Оптична активност на веществата

Свойството на някои молекули в разтвор, да предизвикат въртене на поляризационната равнина на поляризираната светлина, преминаваща през разтвора, се нарича оптична активност на веществата.

История

За първи път френският физик Dominique F. J. Arago открива оптична активност в кварцовите кристали през 1811г.: През 1820 година , английският астроном Sir John F.W. Herschel открил, че различни индивидуални кварцови кристали, чиито кристални струкури са огледални образи на всеки един от тях , се завъртат при линейна поляризация на еднакъв ъгъл, но в различни посоки. Jean Baptiste Biot също наблюдава завъртането по оста на поляризацията в определени течности и изпарения на органични съединения, например като терпентин. През 1822 година, Augustin-Jean Fresnel открил , че оптичната активност на вещестата може да се обясни с двойно лъчепречупване: като се има предвид, че известните случаи на двойното пречупване се дължат на различните скорости на светлината , оптичното завъртане се дължи на различните скорости на дясната и лявата страна на кръгово поляризирана светлина. По това време се използвли прости поляриметри, за да се измерят концентрациите на прости захариди , например глюкоза. Всъщност друго име за D-глюкоза (биологичния изомер) е dextrose, която причинява лиейно поляризирана светлина да се завърта дясната (dexter) страна. По подобен начин, фруктозата причинява plane of polarization да се завърта наляво. Фруктозата е много по-силна лявовъртяща се, отколкото глюкозата е dextrorotatory. Invert sugar syrup, комерсиално формиран от хидролизата на захарозен сироп, до микс на прости захари, фруктоза и глюкоза, получава името си от това, че преобразуването причинява посоката на въртене да се "обръща" отдясно на ляво.

През 1849 година, Louis Pasteur, разрешил проблем относно природата на Tartaric acid (винена киселина). Решението на това съединение било получено от живи неща (по-специфично винени утайки) завърта plane of polarization (равнината на поляризация) на светлината минаваща през тях. Но винената киселина, получена през химичен синтез, няма същия ефект, въпреки че реакциите и елементния състав са идентични. Louis Pasteur забелязал,че кристалите имат две асиметрични форми , които са огледални образи един на друг. Сортирайки кристалите на ръка дало две форми на съединението: решението на една форма на завъртане поляризирала светлината по посока на часовниковата стрелка, докато другата форма завъртяласветлината обратно на часовниковата стрелка. По равен микс от двата няма поляризиращ ефект на светлината. Louis Pasteur доказал, че молекулата е асиметрична и може да съществува в две различни форми, които приличат една на друга лява и дясна ръкавица и, че органичната форма на съединението се състои изцяло отединия тип.

През 1874 година, Jacobus Henricus van 't Hoff и Joseph Achille Le Bel независимо предложили, че това явление на оптическата активност на въглеродните съединения , може да се обясни като се предположи,че четирите наситени химични връзки между въглеродните атоми и техните съседни, са насочени към ъглите на обикновен тетраедър. Ако всичките четири съседни са различни, то тогава има две възможни подреждания на съседните около тетраедъра, които ще бъдат огледални образи един на друг. Това довело до по-доброто разбиране на три-размерната природа на молекулите.

През 1950 година, Sergey Ivanovich Vavilov, предвидил, че оптичната активност зависи от интензитета на светлината и ефекта на нелинейната оптична активност била наблюдавана през 1979 година върху литиеви йодитни кристали.

През 1988 година, М. П. Силвърмен открил, че поляризираното завъртане може да възникне и за отразена светлина от хирални вещества. Скоро след това наблюдавали,че хиралните вещества могат и да отразяват ляво и дясновъртящите се поляризирани вълни с различна ефективност. Тези феномени на огледално кръгово двойно пречупване и огледален кръговдихроизъм (dichroism) са съвместно познати като огледална оптична активност. Огледалната оптична активност е много слаба в природни материали. През 1898 година, Jagadish Chandra Bose обяснил способността на усуканите изкуствени структури да завъртат поляризацията на микровълните. От началото на 21 век, развитието на изкуствените материали довело до предсказването и осъзнаването на хиралните метаматериали с оптическа активност надвишаваща тази на природните материали .

