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Polarisation des Lichts

[164] Polarisation des Lichts. Im Jahr 1808 machte der Franzose Malus die Entdeckung, daß Licht, welches von Glas unter einem Einfallswinkel von 56,3° (Winkel zwischen einfallendem Strahl und Einfallslot) gespiegelt wird, sich in besonderer Weise von gewöhnlichem Licht unterscheide. Läßt man den reflektierten Strahl wieder unter dem gleichen Einfallswinkel auf Glas fallen, so wird er nur dann wieder nach Art des gewöhnlichen Lichtes reflektiert, wenn die neue Einfallsebene (Ebene, in welcher der einfallende Strahl, das Einfallslot, und der reflektierte Strahl liegen) mit der ersten zusammenfällt; dagegen wird er gar nicht reflektiert, wenn die zweite Einfallsebene auf der ersten senkrecht steht. Dreht man die Ebene des zweiten Spiegels unter gleichbleibendem Einfallswinkel um den Strahl als Achse, so verändert sich die Helligkeit des reflektierten Lichtes von Null bis zum Maximum oder umgekehrt je bei einer Drehung um 90°. Solches Licht hat also nicht in Beziehung auf alle zum Strahl senkrechten Richtungen gleiche Beschaffenheit, sondern ist nach zwei zueinander senkrechten Richtungen verschieden beschaffen, es heißt polarisiert; die Ebene, welche den Strahl und das Einfallslot enthält, heißt die Polarisationsebene, der Winkel des Strahls mit dem Einfallslot Polarisationswinkel.

Auch die Reflexion an andern durchsichtigen Körpern erzeugt Polarisation des Lichts, nicht aber die an Metallen, und zwar ist der Polarisationswinkel von Substanz zu Substanz verschieden nach einem von Brewster gefundenen Gesetze: der reflektierte Strahl ist dann vollständig polarisiert, wenn derselbe auf dem gebrochenen Strahl, den derselbe einfallende Strahl erzeugt, senkrecht steht, oder auch: die trigonometrische Tangente des Polarisationswinkels ist gleich dem Brechungsexponent der Substanz. Strahlen, welche unter anderm als dem Polarisationswinkel reflektiert werden, sind teilweise polarisiert, d.h. sie werden durch den zweiten Spiegel in der Minimalstellung um so unvollständiger ausgelöscht, je weiter ihr Einfallswinkel am ersten Spiegel vom Polarisationswinkel abweicht. Durch experimentelle Bestimmung des Polarisationswinkels kann mit Hilfe des angegebenen Gesetzes auch für Substanzen, welche nur durchscheinend sind, der Brechungsexponent ermittelt werden. Derjenige gebrochene Strahl, welcher bei der Polarisation durch Spiegelung neben dem reflektierten Strahl entsteht, ist gleichfalls polarisiert, wenn auch nicht vollständig. Seine Polarisationsebene steht auf der des reflektierten Strahls senkrecht. Läßt man Licht in schiefer Richtung durch eine ganze Schicht vieler dünner Glasplatten, Glassäule, gehen, so zeigt es sich um so vollständiger polarisiert, je größer die Zahl der Platten ist. Außer diesen zwei Arten der Erzeugung polarisierten Lichts, durch Spiegelung und durch Brechung, ist im Art. Licht, Abschnitt Doppelbrechung, eine dritte, älter bekannte Art [1] beschrieben. Von den zwei in anisotropen Körpern in derselben Richtung sich fortpflanzenden Strahlen mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen liefert eine Turmalinplatte oder ein Nicolsches Prisma oder andre entsprechende Apparate [2] nur den einen. Zur direkten Erkennung der Eigenschaft der Polarisation des Lichts ist das Sehorgan kaum befähigt; manche Augen machen die mit dem Namen der Haidingerschen Büschel bezeichnete eigentümliche Wahrnehmung; man bedarf daher zur Erkennung und Prüfung des polarisierten Lichtes derselben Vorrichtungen wie zur Erzeugung.

