Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Заряка аккумулятора за 2 минуты
Прорыв в технологии изготовления аккумуляторных батарей для портативных устройств
Трудно себе представить современные гаджеты без аккумулятора. Все портативные электронные устройства, такие как телефоны, нетбуки, смартфоны и т.п. имеют компактные аккумуляторные батареи. Но на сегодня они же являются и самым «слабым звеном» гаджета. Кроме непродолжительного срока службы и малой емкости есть и еще один недостаток - время зарядки аккумулятора. Далее...

Технология изготовления аккумуляторных батарей

оптическая активность

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ - свойство нек-рых веществ вращать плоскость поляризации проходящего через них счета; частное, наиб. заметное и распространённое проявление гиротропии. Впервые обнаружена в 1811 Д. Ф. Араго (D. F. Arago) в кварце; в 1815 Ж. Б. Био (J. В. Biot) открыл О. а. жидкостей (скипидара), а затем растворов и паров мн. органич. веществ. Он же установил закон вращения плоскости поляризации (см. Био закон ).Вещества, обладающие естественной О. а., наз. оптически активными веществами; искусственная О. а. возникает в результате внеш. воздействий, напр. внешнего магн. поля (см. Фарадея эффект).
Вращение плоскости поляризации обусловлено тем, что две волны с круговой поляризацией - правой и левой - распространяются с разл. скоростями. Поэтому плоскость поляризации линейно поляризов. волны, представленной как сумма двух указанных волн, на выходе из вещества оказывается повёрнутой на угол15015-134.jpg Вращение плоскости поляризации зависит от структуры вещества, длины пути света в веществе l и не зависит от его интенсивности. За меру О. а. вещества (вращательную способность) принимается угол поворота на единице пути15015-135.jpg Тогда угол поворота плоскости поляризации в веществе15015-136.jpg где п-, п+ - показатели преломления для двух круговых волн,15015-137.jpg - длина волны. Для жидкостей и растворов вводят соответственно уд. вращат. способность15015-138.jpg =15015-139.jpg (15015-140.jpg - плотность) и уд. вращение15015-141.jpg(С - концентрация). В отличие от кристаллов для жидкостей уд. вращение обозначается в скобках. Величина15015-142.jpg связана с тензором гирации gir (см. Гиротропия)и зависит от частоты света, т. е. имеется дисперсия оптич.15015-143.jpg вращения. Для простого случая изотропной среды О. а. вещества может определяться как О. а. составляющих его молекул (молекулярная О. а.), так и структурой самого вещества (структурная О. а.).
Молекулярная О. а. обнаруживается во всех агрегатных состояниях и растворах. У оптически активных молекул отсутствуют центр и плоскости симметрии (хиральные молекулы). Такая молекула может быть смоделирована двумя взаимодействующими осцилляторами, расположенными взаимно перпендикулярно, расстояние между к-рыми а сравнимо с15015-144.jpg(т. е. фазы поля в местах осцилляторов различны), а скорость передачи взаимодействия сравнима со скоростью распространения света в среде. Такая система, очевидно, будет по-разному реагировать на правую и левую круговую поляризацию волн, вследствие чего их скорости станут различными. В квантовой электродинамике оптич. вращение рассматривается как двухфотонный процесс рассеяния света на молекуле с поглощением одного фотона и испусканием другого, причём возникает интерференция двух участвующих в процессе фотонных мод. При этом должны учитываться все возможные в молекуле виды взаимодействия электрич. и магн. дипольных и квадрупольных моментов, наведённых проходящей световой волной.
О. а. вещества определяется суммой вкладов отд. молекул, к-рая зависит от их расположения и ориентации. При беспорядочном расположении молекул (напр., в жидкости или в газе) эффект дают только хираль-ные молекулы; к ним относятся энантиоморфные (зеркальные) группы симметрии Сп, Dn, Т, О (см. Энантиоморфизм, Симметрия кристаллов). В этом случае вращение определяется "силой вращения" R (псевдоскаляром):15015-145.jpg

где р - электрический, a m - магн. дипольные моменты перехода i - k в молекуле, ответственного за О. а. (суммирование производится по всем состояниям молекулы). Из (1) следует, что О. а. имеется только у хиральных молекул, где эти моменты параллельны и оба перехода разрешены.
При упорядоченном расположении хиральных молекул появляется ещё вклад квадрупольных моментов и векторного произведения [рт]; суммарная О. а. может быть больше. В частности, она сильно возрастает в хиральных структурах; в этом случае вклад в О. а. могут давать и молекулы тех групп, где отсутствует лишь центр симметрии (Cs, C2v, D2d, S4). О. а. может также возникать (индуцироваться) и в симметричных молекулах, к-рые находятся в асимметрич. поле хиральных молекул (напр., растворителя или матрицы).
Структурная (кристаллическая) О. а. В кристаллах, где существует дальний порядок, вклад в О. а. помимо хиральных молекул (если таковые имеются) дают коллективные процессы, в основном процессы переноса. Эти процессы могут создавать О. а. в веществе, где отд. частицы не хиральны, при наличии в кристалле необходимых элементов симметрии. В табл. приведены те классы симметрии кристаллов, в к-рых может возникать О. а. молекулярного и структурного происхождения.