Принцип на схема на действието на оптически активните вещества.

Класификация на оптически активните вещества

Има два двида оптически активни вещества:

1. Dextro- въртящи се вещества, още познати и като дясновъртящи се вещества. Dextro- въртящите се вещества са тези оптически активни вещества, които завъртат полето на поляризация на светлината надясно. С други думи, ако вещество завърти полето на поляризация на светлината надясно или по посока на часовника, то то е познато като Dextro- въртящо се вещество.
2. Laevo- въртящи се вещества са тези оптически активнивещества, които завъртат полето на поляризация на светлината наляво. С други думи, ако вещество завърти полето на поляризация на светлината наляво или обратно на часовниковата стрелка, то то се нарича Laevo- въртящо се вещество.

Физически причини за оптичната активност

Веществата, които проявяват подобно завъртане са познати като оптически активни вещества. За да разберете какво е оптическа активност или оптическо завъртане, ще обясним един невероятен експеримент. Оптичното завъртане се измерва с помощта на поляриметър.

Оптичната активност на оптически активните вещества се изучава чрез науката поляриметрия. Поляриметрията дава измерването на завъртане на светлинното поле на поляризация от оптически активните вещества. Неполяризираната светлина като се постави под действието на призма на Никол преминава в поляризирана. След като светлината влезе в призмата на Никол, претърпява процес на двойно пречупване. Светлината се разделя на обикновен и допълнителен лъч. Двата лъча са перпендикулярни един на друг. След преминаване през поляриметъра, получаваме светлинно поле на поляризация. Вибрациите на обикновения лъч ще бъдат перпендикулярни на полето на хартия, през което ние наблюдаваме и вибрацията на допълнителния лъч ще бъде в посоката на полето. Обикновения лъч ще се елеминира след получаването на пълното вътрешно отражение, вътре в призмата на Никол и допълнителния лъч ще премине през призмата така, че вибрацията на неговото електрично поле ще бъде в една посока. При преминаване на светлинното поле на поляризация през анализатор, се вижда появяваща се светлина. За същия експеримент, ако поставим оптически активно вещество между поляризатор и анализатор ще видим възникваща светлина. Това обяснява факта, че светлинното поле на поляризация е завъртяно.

В общи линии, обикновената светлина е неполяризирана, което означава, че всяка светлинна вълна се осцилира производно. В поляриметърния експеримент, първоначално неполяризираната светлина се преобразува в поляризирана, като използва поляризиращи филтри или поляризатор на призмата на Никол. По-късно, тази поляризирана светлина преминава през поляриметърна тръба, в която се пази пробата (оптична активност). Тази поляризирана светлина се завърта и дава резултат на анализатора на призмата на Никол.

Феноменологичен модел

Феноменологичния моден на оптичната активност е била изучавана в детайли от Био през 1815 година и именно той предложил законите, отговарящи на оптичната активност на веществата. Те гласяли

1. Количеството оптична активност, произведена от оптически активните кристали или вещества, са точно пропорционални на дебелината на кристалите или изминатата дължина на пътя по тяхнотото завъртане.

$I\propto \theta$

Където,

θ - ъгълът на оптичното завъртане

I-дължината на пътя.

2. Количеството оптично завъртане е точно пропорционалнона концентрацията на решението на оптичната активност.

$I\propto C$

Където,

С- концентрацията на обекта на оптическата активност.

3. Ъгълът на оптическото завъртане е обратно пропорционално на квадрата на дължиата на вълната на използваната светлината.

$I\propto {\frac {1}{\lambda ^{2}}}$

Където,

λ- Дължината на вълната на използваната светлина.

