Оптическая активность - взаимодействие вещества со светом
Собственно, попытка разобраться в том, почему энантиомеры (зеркальные изомеры молекул) поляризуют свет по-разному.
Сначала цитаты:
"...непосредственной причиной поворота плоскости поляризации является набег разности фаз между циркулярно поляризованными составляющими линейно-поляризованной волны при её распространении в циркулярно-анизотропной среде. Для электромагнитных колебаний такая среда называется оптически активной (или гиротропной), для упругих поперечных волн - акустически активной. Известен также поворот плоскости поляризации при отражении от анизотропной среды (см., например, магнитооптический эффект Керра).
Циркулярная анизотропия среды (и, соответственно, поворот плоскости поляризации распространяющейся в ней волны) может зависеть от наложенных на среду внешних полей (электрического, магнитного) и от механических напряжений (см. Фотоупругость). Кроме того, степень анизотропии и набег фаз, вообще говоря, могут зависеть от длины волны (дисперсия). Угол поворота плоскости поляризации линейно зависит при прочих равных условиях от длины пробега волны в активной среде. Оптически активная среда, состоящая из смеси активных и неактивных молекул, поворачивает плоскость поляризации пропорционально концентрации оптически активного вещества, на чём основан поляриметрический метод измерения концентрации таких веществ в растворах; коэффициент пропорциональности, связывающий поворот плоскости поляризации с длиной луча и концентрацией вещества, называется удельным вращением данного вещества..."
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%80%D0%B0%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8
Как отмечалось выше, свет - это поперечная электромагнитная волна: векторы напряженности E электрического поля и индукции B магнитного поля волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны. Поперечность световых волн нарушает их осевую симметрию относительно направления распространения, т.е. световая волна имеет поперечную анизотропию. Физической характеристикой поперечной анизотропии является их поляризация. Плоскость, в которой происходят колебания вектора E , называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой происходят колебания вектора B - плоскостью поляризации.
http://www.physbook.ru/index.php/A._%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B0
Мне так нравятся выражения типа "набег разности фаз" или "циркулярная анизотропия"! После них даже вопросы неудобно задавать! Полагается взять учебники потолще и вернуться с новыми вопросами не ранее, чем будет прочитано десять книжек.
Но, если по-простому, то "циркулярно-анизотропная" среда означает, что в данной среде частицы, вращающиеся в разные стороны, будут двигаться по-разному. А значит, можно сделать "глубокий" и неочевидный для простых людей (не физиков) вывод, что свет-то, оказывается, вращается в разных направлениях.
Почему поперечная волна должна обязательно распространяться несимметрично относительно направления распространения, тоже неочевидно.
http://900igr.net/kartinki/fizika/Svojstva-voln/009-Volny-byvajut-poperechnymi.html
Тем не менее, в Вики, ничтоже сумняшеся, пишут:
То есть, у них из асимметрии непосредственно вытекает поперечность! Выходит, все поперечные волны должны быть асимметричными? Может, неудачно выразились, конечно...
Оптически активные вещества не являются симметричными, то есть при повороте их нельзя совместить. Оптические неактивные при поворотах возможно совместить - они являются симметричными. На оптически активных плоскость поляризации света поворачивается, а на неактивных - не поворачивается. То есть часть света, вращающаяся в одном направлении, при столкновении с оптически активной молекулой, приобретает один вектор движения, а часть света, вращающаяся в другом направлении, - иной вектор.
Разворачивается именно плоскость поляризации, без рассеяния по разным направлениям. Выходит, противоположно вращающиеся "частицы"(?) света на оптически активных молекулах сохраняют параллельно-противонаправленную ориентацию относительно друг друга 180 градусов, а на симметричных (оптически неактивных) такая ориентация не сохраняется.
Но при наложении на оптически неактивную среду магнитного поля плоскость поляризации света опять-таки начинает разворачиваться (эффект Фарадея), значит, тоже обеспечивается строго противоположная ориентация каким-то образом.
Идем дальше. Закон Малюса:
Из закона следует, что свет после первого поляризатора как-то может проходить через следующий поляризатор, расположенный под углом к первому, и его интенсивность (квадрат вектора электрической напряженности) при этом изменяется пропорционально квадрату косинуса. Избавляемся от квадратов, и видим, что итоговая амплитуда Е пропорциональна косинусу угла. А там, где косинус, там обязательно что-то двигается по кругу.
Мало того, у нас там еще и Е падающего света снижается первым поляризатором пропорционально единице деленной на корень из двух. А это значит, что где-то рядом равнобедренный прямоугольный треугольник. Катеты такого треугольника - наверняка В и Е, они же перпендикулярны друг другу. Но откуда берется угол 45 градусов?
