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Zirkularpolarisation
[* 1] (kreisförmige Polarisation, [* 2] Rotationspolarisation). Bringt man eine senkrecht zur optischen Achse (s. Doppelbrechung, [* 3] S. 69) geschnittene Platte eines einachsigen Kristalls in einen Polarisationsapparat [* 4] mit parallelem Licht [* 5] (z. B. zwischen zwei Nicolsche Prismen), so zeigen sich, weil in der Richtung der optischen Achse keine Zerlegung der Schwingungen stattfindet, beim Drehen des Analyseurs nur jene Abwechselungen von Helligkeit und Dunkelheit, welche auch ohne die Kristallplatte stattfinden würden.
Eine Ausnahme hiervon macht jedoch der Bergkristall oder kristallisierte Quarz. Eine senkrecht zur optischen Achse geschnittene Quarzplatte erscheint nämlich im Polarisationsapparat gefärbt, und ihre Farbe ändert sich beim Drehen des Analyseurs nach der Reihenfolge Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, [* 6] Violett (r, o, g, gr, b, i, v). Zerlegt man das aus dem Analyseur austretende farbige Licht durch ein Prisma, [* 7] so gewahrt man im Spektrum einen dunkeln Streifen, der während der Drehung das Spektrum entlang wandert, indem er die Farben desselben der Reihe nach austilgt.
Der Analyseur kann aber nur solche Schwingungen auslöschen, welche senkrecht zu seiner Schwingungsebene erfolgen. In dem vom Polarisator kommenden weißen Licht haben alle Farben eine und dieselbe (in [* 1] Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutete) Schwingungsrichtung und würden daher, wenn die Quarzplatte nicht vorhanden wäre, durch den gekreuzt gestellten Analyseur sämtlich ausgelöscht werden. Bei Gegenwart der Quarzplatte aber verschwindet nur je eine Farbe, und zwar muß man, wenn die Platte 3,75 mm dick ist, den Analyseur um 60° aus der gekreuzten Stellung herausdrehen, damit die roten Strahlen ausgelöscht werden und die Platte die entsprechende grüne Ergänzungsfarbe zeigt.
In dem aus der Quarzplatte kommenden Licht muß demnach die Schwingungsrichtung der roten Strahlen senkrecht stehen zur gegenwärtigen Stellung der Schwingungsebene des Analyseurs; sie ist also durch die Einwirkung des Quarzes um einen Winkel [* 8] von 60° gedreht worden und nimmt jetzt die Lage rr' [* 1] (Fig. 1, obere Hälfte) ein. Ebenso finden wir, daß die Schwingungsebene der gelben Strahlen eine Drehung von 90° (gg') u. diejenige der violetten eine solche von 165° (vv') erlitten hat.
Die Wirkung der Quarzplatte besteht also darin, daß sie der Schwingungsebene der polarisierten Strahlen eine Drehung (Rotation) erteilt, welche für die verschiedenen einfachen Farben verschieden ist und zwar zunimmt vom Rot zum Violett. Durch diese Auseinanderlegung der Farben nach verschiedenen Schwingungsrichtungen wird eine Zerlegung des weißen Lichts in seine farbigen Bestandteile, eine Art Farbenzerstreuung, [* 9] bewirkt, welche Rotationsdispersion genannt worden ist. Für eine und dieselbe einfache Farbe ist die Drehung der Dicke der Platte proportional. Wenn man daher für eine bestimmte Dicke die Drehungs-
[* 1] ^[Abb.: Fig. 1. Drehung der Schwingungsebene der polarisierten Strahlen.] ¶
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werte kennt, so kann man sie für jede andre Dicke sofort angeben. Für die den hauptsächlichsten Fraunhoferschen Linien (s. d.) entsprechenden einfachen Farben bringt eine 1 mm dicke Quarzplatte die folgenden Drehungen hervor:
B C D F F G
15° 17° 22° 27° 32° 42°
Bei manchen Bergkristallen muß man, damit der dunkle Streifen im Spektrum vom roten zum violetten Ende wandere, das Polariskop in der Richtung des Uhrzeigers, also rechts herum, drehen; bei andern Exemplaren aber muß man, um denselben Erfolg zu erzielen, links herum drehen [* 10] (Fig. 1, untere Hälfte). Erstere heißen rechts-, letztere linksdrehende Kristalle; [* 11] man kann dieselben schon äußerlich unterscheiden an dem Auftreten gewisser hemiedrischer (s. Kristall, S. 232) Flächen n [* 10] (Fig. 2), welche an dem Kristall oben rechts oder oben links sich zeigen, je nachdem das Exemplar rechts- oder linksdrehend ist. Beide Arten von Bergkristall drehen übrigens bei gleicher Dicke die Schwingungsebene derselben homogenen Lichtart um gleichviel.
