ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света). Впервые обнаружена в 1811 Д. Ф. Араго в кварце. В 1815 Ж. Б. Био открыл О. а. чистых жидкостей (скипидара), а затем растворов и паров многих, гл. обр. органических, веществ. Он же установил (см. Био закон), что: 1) угол ф поворота плоскости поляризации линейно зависит от толщины l слоя активного вещества (или его раствора) и концентрации с этого вещества -ф=[а]lс (коэфф. [а] наз. удельной О. а.); 2) поворот в данной среде происходит либо по часовой стрелке (ф > 0), либо против неё (ф < 0), если смотреть навстречу ходу лучей света. Соответственно оптически-активные вещества, проявляющие естественную О. а. (О. а., не вызываемую наличием внешних полей), разделяют на правовращающие [положительно вращающие, (d), ф > 0] и левовращающие [отрицательно вращающие, (l), ф < 0]. Это условное деление применимо в широких интервалах длин волн излучения. Оно теряет смысл лишь вблизи полос собственного (резонансного) поглощения среды; в 1896 франц. учёный Э. Коттон обнаружил, что в одном и том же веществе ф имеет различные знаки по разные стороны от полос резонансного поглощения (см. Поглощение света).

Нек-рые вещества оптически активны лишь в кристаллич. состоянии (кварц, киноварь и пр.), так что их О. а. есть свойство кристалла в целом; для них удельная О. а. обозначается просто а и формула Био записывается в виде ф = аl. Другие вещества активны в любом агрегатном состоянии; это означает, что их О. а. определяется свойствами отд. молекул. Удельная О. а. зависит не только от рода вещества, но и от агрегатного состояния, темп-ры, давления, типа растворителя и т. д. Типичные значения [а] в град/дм*г/см³: 66,473 + 0,0127 с (раствор сахарозы в воде); 14,83-0,146 с (виннока-менная кислота в воде); -3,068 + 0,08959 с и-5,7 (яблочная кислота в воде и ацетоне соответственно); -37 (скипидар в воде); 40,9 + 0,135 с (камфора в этиловом спирте). Здесь с - концентрация растворённого вещества в г на 100 см³ раствора. Первые две величины верны в интервалах концентраций 0-50, [а] для камфоры - в интервале 10-50, остальные - при любой концентрации (если вообще зависят от неё). Эти значения приведены для стандартных условий: длины волны света 589,3 нм (D-линия натрия) и темп-ры 20 °С.

От естеств. О. а. отличают искусственную, или наведённую, О. а., проявляющуюся лишь при помещении оптически неактивного вещества в магнитное поле (Фарадея эффект; см. также Верде постоянная). Знак вращения в эффекте Фарадея зависит как от магнитных свойств среды (парамагнитна она, диамагнитна или ферромагнитна), 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 естеств. О. а., отражается и проходит через тот же слой в обратном направлении, восстанавливается исходная поляризация, тогда как в среде с наведённой О. а. в аналогичном опыте угол поворота удвоится.

Феноменологич. (макроскопич.) теорию О. а. предложил в 1823 О. Ж. Френель, объяснивший О. а. различием преломления показателей среды п₊ и п_-для право- и левополяризованных по кругу световых волн. (Волну линейно-поляризованного спета всегда можно представить как совокупность двух право-и левополяризованных по кругу волн равной интенсивности; см. Поляризация света.) Полученное Френелем выражение имеет вид ф=Пи*l/Л*(n₊-п_-), где Л- длина волны излучения в вакууме; т. о., ф может быть значительным даже при очень малом различии n₊ и п_-, если l, как это обычно, бывает много больше Л. Этим объясняется чрезвычайно высокая чувствительность методов, основанных на измерении О. а. (напр., при определении различий в показателе преломления в 10 000 раз точнее самых точных измерений с помощью интерферометров).

Развитие теории О. а. тесно связано с изучением её дисперсии - зависимости а (или [а]) от Л. Ещё Био установил, что в исследованных им случаях а тем меньше, чем больше Л(ф ~ Л^-2). Такая дисперсия характерна для т. н. нормальной О. а.- вдали от длин волн Хо, на к-рых в оптически-активном веществе происходит резонансное поглощение. Эме Коттон, изучавший О. а. для излучений с X, близкими к Хо, обнаружил а н о м а л ь ну ю О. а.- увеличение ее с ростом Л, а также различие поглощения показателей при этих длинах волн для право- и левополяризованных по кругу лучей - т. н. круговой дихроизм, или эффект Коттон а. Вследствие кругового дихроизма вблизи полос собственного поглощения не только поворачивается плоскость поляризации света, исходно поляризованного линейно, но и одновременно этот свет превращается в эллиптически-поляризованный.

Исследования О. а. показали, что для объяснения О. а. существен учёт изменения поля световой волны на расстояниях порядка размеров а молекулы (иона) вещества. (При описании мн. др. оптич. явлений таким изменением можно пренебречь, т. к. а/Л ~ 10^-3, но как раз этот параметр определяет различие между п₊ и п_-.) Одним из решающих этапов выяснения природы О. а. явилось открытие Л. Постером в 1848 оптических антиподов - веществ, неразличимых по всем физ. (и многим хим.) свойствам, кроме направления вращения плоскости поляризации (отличаясь знаками, удельные О. а. двух антиподов равны по абс. величине). Оказалось, что оптич. антиподы (кристаллич. решётки в кристаллах, отд. молекулы в аморфных, жидких и газообразных оптически-активных веществах - такие молекулы наз. оптическими изомерами) являются зеркальными отражениями друг друга, так что никакими перемещениями и поворотами в пространстве не могут быть совмещены один с другим при полном тождестве образующих их элементов. Для молекул каждого из оптических изомеров характерна пространств, асимметрия - они не имеют плоскости зеркальной симметрии и центра инверсии (см. Изомерия, Стереохимия, Энантиоморфизм).

Теория О. а. молекулярных паров iB рамках классич. электронной теории (см. Лоренца - Максвелла уравнения) была разработана в 1915 М. Борном и независимо швед, физиком К. В. Озееном, к-рые показали, что наряду с асимметрией молекул следует учитывать несин-фазность микротоков, наведённых полем световой волны в разных частях молекул (при всей малости a/Л). Квантовую теорию О. а. паров построил в 1928 белы, учёный Л. Розенфельд. И в этой, более строгой с позиций совр. науки теории рассматриваются процессы, связанные с конечным размером молекул (происходящие на расстояниях ~ а). Для объяснения О. а. оказалось необходимым учитывать как электрический, так и магнитный дипольные моменты, наводимые в молекуле полем проходящей волны. Теория О. а. молекулярных сред, активных лишь в кристаллич. фазе, тесно связана с теорией экситонов, т. к. О. а. этих кристаллов определяется характером волн поляризации в них. О теории наведённой О. а. см. Магнитооптика, Фарадея эффект.

Совр. теории О. а. качественно правильно описывают это явление, однако количеств, теория дисперсии О. а. сталкивается со значит, трудностями в связи со сложностью изучаемых объектов.

О. а. обнаруживают широкие классы веществ, в особенности органических. Характер дисперсии О. а. весьма чувствителен к различным факторам, определяющим внутри- и межмолекулярные взаимодействия. Поэтому методы, основанные на измерении О. а., широко используются в физ., хим., биол. и др. науч. исследованиях и в промышленности (см. Поляриметрия, Сахариметрия).

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М.- Л., 1951; М a t h i е u J. P. Activite optique nature!le, в кн.: Encyclopedia of Physics (Handbuch des Physik), v. 28, B. - [a. o.], 1957. С. Г. Пржибельский.