Luce polarizzata

Alcune sostanze hanno la proprietà di ruotare la direzione di propagazione di una luce monocromatica: esse sono dette otticamente attive. L’attività ottica di alcune sostanze come quarzo, cinabro, clorato di sodio, esiste solo quando esse sono allo stato solido, avendo il fenomeno origine dalla struttura cristallina delle sostanze stesse. Il potere rotatorio di altre sostanze, invece, permane anche quando esse sono allo stato gassoso, liquido oppure in soluzione. In questo caso il potere rotatorio ha origine dalle proprietà strutturali delle molecole. La condizione necessaria affinché una sostanza sia otticamente attiva è che la struttura della molecola e quella della sua immagine speculare non siano sovrapponibili. L’esempio più ovvio a cui riferirsi per visualizzare quanto si è detto è costituito dalla mano sinistra e dalla mano destra che sono l’immagine speculare l’una dell’altra. Le sostanze naturali otticamente attive a causa della struttura molecolare sono soltanto organiche, mentre quelle inorganiche lo sono a causa della loro struttura cristallina. Si consideri una radiazione monocromatica in senso classico come costituita da campi elettrici e magnetici oscillanti che si propagano nello spazio in modo che il vettore del campo elettrico E e del campo magnetico H siano perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione. I due vettori E e H vibrano in tutti gli infiniti piani passanti per la direzione di propagazione. Nella luce polarizzata in un piano il vettore E vibra in un solo piano (lo stesso il vettore H, ma in un piano ortogonale). Nella figura seguente

luce polarizzata

sono schematizzate le tracce disegnate dal vettore E sul piano normale alla direzione di propagazione della radiazione (fronte dell’onda). Esse appaiono come una doppia freccia in una direzione normale a quella di propagazione (luce polarizzata in un piano) e come numerose frecce (dovrebbero essere in numero infinito) in più direzioni normali a quella di propagazione (luce ordinaria). La luce polarizzata che ha la forma di vibrazione mostrata si chiama polarizzata linearmente una radiazione polarizzata in un piano è anche polarizzata linearmente.

In una radiazione polarizzata circolarmente il vettore E e naturalmente anche il vettore H vibrano ruotando contemporaneamente alla direzione di propagazione in modo da formare un’elica:

radiazione polarizzata circolarmente

in questo caso la forma della vibrazione è un cerchio il cui centro è la proiezione della direzione di propagazione. Una radiazione può essere polarizzata circolarmente in senso orario o destrorso d, e in senso antiorario o sinistrorso l. E’ conveniente immaginare immaginare che una radiazione polarizzata linearmente sia costituita da due radiazioni polarizzate circolarmente in senso opposto, di uguale ampiezza (stesso raggio del cerchio che costituisce la forma della vibrazione) e che si propagano in fase.

Quando una radiazione monocromatica polarizzata interagisce con una singola molecola comunque sia la sua struttura simmetrica o asimmetrica, questa molecola presenta un indice di rifrazione differente( nl ≠ nd). La differenza è chiamata birifrangenza circolare e un differente coefficiente di estinzione molare (εl ≠εd) nei confronti della radiazione polarizzata circolarmente in senso orario e in senso antiorario. Se nl > nd (ciò implica che εl > εd) la componente  della radiazione polarizzata circolarmente in senso antiorario interagendo con la molecola rimane ritardata rispetto a quella polarizzata in senso orario. Le due componenti non sono più in fase e la direzione di polarizzazione della radiazione dopo aver interagito con la molecola non è più la stessa nella radiazione incidente

risultante radiazioni polarizzate circolarmente

Se si prende in considerazione anche la diversità di ε ( la differenza tra εl  ed εd è chiamata dicroismo circolare) delle due radiazioni polarizzate circolarmente in senso opposto che interagiscono con una molecola, allora la radiazione è polarizzata ellitticamente, cioè la sua forma di vibrazione è un’ellisse. Tuttavia l’angolo formato dall’asse maggiore di questa ellisse e la direzione di polarizzazione della radiazione incidente assume lo stesso valore di quello ottenuto dalla risultante di due radiazioni polarizzate circolarmente. La rotazione della direzione di polarizzazione dipende dunque solo dalla differenza dell’indice di rotazione. Se la radiazione interagisce con una molecola che è l’immagine speculare della precedente la direzione di polarizzazione è ruotata di un angolo α uguale al precedente, ma in senso opposto. Se quindi una molecola ruota la direzione di polarizzazione a destra la sua immagine speculare la ruota a sinistra dello stesso angolo. Se, infine, incontra successivamente due molecole l’una immagine speculare dell’altra si ha una compensazione dei due effetti opposti e quindi non si ha rotazione della direzione di polarizzazione.

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Author: Chimicamo

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