Оптически активные вещества.
Оптически активными называются вещества, после прохождения через которые плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на некоторый угол (φ) (Рис.5).
Для определенной длины волны угол поворота плоскости РР' прямо пропорционален толщине слоя вещества ι , пройденного светом:
φ
= α·ι (град)
(14)
Рис.5. Поворот плоскости поляризации в оптически активном веществе.
где α - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной вращения.
Постоянная вращения зависит от природы вещества, температуры и длины волны света. Зависимость постоянной вращения от длины волны называется вращательной дисперсией. В растворах постоянная вращения прямо пропорциональна концентрации (С) оптически активного вещества, поэтому
φ = [α]·С·ι (град) (15)
где [α] - удельная постоянная вращения вещества, (град-см2/г) Соотношение (15) выражает закон Био.
Оптически активные вещества существуют в двух модификациях - пра-вовращающей и левовращающей. Если смотреть навстречу, то в правовраща-ющих веществах плоскость поляризации поворачивается вправо (по часовой стрелке). Постоянные вращения для правовращающей и левовращающей модификации одного и того же вещества одинаковы.
Теория вращения плоскости поляризации.
Френель показал, что вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света можно объяснить, если допустить, что в оптически активной среде монохроматические волны правой и левой круговой поляризации имеют различные фазовые скорости и, следовательно, различные показатели преломления, т.к. фазовая скорость (v) связана с показателем преломления (n) выражением:
V = С/n (16) где С - скорость света в вакууме.
Рассмотрим линейно поляризованную волну как суперпозицию двух векторов Еп и Ел , которые с течением времени вращаются с одинаковой частотой вправо и влево. (Рис. ба). Пусть в заданный момент времени
t = const, результирующий вектор Ер(о) = Еп(0) + Ел(0) в точке пространства z = 0 был направлен вдоль оси OY (см. рис.6 ). На расстоянии z = d вектора Еп(0) и Ел(0) повернутся по отношению к их положению в точке Z = 0 соответственно на углы:
δ1=ω·d/Vп;δ2=ω·d/Vл . (17)
где Vп , Vл - скорости волн, поляризованных по правому и левому кругу соответственно, d/Vп, d/Vл - время распространения этих волн на расстояние d. Следовательно, из-за разности скоростей Vп и Vл, между векторами Еп(0) и Ел (0) в точке z = d возникает разность фаз. Ь δ=δ1-δ2=ω·d·(1/Vп–1/Vл) (18)
Результирующий вектор E’p(0) , как видно из рис.6, при этом повернется
на угол δ/2, т.е. при прохождении волной расстояния d плоскость поляризации повернется на угол φ=δ/2=ω·d/2·(1/Vп-1/Vл) (19)
Используя соотношения:
ω = 2·С/λ; Vп=C/nп; Vл = С/nл (20)
где λ - длина волны в вакууме, nп и nл соответствующие показатели преломления, формулу (20) можно переписать в виде:
(21) таким образом
получим:
(22)
Рис.6. Сложение волн поляризованных по правому и левому кругу : а) на входе в оптически активное вещество, б) после прохождения в оптически активном веществе пути равного d.
Причины различия скоростей волн, поляризованных по правому и левому кругу, в оптически активных веществах связаны с асимметричным строением молекул. Такие молекулы не обладают зеркальной симметрией. При зеркальном отражении молекул "правой" модификации получаются молекулы "левой" модификации.
Например молекулы сахара могут быть представлены в виде правой и левой спирали. Эти две модификации обладают одинаковой химической формулой, но поворачивают плоскость поляризации света в различных направлениях