旋光性

又称光活性。线偏振光透过媒质时,偏振面的转动;或者椭圆偏振光透过媒质时,椭圆偏振长轴的转动。1811年D.F.J.阿喇戈发现,当线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时,光的振动面发生旋转。以后J.-B.毕奥和其他人发现,许多有机液体以及有机物溶液也都具有旋光现象。有两类旋光物质,当面对光的传播方向观察时,振动面顺时针转动的为右旋物质,逆时针转动的为左旋物质。一般地说,同一种旋光物质具有两种互为镜像的结构形态(对映体或同分异构体),一种为左旋,一种为右旋。这种由物质结构决定的旋光性称为天然旋光性。

在天然旋光物质中,光的振动面转动的角度ψ与光经过的物质层厚度d成正比

(1)

在溶液情形,ψ还与溶液浓度с成正比

(2)

α与[α]是比例系数,与旋光物质的性质、温度以及光的频率有关,分别为物质的与物质溶液的旋光率。在不同溶剂的溶液中,同一物质的[α]也略有不同,式(2)称为毕奥定律。

旋光率与光的频率(波长)有关,这称为旋光色散。一般说来,它随频率的增大而增大,但在物质吸收带区域内,它随频率的增大而减小。

旋光性的唯象理论是A.-J.菲涅耳于 1825年提出的。在旋光物质中右旋圆偏振光和左旋圆偏振光有不同的相速度vdv1,相应的折射率ndn1,右旋物质vdv1(ndn1),左旋物质vdv1(ndn1)。入射的线偏振光可分解为一个右旋的和一个左旋的圆偏振光;这两个圆偏振光传播一段距离d后,其合成的线偏振光的振动面相对于入射时就转过一个角度

(3)

λ表示真空中波长,ψ>0为右旋(υd>υ1),ψ<0时为左旋(υd<υ1)。折射率n1nd与光的频率有关。

从物质的分子结构上看,旋光性来源于分子本身或分子在晶体中排列的不对称性。如果分子本身的结构既无对称中心又无对称平面,则分子以互为镜像的两种形态存在,分别对应右旋和左旋两种情形。有机分子的不对称性大多与其碳原子键有关。碳原子与四个原子或原子团结合,构成一个四面锥,原子或原子团位于四面锥的顶点,碳原子位于中心。如果四个顶点有不同的原子或原子团,分子就没有对称性。许多有机旋光物质(如糖)的分子含有多个非对称性的碳原子,形成好几种光学同分异构体。也有些旋光物质含有其他非对称性原子(硅、磷、硼等)。

要说明分子的旋光性质,还需要考虑光波场在分子不同部位的位相差,以及光波场引起的分子的电矩与磁矩。

晶体的旋光性既可来源于分子排列的不对称性(无对称中心),也可来源于分子本身的不对称性。对于前者,晶体熔化或溶解后旋光性即行消失。

旋光及旋光色散现象对分子结构、分子内部和分子间相互作用反映特别灵敏。由式(3)可看出,如果ψ值可测到0.01°,当λ=500nm,d=0.25m时,n1-nd的检测精度可达10-10

旋光测量用于化学、生物学等的科学研究和工业中(量糖学)。主要用于化学结构分析和糖含量的测定。

法拉第效应

亦称磁致旋光。在处于磁场中的均匀各向同性媒质内,光束沿磁场方向传播时发生的振动面旋转的现象(见法拉第效应)。

参考书目
  1. 兰斯别尔格著,杨葭荪,张之翔译:《光学》,高等教育出版社,北京,1957。
  2. M.Born,Optik, J.Springer, Berlin, 1933.
  3. F. A. Jenkins and H. E. White,Fundamentals of Optics,4th ed., McGraw-Hill, Kogakusha, 1976.