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O3 Polarisation
Physikalische Grundlagen
Licht als eine transversale elektromagnetische Wellenerscheinung ist durch die untrennbar miteinander verknüpften elektrischen und magnetischen Anteile der jeweiligen Felder charakterisiert. Dabei stehen die beiden Feldanteile senkrecht aufeinander. Die Ebene, in der der Vektor der
elektrischen Feldstärke schwingt, wird als Schwingungsebene bezeichnet. Der magnetische Anteil
oszilliert ebenfalls in einer dazu senkrechten Ebene, die Polarisationsebene genannt wird. Trifft
Licht auf die Atome in dielektrischen Stoffen, werden diese fast ausschließlich durch die elektrische Feldstärke polarisiert und führen selbst Schwingungen in der Richtung des elektrischen Feldes aus. Liegt die Schwingungsrichtung des einfallenden Lichtstrahls in der Einfallsebene, aufgespannt durch die Richtung des Lichtstahls und das Einfallslot, schwingen die Dipole im Dielektrikum ebenfalls in dieser Ebene. Da sie in ihrer Schwingungsrichtung kein Licht aussenden können,
kann, wenn der Winkel zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl 90° beträgt, d.h.
𝛼𝑃 + 𝛽𝑃 = 90°, kein Licht reflektiert werden. Gemäß dem Brechungsgesetz ist das gerade unter
der Bedingung
𝑡𝑎𝑛𝛼𝑃 = 𝑛
(1)
der Fall. 𝑛 ist der Brechungsindex des Mediums und der Einfallswinkel 𝛼 = 𝛼𝑃 der Brewsterwinkel
für das Medium.
unpolarisiertes Licht
linear polarisiertes Licht
optisch dünneres
Medium
P
P
optisch dichteres
Medium
P
unpolarisiertes Licht
Abb.1
Polarisation durch Reflexion
Bestimmte Stoffe haben die Fähigkeit, die einmal erfolgte Festlegung auf eine Schwingungsebene
des Lichts zu verändern. Solche Stoffe drehen die Schwingungsebene um einen Drehwinkel 𝜑. Sie
werden als optisch aktiv bezeichnet. Je nachdem, ob die Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt erfolgt (Blickrichtung entgegengesetzt zur Richtung des Lichtes), spricht man von
rechts- bzw. linksdrehenden Substanzen.
O3, 04/07, S.1
Der Drehwinkel ist wellenlängenabhängig und bei einer bestimmten Wellenlänge eine Funktion
der Dicke 𝑑 der durchstrahlten Substanz, sowie bei wässrigen Lösungen eine Funktion der Konzentration 𝑐 (Masse der gelösten Substanz pro Volumen der Lösung). Das Verhältnis aus dem jeweiligen Drehwinkel und dem Produkt aus Dicke und Konzentration ist eine Materialkonstante.
Sie wird als spezifisches Drehvermögen bezeichnet.
Ψ=
𝜑
𝑐⋅𝑑
(2)
Eine besondere Erscheinung stellt der Faraday-Effekt dar. Dabei zeigen eigentlich optisch inaktive
Stoffe innerhalb eines Magnetfeldes optisch aktives Verhalten.
Versuchsvorbereitung
- Skizzieren Sie den Verlauf von E- und B-Feld bei einer elektromagnetischen Welle, kennzeichnen Sie die Schwingungs- und Polarisationsebene
- Polarisation des Lichtes durch Reflexion; Brechung; Doppelbrechung
- Eigenschaften des Lichtes (Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz, Polarisation)
- Brewstersches Gesetz
- praktische Bedeutung/Anwendung der Polarisation des Lichtes
- Transversal- und Longitudinalwellen (Erklärung; Beispiel)
Aufgaben
- Messen Sie mehrfach den Brewsterwinkels 𝛼𝑃 für eine durchsichtige Platte, und berechnen Sie
deren Brechungsindex.
- Bestimmen Sie den Fehler des Brechungsindex.
- Messen Sie den Drehwinkel 𝜑, um den linear polarisiertes Licht in Zuckerlösung gedreht wird
in Abhängigkeit der Konzentration der verwendeten Zuckerlösungen sowie in Abhängigkeit der
Länge der durchstrahlten Lösung.
- Ermitteln Sie aus Ihren Messwerten das spezifische Drehvermögen von Zucker.
- Führen Sie für einen Drehwinkel eine Fehlerschätzung für das spezifische Drehvermögen
durch!
- Bestimmen Sie durch Vergleich der Drehwinkel näherungsweise die Konzentration einer vorgegebenen unbekannten Zuckerlösung.
O3, 04/07, S.2