Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Колебания и волны. Волновая оптика

§ 8. Оптическая активность

При прохождении плоско поляризованного света через некоторые вещества происходит постепенный поворот плоскости колебаний световой волны. Это явление получило название оптической активности, а сами вещества – оптически активными.

Ряд веществ проявляют оптическую активность в любом агре­гатном состоянии – твердом, жидком и газообразном. Обнаружено, что эти вещества состоят из молекул, не имеющих ни центра, ни плоскости симметрии. Особенно это характерно для органических молекул, содержащих атом углерода, связанный с четырьмя разными заместителями. Типичным представителем этого класса веществ яв­ляется молочная кислота, молекула которой C₃Н₆O₃ не имеет ни од­ного элемента симметрии. Для молекул такого типа характерно су­ществование двух форм («изомеров»), пространственно несовмести­мых друг с другом любыми мыслимыми поворотами и перемещениями. Отличаются они друг от друга, как правая и левая рука, или как предмет неправильной формы от своего изображения в зеркале. Та­кие изомеры называются «зеркальными» или, что более принято, «оптическими», поскольку соответствующие вещества вращают пло­скость поляризации света в разные стороны. Два оптических изоме­ра молекулы молочной кислоты показаны на рис.5.28,а. В химии их принято изображать при помощи “проекционных формул Фишера” (см. рис.5.28,б), в которых верхний и нижний заместители (СООН, СН₃) следует представлять себе расположенными за плоскостью рисунка, боковые её заместители (Н, ОН) – перед ней. Счи­тается, что в центре проекционной фор-мулы находится атом углеро­да, который лежит в плоскости рисунка.

П равовращающие опти-ческие изомеры принято называть положи­тельными (они обозначаются знаком “плюс” перед формулой), левовращающие – отрица-тельными (перед химичес-кой формулой в этом случае ставится знак “минус”). Смесь оптических изомеров в рав­ных количествах (т.н. «рацемат») не проявляет оптической активности. Выделить оптические изомеры из рацемата можно химическим путем – в реакции с каким-либо оптически активным реагентом; либо биохимическим спосо­бом – используя то обстоятель­ство, что микроорганизмы (напри­мер, бактерии) перерабатывают только один изомер, оставляя другой нетронутым.

Поскольку оптическая актив­ность изомеров определяется структурой молекулы, растворы оптически активных веществ этого типа в оптически неактивных растворителях также проявляют оптическую активность. Угол поворота плоскости поляризации света в растворе оказывается пропорциональным концентрации раствора С и длине пути, пройденного лучом света в растворе l :

 = []Cl. (5.21)

Соотношение (5.21) называется законом Био; величина [] – удельной оптической активностью. Обычно в справочниках величи­на [] дается в градусах, если l измеряется в дециметрах, а концентрация – в граммах оптически активного вещества на объем раствора в см³. Например, для молочной кислоты величина [] = 3,82 (положительна для правовращающей и отрицательна для левовращающей формы). Для тростникового сахара (сахарозы С₁₂Н₂₂O₁₁) [] = +66,4; для виноградного сахара (глюкозы С₆Н₁₂O₆) [] = +52,6; для фруктового сахара (фруктозы) [] = -91,9° (левовращающий).

Удельная оптическая активность (иногда для краткости называемая удельным вращением) зависит от длины волны света. Обычно величина удельного вращения определяется для желтой линии натрия, тогда она обозначается []^Ð (выше приведены значения имен­но []^Ð ).

Методы исследования оптически активных веществ, основанные на изучении вращения плоскости поляризации (т.н. «поляриметрия») широко используются для точного определения концентрации этих веществ в растворах (см. соотношение (5.21)). Измерение «вращательной дисперсии» (зависимости угла вращения пло­скости поляризации света от длины волны) позволяет изучать строение веществ. Наконец, оптическая активность крайне чувствительна к небольшим вариациям в строении молекул и к межмолекулярным взаимодействиям, поэтому её исследование может пре­доставлять ценную информацию о природе заместителей в молекулах как органических, так и комплексных неорганических соеди­нений. Для того, чтобы проиллюстрировать огромные возможности п оляриметрии в стереохимии, на рис.5.29 приведены структурные формулы двух форм глюкозы – -глюкозы и -глюкозы. Обе эти формы правовращающие, отличие между ними состоит лишь в изменении пространственной ориентации двух связей, обозначенных на рис.5.29 цифрами 1 и 2. Несмотря на столь незначительную, на первый взгляд, разницу, удельная оптическая активность двух форм глюкозы отличается в шесть раз. Приведенная выше величина []^Ð = 52,5 для глюкозы на самом деле получается в результате суммирования эффектов от двух существующих в равновесии форм – -глюкозы с удельным вращением []^Ð = 112° и -глюкозы с удельной оптической активностью []^Ð = 18,7°.

