[일반화학실험 결과레포트] 아베 굴절계 결과 레포트 (Abbe's Refractometer)

 

화학을 전공한 공돌이의 아베 굴절계 결과 레포트 입니다. 오늘의 포스팅 시작합니다.

 

 

■ 아베 굴절계(Abbe's Refractometer)란?

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아베 굴절계(Abbe's Refractomer)란 주로 액체, 점성체의 굴절률을 측정하는 광학 기계(여기서 액체, 점성체는 아베 굴절계의 시료가 된다.)로써, 기울어진 두 직각 프리즘을 서로 마주보게 하고 그 사이에 시료인 액체의 얇은 층을 만든 뒤 그에 수렴광선속을 입사시켜 임계각에 대응하는 광선의 사출각을 측정하여 시료인 액체의 굴절률을 측정하는 장치이며 1869년 에른스트 아베에 의해 고안되었다.

 

참고) 굴절률(Refractive Index) - 빛이 두 등방성 매질의 경계면에서 굴절할 때의 입사각 i와 굴절각 j와의 사이에 성립하는 관계식{ sin(i) / sin(j) } - [굴절의 법칙]에서의 정수를 나중 매질의 처음 매질에 대한 상대 굴절률이라고 한다. 또한 처음 매질이 진공인 경우의 정수를 나중 매질의 진공에 대한 굴절률, 또는 절대 굴절률이라고 한다.

 

 

■ 아베 굴절계(Abbe's Refractometer)의 원리는?

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아베 굴절계의 원리

아베 굴절계의 원리에 대해 우선 포괄적이고 간단하게 설명하고, 그 뒤에 아베 굴절계의 구성 부품들을 나누어 각각의 효과에 대해 상세하게 설명하겠다. 총괄적으로 설명해보면아베 굴절계의 외관은 그림 A1과 같고 광원으로는 백색광을 사용하며 액체 시료는 한 방울로 측정할 수 있고, 조작도 간단하다.

 

그림 A2에 나타낸 것과 같이 직각 프리즘 P1과 P2사이에 시료를 끼운다. P1의 윗면은 거칠게 갈아 놓았으므로 빛은 산란되어 액체 중의 모든 방향으로 지나간다. 반면 P2면은 연마되어 있기 때문에 빛은 굴절되어 P2에 들어간다. 이 굴절광의 최대 굴절각은 임계각이다. P2를 지나간 빛은 다시 공기와의 경계면에서 굴절하여 망원경에 들어간다. 임계관의 방향을 경계로 하여 망원경의 시야에 명암이 관찰된다. 이것을 십자선에 맞추면 그 때의 눈금이 시료의 굴절률을 나타낸다.

 

 

■ 아베 굴절계(Abbe's Refractometer)의 구성 요소는?

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다음으로 아베 굴절계의 구성 부품들의 효과에 대한 설명을 하겠다. 아베 굴절계는 기본적으로 네 부분으로 구성되어 있는데, 이는 망원경, 아베 프리즘, 보상 프리즘 및 섹터이다.

 

망원경

대물부, 대안부 및 대물 초점 평면에 교차적으로 장치 된 원판으로 되어 있다. 망원경의 기능은 교차선 평면 내의 경계선에 전반사의 영상을 형성하는 것이다. 교차선의 교점은 경계선을 일치시킬 수 있는 점을 제공해 준다. 단, 최대한의 정밀도를 줄 수 있는 조건을 맞춰 주어야 한다.

 

아베 프리즘

망원경에 있어서 상을 바로 세우고, 대물 렌즈와 접안 렌즈의 광축의 차를 일으키지 않기 위한 지붕형 반사면을 사용한 프리즘이다. 프리즘에 입사한 광선의 방향은 프리즘을 투과한 후 변하지 않는다. 프리즘 주위에 물을 순환시켜 온도를 조절하고 유지할 수 있도록 물-자켓이 붙은 대판에 접착시켜 고굴절계와 비슷한 2개의 유리 프리즘으로 되어 있다.

 

상부 프리즘의 노출된 표면은 잘 닦여져 있으나, 하부 프리즘의 위 표면은 미세한 분말 상태로 되어 있어 윤기가 없는 표면을 이루고 있다. 분말상의 표면은 프리즘을 통과해 나오는 광선을 두 프리즘 사이의 모든 각도로 보내는 역할을 한다. 위 프리즘은 지표대에 확고하게 부착되어 있다.

 

아래 프리즘 대판은 위 대판에 경첩이 붙여져 있다. 아래 프리즘이 위 프리즘에 집게로 부착되어 있을 때는 접한 표면이 0.1~0.15㎜ 두께의 간격으로 분리되어 있다. 굴절률을 측정할 액체는 이 공간속에 담겨지게 된다.

