Оптическая активность веществ.  

При пропускании плоско поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Вещества, способные вращать плоскость поляризации, называются оптически активными. Оптической активностью могут обладать кристаллы (кварц, киноварь), жидкости (скипидар, винная кислота), растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, яблочной кислоты, спиртовые растворы камфоры, стрихнина). Оптическую активность проявляют многие природные соединения: белки, углеводы, гормоны, эфирные масла.

Угол поворота j плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей

j = α d

где α –постоянная вращения, угол поворота плоскости поляризации слоем вещества единичной толщины; d – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе. Постоянная вращения зависит от природы вещества, температуры и длины волны света. Зависимость α от λ, называется дисперсией вращения. Наибольшей оптической активностью обладают некоторые жидкие кристаллы.

Угол поворота j плоскости поляризации для оптически активных растворов (закон Био)

j = с d

где – удельное вращение, с – массовая концентрация оптически активного вещества, d – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе.

Оптическая активность обуславливается как асимметричным строением молекул вещества, так и расположением частиц в кристаллической решетке. В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптические вещества делятся на право- и левовращающие. В первом случая осуществляется вращение плоскости вправо (по часовой стрелке), во втором – влево (против часовой стрелке).

Вращение плоскости поляризации объяснено О. Френелем (1823г.). Он предложил (рис. 4.18 а) линейно поляризованную монохроматическую волну представить в виде комбинации двух одновременно распространяющихся поляризованных по кругу монохроматических волн, векторы напряженностей Е1 и Е2 у которых равны половине амплитуды вектора Е и вращаются во взаимно противоположных направлениях с одинаковыми угловыми скоростями (рис. 4.18 б). В оптически активной среде волны Е1 и Е2 распространяются с разными фазовыми скоростями. На выходе из слоя толщиной l волны Е1 и Е2 складываются (рис.4.18 в), но между ними возникает сдвиг фаз Δj, пропорциональный толщине слоя l. Плоскость поляризации на выходе (О'О') оказывается повернутой относительно плоскости поляризации на входе (ОО) на угол поворота Δj/2.

М. Фарадеем (1845г.) было установлено, что вещества, не обладающие естественной оптической активностью, приобретают ее под действием магнитного поля. Это явление называется эффектом Фарадея или магнитное вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации пропорционален напряженности магнитного поля Н, длине пути света в веществе l.

j = V H l

где V – постоянная Верде (или удельным магнитным вращением), которая зависит от природу вещества и длины волны света. Направление магнитного вращения плоскости поляризации определяется направлением магнитного поля и не зависит от направления распространения луча. Так, если отразить луч света с помощью зеркала и заставить пройти через намагниченное вещество еще раз только в обратном направлении, то угол поворота плоскости поляризации удвоится. Этим эффект Фарадея отличается от вращения плоскости поляризации света в естественных оптически активных средах.

Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит. Оптически активное вещество под действием магнитного поля приобретает дополнительную способность вращать плоскость поляризации и угол поворота будет равен сумме углов поворота при естественной и искусственной оптических активностей.

Явления вращения плоскости поляризации лежат в основе метода определения концентрации растворов оптически активных веществ. Этот метод называется поляриметрией, а при определении содержания сахара сахариметрией. Они успешно используются в пищевой промышленности, в медицине, при исследовании биополимеров.