Чтение онлайн

С давних пор было известно, что луч света, переходя из воздуха в другую прозрачную среду, например воду, — преломляется. Однако в 1670 году датский физик Эразм Бартолин обнаружил, что кристалл исландского шпата (разновидность карбоната кальция, СаСО3) преломляет луч света двумя разными способами одновременно, формируя таким образом два луча из одного. Это явление получило название «двойная рефракция».

Явление двойной рефракции не могла объяснить ни одна теория на протяжении более ста лет. Однако в начале XIX века было установлено, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из крошечных волн, и с такой точки зрения вопрос о двойной рефракции достаточно быстро оказался решенным.

В обычном луче света, например исходящем от солнца или любого другого нагретого предмета, световые волны колеблются во всех возможных направлениях. Одни колеблются вверх-вниз, другие — влево-вправо, третьи — где-то между первыми и вторыми… Но упорядоченная атомная структура исландского шпата (напомню — теория атомного строения тоже утвердилась в начале XIX века) оставила световым волнам возможность колебаться только в двух направлениях, под прямым углом друг к другу.

Соответственно, при попадании в кристалл формируются два вида световых лучей — в одном из них волны колеблются только вверх-вниз (к примеру), а в другом — только влево-вправо. У этих двух лучей разные свойства, и они преломляются с разным углом, поэтому попадающий в кристалл луч разделяется надвое.

Луч света, волны которого колеблются только в одной плоскости, называется «поляризованным». Этот довольно неудачный термин ввел французский инженер Этьен Луи Малюс, открывший в 1810 году, что волна света, отраженного от стекла под определенным углом, тоже начинает колебаться только в одной плоскости.

Были разработаны методы определения того, в какой именно плоскости колеблется свет конкретного луча; автор метода, лучшего из всех, изобретенного в 1828 году, — британский физик Уильям Николь. Он составил вместе две призмы исландского шпата и склеил их канадским бальзамом таким образом, чтобы один из поляризованных лучей проходил насквозь, а второй — отражался по линии соединения. Получался только один, поляризованный, луч (рис. 35).

Исходящий луч может пройти еще через одну призму Николя, если она ориентирована точно параллельно первой. Если вторую призму Николя начать медленно вращать, то будет видно, что сквозь нее проходит все меньше и меньше поляризованного света, до тех пор, пока вторая призма Николя не окажется под прямым углом по отношению к первой — тогда свет не сможет проходить вообще. Устройство с двумя такими призмами называется «поляриметр». Сейчас вместо дорогих и громоздких призм Николя используются пластиковые листы, внутри которых находятся правильным образом ориентированные органические кристаллы. Их называют «поляризационными светофильтрами».

Если луч поляризованного света проходит по пути из одной призмы Николя в другую через воздух или воду, с плоскостью его колебания ничего не происходит. Сквозь вторую, параллельно ориентированную, призму свет проходит без каких-либо существенных изменений.

Однако в 1815 году французский физик Жан Батист Био обнаружил, что если поляризованный свет проходит сквозь кристалл кварца, то плоскость его колебаний при этом изменяется. После того как поляриметр был доработан, оказалось, что свет, пропущенный через кристалл кварца, становится заметно тусклее, проходя через вторую призму Николя, — ее опять приходилось вращать до тех пор, пока она не оказывалась ориентированной параллельно новой плоскости колебаний световой волны, измененной под влиянием кварца. Угол этого изменения можно измерить с достаточной точностью по изменению угла ориентации второй призмы Николя, необходимого для того, чтобы свету вернулась прежняя яркость (рис. 36).

Кроме того, Био показал, что и при прохождении поляризованного света сквозь растворы некоторых органических веществ, например скипидара или камфоры, плоскость его колебаний тоже может изменяться. Именно это свойство вещества и именуется «оптической активностью». Био считал, что причиной ее должна служить какая-то асимметрия в структуре оптически активных веществ, приводящая к искривлению луча света всегда в одном и том же направлении. По его мнению, в «симметричных» веществах плоскость колебаний света тоже искривляется, но одинаково во всех направлениях, так что внешне никаких изменений незаметно.

В 1848 году молодой французский химик Луи Пастер (тогда ему было только двадцать шесть лет, и ему еще предстояло сделать одну из самых блестящих карьер в научном мире) ошеломил ученую общественность тем, что доказал, что так оно и есть — но крайней мере, в отношении кристаллов (рис. 37). На примере кристаллов виннокислого аммония он обнаружил, что кристалл выделяется в двух видах, оба из которых асимметричны и являются точным зеркальным отражением друг друга, так же как руки и ноги человека.

Пастер очень осторожно, с помощью микропинцета и увеличительного стекла, разделил кристаллы на две кучки — левосторонние в одну, правосторонние в другую, — и оказалось, что раствор каждой из этих кучек проявляет свойство оптической активности! Если же оба раствора смешать, то в получившейся смеси оптической активности не наблюдается.

Разделение равномерной смеси кристаллов обоих видов надвое по разделительному признаку — это увеличение упорядоченности, а значит — уменьшение энтропии. В нашем примере с игральными картами это равносильно тому, чтобы взять перетасованную колоду и рассортировать на две половины, красные отдельно, черные отдельно. Перед нами, кстати, замечательный пример того, как локальное уменьшение энтропии происходит за счет ее глобального увеличения. Пастеру приходилось напряженно вглядываться в увеличительное стекло и аккуратно брать кристаллики микропинцетом. Понятно, что увеличение его энтропии имело гораздо большее значение, чем произведенное им уменьшение энтропии среди кристаллов.

Так или иначе, Пастер сумел доказать наличие асимметрии только для кристаллов. А в растворах оптически активные вещества представлены в виде молекул. Так где же там может скрываться асимметрия? В самих молекулах, что ли?

Правильный ответ — да! Он был получен в 1874 году, когда двое молодых химиков, голландец Якоб Хендрик Вант-Гофф (двадцать два года) и француз Жозеф Ашиль ле Бель (двадцать семь лет) независимо друг от друга выдвинули новую теорию атома углерода, с помощью которой удалось усовершенствовать систему записи формул Кекуле с учетом некоторых новых фактов.

При изображении структурных формул по методике Кекуле четыре связи, которыми обладает углерод, принято рисовать торчащими во все четыре стороны, что естественно для двухмерного изображения. Однако такой вид не отражает реальности, поскольку если бы все было так, то, например, существовало бы две разновидности метиленхлорида (СН2Cl2), соответствующие двум формулам:

где в одном случае атомы хлора находятся по соседству, а во втором — нет. Однако на практике до сих пор обнаружен пока только один метиленхлорид.

Теория Вант-Гоффа—Беля гласит, что четыре связи углерода направлены в двух перпендикулярных друг другу плоскостях (рис. 38). Изобразить это в двух измерениях сложно, проще всего представить себе равностороннюю пирамиду, вершина которой смотрит в небо. Направления четырех связей — из центра к углам пирамиды, соответственно, угол между всеми связями — один и тот же, около 109°. Атом углерода можно переворачивать как угодно любой из связей вверх — общая картина от этого не изменится.