Оптическая активность

Явление оптической активности, или гиротропия, занимает особое место среди физических свойств. На основе способности некоторых веществ вращать плоскость поляризации возникли такие направления, как стереохимия, асимметрический синтез, сахариметрия. Открытое более 1800 лет назад это явление привлекало и до сих пор привлекает многих исследователей, в первую очередь потому, что все важные биохимические процессы связаны с участием оптически активных веществ.

Многие известные физики, в том числе и Ландау, уделяли внимание изучению оптической активности.

Особенно большой объем работ по исследованию оптической активности в кристаллах выполнен в Институте кристаллографии РАН. Среди полученных результатов можно выделить следующие: решены граничные задачи о прохождении света из одноосного прозрачного и поглощающего оптически активного кристаллов при учете многократных отражений, предложены методы определения оптических параметров кристаллов, изучены оптическая активность и дихроизм большого количества кристаллов различных классов симметрии, что позволило определить природу возникновения оптической активности в этих кристаллах и связать ее с особенностями структуры кристалла в целом и структурой отдельных локальных центров.

Кафедра физики Дальневосточного государственного университета путей сообщения также внесла свой вклад в исследование этого интересного явления. Разработана альтернативная теория оптической активности в кристаллах, а также предложены новые методы качественного и количественного исследования оптической активности в кристаллах в направлениях, отличных от оптической оси. Рассчитаны, смоделированы и получены экспериментально-коноскопические картины оптически активных кристаллов с различной поляризацией световых пучков. Рассчитано теоретически и исследовано экспериментально влияние оптической активности на интенсивность и параметры поляризации прошедшего через кристалл света.

Ниже рассматривается оптическая активность в кристаллических телах и аморфных веществах, приводятся основы теории вращения плоскости поляризации.

Для примера рассмотрим кварцевую пластинку, вырезанную перпендикулярно оптической оси. При нормальном падении света на пластинку свет распространяется в направлении оптической оси, и происходит поворот плоскости поляризации (Араго, 1811 г.). Угол поворота плоскости поляризации определяется по взаимной ориентировки осей николей N₁ (поляризатор) и N₂ (анализатор). Установлено экспериментально, что угол поворота зависит от длины d пути кристаллической пластине и от длины волны,
т. е. имеется вращательная дисперсия:

φ = αd,

где α – вращательная способность. Эта величина выражается в радианах на метр или в градусах на миллиметр. У кварца для красной области спектра α ≈ 15 град/мм, для зеленой α ≈ 27 град/мм, фиолетовой α ≈ 51 град/мм. Эти данные показывают, что вращательная дисперсия у кварца весьма значительна.

Направление вращения плоскости поляризации изменяется при изменении направления распространения света на обратное и может определяться правилом винта.

Экспериментально установлено, что существует две модификации кристаллов кварца – правовращающая и левовращающая. Они характеризуются различными направлениями вращения плоскости поляризации, которые определяются в соответствии с правилом правого или левого винта при распространении света вдоль оптической оси. Исторически сложилось так, что направление вращения плоскости поляризации устанавливается для наблюдателя, к которому направлен луч света. Поэтому правовращающая модификация кварца (правый кристалл) обусловливает левовинтовое вращение плоскости поляризации, а левовращающая (левый кристалл) – правовинтовое.

При распространении света в направлениях, отличных от направления оптической оси, оптическая активность проявляется совсем по-другому.
В этих направлениях существует обычное линейное двупреломление, поэтому активность проявляется более сложным образом. Еще труднее наблюдать явление в двуосных кристаллах, так как вращение может быть различным вдоль каждой из осей. Известны также некоторые кристаллы кубической системы, не обнаруживающие обычного двойного лучепреломления, но обладающие свойством вращать плоскость поляризации; в этом случае величина вращения не зависит от ориентации кристалла.

Во многих аморфных веществах, в том числе и жидкостях (например, в скипидаре), также наблюдается вращение плоскости поляризации, причем в ряде случаев довольно значительное (например, в никотине α ≈ 1,64 град/мм для желтой области спектра).

Аморфные вещества также существуют в двух модификациях – право- и левовращающей. Если вращающее плоскость поляризации вещество находится в растворе, то угол поворота плоскости вращения при прохождении света через раствор определяется по закону Био (1832):

,

где q – концентрация раствора, – длина путив растворе.

Вращательная способность α зависит от длины волны и температуры раствора. Экспериментальное изучение этого явления показало, что зависимость α от температуры слабая, а от длины волны дается в грубом приближении соотношением α ~ 1/l².

Вращение плоскости поляризации в аморфных веществах является молекулярным свойством. Молекуле можно соответствующим образом приписать определенную вращательную способность, которая не зависит от агрегатного состояния вещества. Кристаллическая структура вещества также может обусловливать вращательную способность. Вещества, способные вращать плоскость поляризации, называются оптически активными.

Первое объяснение вращения плоскости поляризации, открытого Араго на кристаллах кварца, было проведено Френелем в 1817 г. В основе рассуждений Френеля лежит гипотеза, согласно которой скорость распространения света в активных веществах различна для лучей, поляризованных по правому и левому кругу. При этом для правых веществ большее значение имеет скорость правокруговой волны, а для левых веществ – наоборот. Применяя индексы d (droit – правый) и g (gauche – левый), запишем допущения Френеля в форме для правых веществ D:

u_d > u_g, n_d < n_g;

для левых веществ G:

u_d < u_g, n_d > n_g,

где u– скорости циркулярно поляризованного света, а n – соответствующие показатели преломления.

