СОДЕРЖАНИЕ

1 ВВЕДЕНИЕ; 3

2 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ; 4

2.1 Оптическая активность; 4

2.2 Эффект Фарадея. Основные свойства эффекта; 11

2.3 Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея; 13

2.4 Объяснение эффекта циркулярным магнитным

двупреломлением; 15

2.5 Вычисление разности показателей преломления; 16

3 ПОЛЯРИМЕТРИЯ; 17

3.1 Основные положения метода; 17

3.2 Поляризатор. Поляризацио́нный фильтр; 22

3.3 Особые шкалы поляриметров; 24

4 ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ САХАРА В РАСТВОРАХ, САХАРИМЕТР; 25

5 ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ; 26

5.1 Зависимость температуры оптической активности физиологических растворов сахаров; 26

5.2 Мешающие факторы при поляриметрических измерениях; 28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ; 30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. 31

1 Введение

Объяснение многих явления, возникающих при взаимодействии света и вещества, например, явление дисперсии, рассеяния и другое, достигается благодаря открытию волновой, электромагнитной природы света. Очень интересно явление вращение плоскости поляризации света при его прохождении через среду. Свойство вещества поворачивать плоскость поляризации света называется естественной оптической активностью. Этим свойством, как оказалось, обладают некоторые жидкости, растворы многих веществ, а также некоторые кристаллы. Такие вещества получили название естественно активных веществ.

Широкие классы веществ, в особенности органические, обнаруживают оптическую активность. Характер дисперсии оптической активности весьма чувствителен к различным факторам, определяющим внутри- и межмолекулярные взаимодействия. Поэтому методы, основанные на измерении оптическая активности, широко используются в физических, химических, биологических и др. научных исследованиях и в промышленности.

2 Общие понятия об оптической активности

2.1 Оптическая активность.

Оптическая активность, способность вещества: твердого, жидкого или газа ─ вращать плоскость поляризации проходящего через него света. Такие вещества называются оптически активными. Поворот происходит либо вправо (по часовой стрелке), либо влево (против часовой стрелки), если смотреть навстречу ходу лучей света. оптическая активность обладают энантиомеры, а также энантиоморфные формы кристаллов ахиральных веществ при хиральном расположении их молекул в кристаллической решетке (напр., кварц. мочевина). От этой естественной оптическая активность хиральных сред отличают наведенную оптически активных ахиральных веществ, которая появляется в них в магн. поле (Фарадея эффект) или при контакте с хиральными молекулами (эффект Пфейфера). Впервые оптическая активность обнаружена в 1811 Д. Ф. Араго в кварце. В 1815 Ж. Б. Био открыл оптическую активность чистых жидкостей (скипидара), а затем растворов и паров многих, главным образом органических, веществ. Он же установил что:

а) угол j поворота плоскости поляризации линейно зависит от толщины l слоя активного вещества (или его раствора) и концентрации с этого вещества:

j = [a] lc, (1)

где коэффициент [a] называется удельной оптическая активность.

б) оптически-активные вещества, проявляющие естественную оптическая активность разделяют на правовращающие [положительно вращающие, (d), j > 0] и левовращающие [отрицательно вращающие, (l), j < 0]. Это условное деление применимо в широких интервалах длин волн излучения. Оно теряет смысл лишь вблизи полос собственного (резонансного) поглощения среды; в 1896 французский учёный Э. Коттон обнаружил, что в одном и том же веществе j имеет различные знаки по разные стороны от полос резонансного поглощения.

Ферромагнетики, обладают магнитной оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая активность проявляется в двух эффектах - Фарадея и Керра. Эффект Фарадея ─это вращение плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через магнитооптическую среду. Напряженности магнитного поля пропорциональна углу поворота при направлении магнитного поля вдоль луча. Нечто похожее наблюдается и при отражении линейно поляризованного луча света от поверхности ферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот эффект именуют эффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.

Для некоторых веществ, оптически активных лишь в кристаллическом состоянии (кварц, киноварь и пр.) удельная оптическая активность обозначается просто a и формула Био записывается в виде

j = al (2)

Ещё существует искусственная , или наведённая, оптическая активность, проявляющуюся лишь при помещении оптически неактивного вещества в магнитное поле. В эффекте Фарадея знак вращения зависит как от магнитных свойств среды, так и от того, вдоль поля или против него распространяется излучение. Это связано с особым характером магнитного поля (определяющие его величины являются псевдовекторами, или осевыми векторами). Если линейно-поляризованный свет, прошедший через слой вещества с естественной оптическая активность, отражается и проходит через тот же слой в обратном направлении, восстанавливается исходная поляризация, тогда как в среде с наведённой оптическая активность в аналогичном опыте угол поворота удвоится.

В 1823 О. Ж. Френель предложил макроскопическую теорию оптической активности, объяснивший оптическую активность различием преломления показателей среды n+ и n– для право- и левополяризованных по кругу световых волн. Полученное Френелем выражение имеет вид

j = p·l /l(n+ – n–), (3)

где l — длина волны излучения в вакууме; т. о., j может быть значительным даже при очень малом различии n+ и n–, если l, как это обычно, бывает много больше l. Этим объясняется чрезвычайно высокая чувствительность методов, основанных на измерении Оптическая активность (например, при определении различий в показателе преломления в 10 000 раз точнее самых точных измерений с помощью интерферометров).

