Введение к работе
Актуальность темы: Несмотря на то, что явление естественной оптической активности изучается более 150 лет, до сих пор не существует простых и ясных моделей оптически активных молекул (структурных элементов среды) позволяющих связать свойства отдельных элементов с наблюдаемым эффектом вращения плоскости поляризации. Такие модели необходимы для интерпретации многочисленных экспериментальных данных. Необходимость построения моделей оптической активности связана также с возросшим интересом к аналогичным явлениям в СВЧ диапазоне радиоволн. В этом диапазоне структурные элементы среды, способные вращать плоскость поляризации волны, имеют макроскопические размеры (до десятков миллиметров), поэтому для их описания могут использоваться "классические" (неквантовые) модели "оптически" активных структурных элементов.
Цель работы состоит в построении, а также теоретическом и экспериментальном обосновании обобщенной классической модели "оптической" активности, пригодной как для макро объектов (СВЧ диапазон), так и для оптически активных молекул.
Научная новизна результатов В данной работе впервые предложена модель возникновения оптической активности, основанная на том, что структурный элемент оптически активной среды обладает перекрестными тороидно-дипольными восприимчивостями (fifr или ?7;А:)- Данные восприимчивости ответственны за возникновение дипольной поляризации (электрической р или магнитной да) в вихривом поле и за возникновение тороидной поляризации (электрического g или магнитного f тороидаых моментов) в однородном поле. Эти восприимчивости, являясь аксиальными тензорами второго ранга, связывают величины одной и той же временной, но разной пространственной четностей.
Детально прослежена связь между гороидно-дипольными восприичивостями и наблюдаемым эффектом (поворотом плоскости поляризации волны) в рамках двух моделей среды: 1) разряженная среда (газ, композит); 2) однородная среда, материальные уравнения которой получены путем усреднения по объему в предположении, что связи между моментами единичного объема и вызывающими их полями сохраняют тог же вид, что и для отдельного структурного элемента.
Впервые предложен электростатический метод расчета перекрестной тороид-зю-дотольной восприимчивости: 1) с помощью системы поляризующихся в од-юродном поле частиц с учетом диполь-диопольного взаимодействия между нили; 2) решением электростатической задачи о поляризации несимметричного по (юрме тела в однородном поле.
Произведены эксперименты по исследованию на СВЧ вращательной способ-гости искусственного хирального композита, составленного из диэлектрических пиралей на основе искусственного диэлектрика (металл + парафин). Результаты ксперимента подтверждают расчет, выполненный на основе предложенной мо-ели.
Практическое значение работы. Предложенная классическая модель он ческой активности с учетом тороидных моментов дает ясное объяснение при ды рассматриваемого явления. Полученные результаты могут быть использс ны как при исследовании оптически активных молекул для анализа эксперим тальных данных, так и при построении искусственных хиральных композш способных поворачивать плоскость поляризации СВЧ волны.
Достоверность результатов обеспечена совпадением теоретических и экс риментальных данных, согласованностью с опубликованными результате других авторов, внутренней непротиворечивостью исходных посылок.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
-
Предложенная и обоснованная модель хирального структурного элеме оптически активной среды, учитывающая его электрическую и магнита тороидную поляризацию и позволяющая количественно описать его свой ва.
-
Установление связи между структурой и свойствами отдельных элемен среды (молекул или искусственных включений) и наблюдаемым зффеїс (углом поворота плоскости поляризации волны). Показано, что свойсті оптической активности могут обладать только среды, описываемые торо но - дипольными восприимчивостями (электрической и магнитной).
-
Методы и результаты расчетов тороидно - дилольной восприимчиво для ряда конкретных молекул и диэлектрических спиралей.
-
Экспериментальные данные по изучению вращательной способности кусственного хирального композита в СВЧ диапазоне радиоволн, подтга ждающие предложенную модель оптической активности.
Апробация работы.
Материалы диссертации были представлены на II Уральской Регионалы Школе-семинаре молодых ученых и студентов по физике конденсирован» состояния (г. Екатеринбург, 1998), Всероссийская конференция молодых учеї "Математическое моделирование физико-механических процессов" (г.Пер 1999), Всероссийская конференция молодых ученых "Математическое моде рование в естественных науках" (гЛермь, 2000), Всероссийская научная к ференпия "Математическое моделирование в научных исследованиях" (г. Сз рополь, 2000), Крымская международная микроволновая конференция (Крі 2000), международной научно-практической конференции "Теория, метода средства измерений, контроля и диагностики", (г. Новочеркасск, 2000).
Публикации.
Результаты третьей главы опубликованы в работах[1-2], четвертой главы в пятой главы в работах [1-7], шестой главы в работах [1, 8-11].
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из шести глав, заключения, списка цитируемой лиге туры и приложения. Общий объем диссертации 115 страниц машинописи текста. Она содержит 20 рисунков, 5 таблиц и 89 ссылок на литературные точники.