La réfractométrie est une technique qui vise à déterminer la partie réelle de l'indice de réfraction d'un matériau.
L'instrument de laboratoire ou de terrain utilisé est le réfractomètre. La plupart des modèles courants effectue une mesure de l'angle limite de réfraction et déduisent ensuite l'indice de réfraction de l'échantillon. L'indice est calculé à partir de la loi de Snell-Descartes et peut aussi être estimé à partir de la composition de la matière à l'aide de la loi de Gladstone. Les réfractomètres modernes fournissent des résultats numériques qui permettent un traitement par ordinateur via une interface standard (Ethernet, USB, RS-232)Krüss Optronic « Refractometers », Version 1.0, Hamburg, June 2012 .
Après étalonnage, le réfractomètre permet de connaître la concentration d'un soluté dans un solvant connu. C'est le cas de la détermination du sucre dans le jus de raisin. De plus, avec les mesures de température d'ébullition et de fusion, la réfractométrie fait partie des tests les plus courants pour identifier les produits d'une synthèse organique.
Historique thumb|Réfractomètre d'Abbe datant de 1908. Les prismes sont contrôlés en température pour éviter leur dilatation. En 1874, Ernst Abbe, qui travaille alors dans l’entreprise de Carl Zeiss, rédige un livre dans lequel il présente son premier réfractomètre, une invention qui date en fait de 1869. Ce réfractomètre fonctionne à l’aide de prismes en toit d'Amici et permet de mesurer des indices optiques de liquides allant de 1,3 à 1,7. Initialement, Carl Zeiss construit ce type d’instruments en nombre très limité, strictement réservé à l’usage interne de l’entreprise et pour quelques clients spéciaux. En 1881, le réfractomètre d’Abbe est ouvert au public et apparaît dans le catalogue des microscopes de Zeiss. En 1893 et sous l’impulsion de Carl Pulfrich, Zeiss sort un catalogue spécialisé dans l’instrumentation optique : les réfractomètres d’Abbe et de Wolney font figure de proue de ce catalogue. Ce dernier réfractomètre est spécialisé dans la mesure de l’indice de réfaction de graisses alimentaires et permet, entre autres, de différencier facilement le beurre de la margarine..
Durant le demi-siècle qui suit, Carl Zeiss perfectionne son matériel tout en gardant le même principe de fonctionnement. Ainsi, dès 1882, le réfractomètre de Wolney voit diminuer sa plage d’indices optiques mesurables, et cela permet d’ajouter une lunette afocale munie d’un réticule pour faciliter la lecture. À l’occasion d’une exposition en 1893, la peinture recouvrant initialement les prismes est remplacée par un plaquage de nickel, plus résistant. En 1899, la monture est rigidifiée et accompagnée d’un miroir d’éclairement plus important, ce qui permet de rendre la lecture plus claire. En 1911, la monture est redessinée et présente désormais une base très solide en fer peint. Durant cette même année, Zeiss sort un réfractomètre spécialement conçu pour mesurer l’indice de réfraction du sucre.
thumb|Réfractomètre à sucre exposé au Musée du Sucre à Berlin. À la fin de la Première Guerre mondiale, Carl Zeiss perd le monopole de la production de réfractomètres. En Angleterre, par exemple, de nombreuses entreprises agro-alimentaires développent leurs propres réfractomètres à des fins de recherche. Ainsi, dans les années 1920, trois grandes entreprises émergent sur le marché des réfractomètres : Bausch & Lomb Optical Co. (USA), Spencer Lens Company (USA) et Adam Hilger & Co. (Angleterre). Leurs productions sont très ressemblantes au réfractomètre d’Abbe initial. Une troisième compagnie américaine, Warren Valentine Co. (du nom de son créateur) produit également des réfractomètres au sortir de la guerre. Valentine ayant besoin de réfractomètres en 1917 et, ne pouvant s’en procurer à cause de la guerre, il crée sa propre production de réfractomètres. La sortie de ses premiers produits sera pourtant reportée à 1919, faute de personnel qualifié et de matière première. Ce délai lui permet de redessiner le réfractomètre d’Abbe en une version plus précise qui deviendra le réfractomètre de Valentine.