Um den Vorgang bei der Drehung der Schwingungsebene im Quarz zu verstehen, untersuchen wir zunächst diejenige Bewegung, welche durch das Zusammenwirken zweier zu einander senkrechter Schwingungen entsteht, und bedienen uns hierzu eines Pendels, welches im Ruhezustand von Q nach O [* 10] (Fig. 3) herabhängt. Bringt man den Pendelkörper nach A und läßt ihn dann los, oder erteilt man ihm, während er sich in O befindet, einen Stoß in der Richtung O A, so schwingt er längs der Geraden A B hin und her; ebenso würde er längs der zu A B senkrechten Geraden C D schwingen, wenn man ihn in dieser Richtung anstieße oder ihn nach C oder D brächte und dann losließe.
Versetzt man nun das Pendel [* 12] in Schwingungen längs A B und erteilt ihm, sobald es seine äußerste Lage A erreicht, einen Stoß in der zu A B senkrechten Richtung A a, der das Pendel, falls es sich nur in dieser Richtung bewegen könnte, ebenso weit von A nach seitwärts treiben würde, als es im Augenblick des Stoßes von der Gleichgewichtslage O entfernt war, so beschreibt der Pendelkörper mit gleichförmiger Geschwindigkeit einen Kreis [* 13] A C B D A in der Richtung der gebogenen Pfeile.
Rechnen wir einen Hin- und Hergang als eine ganze Schwingung, [* 14] so hatte das Pendel bereits eine Viertelschwingung zurückgelegt, als es den Antrieb in der Richtung A a empfing. Es ergibt sich also, daß zwei zu einander senkrechte geradlinige schwingende Bewegungen, von welchen die eine der andern um eine Viertelschwingung voraus ist, sich zu einer kreisförmigen Bewegung zusammensetzen. In dem durch die Zeichnung versinnlichten Fall geht die kreisförmige Bewegung in der Richtung des Uhrzeigers (oder rechts herum) vor sich.
Wird dagegen der Stoß in entgegengesetzter Richtung erteilt, oder wird das Pendel zuerst nach O C in Schwingung versetzt und ihm sodann, sobald es in C angekommen ist, ein Stoß in der zu O A parallelen Richtung C c gegeben, so entsteht eine Kreisbewegung links herum. Wird der Stoß mehr oder weniger kräftig geführt, als vorhin angenommen wurde, oder erfolgt derselbe, während das Pendel zwischen O und A unterwegs ist, so durchläuft der Pendelkörper eine elliptische Bahn. Dagegen kommt eine geradlinige Bewegung zu stande, wenn der seitliche Stoß in dem Augenblick erfolgt, in welchem das Pendel gerade durch seine Gleichgewichtslage O hindurchgeht, wenn also die eine Bewegung entweder gar nicht oder um eine Anzahl halber Schwingungen vor der andern voraus ist.
Diese Bewegungszustände eines Pendelkörpers lassen sich bei den Lichtschwingungen verwirklichen mit Hilfe dünner Kristallblättchen; besonders eignet sich hierzu der Glimmer, der sich leicht in sehr dünne Blättchen spalten läßt. Bringt man ein dünnes Glimmerblättchen derart in den Polarisationsapparat, daß die Schwingungsrichtungen a b und c d [* 10] (Fig. 4) der beiden Strahlen, welche sich in ihm vermöge seiner Doppelbrechung (s. d.) mit ungleicher Geschwindigkeit fortpflanzen, Winkel von 45° bilden mit der Schwingungsrichtung R S des Polarisators, so treten aus dem Blättchen zwei gleich helle Strahlen, von denen der eine nach a b, der andre nach c d schwingt.
