12 Лекция 8. Ориентация макромолекул
Лекция 8. Ориентация макромолекул электрическим и магнитными полями
Двойное лучепреломление как физическое явление
Явление двойного лучепреломления напрямую связано с таким хорошо известным свойством некоторых материалов как анизотропия.
При направлении на анизотропную среду луча света можно наблюдать явление двойного лучепреломления – расщепления света на две составляющие. Один луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o – ordinary), другой же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света, и называется необыкновенным (e – extraordinary) (рис. 28.1).
Рис. 28.1. а) Схема прохождения луча света через анизотропную среду; б) Пример двойного лучепреломления кристаллом кальцита, положенным на бумагу с текстом
Направленную ориентацию, т.е. анизотропию оптических свойств, можно создать искусственно. Если ориентирующей силой является сила электрической природы, то такое явление называется эффектом Керра (Kerr electro-optic effect), если магнитной природы – то эффектом Коттона-Мутона (Cotton-Mouton effect). Если же в роли ориентирующей силы выступает гидродинамическая сила, то такой эффект носит название эффекта Максвелла (Maxwell Effect). Из двух первых эффектов в молекулярной биофизике наиболее часто используется эффект Керра в силу того, что электрические дипольные моменты намного больше магнитных дипольных моментов.
Отметим, что эффект Коттона–Мутона наблюдается в изотропном веществе, помещенном в поперечное магнитное поле (перпендикулярное световому лучу). При распространении света вдоль магнитного поля возникают принципиально другое явление, носящее название эффекта Фарадея (рис. 28.2), заключающееся в появлении двух волн, поляризованных по кругу и имеющих разные показатели преломления.
Рис. 28.2. Схема эффекта Фарадея
Макромолекулы в магнитном поле
Магнитные поля влияют на оптические свойства молекул. Для наблюдения эффекта Коттона-Мутона через образец прозрачного изотропного вещества, помещенный между полюсами сильного электромагнита, пропускают монохроматический свет, линейно поляризованный в плоскости, составляющей с направлением магнитного поля угол в 45°. В магнитном поле вещество становится оптически анизотропным (его оптическая ось становится параллельной магнитному полю Н), а проходящий свет превращается в эллиптически поляризованный, т. к. он распространяется в веществе в виде двух волн –обыкновенной и необыкновенной, имеющих разные фазовые скорости (рис. 28.3).
Рис. 28.3. Эффект Коттона-Мутона
Разность показателей преломления обыкновенного nо и необыкновенного ne лучей, называемая величиной двойного лучепреломления, равна:
ne - no = CH2λ
где Н – напряжённость магнитного поля, С – зависящая от вещества константа, называемая постоянной Коттона-Мутона, λ – длина волны света. Величина С обратно пропорциональна абсолютной температуре Т и, как правило, очень мала. Аномально большие значения С обнаруживаются в жидких кристаллах и в коллоидных растворах.