En 1926, un réfractomètre conçu pour l’industrie agro-alimentaire permet de mesurer à la fois l’indice d’un sucre ou d’une huile.
Malgré la destruction des ateliers de Carl Zeiss à Iéna durant la Seconde Guerre mondiale, l’entreprise continue de produire après la guerre des réfractomètres d’Abbe très reconnaissables par leur forme. L’Allemagne étant séparée en deux, la branche allemande de l’Ouest se sépare de la firme initiale (Iéna était en Allemagne de l’Est) et décide de reprendre à zéro le design de ses instruments. Il en résulte une série d’instruments élégants permettant de régler et de lire l’indice au travers d’un seul et même oculaire. En 1956, Bausch & Lomb Optical Co. sort le « Abbe 3L », un réfractomètre du même genre. De plus, l’appareil est électrique et l’illumination se fait via une source interne. Cet instrument est devenu très populaire et ressemble beaucoup aux réfractomètres actuels.
Vers 1976, American Optical - un successeur de Spencer - introduit sur le marché un réfractomètre d’Abbe à lecture digitale, instrument qui sera en fait commercialisé sous la marque Leica.
Réfractomètre d'Abbe classique Description du dispositif thumb|250px|Réfractomètre à prisme d'Abbe : le prisme supérieur est éclairé et contient le rayon rasant. La lumière entre dans le prisme inférieur en une plage de lumière dont le rayon supérieur correspond au prolongement du rayon rasant. À la sortie du prisme, cette plage de lumière est réfléchie par un miroir et est observée par une lunette collimatrice. L'utilisateur peut observer, dans cette lunette, la plage de lumière et sa limite qui porte l'information sur l'angle limite, donc sur l'indice de réfraction du liquide étudié. Le premier réfractomètre a été décrit en 1874 par son inventeur, Ernst Abbe. Dans son étude sur les réfractomètres de 1901, CulmmanCulmann P (1901). Nouveaux réfractomètres. J. Phys. Theor. Appl. 10, 691-704 (1901). http://hal.inria.fr/docs/00/24/05/69/PDF/ajp-jphystap_1901_10_691_1.pdf décrit cet instrument comme constitué de deux prismes en verre flint enfermant une mince couche de 1/20 de millimètre d'épaisseur du liquide à examiner. Le prisme supérieur sert uniquement à créer un éclairage rasant. L'article plus récent de VéretVéret C. (2000). Réfractométrie et interférométrie en analyse chimique. Technique de l’ingénieur. Traité Analyse et caractérisation. P500-1. https://books.google.fr/books?id=QMaPfYZdv9sC indique que dans les réfractomètres modernes, le prisme supérieur sert à l'éclairage et que le prisme inférieur est celui qui permet la mesure.
Comme il n'est pas possible d'avoir un unique rayon rasant qui rentre au bon endroit dans le support matériel sous-jacent, le dispositif met en jeu un faisceau de lumière dont la limite est, par construction, le rayon rasant. Ce pinceau lumineux est réalisé à l'aide du prisme supérieur. Ce faisceau constitue la plage de lumière dont la limite sera ajustée au réticule et sera la base de la mesure.
Lien entre la mesure et l'indice On considère un prisme parfaitement connu (angle a du sommet, indice n'), plongé dans l'air (d'indice 1) sur lequel on dépose une goutte d'échantillon inconnu. On considère également un rayon entrant en incidence normale.
Dans ce cadre, on a les égalités suivantes :
La mesure de la position du réticule est directement reliée à . La connaissance de permet d'obtenir . De plus, et donnent accès à , qui, combiné avec permet de remonter à l'indice inconnu .
Utilisation en lumière blanche Le dispositif de base n'est utilisable qu'avec une lumière monochromatique, car l'indice d'un matériau, surtout celui du verre flint, dépend de la longueur d'onde. En effet, les verres flint ont une forte dispersion (nombre d'Abbe inférieur à 50).
