Постановка экспериментальной задачи

При прохождении линейно поляризованного света через некоторые вещества обнаруживается, что плоскость, в которой колеблется вектор , поворачивается. Это свойство называется ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ, а вещества, им обладающие, называются оптически активными. Естественную оптическую активность имеют некоторые кристаллы (например, кварц), некоторые жидкости и пары, а также растворы некоторых веществ в неактивных растворителях (например, раствор сахара в воде).

Если вещество вращает плоскость поляризации по часовой стрелке, то его называют правовращающим, если против – то левовращающим. Интерпретация явления вращения плоскости поляризации впервые была предложена О. Ж. Френелем. Согласно этой теории линейно поляризованный луч распространяется в оптически активном веществе в виде двух лучей, имеющих разные скорости и поляризованные по левому и правому кругу (V _L ¹ V _R). Если V _L > V _R, то вещество является правовращающим, если V _L < V _R, то - левовращающим.

Вектор линейно поляризованного света можно разложить на векторы правого и левого циркулярно поляризованного света (рис.1.). Очевидно, что время, необходимое каждой волне для прохождения расстояния l в оптически активной среде, окажется различным. Следовательно, векторы _L и _R повернутся на различные углы j_L и j_R. (Условно выбрано j _R > j_L) Из рис.1 видно, что направление колебаний вектора = _L + _R в результирующей линейно поляризованной волне на выходе повернется по отношению к направлению колебаний в исходной волне на угол

Dj = (j _R -j_L)/2 (1)

В случае твердых тел величина угла поворота плоскости поляризации для света, характеризующегося длиной волны l, выражается формулой

b = [b ]_l l, (2)

а для растворов

a =[a ]_l C l (3)

где [b]_l и [a]_l - удельные вращения, зависящие от природы вещества, температуры и длины волны l, l - толщина слоя, проходимого светом, С - концентрация растворенного вещества.

Соотношение (3) установлено в 1815 году Ж.Био и называется ЗАКОНОМ БИО.

Вращение плоскости поляризации обусловлено либо особенностями внутренней структуры вещества, либо взаимодействием вещества с внешним магнитным полем (эффект Фарадея).

Существуют вещества, которые проявляют оптическую активность в любых агрегатных состояниях (сахара, камфора, винная кислота). Некоторые вещества оптически активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь).

Оптическая активность обусловлена асимметричным строением молекул или кристаллов (рис.2.). Такие молекулы или кристаллы могут находиться в двух формах - «правой» и «левой». Названные две формы являются зеркально симметричными объектами, которые невозможно совместить друг с другом. Иллюстрацией служит рис.2, из которого видно, что объемную молекулу АВСД никакими поворотами невозможно совместить с ее зеркальным изображением А'В'С'Д'.

Рис.1. Рис.2.

«Левые» и «правые» молекулы называются оптическими изомерами, а кристаллы - оптическими антиподами.

Вращение плоскости поляризации обнаруживается и в растворах спиральных макромолекул (белков и синтетических полипептидов), поэтому метод вращения плоскости поляризации широко используется для оценки спиральности нативных и денатурированных белков.

Известно, что 19 из 20 наиболее жизненно важных аминокислот оптически активны. При этом белки живых организмов являются левыми оптическими изомерами аминокислот. Синтезированные искусственно белки из правых аминокислот не усваиваются организмом. Последнее обстоятельство пока не нашло удовлетворительного объяснения, но, по-видимому, этот факт имеет фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.