Jeder Polarisationsapparat besteht aus zwei Teilen, dem Polarisator (Polariseur) und Analysator (Analyseur); der erstere dient zur Erzeugung, der letztere zur Prüfung des polarisierten Lichtes und ist um die Richtung des Strahls als Achse drehbar. Zwischen beide bringt man die in betreff ihres optischen Verhaltens im polarisierten Lichte zu prüfenden Objekte. Die gebräuchlichsten Polarisationsapparate sind der von Nörremberg [3] mit Glasspiegel als Polarisator und Glasspiegel oder Nicolschem Prisma als Analysator und die Turmalinzange,[164] aus zwei entlang der kristallographischen Hauptachse geschliffenen Turmalinplatten bestehend, deren dem Auge zugekehrte gegen die abgekehrte aus der Parallelstellung in die gekreuzte Stellung gedreht werden kann. Bei der letzteren Stellung wird das vom Polarisator durchgelassene Licht vom Analysator absorbiert. Bei den im Artikel Zirkularpolarisation weiter beschriebenen Polarimetern bestehen Polarisator und Analysator aus Nicolschen Prismen. Vgl. ferner den Artikel Polarisationsmikroskop. Die Natur liefert uns im Licht der Wolken, des Regenbogens, im Licht der das Sonnenlicht reflektierenden Himmelskörper, auch im Licht des blauen Himmels teilweise polarisiertes Licht. Die Polarisationsebene des letzteren ist in der Nähe der Sonne horizontal, in der Nähe des Horizonts vertikal; in besonderen Lagen gegen die Sonne zeigen sich sogenannte neutrale Punkte ohne Polarisation [4].

Die Tatsachen der Polarisation des Lichts geben den Beweis dafür, daß die Lichtschwingungen nicht die Richtung der Fortpflanzung des Lichts haben, nicht Longitudinalschwingungen, sondern Transversalschwingungen sind. Polarisiertes Licht ist vom gewöhnlichen dadurch unterschieden, daß die Schwingungen alle parallel einer durch die Fortpflanzungsrichtung gelegten Ebene erfolgen, nicht in unregelmäßigem Wechsel der zum Strahl senkrechten Richtungen. Auch beim gewöhnlichen Lichte findet indessen kein zu rascher Wechsel der Schwingungsrichtung statt. Da nämlich die Erscheinungen der Interferenz (s.d.) nur möglich sind zwischen Strahlen mit übereinstimmender Polarisationsrichtung, und da Fizeaus Versuchen zufolge zwischen Strahlen homogenen gewöhnlichen Lichts noch Interferenzen beobachtet werden, wenn deren Gangunterschied 50000 Wellen beträgt, so müssen auch im gewöhnlichen Lichte große Gruppen aufeinander folgender Schwingungen gleichgerichtet sein. Genauer haben wir, den Vorstellungen der elektromagnetischen Lichttheorie entsprechend, anzunehmen, daß im polarisierten Lichte entlang zweier zueinander senkrechten Ebenen, die sich im Strahle schneiden, in der einen Schwingungen wechselnder elektrischer, in der andern Schwingungen wechselnder magnetischer Gegensätze stattfinden, die einen um ein Viertel der Wellenlänge gegen die andern verschoben. Wiener [5] hat durch Erzeugung stehender Lichtwellen in dünnen Kollodiumschichten den experimentellen Beweis geliefert, daß die elektrischen Schwingungen senkrecht zur Polarisationsebene erfolgen, die magnetischen in dieser, und daß die ersteren es sind, welche die chemischen Wirkungen des Lichtes hervorbringen. Ueber weiteres vgl. die Ausführungen in [6], ebenda auch die Ausführungen über Metallreflexion.

Durch die Interferenz des polarisierten Lichtes, je nach der verschiedenen Neigung der Polarisationsebenen und je nach den Phasenunterschieden der interferierenden Strahlen, werden Farbenerscheinungen erzeugt, die man unter dem Namen chromatische Polarisation zu beschreiben pflegt. Platten doppeltbrechender Kristalle, welche man zwischen Polarisator und Analysator eines Polarisationsapparates einschaltet, geben dann Anlaß zu farbigen Lichterscheinungen, wenn von den zwei senkrechten Schwingungsrichtungen der die Platten durchsetzenden weißen Lichtstrahlen keine in die Richtung der Polarisationsebene des Polarisators oder in diejenige des Analysators fällt. In diesen letzteren Fällen erscheinen die Platten bei Parallelstellung von Polarisator und Analysator hell, bei gekreuzter Stellung dunkel wie das sie umgebende Feld. Wir unterscheiden: 1. Erscheinungen bei parallel durchgehenden Strahlen, 2. solche bei konvergent durchgehenden Strahlen.