 

보상 프리즘

두 개의 보상 프리즘은 망원경의 광학축 주위로 반대 방향으로 회전하는 직접관찰 Amichi 프리즘들로써, 이 프리즘들은 백색광을 사용하여 기기를 사용할 수 있게 해준다.

 

섹터

망원경을 단단히 고정시키는 금속 막대이다. 이것은 아베 프리즘의 회전축과 일치하는 축의 주위로 선 섹터를 회전시킬 수 있도록 기기의 나머지 부분과 연결되어 있다. 나트륨 램프의 D선(589nm)은 가장 흔하게 굴절률 측정에 사용되는 광원인데, 나트륨 D선에 대한 굴절률을 측정하기 위한 장치가 섹터의 상단에 장치되어 있다. 이동 막대는 기기의 주축 주위로 아베 프리즘이 한 눈금 단위로 회전될 수 있다.

 

참고) 페르마의 원리

- 빛이 다른 매질로 들어갈 때 굴절하는 현상이다.

- 한 점에서 나온 빛이 몇 번의 반사와 굴절을 거쳐 다른 한 점에 도달할 때 통과하는데 걸리는 시간이 최소가 되는 경로로 지나간다.

 

 

■ 실험 목적

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1) Abbe 굴절계를 이용하여 굴절률을 측정하는 방법을 습득한다.

2) Abbe 굴절계를 이용하여 미지 시료의 농도를 예측한다.

 

 

■ 실험 기구 및 시약

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실험 기구

아베 굴절계, 비커

시약

에탄올, 증류수

 

 

■ 실험 방법

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1) 굴절계의 프리즘을 깨끗이 닦는다.

-> 먼지 같은 불순물이 있을 시 정확한 실험 값이 나오지 않기 때문이다.

 

2) 프리즘 사이로 측정하고자 하는 용액을 1~2방울 떨어뜨린다.

 

3) 두 프리즘이 서로 밀착되도록 덮는다.

 

4) 광원이 프리즘으로 들어오게 한다.

 

5) 굴절 시야(렌즈)를 보아 눈금판의 명암의 경계선이 선명해질 때까지 분산 조절 나사를 회전시킨다.

 

6) 경계선이 선명해지면 Read 버튼을 누른다. 이 때 나온 값이 굴절률이다.

 

7) 농도를 달리하여 위의 방법을 반복하여 측정한다.(예 : 10%, 20%, 30%) 조별로 임의로 정한다.

-> 우리 조의 경우, 물에 대한 에탄올 10%, 30%, 50%, 70% 용매를 만들어 측정하였다.

 

8) 농도별로 얻은 굴절률을 토대로 그래프를 완성한다.

 

9) 제시하는 농도값에 해당하는 굴절률을 구한다.

 

 

■ 실험 결과

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실험 1. 에탄올 : 물 = 1 : 9(에탄올10%)

실험 2. 에탄올 : 물 = 3 : 7(에탄올30%)           -> 이러한 질량비로 시약을 만들기 위해

실험 3. 에탄올 : 물 = 5 : 5(에탄올50%)               아래와 같은 계산이 필요했다.

실험 4. 에탄올 : 물 = 7 : 3(에탄올70%)

 

 

물의 밀도 = 1g/mL, 에탄올의 밀도 = 0.789g/mL

질량 = 밀도 x 부피, 밀도 = 질량 / 부피임을 이용한다.

 

실험 1, 에탄올:물의 비를 1:9로 주어야 하므로

에탄올의 부피 = 1g / 0.789g/mL = 1.27mL.

물의 부피 = 9g / 1g/mL = 9mL. 그러므로 에탄올 : 물 = 1.27mL : 9mL

 

실험 2, 에탄올:물의 비를 3:7로 주어야 하므로

에탄올의 부피 = 3g / 0.789g/mL = 3.8mL.

물의 부피 = 7g / 1g/mL = 7mL. 그러므로 에탄올 : 물 = 3.8mL : 7mL

 

실험 3, 에탄올:물의 비를 5:5로 주어야 하므로

에탄올의 부피 = 5g / 0.789g/mL = 6.34mL.

물의 부피 = 5g / 1g/mL = 5mL. 그러므로 에탄올 : 물 = 6.34mL : 5mL

 

실험 2, 에탄올:물의 비를 7:3로 주어야 하므로

에탄올의 부피 = 7g / 0.789g/mL = 8.8mL.

물의 부피 = 3g / 1g/mL = 3mL. 그러므로 에탄올 : 물 = 8.8mL : 3mL

 

이러한 결과 값을 가지고 시약을 만들어 검사한 결과, 다음과 같은 굴절률이 나왔다.