Оптическая активность кристаллов
Класс симметрии
Молекулярная
Структурная
432 (О), 23 (Т) 622 (D6),
*
-
422 (D4), 32 (D3) 66), 4 (С4),
*
*
3 (С3)
*
*
42 m(D2d)
-
*
4 (S4)
-
*
222 (D2)
*
*
mm2 (С2v)
-
*
2 (С2)
*
*
m (Cs)
-
*
11)
*
*

Примечание: * - О. а. отлична от нуля, знак минус - О. а. равна нулю.
В кристаллах часто происходит деформация тех или иных элементов структуры (молекул, атомных и ионных группировок) внутр. полем кристалла, благодаря чему они становятся хиральными. Для этого достаточно весьма малых деформаций (смещений) ~(1 - 0,5)10-3 нм. В молекулярных кристаллах могут возникать дополнит. вклады в О. а., связанные с бестоковыми переносами возбуждений - экситонами .В кристаллах, состоящих из хиральных молекул или обладающих хиральной структурой, каждая экситонная зона расщепляется на две - правую и левую, что и создаёт О. а. в области частот экситонных линий поглощения со своеобразным ходом дисперсии вращения, различным для кристаллов из хиральных или симметричных молекул. Сказанное относится и к валентным и ионным кристаллам; в последних особенно существенна деформация ионных группировок сильным внутр. полем. В полупроводниковых кристаллах имеется значит. вклад свободных носителей и межзонных переходов. Экспериментально показано, что О. а. может возникать на вакансиях и на дефектных структурах, а также на примесных центрах.
Дисперсия О. а. была замечена ещё Био, установившим, что15015-146.jpg Такая (т. н. нормальная) дисперсия наблюдается вдали от области поглощения (напр., кварц имеет в видимой области спектра сильную дисперсию вращения, хотя полоса поглощения у него ок. 180 нм). В области полос поглощения наблюдается сложная зависимость15015-147.jpg от15015-148.jpg (т. н. аномальная дисперсия) и О. а. характеризуется "комплексным вращением":
15015-149.jpg

где15015-150.jpg - коэф. поглощения волн с правой и левой круговой поляризацией. Т. к. эти коэффициенты разные, то в области полос поглощения наблюдается круговой дихроизм, а свет, поляризованный линейно, превращается в эллиптически поляризованный.
В мощных световых полях может возникать нелинейная оптическая активность в результате двухфотон-ного поглощения, вклада нелинейной поляризуемости, ориентирующего влияния светового поля, в особенности при его круговой поляризации. Последние процессы особенно заметны для макромолекул. Нелинейная О. а. наблюдалась.
Очень слабая О. а. (~10-8 рад) может возникнуть в атомных и молекулярных системах вследствие несохранения чётности при слабых взаимодействиях. Эти эффекты обнаружены экспериментально на парах тяжёлых металлов.
О. а. широко используется в молекулярной физике и химии для исследования пространственной структуры молекул, полимеров и биополимеров, надмолекулярных структур, кристаллов, внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Разработаны способы исследования оптически неактивных веществ, в к-рых индуцируется О. а.
О. а. измеряется с помощью поляриметров и сахариметров для определённой длины волны; обычно это D-линия Nа15015-151.jpg Дисперсия О. а. измеряется спек-трополяриметрами. О. а. можно оценивать по измерениям кругового дихроизма на дихрографах, т. к. этот метод обладает большим разрешением. Измерения О. а. более информативны, чем др. методы спектроскопии, они позволяют выявлять и исследовать слабые, запрещённые, магн. дипольные и квадрупольные переходы, в обычных спектрах маскируемые более сильными. О. а. необычайно чувствительна к межмолекулярным взаимодействиями изменениям внеш. параметров, сильно зависит от растворителя и темп-ры (может менять не только величину, но и знак), резко меняется при фазовых переходах, поскольку все эти факторы влияют на симметрию молекулы или относительное расположение молекул.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Электродинамика сплошных сфед, 2 изд., М., 1982; Агранович В. М., Гинзбург В. Л., Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов, 2 изд., М., 1979; Кизель В. А., Бурков В. И., Гиротриппя кристаллов, М., 1980; Бирич Г. Н. и др., Эффект несохранения четности в атомарном висмуте, "ЖЭТФ", 1984, т. 87, с. 776; Кизель В. А., Индуцирование гиротропии как новый метод исследований в физике конденсированных сред, "УФН", 1985, т. 147, с. 559.

В. А. Кизель.


  Предметный указатель