Ако комбинираме всички тези точки ще открием, че ъгъла на завъртанеили формулата за завъртане:

$\theta \propto CI$

Където,

θ- ъгъла на оптичното завъртане

I- дължината на пътя

Пропорционалната константа е заменена от константата S, позната като специфично завъртане:

$\theta =SCI$

Където,

S- специфично завъртане.

NB! Ъгълът на завъртане зависи още и от температурата и прироодата на оптически активните вещества.

Теоретични основи

Оптичната активност възниква поради молекули, разтворени в течност или поради самата течност, само ако молекулите са един от два (или повече) стереоизомера. Също познато като енантиомер. Структурата на такава молекула е такава, че не е идентична с нейния огледален образ, който би бил този на различен стереоизомер или "противоположния енантиомер". В математиката това свойство е познато като хиралност. Например един метален прът не е хирален, защото металния му вид в огледалото не се различава от самия него. Въпреки това основата на всяка една спирала (например крушка) е хирална. Обикновената дясна винтова резба, погледната в огледало, ще изглежда като ляво стоящ винт (рядкост), който не би могъл да се завие в обикновена (дясна) гайка. Сърцето на човек, погледнат в огледало ще се намира от дясната страна, ясно доказателство за хиралност, докато огледалното отражение на куклата може да бъде неразличима от самата кукла.

За да бъде показана оптична активност, течността трябва да съдържа само един или преобладаване на един стереоизомер. Ако два енантиомера присъстват в равни пропорции, тогава техните ефекти се отменят и не се наблюдава оптична активност. Това се нарича рацемична смес. Когато има енантиомерен излишък, повече от един енантиомер от другия, тогава отмяната е непълна и се наблюдава оптична активност. Много естествено срещащи се молекули присъстват само като един енантиомер (например много кристалчета захар). Хирални молекули, произведени в областта на органичната химия или неорганичната химия, са рацемични, освен ако в същата реакция не е използван хирален реагент.

На фундаментално ниво въртенето на поляризацията в оптически активна среда се причинява от кръгово двойно пречупване и може да се тълкува най-добре по този начин. Линейното двойно пречупване в кристала включва малка разлика във фазовата скорост на светлината на две различни линейни поляризации съдържа малка разлика в скоростите между дясната и лявата кръгова поляризация. Мислете за един енантиомер в разтвор като голям брой малки спирали (или винтове), всички десни, но в произволна ориентация. Двойното пречупване от този вид е възможно дори във течност, тъй като подвижността на спиралите не зависи от тяхната ориентация: дори когато посоката на една спирала е обърната, тя все още изглежда дясностояща. Самата кръгово поляризирана светлина е хирална: докато вълната се движи в една посока, електрическите полета, които я съставят се въртят по посока на часовниковата стрелка (или обратно за обратната кръгова поляризация), проследявайки дясностоящия (или левия) винтов модел в пространството. В допълнение към обемния индекс на пречупване, който значително намалява фазовата скорост на светлината във всеки диелектричен (прозрачен) материал в сравнение със скоростта на светлината (във вакум), има допълнително взаимодействие между хиралността на вълната и хиралността на молекулите. Когато техните хиралности са еднакви, ще има малък допълнителен ефект върху скоростта на вълната, но обратната кръгова поляризация ще изпита противоположен малък ефект, тъй като нейната хиралност е противоположна на тази на молекулите.

