Drehung der Polarisationsebene durch Quarz

LD
Handblätter
Physik
Optik
Polarisation
Optische Aktivität, Polarimetrie
P5.4.3.1
Drehung der Polarisationsebene
durch Quarz
Versuchsziele
Beobachtung der Drehung der Polarisationsebene durch Quarz in einer Anordnung aus zwei gekreuzten Polarisatoren.
Unterscheidung zwischen rechts drehenden, links drehendem und nicht drehendem (d. h. parallel zur optischen Achse
geschnittenem) Quarz.
Grundlagen
Bringt man eine planparallele Quarzplatte, die senkrecht zu
einer als optische Achse bezeichneten Kristallrichtung geschnitten ist, in den Strahlengang zwischen zwei gekreuzte
Polarisatoren, so hellt sich das Gesichtsfeld auf (F. Arago,
1811). Erneute Dunkelheit erreicht man bei einfarbigem Licht,
wenn man den Analysator um einen bestimmten Winkel ␣
dreht. Die Quarzplatte hat also die Polarisationsebene des
Lichts um den Winkel ␣ gedreht.
0411-Sel
Fig. 1
Die Ursache für das Drehvermögen des Quarzkristalls liegt in
seiner schraubenförmigen Kristallstruktur. Sie bewirkt, dass
sich rechts zirkular polarisiertes und links zirkular polarisiertes
Licht im Kristall mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten ausbreiten. Linear polarisiertes Licht, das in den Kristall
eintritt, lässt sich in eine rechts und eine links zirkular polarisierte Teilwelle zerlegt denken. Beide Teilwellen breiten sich mit
unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten aus, so dass sich
eine zur Laufstrecke proportionale Phasendifferenz ergibt. Die
Überlagerung der beiden Teilwellen nach der Laufstrecke ergibt eine linear polarisierte Welle, deren Polarisationsrichtung
gegenüber der Ausgangswelle gedreht ist. Der Drehwinkel ␣
ist also proportional zur Laufstrecke im Kristall und damit zur
Kristalldicke d.
Versuchsaufbau zur Drehung der Polarisationsebene
durch Quarz.
a Halogenleuchte
b Lichtfilter (in Bildschieber)
c Polarisator
d Quarzkristall (in Halter mit Federklemmen)
e Analysator
f Linse
g Beobachtungsschirm
Es gibt rechts drehende Quarze und links drehende Quarze.
Bei einer Rechtsdrehung wird die Polarisationsebene für einen
dem Strahl entgegen blickenden Beobachter im Uhrzeigersinn
gedreht, bei einer Linksdrehung gegen den Uhrzeigersinn. Der
Drehwinkel ist stark von der Wellenlänge des Lichts abhängig,
daher wird im Versuch einfarbiges Licht verwendet.
1
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P5.4.3.1
Auswertung und Ergebnis
Geräte
1 Quarz, parallel . . . . . . . . . . . . . . .
1 Quarz, rechtsdrehend . . . . . . . . . . .
1 Quarz, linksdrehend . . . . . . . . . . . .
472 62
472 64
472 65
1 Halogenlampe, 12 V/100 W . . . . . . . .
1 Halogenleuchte 12 V, 50/100 W . . . . .
450 63
450 64
1 Bildschieber zur Halogenleuchte . . . . .
1 Hg-Lichtfilter, gelb . . . . . . . . . . . .
450 66
468 30
1 Transformator 2 … 12 V
521 25
. . . . . . . . .
2 Polarisationsfilter . . . . .
1 Linse, f = + 100 mm . . . .
1 Halter mit Federklemmen .
1 Durchscheinender Schirm
.
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.
Gegen das Licht betrachtet, dreht der rechts drehende Quarzkristall die Polarisationsebene des Lichts um 32,5⬚ nach rechts
und der links drehende Quarzkristall nach links.
472 401
460 03
460 22
441 53
1 Kleine Optische Bank . . . . . . . . . . .
1 Großer Stativfuß, V-förmig . . . . . . . .
6 Leybold-Muffen . . . . . . . . . . . . . .
460 43
300 01
301 01
Experimentierkabel mit 2,5 mm2 Querschnitt
Aufbau
Der Versuchsaufbau ist in Fig. 1 dargestellt.
– Komponenten unter Beachtung der Positionsangabe für
–
–
–
–
den linken Rand der Leybold-Muffen auf der kleinen Optischen Bank montieren.
Beide Polarisationsfilter so ausrichten, dass ihre Skala zum
Beobachtungsschirm zeigt, und beide auf 90⬚ stellen.
Halogenleuchte zum Betrieb mit 100-W-Halogenlampe
(vor Reflektor, siehe Gebrauchsanweisung zur Halogenleuchte) einrichten und Hg-Lichtfilter in Bildschieber vor die
Austrittsöffnung schieben.
Halogenlampe mit Hilfe des Justierstabes (a1) im Lampengehäuse so ausrichten und Linse auf der Optischen Bank
so verschieben, dass das Gesichtsfeld auf dem Beobachtungsschirm gleichmäßig ausgeleuchtet wird.
Analysator auf 0⬚ stellen (maximale Dunkelheit des Gesichtsfeldes).
Durchführung
– Parallelen Quarz mittig in Halter mit Federklemmen einsetzen und mit Analysator maximale Dunkelheit suchen.
– Rechtsdrehenden Quarz mittig in Halter mit Federklemmen
einsetzen und mit Analysator maximale Dunkelheit suchen.
– Linksdrehenden Quarz mittig in Halter mit Federklemmen
einsetzen und mit Analysator maximale Dunkelheit suchen.
Messbeispiel
Tab. 1: Winkelstellung des Analysators bei maximaler Dunkelheit des Gesichtsfeldes (Polarisator: 90⬚)
Objekt
Dicke
Winkelstellung
ohne Quarz
0⬚
Quarz, parallel
0⬚
Quarz, rechts drehend
1,5 mm
+32,5⬚
Quarz, links drehend
1,5 mm
−32,5⬚
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O b je k t
o h n e Q u a rz
Q u a r z , p a r a lle l
Q u a rz , re c h ts d re h e n d
Q u a r z , lin k s d r e h e n d
D ic k e
1 ,5
4 m
1 ,5
4 m
m m
m
m
m m
W in k e ls te llu n g
0 °
0 °
+ 3 2 ,5 °
+ 8 7 °
-3 2 ,5 °
-8 7 °
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