Помимо веществ, оптически активных “на молекулярном уровне”, имеется достаточно обширный класс веществ, проявляющих оптическую активность только в кристаллической форме. Например, стеклообразный кварц обычно оптически неактивен, тогда как кристаллический характеризуется значительной оптической активностью. Оптическая активность таких веществ – свойство кристалла как целого. Общее свойство оптически активных кристаллов – отсутствие зеркальной симметрии их структурных элементов. В случае кварца, например, структурные элементы кристаллической решетки – тетраэдры SiO₄, соединяясь между собой вершинами (атомами кислорода), образуют спиральные цепи. Подобно оптическим изомерам, существуют право- и левовращающие кристаллы, которые отличаются друг от друга как предмет и его зеркальное отображение. Такие кристаллы, абсолютно идентичные по физическим свойствам, отличающиеся только на­правлением вращения плоскости поляризации света, принято назы­вать оптическими антиподами. Обычно максимальная оптическая активность в кристаллах наблюдается при распространении света вдоль оптической оси.

Для кристаллических оптически активных веществ закон Био (5.21) принимает форму:

 = []l, (5.23)

Удельное вращение для кристаллов обычно существенно больше, чем для жидких оптически активных веществ. Например, для кварца удельное вращение изменяется в спектральном диапазоне  = 0,76 мкм – 0,4 мкм от 12,7 град/мм до 51 град/мм (обращаем внимание, что для кристаллов удельное вращение принято рассчитывать на 1 мм пути луча, а не на 10 см, как для жидкостей).

Удельная оп­тическая активность, как кристаллов, так и жидкостей, зависит от таких внешних факторов, как температура, давление, состав растворителя.

Объяснение физического механизма оптической активности было предложено Френелем в 20-х годах XIX века. Основная идея Френе­ля состоит в том, что в оптически активных веществах циркулярно поляризованный в разных направлениях (т.е. левый и правый) свет распространяется с разными скоростями. Если учесть опреде­ленную “спиральность” кристаллов и молекул оптически активных веществ, такое различие скоростей распространения лево- и правополяризованного света кажется вполне естественным, поскольку условия поляризации вещества зависят от того, совпадает ли направление вращения вектора световой волны с направлением “спиральности” этого вещества.

Д алее, Френель предложил рассматривать плоско поляризованную световую волну частоты , падающую на поверхность оптиче­ски активного вещества, как совокупность двух циркулярно поляризованных в разных направлениях волн одной и той же ча­стоты и с одинаковыми амплитудами (амплитуда каждой поляризо­ванной по кругу волны равна половине амплитуды исходной, плоско поляризованной волны) – см. рис.5.30,а. Поскольку показатели преломления право- поляризованной (n₊) и левополяризованной (n_–) волн отличаются по величине, между правополяризованной и лево- поляризованной волнами после прохождения слоя оптически активного вещества толщиной l возникает оптическая разность хода  = l(n₊ – n_–). Если, например, n₊ > n_–, то скорость распространения левого циркулярно поляризованного света (v_–) больше, чем правого (v₊); левополяризованный свет пройдет слой l за меньшее время, чем правый. Соответственно, вектор за это время повернется на меньший угол – см. рис. 5.30,б. Из рисунка видно, что в итоге плоскость колебаний выходящего из оптически активного вещества света повернётся на угол  против часовой стрелки (луч света распространяется от нас за чер­теж). Такое направление вращения плоскости поляризации световых волн соответствует правовращающему (положительному) оптически активному веществу. Для левовращающего (отрицательного) вещества n₊ < n_–, v₊ > v_– .

Если оптическая разность хода право- и левополяризованной волн  равна четверти длины волны света в вакууме, то, как это видно из рис.5.30,в, плоскость поляризации световой волны после прохождения слоя вещества толщиной l поворачивается на угол /4 (не /2 !). Следовательно, угол поворота плоскости колебаний светового вектора при произвольном значении величины  может быть определен по формуле:

,  = l(n₊ – n_–). (5.23)

Положительные значения угла  соответствуют право- вращающему (положительному) оптически активному веществу.

Как и оптическую анизотропию, оптическую активность первоначально неактивного вещества можно вызвать искусственно. Для этого нужно это вещество поместить в достаточно сильное магнитное поле, а луч света направить по направлению вдоль магнитного поля (не путать с эффектом Коттона-Мутона – там световой луч должен быть перпендикулярен магнитному полю). Возникно­вение искусственной оптической активности в магнитном поле называется эффектом Фарадея, поскольку именно Фарадей в середине XIX века впервые наблюдал этот эффект. Как и в случае естест­венной оптической активности, угол поворота плоскости колеба­ний световой волны определяется длиной пройденного в магнитном поле пути l и разницей показателей преломления n₊ и n_– – см. соотношение (5.23).

Как правило, если величина магнитной индукции не слишком велика, разность показателей преломления право- и лево- поляризованного света линейно зависит от индукции магнитного поля:

n₊ – n_– = K₅ Bl. (5.24)

Постоянная K₅ называется удельным магнитным вращением, или постоянной Верде – по имени ученого, наиболее полно исследовавшего закономерности магнитного вращения. Знак постоянной Верде для большинства веществ положителен (право-вращение в магнит­ном поле). Лишь некоторые вещества в магнитном поле являются левовращающими (K₅ < 0). Величина постоянной Верде зависит от длины волны света и температуры.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов книги