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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。 16 教科研究理科200.indd 16 15/03/08 14:03 ≪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。 教科研究理科 No.200 教科研究理科200.indd 17 17 15/03/08 14:03 ● 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 18 教科研究理科200.indd 18 15/03/08 14:03