Optische Aktivität - Warum?

FloTor · Anmeldungsdatum: 11.12.2005 Beiträge: 128

Man nennt einen Stoff optisch aktiv, wenn er die Polarisationsebene von Licht (das natürlich polarisiert ist) beim Durchleuchten dreht.
Dies ist bei chiralen Molekülen der Fall, da hier keine Spiegelbilder vorliegen können, die den Drehprozess umkehren würden!

Nun meine Frage: Wieso ist ein einzelnes Molekül überhaupt in der Lage, die Polarisationsebene zu ändern? Und das auch noch um einen festen Winkel! Spielt es eine Rolle, wie das Molekül im Raum ausgerichtet ist? Bzw. welche Rolle spielen statistische Effekte bei vielen Molekülen?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ein einzelnes Molekül, ja sogar ein einzelnes Atom, das in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist, kann optisch aktiv sein:

Nehmen wir zuerst mal ein einzelnes Atom. Das habe einen Gesamtspin ungleich Null, der in Ausbreitungsrichtung des Lichtes zeigt. Das heißt sozusagen, die Elektronenhülle "rotiert" um diese Achse der Ausbreitungsrichtung. Dann wird die Polarisationsrichtung des Lichtes durch zirkulare Doppelbrechung gedreht. (Das ist ein Beispiel für optische Aktivität durch den Magnetismus (den Spin) des Atoms).

Dieses eine Atom ist nun aber noch spiegelsymmetrisch. Das heißt, wenn man es um 180° dreht, dann dreht es die Polarisationsrichtung des Lichtes nun genausostark in die andere Richtung, wie vorher in die eine.

Eine Mischung vieler solcher Atome ohne ein Vorzugsorientierung ist also nicht optisch aktiv. (Da die statistische Mittelung über alle Atome dann den Effekt zu Null wegmitteln würde.)

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Bei chiralen Molekülen ist der Clou, dass sich die optische Aktivität des Einzelmoleküls
(die sowohl durch die magnetischen als auch die elektrischen Eigenschaften der Übergänge bestimmt sein kann, die für den Brechungsindex der rechts- und linkszirkular polarisierten Komponenten des Lichtes verantwortlich sind)
nicht komplett umdreht, wenn man das Molekül um 180° dreht. Das heißt, der Unterschied in der Polarisierbarkeit des Moleküls durch linkszirkular und rechtszirkular polarisiertes Licht kehrt sich nicht einfach um, wenn man das Licht von der anderen Seite auf das Molekül schickt. Damit mittelt sich der Effekt auch dann nicht heraus, wenn die Moleküle eine statistisch verteilte Ausrichtung haben.

(Das heißt also: Wenn sich zirkular polarisiertes Licht durch das Molekül "durchschraubt", ist es dem Molekül nicht egal, in welche Richtung das Licht fliegt, selbst wenn der E-Vektor dieses Lichtes beide Male im selben Drehsinn bezüglich des Moleküls rotiert.)

Für ganz Interessierte ist hier eine sehr ausführliche Quelle:
http://www.opus-bayern.de/uni-regensburg/volltexte/2002/104/pdf/dissmaster.pdf
Der kann man, selbst wenn einem die Formeln darin oft etwas kompliziert vorkommen sollten, z.B. auf jeden Fall gut entnehmen, welche Theorien es zu diesem Thema gibt.