Versuch 14/1: Polarisationsapparat

Versuch 14/1: Polarisationsapparat
27. Juli 2010
Asisstentin: Amely Tampe
Versuchsdatum: 27.04.2010
Abgabedatum: 04.05.2010
Korrekturdatum:
1

1 Einleitung
Licht ist kleiner Bereich des Spektrums der elektromagnetischen Wellen, nämlich der, der für den
Menschen sichtbar erscheint. Elektromagnetische Wellen können mit unterschiedlichen Wellenlängen
vorkommen: Sie reichen von Gammastrahlung und Röntgenstrahlung über das für uns sichtbare Licht
bis hin zu Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen. Unsere Netzhaut kann Licht in den Wellenlängen
von 400-700 nm wahrnehmen, manche Insekten können auch den kurzwelligeren UV-Bereich sehen.
„Elektromagnetisch“ bedeutet, dass die Ausbreitung der Welle von elektrischen und magnetischen Feldern
beeinflusst wird. Eine Welle wird durch drei Parameter gekennzeichnet: die Ausbreitungsrichtung
( k), den elektrischen Feldvektor ( E) und den magnetischen Feldvektor ( B). Die beiden Feldvektoren
schließen immer einen Winkel von 90 ◦ ein. E und B schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung,
man nennt diese Wellen transversal (im Gegensatz zu Schallwellen: Hier zeigen Ausbreitungsrichtung
und die Feldvektoren in eine Richtung = Longitudinalwellen). Die Polarisation beschreibt die Richtung
Abbildung 1: Transversalwelle
des elektromagnetischen Feldvektors E. Zeigt dieser konstant in eine bestimmte Richtung und ändert
periodisch seine Länge und sein Vorzeichen, entstehen linear polarisierte Wellen. Bleibt die Länge konstant,
die Richtung ändert sich aber periodisch, sind es zirkular polarisierte Wellen. Eine Mischform
von beiden Arten ist elliptisch polarisiert.
Licht wird auf der Erde zum größten Teil als Sonnenlicht wahrgenommen, aber auch in Form von
Glühlampen oder Kerzenlicht. Diese Lichtquellen erzeugen unpolarisiertes Licht. Unpolarisiert bedeutet,
dass ein Lichtwellenbündel sich aus Lichtwellen zusammensetzt, die viele zufällig verteilte Polarisationrichtungen
haben. Mit Hilfe eines Polarisationsapparates kann man unpolarisierte elektromagnetische
Wellen polarisieren. Dieser filtert alle Polarisationsrichtungen bis auf eine und erzeugt so
linear polarisiertes Licht. Diesen Vorgang machen sich zum Beispiel spezielle Polarisationsbrillen zu
Nutze, die in der Seefahrt oder bei Hobbyanglern gerne genutzt werden. Sie polarisieren das Licht, das
vom Wasser reflektiert wurde und reduzieren die Blendung. Auch in der Fotografie finden sogenannte
Polaroidfilter Verwendung, da sie die Bildqualität verbessern können. In der Mikroskopie werden
Polarisationsfilter verwendet, um optisch aktive Stoffe z.B. Cellulose in Zellwänden, Amyloplasten in
Zellen u.ä. sichtbar zu machen.
Optisch aktive Substanzen drehen die Polarisationsebene der auftreffenden Welle. Organische Stoffe
in wässriger Lösung (z.B. Zucker oder Stärke) oder Kristalle wie Quarz nennt man aufgrund dieser
Eigenschaft chiral. Trifft eine linear polarisierte Welle auf eine Probe, wird die Polarisationsebene um
einen Winkel α gedreht. Der Grund für diese Drehung ist eine im Grundaufbau des Moleküls oder
Kristalls liegende Asymmetrie. Stellt man sich eine chirale Substanz A vor und spiegelt sie erhält
man eine Abbildung A . A und A sind dann nicht deckungsgleich und man nennt sie Enantiomere.
Viele Substanzen in der Natur kommen in achiraler Form oder als Gemisch von Enantiomeren vor.
2