Так что происходит при прохождении света через поляризатор?
Сначала цитаты:
"...непосредственной причиной поворота плоскости поляризации является набег разности фаз между циркулярно поляризованными составляющими линейно-поляризованной волны при её распространении в циркулярно-анизотропной среде. Для электромагнитных колебаний такая среда называется оптически активной (или гиротропной), для упругих поперечных волн - акустически активной. Известен также поворот плоскости поляризации при отражении от анизотропной среды (см., например, магнитооптический эффект Керра).
Циркулярная анизотропия среды (и, соответственно, поворот плоскости поляризации распространяющейся в ней волны) может зависеть от наложенных на среду внешних полей (электрического, магнитного) и от механических напряжений (см. Фотоупругость). Кроме того, степень анизотропии и набег фаз, вообще говоря, могут зависеть от длины волны (дисперсия). Угол поворота плоскости поляризации линейно зависит при прочих равных условиях от длины пробега волны в активной среде. Оптически активная среда, состоящая из смеси активных и неактивных молекул, поворачивает плоскость поляризации пропорционально концентрации оптически активного вещества, на чём основан поляриметрический метод измерения концентрации таких веществ в растворах; коэффициент пропорциональности, связывающий поворот плоскости поляризации с длиной луча и концентрацией вещества, называется удельным вращением данного вещества..."
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%80%D0%B0%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8
Как отмечалось выше, свет - это поперечная электромагнитная волна: векторы напряженности E электрического поля и индукции B магнитного поля волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны. Поперечность световых волн нарушает их осевую симметрию относительно направления распространения, т.е. световая волна имеет поперечную анизотропию. Физической характеристикой поперечной анизотропии является их поляризация. Плоскость, в которой происходят колебания вектора E , называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой происходят колебания вектора B - плоскостью поляризации.
http://www.physbook.ru/index.php/A._%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B0
Мне так нравятся выражения типа "набег разности фаз" или "циркулярная анизотропия"! После них даже вопросы неудобно задавать! Полагается взять учебники потолще и вернуться с новыми вопросами не ранее, чем будет прочитано десять книжек.
Но, если по-простому, то "циркулярно-анизотропная" среда означает, что в данной среде частицы, вращающиеся в разные стороны, будут двигаться по-разному. А значит, можно сделать "глубокий" и неочевидный для простых людей (не физиков) вывод, что свет-то, оказывается, вращается в разных направлениях.
Почему поперечная волна должна обязательно распространяться несимметрично относительно направления распространения, тоже неочевидно.
http://900igr.net/kartinki/fizika/Svojstva-voln/009-Volny-byvajut-poperechnymi.html
Тем не менее, в Вики, ничтоже сумняшеся, пишут:
То есть, у них из асимметрии непосредственно вытекает поперечность! Выходит, все поперечные волны должны быть асимметричными? Может, неудачно выразились, конечно...
Оптически активные вещества не являются симметричными, то есть при повороте их нельзя совместить. Оптические неактивные при поворотах возможно совместить - они являются симметричными. На оптически активных плоскость поляризации света поворачивается, а на неактивных - не поворачивается. То есть часть света, вращающаяся в одном направлении, при столкновении с оптически активной молекулой, приобретает один вектор движения, а часть света, вращающаяся в другом направлении, - иной вектор.
Разворачивается именно плоскость поляризации, без рассеяния по разным направлениям. Выходит, противоположно вращающиеся "частицы"(?) света на оптически активных молекулах сохраняют параллельно-противонаправленную ориентацию относительно друг друга 180 градусов, а на симметричных (оптически неактивных) такая ориентация не сохраняется.
Но при наложении на оптически неактивную среду магнитного поля плоскость поляризации света опять-таки начинает разворачиваться (эффект Фарадея), значит, тоже обеспечивается строго противоположная ориентация каким-то образом.
Идем дальше. Закон Малюса:
Из закона следует, что свет после первого поляризатора как-то может проходить через следующий поляризатор, расположенный под углом к первому, и его интенсивность (квадрат вектора электрической напряженности) при этом изменяется пропорционально квадрату косинуса. Избавляемся от квадратов, и видим, что итоговая амплитуда Е пропорциональна косинусу угла. А там, где косинус, там обязательно что-то двигается по кругу.
Мало того, у нас там еще и Е падающего света снижается первым поляризатором пропорционально единице деленной на корень из двух. А это значит, что где-то рядом равнобедренный прямоугольный треугольник. Катеты такого треугольника - наверняка В и Е, они же перпендикулярны друг другу. Но откуда берется угол 45 градусов?
Так что происходит при прохождении света через поляризатор?