一、平面偏振光和物质的旋光性 (一)偏振光和偏振光的振动面
光波是电磁波,是横波。其特点之一是光的振动方向垂直于其传播方向。普通光源所产生的光线是由多种波长的光波组成,它们都在垂直于其传播方向的各个不同的平面上振动。图1(左)表示普通的单色光束直射时的横截面。光波的振动平面可以有无数,但都与其前进方向相垂直。
图1 平面偏振光的形成
当一束单色光通过尼科目棱晶(由方解石晶体加工制成,图1中)时,由于尼科耳棱晶只能使与其晶轴相平行的平面内振动的光线通过,因而通过尼科耳棱晶的光线,就只在一个平面上振动。这种光线叫做平面偏振光,简称偏振光(图1右)。偏振光的振动方向与其传播方向所构成的平面,叫做偏振光的振动面。
图2 两个尼科耳棱晶平行放置(上)或重直放置(下)时的情况
当普通光线通过尼科耳棱晶成为偏振光后,再使偏振光通过另一个尼科耳棱晶时,则在第二个尼科耳棱晶后面可以观察到如下现象:如果两个尼科耳棱晶平行放置(晶体相互平行)时,光线的亮度最大(图2上);如两个棱晶成其他角度时,则光线的亮度发生不同程度的减弱,接近90°时较暗,接近0°时较明亮。 (二)旋光性物质和物质的旋光性
自然界中有许多物质对偏振光的振动面不发生影响,例如水、乙醇、丙酮、甘油及氯化钠等;还有另外一些物质却能使偏振光的振动面发生偏转,如某种乳酸及葡萄糖的溶液。能使偏振光的振动面发生偏转的物质具旋光性,叫做旋光性物质;不能使偏振光的振动面发生偏转的物质叫做非旋光性物质,它们没有旋光性。
当偏振光通过旋光性物质的溶液时,可以观察到有些物质能使偏振光的振动面向左旋转(逆时针方向)一定的角度(图3),这种物质叫做左旋体,具有左旋性,以-表示;另一些物质则使偏振光的振动面向右旋转(顺时针方向)一定的角度,叫做右旋体,它们具有右旋性,以+表示。以前也曾用l、d表示左右旋。
图3 左旋体使偏振光的振动面向左旋转
(三)旋光度和比旋光度
如将两个尼科耳棱晶平行放置,并在两个棱晶之间放一种溶液(图4),在第一个棱晶(起偏振器)前放置单色可见光源,并在第二个棱晶(检偏振器)后进行观察。可以发现,如在管中放置水、乙醇或丙醇时,并不影响光的亮度。但如果把葡萄糖或某种乳酸的溶液放于管内,则光的亮
度就减弱以至变暗。这是由于水、乙醇 等是非旋光性物质,不影响偏振光的振动面;而葡萄糖等是旋光性物质,它们能使偏振光的振动面向右或左偏转一定的角度。要达到最大的亮度,必须把检测振器向右或向左转动同一角度。旋光性物质的溶液使偏振光的振动面旋转的角度,叫做旋光度,以α表示。
图4 旋光性测定示意图
一种物质的旋光性,主要决定于该物质的分子结构。但在测定物质的旋光度时,还受到测定条件的明显的影响。影响旋光度的因素包括溶液浓度、液层厚度(即盛液管的长度)、所用光线(单色光)的波长、温度以及溶剂等。因此,同一种旋光性物质在不同条件下测定α值时,所得的结果也不一样。但如固定实验条件,则测得的物质的旋光度即为常数,它能反映该旋光性物质的本性,叫做比旋光度,以[α]表示。比旋光度与测得的旋光度(α)有以下的关系:
= l Cm