 

실험 1. 에탄올 : 물 = 1 : 9(에탄올10%) -> 굴절률 = 1.339

실험 2. 에탄올 : 물 = 3 : 7(에탄올30%) -> 굴절률 = 1.345

실험 3. 에탄올 : 물 = 5 : 5(에탄올50%) -> 굴절률 = 1.351

실험 4. 에탄올 : 물 = 7 : 3(에탄올70%) -> 굴절률 = 1.355

 

 

■ 고찰

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1) 광학적 특징인 굴절률과 농도의 관계에 대해서 생각해 보시오.

우선 물질의 굴절률은 서로 접하는 매질의 종류와 빛의 파장에 따라 다르다. 그렇다면 굴절률의 변화를 농도와의 관계에 대해 생각해 보자. 에탄올은 유기 용매이지만 극성을 띄고 있기 때문에 물에 잘 녹는 용매이다. 위의 실험 결과를 보면 에탄올의 농도가 증가할수록 굴절률이 증가하는 것을 볼 수 있었다.

 

이는 에탄올의 농도가 커질수록 물의 입자 사이 사이에 더욱 더 많은 에탄올 분자가 들어가게 되고, 이에 따라 빛의 진행이 어려워져 빛의 속도는 감소하여 굴절률이 증가하게 되는 것이다. 즉, 에탄올의 농도가 증가할수록 굴절률은 증가하게 된다.

 

참고) 굴절률을 측정할 때 표준 시료로 쓸 수 있는 용매의 조건

유기용매 중 굴절률이 크고 쉽게 구할 수 있으며, 건강상 안전한 물질은 거의 없다. 그러나 예를 들어 벤젠을 표준 시료로 사용할 경우, 벤젠이 굴절률이 크다 하더라도 폭발의 위험성이 있어 위험할 수 있다. 그러므로 에탄올 같은 안정한 용매를 표준 시료로 사용하는 것이다.

 

2) 아베 굴절계의 원리에 대하여 생각해 보시오.

윗 부분에서 자세하게 설명하였으므로 간추려서 중요한 부분을 위주로 간추려 설명하겠다. 아베 굴절계(Abbe's Refractomer)란 주로 액체, 점성체의 굴절률을 측정하는 광학 기계이다. 아베 굴절계는 광원으로 백색광을 사용한다. 직각 프리즘 두 면 사이에 굴절률을 측정하고자 하는 시료를 끼우게 되는데, 한 면은 거칠게 갈려져 있어 빛이 산란되어 액체 중의 모든 방향으로 지나간다.

 

반면 다른 한 면은 상대적으로 연마되어 있기 때문에 빛이 굴절되어 들어간다. 굴절되어 들어간 빛은 다시 공기와의 경계면에서 굴절하여 망원경에 들어가게 된다. 임계관의 방향을 경계로 하여 망원경의 시야에 명암이 관찰되는데, 이것을 십자선에 맞추면 그 때의 눈금이 시료의 굴절률을 나타내는 것이다.

 

3) 굴절률을 이용하는 연구들은 어떠한 것이 있는지 생각해 보시오.

 

투명 망토

메타 물질(Metamaterial)이란 파장보다 매우 작은 크기로 만든 금속이나 유전물질로 설계된 메타 원자의 주기적인 배열로 이루어진 가상의 물질이다. 이것은 자연에서 발견할 수 없는 일련의 성질을 가지도록 아주 세심하게 인공적으로 설계해 만든 인간이 만든 신소재이다.

 

메타 물질의 가장 큰 특징은 일반적인 모든 물질의 특징인 양의 굴절률을 갖는 것이 아닌 ‘음의 굴절률 ’을 갖는 것이다. 그러므로 사물의 뒷쪽에 있는 배경이 반사되어 우리 눈에 들어오게 된다. 이러한 음의 굴절률을 통해 투명 망토의 개발이 진행 중에 있다.

 

품질 관리 시스템

기존 유체 굴절률 측정시스템은 복잡한 광학 및 기계적 시스템을 필요로 하고, 특히 측정하려는 유체의 양이 적은 경우 사실상 측정이 불가능했다. 최근 유체의 굴절률을 알고 있는 소량의 기준유체와 샘플유체를 주입할 수 있는 미세 유체칩과, 일반 현미경 렌즈 위에 집적할 수 있는 3개의 미세구멍이 뚫린 실리콘 칩을 개발했다.

 

개발된 기술은 환경, 화학, 식품, 의학, 반도체 등 다양한 산업에 쓰일 전망이다. 예를 들어 혈액을 이루고 있는 혈장의 굴절률을 측정하면 혈액 내의 인자를 파악할 수 있어 질환 진단 등에 활용할 수 있다. 환경 분야에서는 물에 들어있는 다양한 인자를 굴절률을 통해 파악할 수 있고, 화장품 제조 과정에서 화학물의 굴절률을 측정함으로써 품질 관리 역시 가능하다.