การหมุนเชิงแสง

การหมุนเชิงแสง (optical rotation) หรือ การหมุนโพลาไรเซชัน (polarization rotation) คือการที่แสงเกิดการหมุนของระนาบโพลาไรเซชันของแสงโพลาไรซ์แบบเส้นตรง เมื่อมองจากผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ด้านหน้าลำแสงตกกระทบ ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับการหักเหสองแนวแบบวงกลม ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ตัวกลางบางตัวทำให้เกิดการหมุนเวกเตอร์สนามไฟฟ้าของลำแสงที่ส่องผ่าน
สารประกอบที่เหนี่ยวนำให้เวกเตอร์เบี่ยงเบนไปทางขวา (เมื่อหันเข้าหาแสง) เรียกว่า ตัวหมุนขวา (dextrorotatory) เช่น ซูโครส สารประกอบที่เหนี่ยวนำให้เวกเตอร์เบี่ยงเบนไปทางซ้าย (เมื่อหันเข้าหาแสง) เรียกว่า ตัวหมุนซ้าย (levorotatory) เช่น ฟรุกโตส
การหมุนของโพลาไรเซชันของแสงโพลาไรซ์แบบเส้นตรงถูกสังเกตเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 โดย นักฟิสิกส์หลายคน ที่สำคัญคือ ฌ็อง-บาติสต์ บีโย ก่อนที่ธรรมชาติของโมเลกุลจะถูกเข้าใจ จากนั้นจึงมีการประยุกต์ใช้โดยใช้เครื่องวัดการโพลาไรซ์ เพื่อวัดความเข้มข้นของน้ำตาล เช่น กลูโคส ในสารละลาย กลูโคสยังมีอีกชื่อซึ่งมีที่มาซึ่งเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์นี้ คือ เดกซ์โทรส (dextrose) ซึ่งมาจากการที่หมุนโพลาไรเซชันไปทางขวา คุณสมบัตินี้เป็นส่วนหนึ่งของวิชาเคมีอินทรีย์ และฟิสิกส์ของคลื่น
ทฤษฎี.
หลักการเรื่องนี้ถูกอธิบายโดย โอกุสแต็ง-ฌ็อง แฟรแนล สิบปีหลังจากการสังเกตของฌ็อง-บาติสต์ บีโย แฟรแนลเป็นที่รู้จักกันอย่างดีที่สุดสำหรับการทดลองการแทรกสอด ซึ่งเขาได้ยืนยันลักษณะความเป็นคลื่นของแสงอย่างชัดเจน (หลังจากคริสตียาน เฮยเคินส์ และ โทมัส ยัง) นอกจากนี้เขายังกำหนดลักษณะตามขวางของคลื่นแสงและโพลาไรเซชันต่าง ๆ
แฟรแนลสามารถอธิบายหลักการหมุนเชิงแสงได้หลังจากสังเกตเห็นว่าโพลาไรเซชันแบบวงกลมทั้งสองแบบ (ทิศทางการหมุนตรงข้ามกัน ไปทางขวา หรือทางซ้าย) ถูกส่งผ่านโดยไม่มีการเปลี่ยนรูปโดยตัวกลางที่มีการหมุนเชิงแสง แต่มีการส่งผ่านด้วยดรรชนีหักเหที่แตกต่างกันสองค่าคือ <math>n_D</math> และ <math>n_G</math> นั่นคือ ความเร็วในการแผ่ที่แตกต่างกันสองค่าเป็น <math>c/n_D</math> และ <math>c/n_G</math>
แฟนแนลอธิบายว่าสนามไฟฟ้า <math>\vec E_r</math> ของคลื่นโพลาไรซ์แบบเส้นตรงจะเท่ากับผลรวมของสองสนามที่หมุนในทิศทางตรงข้ามกัน ไปทางขวาหรือทางซ้าย โดยมีแอมพลิจูดเท่ากับครึ่งหนึ่งของสนามเริ่มต้น:
 <math>\vec E_r = \vec E_D + \vec E_G</math>
แท้จริงแล้วส่วนประกอบของ <math>\vec E_D</math> และ <math>\vec E_G</math> ตั้งฉากกับระนาบการแผ่ของคลื่นเส้นตรงเสมอกันและตรงข้ามกัน และดังนั้นจึงหักล้างกัน ในขณะที่ส่วนประกอบของทั้งสองที่ขนานกับระนาบนี้จะเท่ากับครึ่งสนามของคลื่นเส้นตรง ดังนั้นแฟรแนลจึงคำนวณการแพร่กระจายของคลื่นวงกลมสองคลื่นแยกกัน ขวาและซ้าย ด้วยดัชนีที่แตกต่างกัน ที่ทางออกจากตัวกลางที่มีความหนา "L" คลื่นทั้งสองนี้มีเวลาแพร่กระจายต่างกัน และคลื่นลูกหนึ่งจะล่าช้าเมื่อเทียบกับคลื่นอีกลูกหนึ่ง
 <math>\Delta t =(n_G-n_D) L/c</math>;
และคลื่นจะเกิดการเลื่อนเฟสเป็นมุม
 <math>\phi = \omega \Delta t = 2\pi f \Delta t = 2\pi (n_G -n_D) L / \lambda</math>
ในที่นี้ <math>f</math> คือความถี่ของคลื่นและ <math>\lambda = (c/f)</math> คือความยาวคลื่นของแสงในสุญญากาศ
โดยการเพิ่มสองสนามของคลื่นวงกลมที่ส่งผ่านไป จะคำนวณคลื่นของโพลาไรซ์แบบเส้นตรง ซึ่งหมุนรอบทิศทางของการแพร่กระจายเป็นมุม <math>\theta</math> ซึ่งเป็นมุมเฟสครึ่งหนึ่ง:
 <math>\theta = \phi /2 =\pi (n_G-n_D) L / \lambda</math>
ที่มาของโครงสร้างที่เกิดการหมุนเชิงแสง.
