Actividad óptica

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La rotación óptica o actividad óptica es la rotación de la polarización lineal de la luz cuando viaja a través de ciertos materiales. Suele ser un fenómeno que ocurre en soluciones que presentan moléculas quiral tales como la sucrosa (azúcar), sólidos con planos cristalinos rotados, tales como el cuarzo, y la polarización circular de gases atómicos o moleculares. Se emplea en la industria de elaboración de azúcar para medir en los siropes la concentración de azúcares, en óptica para manipular la polarización, en química para caracterizar sustancias en solución acuosa, y en medicina está siendo evaluado en la actualidad como un método de determinación de la concentración de azúcar en sangre en casos de personas que sufren la diabetes.

[editar] Historia

La rotación y cambio en la orientación de la polarización de la luz fue observada por primera vez en el año 1811 en el cuarzo por el físico francés Dominique F.J. Arago. Casi en el mismo tiempo, el químico Jean Baptiste Biot llegó a observar el efecto en los líquidos y gases de sustancias orgánicas tales como la turpentina. En el año 1822 el astrónomo inglés Sir Joun F.W. Herschel llego a descubrir que diferentes formas de cristales eran capaz de rotar los planos de polarización en diferentes direcciones. Se empleaban por aquellas épocas polarímetros para medir la concentración de simples azúcares, tales como la glucosa, en solución acusosa. De echo, uno de los nombres asignados a la glucosa, dextrosa es debido a la característica que muestra esta glucosa para hacer girar "a la derecha" el plano de polarización (dexter). De forma similar, la muy común, fructosa, provoca que el plano de polarzación rote a la izquierda. La fructosa es incluso mas "levogiradora" que la glucosa como "dextrogiratoria". Por ejemplo, el azúcar invertido, se forma por adicción de fructosa a una solución de glucosa, haciendo que ésta gire a en una dirección invertida a la esperada.

[editar] Teoría

La actividad óptica es una especie de birefringencia. cualquier polarización lineal de la luz puede ser escrita como una combinación equilibrada de polarización a derechas (RHC) y polarizada circularmente a izquierdas (LHC):

$\mathbf{E}_{\theta_0}=\mathbf{E}_{RHC}+e^{i2\theta_0}\mathbf{E}_{LHC},$

donde $\mathbf{E}$ es el campo eléctrico de la luz. La fase relativa entre las dospolarizaciones circulares es $2θ 0$ , esto hace que la polarización lineal quede en el estado $θ 0$ . En un material opticamente activo las dos polarizaciones circulares experimentan una trayectoria diferente debido al indice de refracción. La diferencia entre los índices de refracción hace que exista una diferencia de camino óptico entre ellos al recorrer el material,

Δ n = n R H C - n L H C

Esta característica es muy habitual en los materiales (para sustancias en solución que tienen una rotación específica).

Tras viajar a través de una longitud $L$ de material las dos polarizaciones tienen una fase relativa de magnitud

$2\Delta \theta=\frac{\Delta n L2\pi}{\lambda}$ ,

donde $λ$ es la longitud de onda de la luz (en el vacío). Consecuentemente, la polarizción final es la rotación del plano de polarización un ángulo igual a:

θ 0 + Δθ

Generalmente el indice de refracción depende de la longitud de onda (véase dispersión). La variación en la rotación con una longitud de onda dada se denomina dispersión óptica rotatoria (ORD). El espectro de ORD y el dicroismo circular están intimamente relacionados mediante las relaciones de Kramers-Kronig. Si se conoce el espectro completo de un tipo, se puede mediante estas relaciones conocer el espectro del otro.

En resumen, el grado de rotación depende del color de la luz (la línea D del sodio cerca de los 589 nm de longitud de onda se emplea comunmente para estas medidas), de la longitud óptica $L$ y de las propiedades del material (es decir $Δ n$ o rotación específica y/o concentración).

[editar] Áreas de uso

Para una substacia pura en solución, si el color y la longitud óptica están fijas y la rotación específica es conocida, la rotación observada puede emplearse para calcular la concentracción de la disolución. Este uso hizo posible que emplear un polarímetro fuera de gran importancia para aquellos que comercializán con azúcar o sirope. En presencia de un campo magnético hace que todas las moléculas tengan actividad óptica. Un campo magnético alineado en la dirección de propagación de la luz hace que el material provoque una rotación del plano que contiene la polarización lineal. Este es el efecto Faraday que fue uno de los primeros descubrimientos que relacionaron la luz con los campos electromagnéticos.

La actividad óptica de los materiales no debería confundirse con la luz circularmente polarizada, esta confusión tiene tal vez su origen al representar el estado de polarización de los rayos luminosos cuando viajan por el material que poseen polarización circular a medida que se propagan por él.