Большой вклад в изучение оптической активности внёс учёный Луи Пастер.

Рисунок.1 Луи Пастер(портрет)

Пастер показал, что оптическая деятельность правой и левой винной кислот стоит в связи с различием в их кристаллической форме; вместе с тем ему удалось разложить виноградную кислоту на правую и левую (см.) винные кислоты и таким образом правильно объяснить ее природу и ее оптические свойства. Оптическую активность правой и левой винных кислот Пастер свел на дисимметрию их молекул.

В 1915 году учёный-физик М. Борн смог на базе своего подхода дать полное описание явления оптической активности кристаллов, связав этот эффект со структурами, обладающими определённой степенью симметрии. С этой работой связано изучение оптической активности жидкостей и газов, проведённое Борном в том же году. Ему удалось впервые показать, что молекулы вещества, обладающего оптической активностью, должны содержать как минимум четыре атома. А шведский физик К. В. Озеен показал, что наряду с асимметрией молекул следует учитывать несинфазность микротоков, наведённых полем световой волны в разных частях молекул (при всей малости a/l).

Квантовую теорию оптической активности паров построил в 1928 бельгийский учёный Л. Розенфельд. И в этой, более строгой с позиций современной науки теории рассматриваются процессы, связанные с конечным размером молекул (происходящие на расстояниях ~а). Для объяснения оптической активности оказалось необходимым учитывать как электрический, так и магнитный дипольные моменты, наводимые в молекуле полем проходящей волны. Теория оптической активности молекулярных сред, активных лишь в кристаллической фазе, тесно связана с теорией экситонов, т.к. оптическая активность этих кристаллов определяется характером волн поляризации в них. Современные теории оптическая активности качественно правильно описывают это явление, однако количественная теория дисперсии оптической активности сталкивается со значительными трудностями в связи со сложностью изучаемых объектов.

Оптически активные вещества — среды, обладающие естественной оптической активностью. Оптически активные вещества подразделяются на 2 типа. Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота), ко 2-му — активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь). У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа — специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке).Есть ещё и другое определение оптически активных веществ: Оптически активными называются вещества, после прохождения через которые плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на некоторый угол (φ).

Рисунок 2 – Изменение плоскости поляризации при прохождении поляризованного света через оптически активные вещества.

Формула для нахождения угла поворота плоскости поляризации:

φ = α·d (град) (4)

где α - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной вращения. Постоянная вращения зависит от природы вещества, температуры и длины волны света. Зависимость постоянной вращения от длины волны называется вращательной дисперсией.

φ=[α]·С·d (град) (5)

где [α] - удельная постоянная вращения вещества, (град-см²/г). Соотношение (3) выражает закон Био.

Кристаллы оптически активных веществ всегда существуют в двух формах — правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально-симметрична решётке левого и не может быть пространственно совмещена с нею (т. н. энантиоморфные формы). Оптической активности правой и левой форм оптически активных веществ 2-го типа имеют разные знаки (и равны по абсолютной величине при одинаковых внешних условиях), поэтому их называется оптическими антиподами (иногда так называют и кристаллы оптически активных веществ 1-го типа).

Молекулы правого и левого оптически активных веществ 1-го типа являются оптическими изомерами (см. Изомерия, Стереохимия), то есть по своему строению представляют собой зеркальные отражения друг друга. Их можно отличить одну от другой, в то время как частицы оптических антиподов (оптически активные вещества 2-го типа) просто неразличимы (идентичны). Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы в отсутствие какого-либо асимметричного агента, реагирующего на зеркальную асимметрию молекул. Продукт химической реакции без участия такого агента — всегда смесь оптических изомеров в равных количествах, т. н. рацемат. Физические свойства рацемата и чистых оптических изомеров зачастую различны. Например, температура плавления рацемата несколько ниже, чем чистого изомера. Рацемат разделяют на чистые изомеры либо отбором энантиоморфных кристаллов, либо в химической реакции с участием асимметричного агента — чистого изомера или асимметричного катализатора, либо микробиологически.

Последнее свидетельствует о наличии асимметричных агентов в биологических процессах. И связано со специфическим и пока не нашедшим удовлетворительного объяснения свойством живой природы строить белки из левых оптических изомеров аминокислот — 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны. (Применительно к оптически активным веществам 1-го типа термины «левый» и «правый» — L и D — условны в том смысле, что не соответствуют непосредственно направлению вращения плоскости поляризации в них, в отличие от этих же терминов — l и d — для Оптически активных веществ 2-го типа или терминов «левовращающий» и «правовращающий».)

Физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Например, белки, синтезированные искусственным путём из D-аминокислот, не усваиваются организмом; бактерии сбраживают лишь один из изомеров, не затрагивая другой; L-никотин в несколько раз ядовитее D-никотина. Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.