การศึกษาในช่วงศตวรรษที่ 19 ได้แสดงให้เห็นว่าการหมุนเชิงแสงมาจากโครงสร้างระดับจุลภาคแบบอสมมาตรของตัวกลางที่เกี่ยวข้อง ในการจัดเรียงอะตอมเพื่อสร้างโมเลกุลหรือผลึก จะมีการพิจารณาความไม่สมมาตรหรือไครัลลิตี ไม่ว่าจะเป็นในโมเลกุล หรือผลึก องค์ประกอบพื้นฐานของโครงสร้างนี้คือรูปทรงเรขาคณิตเชิงพื้นที่ที่ไม่สมมาตร ทำให้ไม่ให้ซ้อนทับกับภาพในกระจก โครงสร้างทั้งสองนี้เป็นภาพสะท้อนของกันและกัน แต่ไม่สามารถซ้อนทับกันได้ แสดงการหมุนในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามไฟฟ้าของคลื่นแสง ภายใต้เงื่อนไขว่าต้องไม่ผสมกัน
เมื่อโมเลกุลหรือผลึกที่ไม่สมมาตรเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นในปฏิกิริยาเคมี โดยเริ่มจากโมเลกุลร่วมและโมเลกุลที่สมมาตร กระบวนการทางเคมีซึ่งเริ่มแรกไม่เกี่ยวข้องกับความไม่สมมาตร จะสร้างส่วนผสมในปริมาณที่เท่ากันของรูปแบบทั้งสองเสมอ ส่วนผสมนี้เรียกว่าแรซีมิก ซึ่งไม่มีการหมุนด้วยแสง ในปี 1848 หลุยส์ ปาสเตอร์ ได้ประสบความสำเร็จโดยการทำให้แรซิมิกของกรดทาร์ทาริกเป็นเนื้อเดียวกันในการแยกโครงสร้างภาพทั้งสองออกจากกันโดยการจัดเรียงผลึกขนาดเล็กทีละภาพด้วยสายตา และเขาจึงได้สารตัวกลางสองชนิดที่แตกต่างกัน มีอำนาจหมุนตรงกันข้าม
สิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ เช่น สัตว์หรือพืช อาจสามารถผลิตโมเลกุลที่มีรูปแบบเดียวได้ ซึ่งสังเกตได้จากการที่เกิดการหมุนเชิงแสง ด้วยเหตุนี้การหมุนเชิงแสงจึงเป็นที่สนใจของนักชีวเคมีเป็นพิเศษ
ปรากฏารณ์ฟาราเดย์.
ปรากฏการณ์การหมุนเชิงแสงเมื่อผ่านสารตามธรรมชาตินี้มักถูกเปรียบเทียบกับอีกปรากฏการณ์ที่ทำให้เกิดการหมุนเชิงแสงเช่นกัน คือ ปรากฏการณ์ฟาราเดย์ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทัศนศาสตร์เชิงแม่เหล็กซึ่งเกิดจากการหมุนของโพลาไรเซชันเชิงเส้นตรงในตัวกลางโปร่งใสเมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์ฟาราเดย์สามารถอธิบายได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้า โดยมีดัชนีสองค่าที่แตกต่างกัน <math>n_D</math> และ <math>n_G</math> สำหรับโพลาไรซ์แบบวงกลมสองอัน คือ ด้านขวาและด้านซ้าย แต่ที่มาของความแตกต่างของดัชนีนั้นแตกต่างกันโดยสิ้นเชิงระหว่างปรากฏการณ์ทั้งสองนี้ ในปรากฏการณ์ฟาราเดย์ เกิดจากอันตรกิริยาของสนามแม่เหล็กบนอะตอม และสามารถใช้ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าคำนวณความแตกต่างของดัชนีได้
การใช้ประโยชน์.
สำหรับการประยุกต์ใช้ เช่น การหมุนเชิงแสงทำให้สามารถวัดความเข้มข้นของมวลได้จากกฎของบีโย:
 <math>\alpha = [\alpha]\,l\,c</math>
โดยที่ "α" คือการหมุนเชิงแสงของสารละลายในหน่วยองศา ["α"] คือการหมุนเชิงแสงเฉพาะซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความยาวคลื่นที่ใช้ และตัวทำละลายโดยเฉพาะ (ตารางมักจะให้การหมุนเชิงแสงเฉพาะนี้ที่ 20 °C และสำหรับความยาวคลื่นของเส้น โซเดียม สีเหลืองที่ 589.3 nm) "l" คือความยาวของคิวเวต ในหน่วยเดซิเมตร และ "c" คือความเข้มข้นในหน่วยกรัมต่อมิลลิลิตร
เมื่อมีสนามแม่เหล็ก โมเลกุลทั้งหมดอาจเกิดการหมุนเชิงแสง ดังนั้นเราจึงสังเกตการหมุนของโพลาไรเซชันของแสงที่ผ่านตัวกลางที่อยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์ฟาราเดย์เป็นหนึ่งในการค้นพบครั้งแรกในการเชื่อมโยงระหว่างแสงและทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า