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光の屈 折 を利用して,水 溶 液 の性質を調べる〜屈折計〜

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光の屈 折 を利用して,水 溶 液 の性質を調べる〜屈折計〜
くっせつ
すいようえき
光の屈折を利用して,水溶液の性質を調べる〜屈折計〜
株式会社アタゴ
目盛りを
のぞくところ
液体をたらす
ところ
手持ち式屈折計
表示板
デジタル式屈折計
液体をたらす
ところ
≪屈折計とは?≫
がる現象を光の「屈折現
象」と呼びます。屈折す
光は,ある物質(たと
えば空気やガラス,水な
るときの角度(屈折率)
ど)を進むときに基本的
は, 二 つ の 物 質 の み に
にまっすぐ進む性質があ
よって定まるという
りますが,異なる物質を
「スネルの法則」に定義
通過するとき(たとえば
さ れ ま す( 図 1)。 屈 折
空気から水に入るなど),
計はこの原理を応用し液
その境界面で進む方向が
体の性質を測定すること
変わります。光が折れ曲
ができる計測器です。
せい げん
「入射角の正弦と屈折角の正弦との比」を屈折率といいます。左
の図のように,光線の入射角θ1,屈折角θ2,反射角θ3,物質
1の屈折率 n1,物質2の屈折率 n2 とすると,スネルの法則は,
n1 sinθ1 = n2 sinθ2
となります。ただし,n1 < n2 です。
例えば,空気からガラスに光線が入射する場合を考えると,
空気の屈折率 :n1=1.0
ガラスの屈折率:n2=1.5
入射角 :θ1=30[°]
として,スネルの法則より,
1.0 × sin30 = 1.5 × sinθ2
となります。そして,上の式より最終的に
θ2 ≒ 19 [°]
であることが分かります。つまり,空気からガラスに入射角 30°
図 1 スネルの法則の説明
で光が入ったときの屈折角は 19°です。
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≪屈折のちがいを感じる身近な例≫
≪屈折計で濃度を測るときの単位≫
暑い日に冷えたラムネを飲んだことがある
屈折計は糖度計とよばれることも多く,
でしょうか?ラムネのびんの中にビー玉が
いっぱんに Brix%
(ブリックス・パーセント)
入っていることがあると思います。このとき,
という単位が使われます。Brix%は,国際砂
透明なビー玉が透明なラムネの中に入ってい
糖分析法統一委員会(ICUMSA)という機関
ることがなぜわかるのでしょうか?それは光
によって決められていて,
「1g のショ糖が
の屈折現象に鍵があります。屈折率は物質の
20 ℃の水溶液 100g に溶けているとき,その
組み合わせによって異なっているのですが,
溶液の Brix が 1%である」とされています。
とうめい
かぎ
と
この例ではラムネとビー玉がもっている屈折
ただし注意が必要なのは,測定しているも
率の差が大きいので,人の目にはラムネの中
のは,試料となる溶液中の砂糖だけを測って
のビー玉がはっきりと見えることになります。 いるわけではないということです。2 種類以
さてここで質問です。サラダ油の中にビー
玉を入れたらどうなるでしょうか?
上の屈折率を変えてしまう物質が溶けている
液体では,全ての物質の屈折率の和を測定し
サラダ油はガラスに近い屈折率をもってい
ます。果物のようにほぼ糖分でできている試
るので,光がさしこんだ時に起こる屈折の角
料ならば,Brix はほぼ糖度と考えてよいので
度はとても小さくなります。そのため,光は, すが,さまざまな成分が溶けている溶液も多
かげ
ほぼまっすぐ進み,ビー玉の影が人の目には
いので,いっぱん的には,Brix は溶けている
見えにくくなります。
全ての物質の濃度と考えるとよいでしょう。
このようなことを応用して,屈折計は濃度
しょう かい
はば
測定を目的として次に 紹 介するような幅広
い分野で活用されています。
ビー玉が見え
にくくなる
≪屈折計の活用例≫
●
あま
農家での果物の甘さの測定
●
ビー玉が見え
にくくなる
プラスチックカップにサラダ油とビー玉を入れたと
きのようす(ビー玉の種類によって見えにくくなる
度合いが異なります)
農家で果物の糖度を測る
農家では,果物の甘みを数値化するために
糖度計が利用されています。果物それぞれに
生産団体によって規定が定められており,基
ようするに,私たちが透明なものを見分け
準値以上の物が生食用として売られ,それ以
ているのは,それぞれの屈折率のちがいを見
下の物は加工食品用にまわされたり,生産物
ていることになるのです。
の値段の指標にもされています。
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●
スーパーの青果コーナーなどの広告
●
クバーでは,味のチェックが行われています。
いっぱんにドリンクバーでは,ジュースなど
こ
の濃縮液と水を混ぜてつくります。濃度が濃
うす
ければ甘すぎてしまいますし,薄くなっては
お
い
美味しくありません。
同じ味を提供するための検査として,カッ
プの中で濃縮液と水がうまく混ざり合ってい
るかの確認を糖度計で行うことがあります。
果物の糖度を説明する広告
●
水そうの水の管理
●
広告に糖度をのせているスーパーなどは
ひっ す
年々増加し,こうした広告は,必須アイテム
ともなりつつあります。もちろん試食という
味で判断してもらうサービスもありますが,
衛生面の問題が生じることもあり,糖度は目
で判断する基準として広まっているのです。
●
飲料工場
海水魚の水そう
●
海水にすむ魚を飼育する水そうでは,塩分
の濃度管理は重要で,比重という単位で塩分
濃度を表します。いっぱんに比重が 1.027 を
こ
超 えると海水魚は生きられなくなり,1.016
以下でも体調をくずしやすくなります。その
ため,水そうの水の比重を管理する目的で,
かつやく
海水比重専用の屈折計が活躍しています。
飲料を製造する工場のようす
ジュースには,糖分の他にクエン酸(酸っ
ぱさの成分),ペクチン(ねばりけを出すた
こうりょう
≪今後に向けて≫
めの成分),香 料 など多くの成分がふくまれ
株式会社アタゴは,屈折計に正確な温度補
ています。糖度計は,これらの水に溶ける成
正がかけられるような機能をつけたり,防水
分をすべて合わせた量(Brix%)として簡単
機能などを強化したり,また,計測できる糖
に測定することができます。測定によって,
度・濃度の範 囲 を調整するなどして,
「職人
企 業 は製品が決められた品質をもっている
の舌や勘で味を決める」ことが当たり前だっ
かを判断し,品質を保証する目安となります。
た分野にも「科学的に計測する」ことが広まる
き ぎょう
●
ドリンクバーのジュース
●
はん い
かん
よう,毎日立ち向かっています。
また製品ラインナップも,屈折計だけでな
せん こう ど
く,導電率(電気の流れやすさ),旋 光 度
(光が進む間に回転する性質の度合い)と
いった他の原理を応用した製品もすでに取り
あつかっていて,1 台で同時にいろいろな項
目を測定できる製品を開発するなど,新しい
ドリンクバー
分野で多様化するニーズに応えていきます。
ファミリーレストランに置いてあるドリン
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