Я не уверен, что это больше вопрос химии или физики, но на моем уроке органической химии мы обсуждали, что хиральные молекулы будут вращать плоскополяризованный свет. Однако мой профессор вообще не обсуждал механизм. Она также сказала, что единственный способ определить угол поворота — это экспериментально. Мне действительно любопытно узнать, как и почему происходит этот процесс, и есть ли способ рассчитать или даже оценить угол поворота на основе структуры соединения.
Вы можете начать с понимания рэлеевского рассеяния, а затем плоскополяризованного света, взаимодействующего с простой анизотропной молекулой, прежде чем перейти к хиральным.
Плоскополяризованная световая волна распространяется в направлении, определяемом правилом правой руки, поэтому, скажем, она электрическая ( ) поле находится в направление, магнитное ( ) поле в направление, поэтому его волновой вектор лежит в направление.
Теперь предположим, что световая волна сталкивается с простой молекулой жидкого кристалла — она намного меньше длины волны света. Забудьте о химических боковых группах и других мелких деталях и просто представьте молекулу в виде стержня. Когда наша световая волна взаимодействует со стержнем, электроны с зарядом в молекуле будет действовать сила от поле световой волны (см. силу Лоренца ). Но электроны связаны с молекулой, как масса на пружине, поэтому тоже испытывают возвращающую силу. Кроме того, они скорее сместятся вдоль оси стержня, чем от нее ( поляризуемость молекулы будет тензорной). Это взаимодействие света с электроном представляет собой упругое рассеяние, и направление рассеянного света будет изменено электроном.
Например, предположим, что стержень направлен под углом от направление в направление. Если предположить, что смещение электрона происходит исключительно вдоль длинной оси стержня, свет, рассеянный этим стержнем, будет иметь поляризацию, сдвинутую на .
Таким образом, вам не нужны хиральные молекулы, чтобы изменить поляризацию света. Можно сказать, возьмите несколько листов поляризующего материала (который в основном представляет собой лист стержнеобразных молекул, ориентированных в одном направлении) и слегка поверните их относительно друг друга, и они изменят поляризацию проходящего через них света.
Хиральная молекула будет действовать аналогичным образом — теперь просто представьте себе спираль из стержней. Даже если у вас есть решение этих случайно ориентированных, чистое вращение света будет в заданной хиральности. Это при условии, что раствор не является рацемическим .
Если бы вы знали точную поляризуемость интересующей вас молекулы, вы могли бы рассчитать этот угол вращения. Это может быть трудно предсказать из первых принципов, но, как упоминалось в одном из комментариев, DFT может дать вам это. Вам также нужно знать количество ваших разбросов и их относительную ориентацию или среднее значение по всем им, если они случайные. Мы также предположили, что рассеяние является упругим — в действительности могут иметь место некоторые неупругие рассеяние и поглощение, и они могут сильно зависеть от длины волны света.
Я в целом согласен с ответом выше. Но то же самое я могу объяснить и более простыми словами ИМХО.
Линейная поляризация может быть выражена как суперпозиция двух противоположных круговых поляризаций. А направление поляризации зависит от разности фаз двух круговых поляризаций. Проще говоря: представьте ситуацию, когда вы складываете два вектора, которые вращаются с одинаковой угловой скоростью в разных направлениях и имеют одинаковую амплитуду. Их сумма представляет собой вектор, который колеблется в постоянном направлении.
Представьте теперь винтовую пружину. Обратите внимание, что он выглядит так же, когда вы поворачиваете его. Следовательно, если вы возьмете «кучу» таких пружин, каждая из которых направлена в произвольном направлении, все они все равно будут проявлять своего рода анизотропию. Это хиральность.
Если циркулярно поляризованное ЭМ поле распространяется через среду, состоящую из таких "пружин" - вполне вероятно, что взаимодействие будет различным для правой/левой поляризации.
Представьте, что взаимодействие эластично. Фактически это «замедляет» электромагнитную волну, однако на два компонента с круговой поляризацией это влияет по-разному. Следовательно, после прохождения через среду разность фаз двух компонентов изменится. Следовательно, суперпозиция этих двух компонентов по-прежнему будет линейно-поляризованной, но направление изменится.
Хиральная молекула с точки зрения оптики имеет круговое двойное лучепреломление. но прежде чем мы туда доберемся, давайте рассмотрим линейное двойное лучепреломление — анизотропный материал, который имеет разные показатели преломления для параллельного компонента и перпендикулярного компонента поляризованной электромагнитной волны.
таким образом, круговое двойное лучепреломление почти одинаково, но имеет разный показатель преломления для правого кругового и левого круговых компонентов. и любая линейная поляризация является суперпозицией правой круговой и левой круговой поляризации.
теперь, почему он меняет состояние поляризации плоскополяризованного света? потому что два компонента теперь имеют разную разность фаз, и, следовательно, наложение этих компонентов теперь дает линейно поляризованный свет с различной поляризацией.
Ричард Терретт