Das bedeutet, die Polarisationsrichtung wird zwar beim Auftreffen auf ein Molekül A gedreht (z.B.
nach rechts um einen Winkel α), trifft aber auch auf wieder auf ein Enantiomer A und wird dann
in entgegengesetzte Richtung gleichen Betrages (nach links) zurückgedreht, sodass effektiv keine optische
Aktivität vorliegt. Bei chemisch reinen Enantiomeren tritt dieser Neutralisationseffekt nicht mehr
auf, da die Drehwinkel sich addieren. Man unterscheidet dabei zwischen rechtsdrehenden und linksdrehenden
Substanzen. Im folgenden Versuch werden als Proben Quarze unterschiedlicher Dicke und
Zuckerlösungen unterschiedlicher Konzentrationen auf ihr Drehvermögen getestet.
2 Material und Methoden
2.1 Allgemeiner Teil
Abbildung 2: Aufbau des Polarisationsapparates - Gesichtsfeld ist hell
Der verwendete Polarisationsapparat besteht aus zwei hintereinander geschalteten Polarisationsfolien,
im folgenden Polarisator (P) und Analysator (A) genannt (siehe Abb. 2). Das unpolarisierte Licht
einer Glühbirne wird zunächst durch einen der drei Farbfilter (gelb, rot oder blau) auf eine Wellenlänge
reduziert. Damit erhalten wir monochromatisches Licht. Beim Durchgang durch den Polarisator
wird es linear polarisiert und erhält eine bestimmte Polarisationsrichtung. Bei Bedarf kann nun in eine
Halterung eine optisch aktive Substanz eingebracht werden. Wenn die Wellen die Substanz durchtreten,
wird ihre Polarisationsrichtung um einen bestimmten Winkel α gedreht. Mit Hilfe eines zweiten
Polarisationsfilters, dem Analysator, können wir den Winkel der Polarisationsebene messen. Dazu ist
er drehbar und besitzt einen Winkelmesser. Bevor wir die Substanzen in die Halterung einlegen und
deren Drehwinkel ermitteln können, müssen wir den Analysator eichen. Dazu bringen wir ihn in eine
"gekreuzte Stellung", also in einen senkrecht zur Polarisationsebene stehenden Winkel. Jetzt verdunkelt
sich das Gesichtsfeld (siehe Abb. 3). Man nutzt also genau die Winkel α 0 und α 0 + 180 ◦ , bei denen
Abbildung 3: Eichung des Analysators - Gesichtsfeld verdunkelt sich
das Licht komplett blockiert wird. Diese Winkel können wir sehr viel genauer festlegen, als die, bei
denen die Polarisationsebene mit der Ebene des Analysators übereinstimmt (hier wird das Licht meist
etwas heller, die Grenzen dieser Einstellung sind nicht deutlich genug erkennbar).
3

