為什麼有旋光性的物質可以使光旋轉?


題主問題的提法有問題. 並不是"使光旋轉", 而是改變光的偏振方向. 我將題主的問題理解為: 物質旋光性的微觀解釋是什麼? 為了簡單起見而又不失物理圖像, 我們用一個簡單的模型分析這個問題. 這個模型最早是由Fresnel提出的.

首先考慮晶體的旋光性. 對於石英(即二氧化硅)晶體, 其分子結構如下圖所示, 因此可以將分子看作一個螺旋(helix). 螺旋具有手性, 即左旋右旋. 下圖是一個右手的石英.

分子中的電子受原子核的正電吸引, 因此可假設電子局限在螺旋鏈上. 在外加電磁波, 即光的作用下, 電子受Coulomb力在螺旋鏈上來回運動, 進而產生一個電偶極矩mu(t)和磁偶極矩m(t), 並且磁偶極矩m(t)的方向平行或者反平行於電偶極矩mu(t)的方向, 取決於螺旋的左旋右旋. 根據電動力學, 隨時間變化的偶極矩將會向外輻射電磁場. 而磁偶極矩輻射的電磁場方向是垂直於原場的, 這就會導致總的疊加產生的電場產生旋轉的效應. 其圖示如下圖:

這樣就用經典的圖像定性解釋了光通過晶體後為什麼偏振方向會發生改變. 對於溶液中的手性分子, 這個模型也定性是正確的. 雖然分子的取向在溶液中是隨機的, 但分子取向總的分布在統計上是確定的, 而且分子的手性也是確定的, 因此在也會產生非零的旋光效應. 如果用量子力學看這個問題, 就應當用光的受激吸收與輻射來進行計算, 十分繁瑣. 但從物理本質上和說和上面的經典的圖像沒有差別: 旋光性來自於分子的手性. 答案中的圖片引自Hecht, Optics, 4ed, P364.


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