Das in O an der Austrittsfläche des Blättchens liegende Ätherteilchen wird sonach, wie der Pendelkörper, gleichzeitig von zwei zu einander senkrechten Antrieben erfaßt und vollführt eine kreisförmige, elliptische oder geradlinige Bewegung, je nach dem Betrag des Vorsprungs, welchen die eine Schwingung gegenüber der andern besitzt. Beträgt dieser Vorsprung eine Viertelschwingung, was der Fall ist, wenn der eine Strahl vermöge seiner größern Fortpflanzungsgeschwindigkeit dem andern um eine Viertelwellenlänge voraus ist, so nimmt das Teilchen eine kreisförmige Bewegung an, rechts oder links herum, je nachdem der nach a b oder der nach c d schwingende Strahl voraneilt; diese Bewegung teilt sich den längs der Strahlrichtung folgenden Ätherteilchen mit; jedes bewegt sich, indem es seinen Umlauf etwas später beginnt als das vorhergehende, in einem Kreis, dessen Ebene
[* 10] ^[Abb.: Fig. 2. Bergkristall.
Fig. 3. Kreisförmig schwingendes Pendel.
Fig. 4. Zerlegung der Schwingungen.
Fig. 5.] ¶
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zum Strahl senkrecht steht, um diesen herum, so daß, wenn man in irgend einem Augenblick alle gleichzeitigen Lagen der Ätherteilchen durch eine krumme Linie verbunden denkt, eine Wellenlinie o'a''b''c''d' [* 15] (Fig. 5) entsteht, welche sich schraubenförmig um den Strahl herumwindet, indem jeder Wellenlänge (o' d' = o d) ein voller Umgang der Schraube entspricht. Einen Lichtstrahl von dieser Beschaffenheit nennt man kreisförmig oder zirkular polarisiert und bezeichnet zum Unterschied die sonst kurzweg so genannten polarisierten Strahlen, deren Schwingungen in geraden, zur Strahlrichtung senkrechten Linien und in einer bestimmten durch den Strahl gelegten Ebene vor sich gehen, als geradlinig polarisiert.
Ein kreisförmig polarisierter Lichtstrahl kann, da seine Beschaffenheit ringsherum die gleiche ist, nach verschiedenen Seiten kein verschiedenes Verhalten zeigen wie ein geradlinig polarisierter Strahl; er verhält sich, mit dem Analyseur untersucht, anscheinend wie ein natürlicher Lichtstrahl. Schickt man ihn jedoch durch ein Viertelwellen-Glimmerblättchen, so wird er, weil dadurch der vorhandene Gangunterschied der beiden Schwingungen a b und c d [* 15] (Fig. 4), welcher ¼-Wellenlänge beträgt, entweder aufgehoben, oder auf ½-Wellenlänge gebracht wird, in geradlinig polarisiertes Licht verwandelt, während das natürliche Licht unter diesen Umständen als solches fortbesteht.
Ein andres Mittel, das Licht kreisförmig zu polarisieren, bietet die totale Reflexion [* 16] (s. Brechung, [* 17] S. 375) dar; unterwirft man derselben einen geradlinig polarisierten Lichtstrahl, dessen Schwingungsebene unter 45° zur Reflexionsebene geneigt ist, so erlangen die beiden parallel und senkrecht zur Reflexionsebene polarisierten Strahlen, in welche man den einfallenden Strahl zerlegt denken kann, einen Gangunterschied, dessen Betrag von der Beschaffenheit der total reflektierenden Substanz und von dem Einfallswinkel abhängt.
Für Glas [* 18] von St.-Gobain fand Fresnel, daß dieser Gangunterschied ein Maximum wird, wenn der Einfallswinkel = 54° 30' ist, und daß er alsdann ⅛-Wellenlänge beträgt. Eine zweimalige innere Reflexion unter diesen Umständen erzeugt demnach einen Gangunterschied von ¼-Wellenlänge; dieselbe wird realisiert durch Fresnels [* 19] Parallelepiped (a b c d, [* 15] Fig. 6); stellt man dasselbe so auf das Glastischchen des Nörrembergschen Polarisationsapparats, daß seine Reflexionsebene mit der Schwingungsebene des Polarisators einen Winkel von 45° bildet, so ist das auf dem Weg b p s d austretende Licht kreisförmig polarisiert und zwar selbst bei Anwendung von weißem Licht in vollkommener Weise, da für sämtliche homogene Farben der hervorgebrachte Gangunterschied genau eine Viertelwelle beträgt. Durch Reflexion an Metalloberflächen wird das natürliche Licht elliptisch polarisiert.
