Оптически активные вещества

В 1811 году французский ученый Доминик Франсуа Араго (1786-1853) обнаружил, что при прохождении линейно поляризованного света через кристалл кварца параллельно его оптической оси, плоскость поляризации меняет свою ориентацию. Это изменение не сопровождалось уменьшением интенсивности света. Плоскость поляризации поворачивалась вокруг оси, совпадающей с лучом. Дальнейшие исследования показали, что такое же явление наблюдается и в других веществах, названных оптически активными. Оптически активны не только двояко преломляющие, но и оптически изотропные кристаллы. Явление поворота плоскости поляризации наблюдается так же в растворах и чистых жидкостях. Все вещества, обладающие оптической активностью в жидком состоянии, в том числе и в растворах, обладают тем же свойством и в кристаллическом состоянии. Однако не все кристаллы, способные к повороту плоскости поляризации, остаются таковыми в жидком состоянии. Это означает, что оптическая активность определяется не только строением молекул, но и их расположением в кристаллической решетке.

Вращение плоскости поляризации возможно в двух направлениях. Условно принято считать вещество правовращающим, если вращение плоскости поляризации происходит по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу. В противном случае говорят, что вещество левовращающее.

Угол поворота плоскости поляризации, как нетрудно догадаться, пропорционален толщине слоя вещества d. Для кристаллов и чистых жидкостей он равен

, (5.5.1)

где – коэффициент [a¢] численно равен углу поворота при прохождении слоя вещества толщиной . Его называют удельным вращением.

Для раствора угол поворота зависит также от его объемно-массовой концентрации

, (5.5.2)

где коэффициент [a] называют удельным вращением раствора. Формула (5.5.2) лежит в основе метода оперативного определения концентрации оптически активного вещества в растворе. Применяемые для этого приборы называют поляриметрами. Основными частями поляриметров являются поляризатор, анализатор и трубка с раствором.

Френель предложил следующее качественное объяснение данного явления. На входе в оптически активный раствор линейно поляризованная волна разлагается на две поляризованные по кругу. Вращение светового вектора и в этих волнах происходит в противоположных направлениях. Полный вектор связан с ними соотношением

.

Если скорость распространения волн происходит с одинаковой скоростью, то, пройдя в растворе некоторое расстояние, оба вектора повернутся на одинаковый угол y (рис. а). При этом ориентация полного вектора остается неизменной.

Если же скорость распространения этих волн не является одинаковой, то при прохождении некоторого слоя вещества между ними возникает фазовый сдвиг Dy. В том случае, когда скорость первой больше чем второй, результирующий вектор поворачивается против часовой стрелки (рис. б). В противном случае мы имеем дело с левовращающим веществом (рис. в).