Оптическая активность

Оптическая активность (далее О), способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через нее оптического излучения (света). Впервые обнаружена в 1811 Д. Ф. Араго в кварце. В 1815 Ж. Б. Био открыл О чистых жидкостей (скипидара), а затем растворов и паров многих, главным образом органических, веществ. Он же установил (см. Био закон), что: 1) угол j поворота плоскости поляризации линейно зависит от толщины l слоя активного вещества (или его раствора) и концентрации с этого вещества — j = (a) lc (коэффициент (a) называется удельной О); 2) поворот в данной среде происходит либо по часовой стрелке (j > 0), либо против нее (j < 0), если смотреть навстречу ходу лучей света. Соответственно оптически-активные вещества, проявляющие естественную О (О, не вызываемую наличием внешних полей), разделяют на правовращающие (положительно вращающие, (d), j > 0) и левовращающие (отрицательно вращающие, (l), j < 0). Это условное деление применимо в широких интервалах длин волн излучения. Оно теряет смысл лишь вблизи полос собственного (резонансного) поглощения среды; в 1896 французский ученый Э. Коттон обнаружил, что в одном и том же веществе j имеет различные знаки по разные стороны от полос резонансного поглощения (см. Поглощение света).

Некоторые вещества оптически активны лишь в состоянии (кварц, киноварь и пр.), так что их О есть свойство в целом; для них удельная О обозначается просто a и формула Био записывается в виде j = al. Другие вещества активны в любом агрегатном состоянии; это означает, что их О определяется свойствами отдельных молекул. Удельная О зависит не только от рода вещества, но и от агрегатного состояния, температуры, давления, типа растворителя и т.д. Типичные значения (a) в град/дм·г/см³: 66,473+0,0127 с (раствор в воде); 14,83—0,146 с (виннокаменная кислота в воде); –3,068+0,08959 с и –5,7 (яблочная кислота в воде и ацетоне соответственно); –37 (скипидар в воде); 40,9+0,135 с (камфора в этиловом спирте). Здесь с — концентрация растворенного вещества в г на 100 см³ раствора. Первые две величины верны в интервалах концентраций 0—50, (a) для камфары — в интервале 10—50, остальные — при любой концентрации (если вообще зависят от нее). Эти значения приведены для стандартных условий: длины волны света 589,3 нм (D-линия и температуры 20 °С.

От естественной О отличают искусственную, или наведенную, О, проявляющуюся лишь при помещении оптически неактивного вещества в поле (Фарадея эффект; см. также Верде постоянная). Знак вращения в эффекте Фарадея зависит как от свойств среды (парамагнитна она, диамагнитна или ферромагнитна), так и от того, вдоль поля или против него распространяется излучение. Это связано с особым характером поля (определяющие его величины являются псевдовекторами, или осевыми векторами). Если линейно-поляризованный свет, прошедший через слой вещества с естественной О, отражается и проходит через тот же слой в обратном направлении, восстанавливается исходная поляризация, тогда как в среде с наведенной О в аналогичном опыте угол поворота удвоится.

Феноменологическую (макроскопическую) теорию О предложил в 1823 О. Ж. Френель, объяснивший О различием преломления показателей среды n₊ и n_– для право- и левополяризованных по кругу световых волн. (Волну линейно-поляризованного света всегда можно представить как совокупность двух право- и левополяризованных по кругу волн равной интенсивности; см. Поляризация света.) Полученное Френелем выражение имеет вид j = p·l /l(n₊ – n_–), где l — длина волны излучения в вакууме; т. о., j может быть значительным даже при очень малом различии n₊ и n_–, если l, как это обычно, бывает много больше l. Этим объясняется чрезвычайно высокая чувствительность методов, основанных на измерении О (например, при определении различий в показателе преломления в 10 000 раз точнее самых точных измерений с помощью интерферометров).

Развитие теории О тесно связано с изучением ее дисперсии — зависимости a (или (a)) от l. Еще Био установил, что в исследованных им случаях a тем меньше, чем больше l (j ~ l^–2). Такая дисперсия характерна для т. н. нормальной О — вдали от длин волн l₀, на которых в оптически-активном веществе происходит резонансное поглощение. Эме Коттон, изучавший О для излучений с l, близкими к l₀, обнаружил аномальную О — увеличение a с ростом l, а также различие поглощения показателей при этих длинах волн для право- и левополяризованных по кругу лучей — т. н. круговой дихроизм, или эффект Коттона. Вследствие кругового дихроизма вблизи полос собственного поглощения не только поворачивается плоскость поляризации света, исходно поляризованного линейно, но и одновременно этот свет превращается в эллиптически-поляризованный.

Исследования О показали, что для объяснения О существен учет изменения поля световой волны на расстояниях порядка размеров а молекулы (иона) вещества. (При описании многих др. оптических явлений таким изменением можно пренебречь, т.к. а /l ~ 10^–3, но как раз этот параметр определяет различие между n₊ и n_–.) Одним из решающих этапов выяснения природы О явилось открытие Л. Пастером в 1848 оптических антиподов-веществ, неразличимых по всем физическим (и многим свойствам, кроме направления вращения плоскости поляризации (отличаясь знаками, удельные О двух антиподов равны по абсолютной величине). Оказалось, что оптические антиподы ( решетки в отдельные молекулы в аморфных, жидких и газообразных оптическиактивных веществах — такие молекулы называются оптическими изомерами) являются зеркальными отражениями друг друга, так что никакими перемещениями и поворотами в пространстве не могут быть совмещены один с другим при полном тождестве образующих их элементов. Для молекул каждого из оптических изомеров характерна пространственная асимметрия — они не имеют плоскости зеркальной симметрии и центра инверсии (см. Изомерия, Стереохимия, Энантиоморфизм).

Теория О молекулярных паров в рамках классической электронной теории (см. Лоренца — Максвелла уравнения) была разработана в 1915 М. Борном и независимо шведским физиком К. В. Озееном, которые показали, что наряду с асимметрией молекул следует учитывать несинфазность микротоков, наведенных полем световой волны в разных частях молекул (при всей малости a/l). Квантовую теорию О паров построил в 1928 бельгийский ученый Л. Розенфельд. И в этой, более строгой с позиций современной науки теории рассматриваются процессы, связанные с конечным размером молекул (происходящие на расстояниях ~а). Для объяснения О оказалось необходимым учитывать как электрический, так и дипольные моменты, наводимые в молекуле полем проходящей волны. Теория О молекулярных сред, активных лишь в фазе, тесно связана с теорией экситонов, т.к. О этих определяется характером волн поляризации в них. О теории наведенной О см. Магнитооптика, Фарадея эффект. Современные теории О качественно правильно описывают это явление, однако количественная теория дисперсии О сталкивается со значительными трудностями в связи со сложностью изучаемых объектов.

О обнаруживают широкие классы веществ, в особенности органических. Характер дисперсии О весьма чувствителен к различным факторам, определяющим внутри- и межмолекулярные взаимодействия. Поэтому методы, основанные на измерении О, широко используются в физических, биологических и др. научных исследованиях и в промышленности (см. Поляриметрия, Сахариметрия).

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М. — Л., 1951; Mathieu J. . Activit_e optique naturelle, в кн.: Encyclopedia of Physics (Handbuch des Physik), v. 28, В. — (а. о.), 1957.

С. Г. Пржибельский.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.