La raie D du sodium (longueur d'onde ) a été choisie historiquement car elle est proche de la zone de sensibilité maximale de l’œil (dans le vert, autour de ). Pour travailler en lumière blanche, deux autres prismes sont positionnés entre le verre flint et la lunette collimatrice de façon que les rayonnements de couleurs différentes convergent après leur traversée. Ce dispositif est appelé compensateur. Il permet ainsi d'avoir un système achromatique, utilisable en lumière blanche.
Les réfractomètres actuels fonctionnent en lumière naturelle ou avec l'éclairage d'une lampe blanche. La lumière arrive par une fenêtre sur une face d'entrée du prisme supérieur. La face inférieure de celui-ci est dépolie pour éviter les réflexions secondaires.
Réglage et lecture de la mesure
Le réglage du réfractomètre doit prendre en compte d'une part l'achromatisation et, d'autre part, la mise de la plage de lumière à la croisée des réticules.
Une opération de calibration se fait une fois pour toutes avec de l'eau distillée.
Le bouton qui permet d'amener la plage lumineuse à la croisée des réticules agit sur l'angle du miroir disposé en sortie du prisme de flint. Cet angle correspond à l'indice qui s'affiche sur l'échelle graduée en indice de réfraction, visible dans l'oculaire.
Deux échelles sont disponibles. L'une donne directement l'indice de réfraction (entre 1,300 et 1,700). L'autre donne, entre 0 et 85 %, la teneur en matière sèche des jus sucrés.
Limites d'utilisation Le réfractomètre d'Abbe ne peut être utilisé que pour des liquides d'indice de réfraction inférieur à celui du verre flint (n = 1,7). Au-delà de cette valeur, les rayons proches du rayon rasant subiraient une réflexion totale sur le dioptre liquide - flint, ce qui rendrait impossible la mesure. Cette limitation n'est pas gênante dans la pratique, peu de liquides ayant un indice de réflexion supérieur à celui du verre flint. L'indice étant une fonction de la température, un système de thermostat constitué par une circulation d'eau au sein du système optique permet de réguler cet effet.
Autres réfractomètres Réfractomètre à angle variable Le liquide est dans une cuve dont le fond est à lame parallèle. Cette lame est éclairée en incidence rasante par-dessous. Tout se passe donc comme si le liquide était éclairé en incidence rasante depuis l'air. Un viseur récupère le rayon et détermine son angle.
Réfractomètre de Fischer
Le réfractomètre de Fisher est un réfractomètre proposé par E.E. Jelly en 1934 et commercialisé dans les années 1950 par Fisher Scientific Co...
Il s’agit d’un réfractomètre de basse précision (quatre décimales) qui permet de mesurer des indices allant de 1,3 à 1,9, soit une plage un peu plus large que les réfractomètres d’Abbe standards. En effet, ne fonctionnant pas sur le principe de réflexion totale, ce réfractomètre n'est pas limité par l'indice du verre flint. Initialement, le réfractomètre indiquait également le pourcentage en sucre de l’échantillon sur une échelle de 0 à 80 %, avec une précision de 1 %..
Ce réfractomètre utilise un prisme liquide pour effectuer la mesure : la lumière passe d'abord par une fente, de manière à avoir une source quasi-ponctuelle. Les rayons passent ensuite dans le prisme liquide. Le rayon virtuel ainsi créé vient heurter la réglette de mesure, et permet à l'utilisateur de déterminer ainsi l'indice de réfraction.
À l'origine, Fischer présentait ce réfractomètre comme étant idéal pour l’identification de composés chimiques, le contrôle de préparations biologiques et l’étude des structures moléculaires. Le premier réfractomètre dessiné par Jelly utilisait une lamelle de microscope et nécessitait un millilitre d’échantillon pour effectuer la mesure. Des versions plus évoluées de ce réfractomètre ne nécessitent qu’un microlitre. Ce réfractomètre de petite dimension était transportable.