Вращение плоскости поляризации

При взаимодействии света с веществом возникают различные явления, среди которых чрезвычайно важное значение имеет явление вращения плоскости поляризации света.

Явление вращения плоскости поляризации обнаружено Доменико Араго в 1811 г. при изучении двойного лучепреломления в кварце.

Если плоско поляризованный свет направить а кристалле кварца вдоль оптической оси, то положение плоскости поляризации луча, прошедшего сквозь кристалл, будет отличаться от положения плоскости поляризации падающего луча. Впоследствии это явление было обнаружено в ряде других кристаллов, некоторых жидкостях и получило название вращения плоскости поляризации.

Вещества, способные вращать плоскость поляризации.

называются оптически активными.

Чрезвычайно интересным фактом, установленным впервые Пастером в 1848г. на примере винной кислоты, является существование активных веществ в двух модификациях: правовращающих (со стороны выходящего луча поворачивающих плоскость поляризации по часовой стрелке) и левовращающих (поворачивающих плоскость поляризации против часовой стрелки).

Впоследствии правовращающая и левовращающая модификаций были обнаружены у кварца и многих других кристаллов.

Правовращающие и левовращающие кристаллы являются зеркально симметричными (знантиоморфными) пространственными изомерами. Пространственная изомерия сопровождается и оптической изомерией.

На рис.5 представлена пространственное строение оптических изомеров вторичного бутилового спирта.

Впервые теоретическое объяснение явления вращения плоскости поляризации оптически активными веществами было дано Френелем и достаточно подробно изложено в [2] (студентам предлагается самостоятельно познакомиться с этой теорией).

Если расположить пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно оптической оси, между скрещенными поляризатором и анализатором, то поле просветляется. Поворотом анализатора на некоторый угол ф свет можно потушить. Это говорит о том, что свет остался плоско поляризованным, но плоскость поляризации повернулась на угол ф.

Если пользоваться "белым" светом, то при повороте анализатора окраска меняется. Это указывает на то, что вращательная способность кварца зависит от длины волны.

Если взять пластинку толщиной в 1 мм, то угол поворота плоскости поляризации при переходе от красных лучей к фиолетовым меняется приблизительно от 15° до 51°. С изменением толщины пластинки углы поворота для данной длины волны меняются прямо пропорционально:

Ф = Y-l (6)

где у — постоянная вращения, зависящая от длины волны, природы вещества и температуры. Наряду с кристаллами, вращать плоскость поляризации способны и некоторые Жидкости: скипидар, водный раствор сахара, раствор винной кислоты и т.д.

В 1831г. Био опытным путем установил для растворов оптически активных веществ следующие количественные законы:

1. Угол поворота плоскости поляризации ф прямо пропорционален толщине слоя I

2. Угол поворота прямо пропорционален концентрации C активного вещества:

Ф = [у]Сl (7)

Постоянная вращения [у] также как и в случае кристаллов зависит от длины волны и температуры, а также зависит от растворителя.

Зависимость постоянной вращения от температуры незначительна. Для большинства веществ она изменяется примерно ₀йа одну тысячную своей величины при изменении температуры на один градус. Для зависимости [у] от l Био получил приближенную формулу, согласно которой вращательная способность [у] обратно пропорциональна квадрату для волны, т.е.

Формула (8), как показали, более точные исследования, является слишком грубой.

Законы Био показывают, что для растворенных веществ вращение есть молекулярное свойство, т.к. величина угла поворота возрастает пропорционально числу молекул на пути луча (пропорциональна длине и концентрации). Вследствие этого можно предположить, что вращательная постоянная не должна зависеть от агрегатного состояния вещества.

С другой стороны известно, что вращательная способность связана и с кристаллической структурой. Так, например, плавленый (аморфный) кварц не обладает вращательной способностью, тогда как кристаллический кварц принадлежит к числу наиболее активных веществ.

Таким образом, оптическая активность может определяться как строением молекулы, так и расположением молекул в кристаллической решетке.