Empfängt ein Pendelgewicht, während es sich in der Entfernung O A [* 15] (Fig. 7) von seiner Gleichgewichtslage O befindet, gleichzeitig zwei entgegengesetzte gleich kräftige Stöße nach A a und A a', von denen jeder für sich im Verein mit dem Antrieb, den das Pendel in der Richtung A O bereits besitzt, eine Kreisbewegung, der eine rechts herum, der andre links herum, hervorbringen würde, so wird das Pendel, da die beiden Stöße sich aufheben, entlang der geraden Linie A B hin- und herschwingen.
Erfolgt der zweite Stoß später, nachdem der Pendelkörper vermöge des ersten bereits den Kreisbogen Ar zurückgelegt hat, so entsteht ebenso eine geradlinige Bewegung längs r r'. Überträgt man diese Betrachtung auf die Lichtschwingungen, so erkennt man, daß aus dem Zusammenwirken zweier entgegengesetzt kreisförmig polarisierter Lichtstrahlen von sonst gleicher Beschaffenheit ein geradlinig polarisierter Lichtstrahl hervorgeht, und daß umgekehrt jeder geradlinig polarisierte Lichtstrahl in zwei gleich helle, entgegengesetzt kreisförmig polarisierte Strahlen zerlegt oder durch sie ersetzt werden kann.
Diese in den allgemeinen Bewegungsgesetzen begründete Vorstellung würde ohne praktische Bedeutung bleiben, wenn es nicht Körper gäbe, welche auf rechts kreisförmiges Licht in anderer Weise wirken als auf links kreisförmiges. Ein solcher Körper ist der Quarz. Die durch ihn bewirkte Drehung der Schwingungsebene erklärt sich nämlich nach Fresnel daraus, daß sich längs der Achse eines Bergkristalls entgegengesetzt kreisförmig polarisierte Strahlen mit verschiedener Geschwindigkeit fortpflanzen.
Ein geradlinig polarisierter Lichtstrahl muß sich alsdann beim Eintritt in eine Bergkristallplatte in zwei entgegengesetzt kreisförmige zerlegen, welche sich, nachdem sie die Platte mit ungleicher Schnelligkeit durchlaufen haben, bei ihrem Austritt wieder zu einem geradlinig polarisierten Strahl vereinigen, dessen Schwingungsebene nach rechts oder nach links von derjenigen des einfallenden Strahls abweicht, je nachdem in der Quarzplatte der rechts oder der links kreisförmige Antrieb voraneilt und die an der Austrittsfläche gelegenen Ätherteilchen früher erfaßt.
Das Vermögen, die Schwingungsebene des geradlinig polarisierten Lichts zu drehen, ist außer dem Quarz nur wenigen festen Körpern eigen, z. B. dem chlorsauren Natron, dem Zinnober, [* 20] dem schwefelsauren Strychnin; dagegen besitzen viele Flüssigkeiten diese Fähigkeit. Nach rechts drehen deutsches Terpentinöl, Zitronenöl, alkoholische Kampferlösung, wässerige Lösungen von Rohrzucker, Traubenzucker, Dextrin, Weinsäure etc.; nach links französisches Terpentinöl, Kirschlorbeerwasser, wässerige Lösungen von arabischem Gummi, Inulin, Chinin, Morphin, Strychnin etc. Ferner besitzen die meisten ätherischen Öle [* 21] diese Fähigkeit. Da das Drehungsvermögen dieser Flüssigkeiten viel geringer ist als dasjenige des Quarzes, so muß man, um dasselbe genau beobachten zu können, viel dickere Schichten anwenden; man füllt daher die Flüssigkeiten in Röhren [* 22] (Fig. 8), welche an den Enden mit ebenen Glasplatten verschlossen sind. Die Drehung wächst einerseits im Verhältnis der Dicke der Schicht, d. h. der Länge der Röhre, anderseits im Verhältnis des Gehalts der Flüssigkeit an wirksamem Stoff (z. B. Zucker). [* 23] Da
[* 15] ^[Abb.: Fig. 6. Fresnels Parallelepiped.
Fig. 7.
Fig. 8. Röhre zur Aufnahme von Flüssigkeiten.] ¶