Оптическая активность. Вращение плоскости поляризации

Было обнаружено (Араго, 1811 г.), что при прохождении плоскополяризованного света через кристаллы и растворы (главным образом, органических веществ) плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол. Например, на рис.1.22 свет проходит через поляризатор, затем - через сахарный раствор. Поляроид-анализатор, расположенный за кюветой с раствором и установленный «на темноту», не полностью гасит свет. Если же анализатор повернуть на угол φ, то он перестает пропускать свет. Это свидетельствует о том, что сахарный раствор в кювете поворачивает плоскость поляризации света на угол φ. Это явление называют оптической активностью. Вещества, обладающие способностью в отсутствие внешних воздействий вращать плоскость поляризации, называются оптически активными. Примерами твердых оптически активных тел являются кварц, сахар, камфора, киноварь, из жидкостей - водный раствор сахара, винная кислота, скипидар.

Угол поворота плоскости поляризации для оптически активных растворов зависит от длины пути l (м) света в веществе и от концентрации c (кг/м³). Для разбавленных растворов эта зависимость линейна и угол (рад) определяется выражением

φ = αlc. (1.16)

Постоянная α характеризует свойства вещества и называется удельным вращением (постоянной вращения) или удельной оптической активностью. Коэффициент α зависит от температуры и длины волны используемого света.

Как показывает опыт, существуют правовращающие и левовращающие модификации одного и того же вещества. Направление вращения плоскости поляризации устанавливается для наблюдателя, к которому направлен луч света. Если плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке, то вещество является правовращающим (или положительным), если против – левовращающим (или отрицательным). Не пытаясь пока объяснить механизм вращения, укажем, что кристаллы правовращающего и левовращающего кварца отличаются по своей форме и являются зеркальным отображением друг друга (рис.1.23).

Основы феноменологической теории вращения плоскости поляризации были заложены Френелем (1817 г.). Согласно гипотезе Френеля, в оптически активных веществах скорость распространения света различна для лучей, поляризованных по правому и левому кругу. Для правовращающих веществ υ_пр > υ_лев (n_пр < n_лев ), для левовращающих υ_пр < υ_лев (n_пр > n_лев). Гипотеза Френеля была подтверждена с помощью опытов на составной призме из «правого» и «левого» кварца (рис.1.24). У всех трех призм оптические оси, изображенные на рисунке стрелками, направлены параллельно падающему лучу плоскополяризованного света. Поскольку для правовращающего кварца n_пр < n_лев, а для левовращающего n_пр > n_лев, то на границе раздела первой и второй призм луч раздваивается, а на границе второй и третьей призм образовавшиеся два луча расходятся еще больше. Оба выходящих Оба выходящих луча циркулярно поляризованы в разные стороны.

Рассмотрим, как можно объяснить вращение плоскости поляризации с позиций феноменологической теории электромагнетизма. Всякий вектор напряженности электрического поля , изменяющийся с частотой ω, можно представить в виде суммы двух векторов и , одинаковой величины, вращающихся с угловой скоростью ω в противоположных направлениях (рис.1.25). Тогда

,

причем .

Пусть и - мгновенные значения электрических векторов в точке x = 0 в момент времени t = 0 (рис.1.26). Положение результирующего вектора определяет положение плоскости поляризации АА' волны на входе в оптически активное вещество. Поскольку волны и распространяются в веществе с разными скоростями, то расстояние l в активном веществе они проходят за разные промежутки времени = l / υ_пр и = l / υ_лев. Тогда фазы этих волн в точке x = l будут соответственно равны

(t - l / υ_пр),

(t - l / υ_лев). (1.17)

Это означает, что векторы и повернутся на разные углы и , причем > (υ_пр < υ_лев). Результирующий вектор , а, следовательно, и плоскость поляризации окажутся повернутыми относительно первоначального положения на угол ψ (положение ВВ' на рис.1.26). Из рис.1.26 следует, что . Используя формулу (1.17), запишем

(1 / υ_лев - l / υ_пр) = .

Вводя длину волны света в вакууме , получим выражение для угла поворота плоскости поляризации света в оптически активной среде:

. (1.18)

Заметим, что поворот происходит в направлении той волны, которая распространяется с большей скоростью.

Итак, вращение плоскости поляризации получило объяснение в рамках феноменологической теории. Однако эта теория не способна объяснить, почему скорость волны в правовращающем веществе отлична от ее скорости в левовращающем. Ответить на этот вопрос можно с позиций молекулярной теории, если предположить, что вращение плоскости поляризации связано с асимметрией внешней формы. В случае кристаллов об этом говорит уже упоминавшееся различие внешнего вида правого и левого кварца (рис.1.23). Для аморфных однородных тел исследуемое явление связывают со строением сложных молекул активной среды.

Подробное исследование аморфных тел было проведено М. Борном (1915г.), показавшим, что вращение плоскости поляризации можно объяснить, если учесть взаимодействие электромагнитного поля с веществом в пределах одной молекулы. При построении теории учитывалось, что все оптически активные вещества существуют в двух модификациях, характеризующихся правым и левым вращением, и рассматривались сложные асимметричные молекулы с пространственной структурой, не имеющие ни центра симметрии, ни плоскости симметрии (рис.1.27). Несмотря на одинаковый химический состав, одинаковые структурные элементы и внутренние связи, молекулы таких веществ различны. Никаким поворотом нельзя совместить такую молекулу с ее зазеркальным двойником. Согласно Борну, при проведении расчетов следует учесть наличие определенных соотношений между электрическими моментами, вызываемыми плоской волной в разных участках (радикалах) сложной молекулы. Также необходимо учитывать изменение фазы волны в пределах молекулы. Расчеты подобного рода достаточно сложны.

В заключение следует упомянуть фундаментальные эксперименты М. Фарадея, который в 1845 г. впервые осуществил искусственное вращение плоскости поляризации, помещая оптически неактивное вещество в продольное магнитное поле (эффект Фарадея). Значение его опытов было чрезвычайно велико для развития электромагнитной теории, поскольку впервые оптические и магнитные явления рассматривались совместно. Позже эффект Фарадея нашел значительное техническое приложение.

Оптическая активность служит стандартным методом измерения концентрации растворов в промышленном производстве. В медицине измерение угла поворота вращения плоскости поляризации служит для определения концентрации сахара в биологических объектах (кровь, моча). Также оптическая активность полезна при исследовании пространственной структуры больших молекул (например, белков) или ее изменений в различных условиях. Многие вещества (стекла, пластмассы) приобретают оптическую активность в деформированном состоянии. Вращение плоскости поляризации максимально в местах с максимальным напряжением. Модели костей или деталей машин, выполненные из прозрачной пластмассы и помещенные между скрещенными поляроидами, можно использовать для визуального наблюдения точек наибольшего напряжения (метод поляризационно-оптического анализа).

Поиск по сайту: