Тема 3 оптически активные вещества

С точки зрения волновой теории свет представляет собой частный случай электромагнитных волн с длиной волны приблизительно от 0.38 до 0.76 мкм.

Электромагнитная волна характеризуется электрическим полем Е (напряженность электрического поля) и магнитным полем В (индукция магнитного поля). Векторы Е и В в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу и их колебания происходят в плоскости перпендикулярной к направлению распространения волны n. В каждый момент времени в данной точке пространства векторы Е, В и n образуют правую тройку векторов (рис.1).

Е

n

В Рис. 1

Если колебания вектора Е (В), происходят по различным направлениям в плоскостях перпендикулярных вектору направления распространения волны n, то свет называют естественным. Если колебания вектора происходят в одном направлении, то свет называют линейно-поляризованным. Плоскость, содержащую векторы Е и n, принято называть плоскостью колебаний. Плоскость, содержащую векторы В и n, - плоскостью поляризации. Очевидно, что эти плоскости взаимно перпендикулярны.

Естественный свет можно представить в виде суперпозиции линейно-поляризованных волн в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях. Интенсивность света для указанных направлений колебаний будет равна:

I = I₀/2, (1)

где I₀ - интенсивность естественного света. Свойство (1) следует рассматривать как определение неполяризованного (естественного) света.

В природе существуют кристаллы (например, кристаллы турмалина) обладающие способностью пропускать волну, имеющую определенное направление колебаний вектора Е, и сильно поглощать волну с перпендикулярным направлением колебаний. При этом, если на кристалл вещества падает естественный свет с интенсивностью I₀, то из кристалла выходит линейно-поляризованный свет с интенсивностью I₀/2 (мы пренебрегаем эффектом поглощения света в кристалле вещества).

Кристалл вещества, превращающий естественный свет в поляризованный, носит название поляризатора. Вообще говоря, поляризатором называют любой прибор позволяющий превращать естественный свет в поляризованный. Прибор, служащий для исследования поляризованного света, называют анализатором. В качестве анализатора можно использовать другой кристалл вещества, который можно поворачивать на некоторый угол j относительно первого кристалла (рис. 2).

Р Е А

Естеств. свет

Рис. 2

Интенсивность света, прошедшего через систему поляризатор-анализатор, зависит от угла ориентации анализатора относительно поляризатора j и определяется законом Малюса:

I = (I₀/2) cos²j(2)

где I₀ - интенсивность естественного света падающего на поверхность поляризатора. Очевидно, что если угол поворота j=90⁰, то интенсивность света на выходе системы поляризатор-анализатор равна нулю.

Вращение плоскости колебаний

Интенсивность света прошедшего через систему поляризатор-анализатор при угле скрещивания между поляризатором и анализатором 90⁰ равна нулю. Поле зрения на выходе из системы полностью затемнено. Поместим между поляризатором и анализатором пластину кристалла кварца. Мы заметим, что поле зрения просветлело. Если повернуть анализатор на угол j = a h, где h - длина пути света в кристалле, a - постоянная, характерная для вещества и зависящая от длины волны света, то затемнение восстановится. Следовательно, динейно-поляризованный свет, вышедший из поляризатора, испытал в кристалле поворот плоскости колебаний, но характер поляризации сохранился - она осталась линейной.

Постоянная a для желтого света достигает в кварце 20⁰/мм, для фиолетового - 50⁰/мм; можно приближенно считать, что a меняется обратно пропорционально квадрату длины волны.

Заменив кварц в предыдущем опыте кюветой с водным раствором сахара, обнаружим поворот плоскости колебаний, происходящий по тому же закону, но здесь угол поворота j зависит от концентрации С, причем

j = a₀ С h.

Постоянная a₀ приблизительно обратно пропорциональна длине волны и мало зависит от температуры. Это позволяет использовать эффект для быстрого определения концентрации сахарного раствора в промышленных условиях (сахариметры).

Вещества, обладающие способностью вращать плоскость колебаний, называют оптически активными веществами.