Френель проверил свои предположения при помощи опыта, специально придуманного для исследования различия в скорости распространения правого и левого циркулярно поляризованного света. Им была изготовлена сложная призма (рис. 3.11), состоящая из трех призм: двух – из правовращающего кварца D и одной – из левовращающего G (оси направлены вдоль стрелок на чертеже). Если действительно, для правовращающего кварца n_d < n_g, для левого n_d > n_g, то линейно поляризованный пучок света, проходя через такую призму, раздвоится, как показано на чертеже. В результате из призмы выйдут два световых пучка: один поляризованный по правому, другой – по левому кругу. Опыт полностью подтвердил предположение Френеля.

Нетрудно показать, что доказанное Френелем двойное преломление активных веществ для циркулярно поляризованного света объясняет явление вращения плоскости поляризации. Действительно, плоскополяризованный свет можно представить себе как совокупность двух циркулярно поляризованных волн, правой и левой, с одинаковыми периодами и амплитудами. Пусть в месте входа в слой вращающего вещества совокупность право- и левополяризованного света эквивалентна плоскополяризованному свету с колебаниями по АА(рис. 3.12, а), т. е. вращающиеся электрические векторы правой и левой волн симметричны по отношению к плоскости АА. Рассмотрим какова будет взаимная ориентация этих векторов в любой точке среды (рис. 3.12, б). Предположим для определенности, что u_d > u_g.

Так как левая волна распространяется с меньшей скоростью, то до какой либо точки внутри среды она дойдет с некоторым отставанием по фазе по сравнению с правой. В рассматриваемой точке электрический вектор правой волны будет повернут вправо на больший угол, чем окажется повернутым влево вектор левой волны; следовательно, плоскостью, относительно которой расположены оба вектора, будет плоскость ВВ, повернутая вправо по отношению к АА. Итак, результирующее плоское колебание будет направлено по ВВ, т. е. плоскость поляризации света повернулась вправо на угол y, так что

j_d – y = j_g+y или y = (j_d – j_g)/2. (3.5)

Для аналитического решения этой задачи запишем выражение угла поворота светового вектора в функции времени t и глубины проникновения z дляправого и левого лучей:

, , (3.6)

где u_d = (с/n_d) и u_g= (с/n_g) – соответственно фазовые скорости распространения правого и левого циркулярно поляризованных лучей. Из выражений (3.5) и (3.6) видно, что угол поворота плоскости поляризации y (рис. 3.12, б) на глубине z = следующий:

, (3.7)

так как

,

где l₀ – длина волны в вакууме. Формула (3.7) показывает, что в веществах, для которых n_d < n_g, плоскость поляризации поворачивается вправо (j_d > j_g), а в веществах, для которых n_d > n_g, – влево (j_d < j_g) в соответствии с данными Френеля.

Таким образом, видно, что с момента открытия оптической активности изучены и поняты многие важные аспекты, касающиеся этого явления.
Полученные результаты представляют большую практическую значимость, так как оптически активные кристаллы находят широкое применение в различных устройствах и экспериментальном оборудовании для микроэлектроники, кристаллофизики, медицины, экологии, неразрушающего контроля, в микробиологической и пищевой промышленности, а также в системах обработки информации на основе магнито-оптических и компакт-дисков.

Но все еще остаются направления исследования оптической активности, которые требуют детального рассмотрения. Новые данные помогут усовершенствовать существующие приборы, создать новые, а также применить полученные результаты во всевозможных устройствах для науки и техники.

САХАРИМЕТР

поляризационный прибор для определения содержания сахара (реже — др. оптически активных веществ) в р-рах по измерению угла вращения плоскости поляризации (ВПП) света, пропорц. концентрации р-ра. Компенсация ВПП в С., в отличие от поляриметра, производится линейно перемещающимся кварцевым клином (рис.). Применение кварцевого компенсатора позволяет освещать С. белым светом, т. к. кварц и сахар обладают почти одинаковой вращательной дисперсией. (При измерении концентрации др. в-в, напр. камфары, их освещают монохроматическим светом определённой длины волны.) Отсчёт угла вращения ведётся по линейной шкале, непосредственно указывающей процентное содержание сахара в р-ре. Как и в поляриметрах, в С. при компенсации происходит уравнивание яркостей двух половин поля зрения, регистрируемое визуально или фотоэлектрически.

Во мн. современных С. с поляризационной модуляцией света кварцевый компенсатор и шкала связаны со следящей системой и компенсация измеряемого ВПП осуществляется автоматически.

Кварцевый компенсатор: 1 — неподвижный клин из правовращающего кварца; 2 — подвижный клин из левовращающего кварца, соединённый со шкалой (её нулевая отметка соответствует положению клина, при к-ром действия обоих кварцевых клиньев скомпенсированы); 3 — клин из стекла (подклинок), вводимый для того, чтобы луч света, проходя через кварцевые клинья, не изменял своего направления.

ГОЛОГРАФИЯ(от греч. холос – полный играфо – пишу) – способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при помощи когерентного (см. КОГЕРЕНТНОСТЬ) излучениялазера

Голографическими методами можно распознавать образы, т.е. искать объекты, идентичные заданному, среди множества других, похожих на него. Такими объектами могут быть геометрические фигуры, фотографии людей, буквы или слова, отпечатки пальцев и т.д. На пути лазерного луча устанавливают сначала кадр, на котором может находиться искомый объект, а за ним – голограмму этого объекта. Появление яркого пятна на выходе говорит, что объект в кадре присутствует. Такая оптическая фильтрация может производиться автоматически и с большой скоростью.

Методами акустической голографии удается получать объемные изображения предметов в мутной воде, где обычная оптика бессильна.