大学化学 >> 2023, Vol. 38 >> Issue (2): 116-131.doi: 10.3866/PKU.DXHX202207138
章慧1,2,*(
), 刘新玲3, 南子昂2, 沙旭明1, 张仕林2, 黄少华1, 苏纪豪2, 赵玉芬1,2
收稿日期:2022-07-28
录用日期:2022-09-27
发布日期:2022-10-25
通讯作者:
章慧
E-mail:huizhang@xmu.edu.cn
Hui Zhang1,2,*(
), Xinling Liu3, Ziang Nan2, Xuming Sha1, Shilin Zhang2, Shaohua Huang1, Jihao Su2, Yufen Zhao1,2
Received:2022-07-28
Accepted:2022-09-27
Published:2022-10-25
Contact:
Hui Zhang
E-mail:huizhang@xmu.edu.cn
摘要:
从地球到月球到火星,人类一直没有停下探矿寻宝的脚步。从冰洲石到水晶到紫水晶,这些晶莹剔透矿石所呈现的光学现象给科学家带来“光是什么”和“手性起源”的百折不挠探究,贯穿整个科学发展史,促进科学、技术和现代社会进步,并将持续为未来科技发展带来不可估量的影响。
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表1
17世纪以来与冰洲石和水晶手性相关的主要科学事件"
| 科学家 | 光学现象、矿物晶体 | 主要贡献 |
![]() 艾萨克∙牛顿(英国) Isaac Newton, 1643–1727 | ![]() | 1666年,牛顿基于对三棱镜将白光色散成可见光谱的观察,发展出颜色理论。提出物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。牛顿后来对冰洲石的双折射亦困惑不解,在他的《光学》一书中包含了对冰洲石的简要讨论[ |
![]() Erasmus Bartholin,1625–1698 | ![]() | 1669年巴托林发现,当光束通过冰洲石晶体时会出现双折射现象,进入晶体的光线会被分裂,并采取两条路径离开晶体——透过晶体看到的物体会产生双重图像。但仅在一本小册子中针对该现象做出描述[ |
![]() 克里斯蒂安∙惠更斯(荷兰) Christiaan Huygens,1629–1695 | ![]() | 推导出了光的反射和折射定律,提出光的波动理论。认为晶体的光学性质和它的精细结构有关。1678年在《光论》中报告了“论冰洲石的奇异折射”,对通过在第一块冰洲石上旋转第二块晶体,可以使两个图像中的一个消失感到不解,无法提出详细的物理解释。左图中是他对冰洲石所观察光学现象的示意图[ |
![]() 艾蒂安∙路易∙马吕斯(法国) Etienne Louis Malus,1775–1812 | ![]() | 1808年,马吕斯偶然发现了光的反射偏振现象,指出,光从透明的表面(比如水或玻璃)反射出来,具有由冰洲石的双折射所产生光束的所有特性(两束透射光都是线偏振光,且偏振方向不同,上图)。马吕斯用术语“偏振”来描述光的特性[ |
![]() 阿贝∙勒内-朱斯特∙豪伊(法国) Abbé René-Just Haüy,1743–1822 | ![]() 豪伊用梨木制作的水晶模型 | 在18世纪,豪伊发现了结晶的几何规律,指出矿物晶体具有同质多晶型,但都有特定的内部结构特征。1809年推测,晶体的外形反映了构造该晶体所用亚单元(subunit)的对称特征。晶体与其组成分子在形状上是“彼此的图像”[ |
![]() 多米尼克·弗朗索瓦·让·阿拉果(法国) Dominique François Jean Arago,1786–1853 | ![]() | 1811年描述了将垂直于轴线切割的石英板插入被一堆玻璃片反射的一束偏振太阳光的路径中所产生的颜色[ |
![]() 让-巴蒂斯特∙毕奥(法国) Jean-Baptiste Biot,1774–1862 | ![]() 一对形态对映的天然石英单晶[ | 1812年毕奥在报告中描述了阿拉果的详细研究[ |
![]() 奥古斯丁∙让∙菲涅耳(法国) Augustin-Jean Fresnel,1788–1827 | ![]() | 与阿拉果一起确定了光是横波(1821);发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象(1823),用波动说解释了偏振面的旋转;推出了反射和折射定律的菲涅尔公式;解释了马吕斯的反射光偏振和双折射现象,奠定了晶体光学的基础。菲涅耳率先提出[ |
![]() 弗里德里希∙威廉∙赫歇尔(英国) Frederick William Herschel, 1738–1822 | ![]() | 赫歇尔将豪伊的形态学类比延伸到物质的物理和化学性质,在1822年将石英晶体的形态学手性与其光学活性联系起来。发现所有左手形态的晶体都是左旋的,而右手形态的晶体则是右旋的[35, 50, .51]。认为石英晶体的特殊形态手性和其光学活性有一个共同的分子基础,这一假设在1824年被菲涅尔发展和概括[ |
![]() 威廉∙尼科尔(苏格兰) William Nicol,1766–1851 | ![]() | 1828年,发明了可产生偏振光束的光学装置—尼科尔棱镜[ |
![]() 威廉∙卡尔∙冯∙海丁格(奥地利) Wilhelm Karl von Haidinger,1795–1871 | ![]() | 菲涅尔(1824)对透明波长下的旋光度分析是以透射介质的圆双折射为依据的,而在吸收波段应存在相应的圆二色性[ |
![]() 托马斯∙马丁∙劳瑞(英国) Thomas Martin Lowry,1874–1936 | ![]() | 劳瑞是20世纪30年代初手性光谱学第一拨研究高潮的领军人物之一[ |
![]() 弗拉基米尔∙伊万诺维奇∙布尔科夫(俄罗斯) Vladimir Ivanovich Burkov | ![]() | 虽然意大利物理学家埃利希奥·佩鲁卡(1890–1965)在1914年发表的“物理学年鉴”文章[ |
![]() 大卫∙阿夫尼尔(以色列) David Avnir | ![]() α-石英结构基元SiO4的绝对构型指认 | 因AB4四面体中的键长和键角,其结构基元可能具有手性[ |
![]() 休斯∙勒鲁(法国) Hugues Leroux | ![]() α-方石英(P41212空间群)的晶体结构[ | 2006年,勒鲁等用SAED方法检测编号为NWA856的火星陨石,发现含有α-石英和α-方石英,确定二者晶体结构分别属于P3121和P41212空间群[ |
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