За разлика от линейното двойно пречупване, обаче, естественото оптично въртене не може да бъде обяснено с термините на локален тензор на проницаемостта на материала, тъй като съображенията за симетрия забраняват това. По-скоро кръговото двойно пречупване се появава само когато се има предвид нелокалоността на материалната реакция, явление, известно като пространствена дисперсия. Нелокалност: електрическите полета в едно място на материала задвижват токове в друго място на материала. Светлината се движи с ограничена скорост и въпреки, че е много по-бърза от електроните, има разлика дали отговорът на заряда естествено иска да се движи заедно с фронта на електромагнитната вълна или срещу него. Пространствената дисперсия означава, че светлината, пътуваща в различни посоки (различни вълнови вектори) вижда малко по-различен тензор на проницаемостта. Естественото оптично въртене изисква специален материал, но също така разчита на факта, че вълновият вектор на светлината е различен от нула, а ненулевият вълнов вектор заобикаля ограниченията на симетрията на локалния отговор. Въпреки това, все още има обратна симетрия, поради което посоката на естественото оптично въртене трябва да бъде "обратна", когато посоката на светлината е обърната, за разлика от магнитното въртене на Фарадей. Всички оптични явления имат някакво влияние на нелокалност/вълнов вектор, но то обикновено е незначително; естественото оптично въртене, доста рядко срещано, но абсолютно го изисква.

Фазовата скорост на светлината в среда обикновено се изразява с помощта ма индекса на пречупване n, дефиниран като скоростта на светлината( в свободно пространство), разделена на нейната скорост в средата. Разликата в индексите на пречупване между двете кръгови поляризации (Δn) определя количествено силата на кръговото двойно пречупване (въртене на поляризацията), Докато Δn е рядко срещан в естествените материали, за хирални метаматериали са докладвани примери за гигантско кръгово двойно пречупване, което води до отрицателен идекс на пречупване за една кръгова поляризация. На кратко, индексът на пречупване зависи от вълната, а диференциалният показател на пречупване също ще зависи от дължината на вълната. Полученото изменение на въртенето с дължината на вълната на светлината се нарича оптична ротационна дисперсия (ORD). ORD спектрите и спектрите на кръговия дихроизъм са свързани чрез връзките на Крамерс-Крониг. Пълното познаване на единия спектър позволява изчисляването на другия.

Така се разбира, че степента на въртене зависи от цвета на светлината( жълтата натриева D линия близо до 589nm дължина на вълната обикновено се използва за измервания) и е право пропорционална на дължината на пътя през веществото и количеството на кръговото двойно пречупване на материала , което за разтвор може да бъде изчислено от специфичното въртене на веществото и неговата концентрация в разтвора.

Въпреки че оптичната активност обикновено се смята за свойство на течности, особено на водни разтвори, тя се наблюдава и в кристали като кварц (SiO2). Въпреки че кварцът има значително линейно двойно пречупване, този ефект се отменя, когато разпространението е по оптичната ос. В този случай се наблюдава въртене на равнината на поляризация поради относителното въртене между кристалните равнини, което прави кристала формално хирален, както го дефинирахме по-рано. Въртенето на кристалните равнини може да бъде дясно или ляво, като отново произвежда противоположни оптични активности. От друга страна, аморфните форми на силициев диоксид като разтопен кварц и рацемична смес от хирални молекули, нямат нетна оптична активност, тъй като едната или другата кристална структура не доминира вътрешната молекулярна структура на веществото.

Приложения на оптичната активност

За чистото вещество в отговор, ако цвета и дължината на пътя са фиксирани и специфичното завъртане е познато, наблюдаваното завъртане може да бъде използвано за пресмятането на концентрацият. Тази употреба прави поляриметъра инструмент от голямо значение за тези, които търгуват или използват захарния сироп в големи количества.

Оптичното завъртане се използва за определяне на процент на веществото по оптичната активност на техни разтвори.

Нивото на захар в урината на диабетиците се определя чрез пресмятането на ъгъла на завъртане на полето на поляризация.

Оптичната активност като функция от времеви интервал се използва за определянето на кинетичните реакции.

References

This article "Оптична активност на веществата" is from Wikipedia. The list of its authors can be seen in its historical and/or the page Edithistory:Оптична активност на веществата. Articles copied from Draft Namespace on Wikipedia could be seen on the Draft Namespace of Wikipedia and not main one.

📰 Article(s) of the same category(ies)

• Dynamic Spectral Imaging
• Paul A. Singh
• Photography
• Field evolving cavity
• Nonlinear optics Quantum computer

---