1. Dünne Platten doppeltbrechender Kristalle, welche für senkrecht durchgehende Strahlen einen genügend großen Unterschied der beiden Brechungsexponenten zeigen (Gipsplättchen), legt man so in den Nörrembergschen Polarisationsapparat, daß die Polarisationsebenen der sie durchsetzenden Strahlen mit derjenigen des Analysators einen Winkel von 45° einschließen. Jeder in die Platte eindringende polarisierte Strahl wird dann in zwei gleiche Komponenten zerlegt, die beim Austritt aus der Platte, je nach dem Unterschied ihrer Geschwindigkeiten und je nach der Plattendicke eine Phasendifferenz erhalten haben, vermöge deren sie sich nicht mehr zu linear polarisiertem Lichte der anfänglichen Polarisationsebene, sondern im allgemeinen zu elliptisch polarisiertem Licht vereinigen. Dieses wird durch die Zerlegung im Analysator wieder in mehr oder weniger intensives, linear polarisiertes Licht umgewandelt, je nachdem die vom Analysator fortgepflanzte oder die von diesem ausgelöschte Komponente überwiegt. Im besonderen Fall, wo die Phasendifferenz der die Platte verlassenden Strahlkomponenten ein ganzes Vielfaches einer halben Wellenlänge k · ¹/₂ λ beträgt, verbinden sich die Komponenten zu linear polarisiertem Lichte und zwar, wenn k eine gerade Zahl ist, unter Erhaltung der Polarisationsebene des in die Platte eintretenden Lichtes, wenn k ungerade ist, unter Drehung der Polarisationsebene um 90°. Im ersteren Falle löscht der Analysator den Strahl aus bei gekreuzter Stellung, im letzteren bei Parallelstellung. Da nun im weißen Lichte Strahlen der verschiedensten Größen der Wellenlänge λ enthalten sind, so werden durch die Wirkung der Kristallplatte die einen Anteile des weißen Lichtes im Analysator sich erhalten, die andern ausgelöscht werden. Man sieht daher bei Drehung des Analysators aus der einen Hauptstellung in die andre die Platte von der einen in die andre zweier komplementären Farben übergehen. Ganz ähnlich wie bei den Farben dünner Blättchen bestehen diese komplementären Farben (s. Farben, Bd. 3, S. 604) aus einer um so kleineren Zahl von Teilen des Spektrums, sind um so deutlicher voneinander verschiedene Mischfarben, je kleiner die Zahl k ist. Hat die Platte in verschiedenen Teilen verschiedene Dicke, so erscheinen diese Teile verschieden gefärbt; ein Gipskeil zeigt die Newtonschen Farbenbänder in der seiner Kante parallelen Richtung; er kann benutzt werden, um die Ordnung der Farbe zu bestimmen, welche ein dünnes Blättchen zeigt und folglich, um die Dicke des Blättchens zu ermitteln, indem man durch Aufeinanderlegen von Blättchen und Keil diejenige Stelle des Keils ermittelt, welche die Farbe des Blättchens zu weiß ergänzt. Ueber Farbenerscheinungen bei Platten optisch inaktiver Kristalle vgl. Zirkularpolarisation.

2. Senkrecht zur optischen Achse geschliffene Platten einachsiger Kristalle, die optisch inaktiv sind, d.h. keine Drehung der Polarisationsebene im Innern der Platte bewirken, zeigen[165] bei genau parallel durchgehendem Lichte keine Farbenerscheinungen, wohl aber bei genügend konvergierenden Richtungen des durchgehenden Strahlenbüschels. Alle gleichweit von der senkrechten Richtung abweichenden Strahlen erleiden eine Doppelbrechung von gleichem Betrage der Phasendifferenz; daher bilden sich konzentrische Ringe der Newtonschen Farbenbänder, deren Mitte in der Parallelstellung hell, in der. Kreuzstellung dunkel ist, die aber auch entlang den beiden senkrechten Hauptebenen des Analysators von einem farblosen, bei Parallelstellung hellen, bei Kreuzstellung dunkeln Kreuze durchschnitten werden (Fig. 1 und 2). Für die verwickelteren Erscheinungen bei Platten doppeltbrechender, zweiachsiger Kristalle, die sich in ähnlicher Weise erklären, von denen Fig. 3 und 4 die Erscheinungen in Platten zeigen, deren Schnitt auf der Halbierungslinie des Winkels der optischen Achsen senkrecht steht, ferner für die Erscheinungen in gepreßten und gekühlten Gläsern sowie für die Geschichte und die exakte mathematische Erklärung der Beobachtungen sei auf die eingehende Behandlung des Gegenstandes in [2], [3], [6] und [7] verwiesen.

Literatur: [1] Huygens, Traité de la lumière, Leyden 1690, S. 89. – [2] Winkelmann, Handbuch der Physik, 2. Aufl., Leipzig 1906, VI, 2, S. 1123–1127. – [3] Müller-Pouillet, Lehrbuch der Physik und Meteorologie, 9. Aufl., Braunschweig 1897, S. 975. – [4] Pernter, J.M., Denkschr. Wien. Akad., 73, 1901, S. 300. – [5] Wiener, O., Wied. Ann. 40,1890, S. 203. – [6] Riecke, Lehrbuch der Experimentalphysik, 2. Aufl., Leipzig 1902, I, S. 464 ff. – [7] Wüllner, A., Lehrbuch der Experimentalphysik, 5. Aufl., Leipzig 1897–99, 4, § 113.

Aug. Schmidt.

Fig. 1., Fig. 2.

Fig. 3., Fig. 4.