Чернова:Оптична активност на веществата

Оптична активност се нарича свойството на някои вещества във вид на разтвор да предизвикват въртене на равнината на поляризация на линейно поляризирана светлина, преминаваща през разтвора.

ИсторияРедактиране

За първи път френският физик Франсоа Араго открива оптична активност в кварцови кристали през 1811 г.[1] През 1820 г. английският астроном Джон Хершел открил, че различни индивидуални кварцови кристали, чиито кристални структури са огледални образи на всеки един от тях, се завъртат при линейна поляризация на еднакъв ъгъл, но в различни посоки. Жан-Батист Био също наблюдава завъртането по оста на поляризацията в определени течности и изпарения на органични съединения, например като терпентин. През 1822 година, Огюстен Френел открил, че оптичната активност на веществата 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 използвали прости поляриметри, за да се измерят концентрациите на прости захариди, например глюкоза. Всъщност друго име за D-глюкозата (биологичния изомер) е декстроза, която причинява линейно поляризирана светлина да се завърта дясната (dexter) страна. По подобен начин, фруктозата причинява равнината на поляризация да се завърта наляво. Фруктозата е много по-силна лявовъртяща се, отколкото глюкозата е дясновъртяща. Инвертиран захарен сироп, комерсиално се получава чрез хидролизата на захарозен сироп до микс на прости захари, фруктоза и глюкоза. Той получава името си от това, че преобразуването причинява посоката на въртене да се „обръща“ отдясно на ляво.

През 1849 година, Луи Пастьор, разрешил проблем относно природата на винена киселина . Решението на това съединение било получено от живи неща (по-специфично винени утайки) завърта 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. Луи Пастьор 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 завъртяла светлината обратно на часовниковата стрелка. По равен микс от двата няма поляризиращ ефект на светлината. Луи_Пастьор 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 от единия тип.

През 1874 година, Якоб Вант Хоф и Джоузеф-Ахил Льо Бел 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, Сергей Вавилов, предвидил, че оптичната активност зависи от интензитета на светлината и ефекта на нелинейната оптична активност била наблюдавана през 1979 година върху кристали литиев йодид.

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, Джагдиш Чандра Бос 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

 
Принципна схема на действието на оптически активните вещества.

Класификация на оптически активните веществаРедактиране

Има два вида оптически активни вещества[2][неблагонадежден източник]:

  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 активни вещества, 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 активностРедактиране

 
Поляриметър

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 от науката поляриметрия. Поляриметрията дава измерването на завъртане на равнината 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 лъчепречупване, като се разделя на обикновен и допълнителен лъч, поляризирани в перпендикулярни равнини. Обикновеният лъч ще се елиминира след получаването на пълно 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[поясни].

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 моделРедактиране

Феноменологичният модел на оптичната активност е изучаван в детайли от Жан-Батист Био през 1815 година и именно той предложил законите, отговарящи на оптичната активност на веществата. Те гласяли[3]

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.

 

Където,

θ – ъгълът на оптичното завъртане

I-дължината на пътя.

2. Количеството оптично завъртане е точно пропорционално на концентрацията на оптично активния разтвор.

 

Където, С – концентрацията на обекта на оптическата активност.

3. Ъгълът на оптическото завъртане е обратно пропорционално на квадрата на дължината на вълната на използваната светлина.

 

Където, λ – Дължината на вълната на използваната светлина.

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

 

Където, θ – ъгъла на оптичното завъртане, a I – дължината на пътя

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

 

Където, S – специфично завъртане.

Ъгълът на завъртане зависи още и от температурата и природата на оптически активните вещества.

Теоретични основиРедактиране

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 появява 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 на 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.

Накратко, 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 изчезва, когато разпространението на лъча 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. 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.

ПриложенияРедактиране

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 концентрацията. 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.

ИзточнициРедактиране

  1. Оптична активност. // 2021-04-26. Посетен на 2021-12-02.
  2. Optical Activity. // 2022-01-23. Посетен на 2022-01-23.
  3. Topic – Polarization of Electromagnetic Waves (Part – 3). // 2022-01-23. Посетен на 2022-01-23.