4. Получение поляризованного света.

Естественный свет можно представить, как «смесь» двух световых волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 6.13). Если каким-нибудь способом убрать одну из компонент, получится поляризованный свет.

Рис. 6.13 Схема получения поляризованного света из естественного

(объяснения в тексте).

А. Призма Николя

Одно из устройств для получения и анализа поляризованного света – призма Николя. На самом деле, призм две. Обе они вырезаны из исландского шпата и склеены канадским бальзамом – живицей канадской сосны.

(рис. 6.14). На границах исландский шпат – канадский бальзам – исландский шпат ( и.ш – к.б. – и.ш.) и происходит отделение от естественного света одной из его компонент – обыкновенного луча – о (рис 6.14 б).

Рис. 6.14 . Получение поляризованного света из естественного при помощи призмы Николя (объяснения в тексте).

Дело в том, что показатель преломления канадского бальзама n_к.б 1,55. Его значение как раз лежит между значениями показателей преломления необыкновенного (n_е 1,49) и обыкновенного (n_о 1.66) лучей для исландского шпата. Таким образом, на границе исландский шпат – канадский бальзам обыкновенный луч переходит из среды более оптически плотной в среду менее оптически плотную, а угол падения на границу раздела сред подобран так, что он больше предельного угла полного внутреннего отражения. Поэтому обыкновенный луч и отсеивается на границе исландский шпат – канадский бальзам. А необыкновенный луч проходит через кристалл, потому что на границе исландский шпат – канадский бальзам он переходит в среду оптически более плотную, а на границе канадский бальзам – исландский шпат угол падения луча меньше предельного угла полного внутреннего отражения.

Призма Николя применяется при точных оптических исследованиях. У неё практически полная прозрачность в оптическом диапазоне. Но в массовом применении – другие, более дешёвые устройства для получения поляризованного света из естественного.

Б. Дихроизм. Поляроидные плёнки.

Дихроизм – это способность некоторых кристаллов по разному поглощать лучи с разной ориентацией плоскости поляризации. Например герапатит ( сернокислый йодхинин ) сильнее поглощает обыкновенный луч и из него выходит, в основном, необыкновенный ( рис. 6.16). Кристаллики герапатита осаждаются на целлулоидной плёнке. Для их определённой ориентации используется электрическое поле. Такие поляроидные плёнки или просто поляроиды могут служить анализаторами и поляризаторами. Достоинство поляроидов – большая поверхность, что позволяет использовать широкие световые пучки. Недостаток – плохие спектральные характеристики, свет из них выходит окрашенным (разное поглощение разных длин волн).

Рис.6.15 Получения поляризованного света из естественного в поляроидах (объяснения в тексте).

6. 11 Вращение плоскости поляризации. Оптическая активность. Поляриметрия.

Оптически активные вещества – это вещества, способные вращать плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света (рис. 6. 16 а).

Рис. 6.16 Оптическая активность вещества а и принцип работы поляриметра – а и б..

Если пропустить естественный свет через скрещенные поляризатор П и анализатор А, согласно закону Малюса интенсивность света после анализатора будет равна нулю ( см. рис. 6.16 б). Но если теперь между поляризатором и анализатором поместить кювету с раствором оптически активного вещества, например, сахарозы (см. 6.16 в), то свет будет проходить через анализатор. Чтобы вновь добиться затемнения, надо повернуть анализатор на угол - угол поворота плоскости поляризации поляризованного света в оптически активном веществе.

Для растворов оптически активных веществ

= [α₀] , где с – концентрация раствора в % - граммах на 100 грамм раствора, l – длина кюветы – толщина слоя оптически активной среды ( в дм), [α₀] - удельное вращение растворённого оптически активного вещества. [α₀] измеряется в зависит от температуры и длины световой волны,

[α₀] ~

- закон Био. Зависимость удельного вращения от длины волны называется дисперсией оптической активности.

При 20⁰ С и на 589 нм ( жёлтая линия D паров натрия) у глюкозы [α₀] = 52, 8, у сахарозы [α₀] = 66,5, а у фруктозы [α₀] = - 92. Положительное удельное вращение у правовращающих веществ, а отрицательная – у левовращающих. Правовращающие поворачивают плоскость поляризации по часовой стрелке, если смотреть навстречу лучу, а левовращающие - против часовой стрелки

Молекулы оптически активных веществ зеркально асимметричные, ещё их называют – «хиральные молекулы», от греческого «хирос» - рука. Если хиральный объект отразить в зеркале, его нельзя поворотом совместить с его зеркальным отображением, так правая ладонь в зеркале отобразится в левую и наоборот. Хиральность молекулы обусловлена особенностями их структуры. Причём могут быть две модификации таких молекул: левовращающая и правовращающая, которые представляют собой зеркальные изображения друг друга. Таким образом вещества с одинаковой химической формулой могут быть в разных модификациях d – левовращающей l – правовращающей.

Важнейшие биологические вещества - оптически активные: фруктоза, глюкоза, ДНК, аминокислоты и т. д. Изготовленные синтетически они представляют собой рацемическую смесь – в них в равных долях обе модификации: d и l, и не проявляют оптической активности. Но в природе встречается обычно только один тип: либо d, либо l. Например, сахароза и глюкоза – правовращающие, а фруктоза – левовращающая. Это указывает на большую упорядоченность природных веществ, нежели полученных синтетически, на их меньшую энтропию. Очень важно, что разные модификации оптически активных веществ обладают разной биологической активностью. Так бактерии питающиеся сахаром, оказавшись в полученном при химическом синтезе рацемическом растворе сахарозы, усваивают только его правовращающую компоненту, и в результате раствор становится левовращающим. А левовращающие аминокислоты, наоборот, лучше усваиваются организмом. Левовращающий никотин более ядовит, чем его правовращающий содельник.

Изучение оптической активности лекарственных веществ имеет огромнейшее значение для фармации. Печально известна страшная трагедия, разразившаяся в начале шестидесятых годов прошлого века, связанная с лекарственным препаратом – талидамидом. Широко разрекламированный талидамид применялся беременными женщинами. В результате на свет появилось несколько десятков тысяч младенцев с врождённой ампутацией конечностей, с маленькими бесполезными отростками, напоминающими плавники тюленей.« Фокомедия » - так назвали это явление ( от греческого «фок» тюлень и «медос» нога, конечность). Сначала вспышку фокомедии связывали с радиоактивными осадками, потом оказалось, что виноваты хиральные молекулы талидамида. А именно их левовращающая модификация! В продажу поступал талидамид, содержащий и d- и l- модекулы. Можно привести и другие примеры. Так противомалярийное средство хлорохин в d-варианте более токсичен для возбудителя малярии и вызывает меньше нежелательных побочных эффектов, чем левовращающий.

Оптическую активность проявляют не только растворы оптически активных веществ, но и некоторые кристаллы, например, кварц, некоторые чистые жидкости, например, скипидар, некоторые газы и пары, например, пары камфары, а также ткани организма: мышечная костная, нервная.

Метод исследований, основанных на изучении оптической активности называется поляриметрией. Поляриметрия широко применяется в фармации, физике, химии, а также в целях медицинской диагностики, например для определения сахара в моче пациента, больного сахарным диабетом.

Примером применения поляриметрических исследований является также поляризационный микроскоп. Объект освещается поляризованным светом и рассматривается через анализатор. Это позволяет видеть прозрачные области объекта, различающиеся оптической активностью. Поляризационный микроскоп применяется, в частности, для исследования структуры тканей нервных волокон.