40. Оптически активные вещества. Вращение плоскости поляризации. Поляриметры: оптическая схема и медицинское применение.
Оптически активные вещества – вещества, вызывающие поворот плоскости поляризации света, проходящего сквозь них.
К оптически активным кристаллам относится, например, кварц. Оптическую активность проявляют некоторые жидкости (скипидар, никотин, и др.), а так же водные и спиртовые растворы многих веществ. В природе реализуются две возможности поворота плоскости поляризации, существуют лево- и правовращающие оптически активные вещества и растворы.
Угол поворота φ плоскости поляризации растет от слоя к слою и на выходе из образца пропорционален длине пути l светового луча в образце: φ=сl
Здесь с – концентрация раствора оптически активного вещества; если это не раствор, а индивидуальное вещество, то с = 1, - удельное вращение плоскости поляризации. Как коэффициент пропорциональности, эта величина имеет смысл угла поворота плоскости поляризации при прохождении светом слоя единичной длины и единичной концентрации.
Поляриметры – оптические приборы, предназначенные для измерения концентрации оптически активных растворов. Они основаны на измерении угла поворота φ плоскости поляризации и его интерпретации. В построении прибора используется призма Николя:
Состоит из двух призм исландского шпата, склеенных канадским бальзамом.
Двойное лучепреломление в исландском шпате порождает необыкновенный и обыкновенный лучи. Обыкновенный луч выводится из николя, используя явление полного внутреннего отражения. Необыкновенный луч правой половиной николя выводится на ту же прямую, на которой лежит падающий луч «естественного» света. Сквозь призму Николя проходят только те электрические колебания Е, которые параллельны оптической оси призмы. Если на пути естественного света поставить две призмы Николя, у которых оптические оси параллельны, то необыкновенный луч, выделенный первой призмой, беспрепятственно пройдет и через вторую; система «настроена на свет». Если теперь вторую призму повернуть (вокруг направления луча) на 900, то необыкновенный луч, созданный первой призмой, через вторую призму пройти не сможет. Призмы, расположенные так, что их оптические оси взаимно перпендикулярны, называют скрещенными; такая оптическая система свет не пропускает - система «настроена на темноту».
Оптическая
схема поляриметра:
Здесь S – источник света (солнце, лампочка накаливания).
П – поляризатор – николь, предназначенный для получения плоскополяризованного света.
А – анализатор – такой же николь, предназначенный для измерения угла поворота плоскости поляризации.
К – кювета с оптически активным раствором.
Если кювета К отсутствует, и оптическая ось анализатора параллельна оптической оси поляризатора, то плоскополяризованный необыкновенный луч, возникший в николе П, беспрепятственно пройдет и николь А. Прибор настроен «на свет».
Теперь, если между П и А помещена кювета с оптически активным раствором, и он повернул плоскость поляризации на угол φ, то для сохранения прежней интенсивности света на выходе прибора, анализатор А нужно повернуть относительно оси всей системы на точно такой же угол φ.
Если, при отсутствии кюветы, оптические оси николей П и А не параллельны, а скрещены под некоторым углом φ, то интенсивность света I на выходе этой системы весьма сильно зависит от φ:
I = I0cos2 φ
Этот результат известен как закон Малюса.
Поворот николя П и измерение угла этого поворота осуществляются с помощью оптико-механического приспособления. Для отсчета значений угла используется окуляр.
Большинство органических соединений оптически активны. Поэтому возможны использования поляриметров в медико-биологических исследованиях. Поляриметрию или сахариметрию используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях. Существуют поляризационные микроскопы.