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Lichtbrechung / Doppelbrechung

Geschichte

Das Phänomen der Doppelbrechung wurde 1669 vom dänischen Wissenschaftler Erasmus Bartholinus am Beispiel des isländischen Doppelspates beschrieben.

Calcit mit Doppelbrechung (Doppelspat)
Calcit mit Doppelbrechung (Doppelspat)

Fundort: Eskifjördur / Island

wolfilain
Calcit
Calcit

deutlich ist die Lichtbrechung zu sehen (doppelter Schriftzug). Daher auch der Name Doppelspat. Fundort: Grünstadt, Pfalz, Deutschland

Stefan

Lichtbrechung und Brechungsindex

Lichtstrahlen werden beim Übergang von einem Medium (zum Beispiel Luft) in ein anderes (zum Beispiel einen Kristall) gebrochen; d.h., sie ändern bei Eintritt an der Grenzfläche ihre Richtung, (bzw. sie werden geknickt und laufen innerhalb des Mediums in eine andere Richtung). Treten sie wieder aus dem Körper heraus, verlaufen die Strahlen wie vorher - nur seitlich versetzt. Beispiel: Leitet man einen Lichtstrahl in einem schrägen Winkel in eine bestimmte Flüssigkeit, so wird er am Übergang zwischen Luft und der Flüssigkeit abgeknickt.

Die Lichtbrechung ist um so stärker, je größer der optische Unterschied zwischen den beiden Medien ist. Ein Maß für die Stärke der Lichtbrechung ist der Brechungsindex (oder die sogenannte Brechzahl), der mit "n" bezeichnet wird. Er kann berechnet werden, wenn die Brechzahlen der beiden Medien bekannt sind. Die Brechzahl ist wellenlängen-abhängig (komplexe Brechzahl), also für unterschiedliche Lichtfarbe verschieden. Dieser Effekt ermöglicht es weißes Licht mittels Prisma in sein Spektrum aufzuspalten.

Doppelbrechung

Es gibt hexagonale und trigonale Kristalle, welche einen Lichtstrahl in zwei Lichtbündel aufteilen. Der Grund dafür ist, dass der Kristall nicht wie eine Flüssigkeit oder Glas homogen ist, sondern einen richtungsabhängigen (vektoriellen) Aufbau besitzt. Deshalb ist auch die Brechung richtungsabhängig, d.h., es handelt sich um eine anisotrope Eigenschaft, welche die isotropen Gase und Flüssigkeiten nicht zeigen.

Kristalle lassen sich in optisch isotrop und anisotrop unterscheiden. Isotrope Kristalle sind kubisch. Bei den anisotropen optischen Kristallen wird noch zwischen einachsig und zweiachsig unterschieden. Bei optisch einachsigen Kristallen (z.B. tetragonale Kristalle) läßt sich die Lichtbrechnung durch zwei verschiedene Brechungsindices beschreiben, bei zweiachigen Kristallen sind es drei unabhängige Größen.

Ein durch einen Kristall hindurchgehender Lichtstrahl wird in zwei Strahlen aufgespalten, die in senkrecht zueinander stehenden Ebenen schwingen. Für diese beiden Strahlen gilt auf Grund unterschiedlicher Polarisationsrichtungen ein anderer Brechungsindex. Der sogenannte ordentliche Strahl (no, o für "ordinaire" (franz. = ordentlich))tritt bei senkrechtem Einfall geradlinig durch den Kristall hindurch, während der andere, der außerordentliche Strahl (ne, e für "extraordinaire" (franz.=außergewöhnlich)), abgelenkt wird. Bei schrägem Einfall werden beide Strahlen, jedoch unterschiedlich stark, abgelenkt, der Brechungsindex ist also für die beiden Strahlen unterschiedlich. Diese Erscheinung nennt man Doppelbrechung. Sie ist beim Calcit (i.d.F. Doppelspat) sehr deutlich, läßt sich jedoch unter dem Mikroskop auch bei allen anderen Mineralien, außer den kubischen und amorphen, feststellen. Die Symmetrie der Brechungsindices muss der Kristallsymmetrie immer gehorchen.



Polarisiertes Licht

Bei optisch einachsigen Kristallen wie z.B. dem Calcit-Doppelspat-Rhomboeder sind der ordentliche Strahl no und der außerordentliche Strahl ne polarisiert. Licht beruht auf elektromagnetischer Schwingung; die Schwingungsebenen der beiden Strahlen stehen senkrecht zueinander und verlassen den Kristall auch mit diesen Schwingungsrichtungen. Diese Tatsache wird zur Herstellung von polarisiertem Licht genutzt, wobei man mittels eines Nicolschen Prismas (Nicol) den ordentlichen Strahl aus dem Strahlengang entfernt.

Nicolsches Prisma

Das Nicolsche Prisma (benannt nach dem englischen Physiker William Nicol, 1768-1851) ist ein Polarisator, der aus zwei Calcit-Prismen besteht, die unter Beachtung des Verlaufs der optischen Achse des Kristalls entlang ihrer Längsachse zusammengesetzt und mit Kanadabalsam verklebt werden. (Kanadabalsam hat eine ähnliche Brechzahl). An der Klebe- oder Kittstelle wird der ordentliche Strahl unter Ausnutzung der Totalrefexion seitlich heraus reflektiert und an einer geschwärzten Wand absorbiert. Der außerordentliche Strahl tritt, leicht parallel verschoben, aus dem Prisma aus, nachdem er die Trennfläche passiert hat. Das Ergebnis ist ein polarisiert austretendes Lichtbündel.

Nicolsche Prismen fanden lange Zeit Verwendung als Polarisatoren in der Polarisationsmikroskopie, sind heute jedoch durch billigere Polarisationsfolien ersetzt.

Nicolsches Prisma
Nicolsches Prisma

Schema eines Nicolschen Prismas; Calcit-Prisma durchschnitten und zusammengekittet. Der ordentliche Strahl (grün) wird an der Kittstelle total reflektiert und der außerordentliche Strahl (rot) wird...

Cepheiden




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Quellangaben


Einordnung