110. Поляриметрия и спектрополяриметрия. Поляризационные приборы.

Поляриметрия

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества [некоторые кристаллы, растворы многих органических веществ, а также некоторые чистые жидкости] наблюдается вращение плоскости колебаний светового вектора или вращение плоскости поляризации. Вещества, обладающие такой способностью, называются оптически активными.

 =[ ] c l , где [] - величина, называемая удельным вращением. Удельное вращение – это увеличенный в 100 раз угол вращения для столба раствора длиной в 1 дм (10 см) при концентрации вещества 1 г на 100 мл раствора, при температуре 20С и при длине волны =589 нм. Это закон Био. Угол вращения  приблизительно обратно пропорционален квадрату длины волны :

,

где а - постоянная, зависящая от природы вещества.

Вращение плоскости поляризации растворами обусловлено взаимодействием электромагнитной волны с ассиметричными молекулами растворенного оптически активного вещества. Такие молекулы не обладают зеркальной симметрией и по-разному вращают плоскость поляризации. В зависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества подразделяются на право- и левовращающие. При синтезе химическими методами получают смесь, содержащую равное количество «правых» и «левых» молекул. Такая смесь называемая рацемической, не вращает плоскость поляризации.

Соотношение (1) лежит в основе весьма чувствительного метода измерения концентрации растворенных веществ, в частности сахара – поляриметрия, или сахариметрия. Соответствующие измерительные приборы называют поляриметрами или сахариметрами. Поляриметр позволяет измерять не только концентрацию, но и удельное вращение. Используя различные светофильтры, можно найти зависимость удельного вращения от длины волны (дисперсию оптической активности), в настоящее время для этих целей применяют специальные приборы - спектрополяриметры.

Для исследования прозрачных биологических объектов используют поляризационный микроскоп. Он аналогичен обычному, но снабжен двумя призмами Николя: одна расположена перед конденсором и служит поляризатором, вторая - в тубусе между объективом и окуляром и служит анализатором. Предметный столик вращается вокруг продольной оси микроскопа на 360⁰. Если поляризационный микроскоп, установленный на полное затемнение поля зрения (скрещенные николи), поместить препарат с изотропной структурой, то поле зрения останется темным. В случае, когда между поляризатором и анализатором помещен препарат с анизотропными структурами, свет, прошедший поляризатор, будет в них вновь двояко преломляться. В связи с этим, он не гасится полностью анализатором, и соответствующие структуры выступают просветленными на общем темном фоне поля зрения.

Ряд тканей (мышечная, костная, нервная) обладают оптической анизотропией, поэтому возможна поляризационная микроскопия биологических объектов.

111. Излучение и поглощение энергии атомами. Структура энергети ческих уровней атомов. Оптические спектры атома водорода и спектры сложных атомов.

В 1913 году Бором предложена теория излучения света, которая основывается на двух постулатах:

1. Внутренняя энергия атома дискретна, то есть может принимать только определённые дозволенные значения или уровни, кратные характерным для данного атома количествам, или квантам энергии.

2. Испускание (или поглощение) электромагнитного излучения происходит при переходе атома из одного стационарного состояния в другое.

На основе этих постулатов Бор разработал теорию излучения и поглощения энергии света атомом водорода. Он предположил, что из всех возможных орбит электрона осуществляются только те, для которых момент импульса (момент количества движений) равен целому кратному постоянной Планка, делённой на 2 :

(n = 1, 2, 3, . . .)

Число n, называется главным квантовым числом, соответствует порядковому номеру орбиты, v – скорость движения электрона по стационарной орбите.

В случае атома водорода кулоновская сила взаимного притяжения протона и электрона является центростремительной силой, удерживающей электрон на орбите, то есть: , где m и е - масса и заряд электрона, r - радиус орбиты.

Таким образом, радиусы стационарных орбит атома водорода прямо пропорциональны квадрату квантового числа n².

Энергетический уровень атома обусловлен полной энергией электрона, которая слагается из кинетической энергии электрона (ядро неподвижно) и энергии взаимодействия электрона с ядром (потенциальной энергии). Потенциальная энергия электрона (по знаку она отрицательна как потенциальная энергия сил притяжения) равна:

Поскольку энергетические уровни обратно пропорциональны квадрату квантового числаn², разность между каждыми двумя соседними уровнями по мере возрастания числа и по абсолютной величине уменьшается. Таким образом, по мере удаления от ядра разность между двумя соседними энергетическими уровнями атома убывает:

E₂ - E₁ > E₃ - E₂ > E₄ - E₃ ,. . .

Стационарный уровень с наименьшей энергией называется основным, он соответствует состоянию атома, не подвергающегося никаким внешним воздействиям. Остальные стационарные уровни называются возбуждёнными.

Возбуждение атома, то есть переход электрона на орбиту большего радиуса (переход 1), требует сообщения атому дополнительной энергии и, следовательно, происходит в результате каких-либо внешних воздействий. Возбужденное состояние неустойчиво, примерно через 10^-8 сек электрон возвращается на основную орбиту, при этом излучается фотон, уносящий дополнительную энергию, полученную при возбуждении, и атом, переходит в основное состояние (переход 2).

В спектре излучения атома водорода можно выделить несколько серий. Каждая серия соответствует переходам с различных уровней на один и тот же конечный.