man denke sich einen Strahlengang, der durch hintereinander angeordnete Polarisationsplatte, Einblicktubus, zweiten Polarisationsplatte und Sensor führen soll. (Figur 6 und 7)

Der Pfad in Figur 6 weist einen mit Wasser gefüllten Einblicktubus auf, in Figur 7 dagegen eine Probenlösung, die Licht rotieren läßt, wie Saccharoselösung.

In Figur 6 erreicht eine gewisse Menge Licht den Sensor.

In Figur 7 erreicht das Licht den Sensor nicht (technisch gesprochen erreicht ausgedrückt in Vektoren eine verschwindend kleine Menge Licht den Sensor, doch wollen wir hier annehmen, daß kein Licht den Sensor erreicht)

Wird die zweite Polarisationsplatte wie in Figur 8 gedreht, erreicht die gleiche Menge Licht den Sensor wie in Tabelle 6.

< Durchführen der Null-Einstellung auf dem Polarimeter >

Führe die Null-Einstellung entsprechend dem in Figur 6 gezeigten Schritt durch. Für die tatsächliche Einstellung ist kein mit Wasser gefüllter Einblicktubus notwendig, die Null-Einstellung erfolgt, indem man Licht sich durch die Luft bewegen läßt.

*Plaziere nun, wie in Figur 8, gezeigt den mit einer Probelösung, die Licht rotieren läßt, gefüllten Einblicktubus.

*Drehe die zweite Polarisationsplatte so, daß die gleiche Menge Licht den Sensor erreicht, wie bei der Null-Einstellung.

*Der gemessene Winkel der gedrehten Polarisionsplatte ist der Drehwinkel der Beispiellösung.

*Anweisungen für das POLAX-2L Polarimeter werden ähnlich den obigen Anweisungen beschrieben. Der hier erwähnte Sensor ist derselbe wie Ihr Auge (in den Anweisungen für das POLAX-2L.) Die Schritte für die Durchführung der Null-Einstellung des AP-100 sind nicht ganz identisch mit den hier beschrieben, beruhen aber auf denselben Grundregeln.