Setzen wir nun die optisch aktive Substanz in die Halterung ein, beobachten wir wieder eine Aufhellung
des Gesichtsfeldes, da die Polarisationsebene gedreht wurde (siehe Abb. 4). Bringen wir den Analysator
wieder in die Stellung in der sich das Gesichtsfeld verdunkelt oder ein Farbumschlag erkennbar wird,
erhalten wir zwei neue Winkel α 1 und α 1 + 180 ◦ .
Abbildung 4: Einsetzen des optisch aktiven Mediums
Jetzt können wir die Differenz zwischen ungedrehter und gedrehter Polarisationsrichtung als Drehwinkel
α berechnen:
α = α 0 − α 1 oder α =(α 0 + 180 ◦ ) − (α 1 + 180 ◦ )
sollten dabei die selben Ergebnisse haben.
2.2 Quarz
Quarz bildet sechsseitige Kristalle, die als zwei Enantiomere vorkommen können. Durch seine spezielle
Kristallstruktur wirkt der Quarz optisch aktiv: Die einzelnen Teilchen sind schraubenförmig angeordnet.
Ein Kristall ist dabei rechtsdrehend, der andere linksdrehend.
Im ersten Versuchsteil haben wir gelbes, rotes und blaues Licht auf Quarze unterschiedlicher Dicke
und Drehrichtung gerichtet, um zu zeigen, dass die Drehung sowohl von der Dicke des Quarzes gemäß
der Formel
α =(α) · l
als auch von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist. Dabei ist α die Drehung, (α) das Drehvermögen
des Quarzes und l die Dicke des Quarzes
Wir verwendeten rechtsdrehenden Quarz mit einer Dicke von l 1 =1, 115 mm und l 2 =0, 505 mm,
sowie einen dritten Quarz unbekannter Drehrichtung und Dicke. Die Dicke wird im Ergebnisteil errechnet.
2.3 Zuckerlösungen
Ebenso wie bei den Messungen an Quarz verwenden wir die drei verschiedenen Farbfilter und setzen
Zuckerlösungen unterschiedlicher Konzentrationen q 1 =0, 26
g , q
cm 3 2 =0, 09
g und q
cm 3 3 =0, 03 g
cm 3
ein. Damit zeigen wir im Weiteren, das die spezifische Drehung gemäß der Formel
α =[α] · l · q
von der Konzentration der Lösung und von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Dabei ist [α] die
spezifische Drehung, l die Länge der Küvette und q die Konzentration der Lösung. Der verwendete
Haushaltszucker (Saccharose) besteht aus D-Glucose und D-Fructose und ist ein chirales Molekül. Es
dreht die Polarisationsrichtung der einfallenden Welle nach rechts.
4

3 Ergebnisse
3.1 Eichung des Analysators
Tabelle 1: Messergebnisse für ein dunkles Gesichtsfeld bei
α 0 α 0 + 180 ◦
Gelb 60, 1 ◦ 240, 4 ◦
Rot 60, 4 ◦ 242 ◦
Blau 56 ◦ 244, 2 ◦
Tabelle 1 zeigt die Mittelwerte der Messergebnisse der Polarisationsebene des monochromatischen
Lichts ohne optisches Medium.
3.2 Messungen an Quarz
Im Anhang finden sich in Diagramm 1 die Ergebnisse der Messungen an Quarzen, wobei je ein Graph
für die Messung bei gelbem, rotem oder blauem Licht steht. Die unbekannte Dicke l x des dritten
Quarzes ergibt sich aus folgender Rechnung:
α =(α) · l
l =
α
(α)
(α) gelb = 21, 5 ◦ /mm
l gelb =
23, 0◦
21, 5 ◦ =1, 07 mm
/mm
(α) rot = 19, 3 ◦ /mm
l rot =
21 ◦
19, 3 ◦ =1, 09 mm
/mm
(α) blau = 33, 1 ◦ /mm
l blau =
57, 8◦
33, 1 ◦ =1, 75 mm
/mm
Mittelwert:
l x = ¯l = l gelb + l rot + l blau
3
= 1, 3 mm
3.3 Messungen an Zuckerlösungen
Das Diagramm 2 zeigt die Abhängigkeit des Drehwinkels von der Konzentration der Zuckerlösung und
der Farbe, bzw. Wellenlänge des Lichts.
5

Für die spezifische Drehung der Saccharose ergibt sich:
α =[α] · l · q
[α] =
a) für eine Saccharosekonzentration q 1 =0, 26 g
cm 3
Behälters von l = 20 cm):
36, 8 ◦
[α] =
20 cm · 0, 26 g =7, 1 ◦·cm2
g
cm 3
α
l · q
ist ᾱ = 36, 8 ◦ und damit gilt (bei einer Länge des
b) für eine Saccharosekonzentration q 2 =0, 09 g ist ᾱ = 15, 2 ◦ und damit gilt :
cm
15, 2 ◦
3
[α] =
20 cm · 0, 09 g =8, 4 ◦·cm2
g
cm 3
c) für eine Saccharosekonzentration q 3 =0, 03 g ist ᾱ =7, 2 ◦ und damit gilt :
cm
7, 2 ◦
3
[α] =
20 cm · 0, 03 g = 12 ◦·cm2
g
cm 3
4 Diskussion
Tabelle 1 zeigt die Winkelstellungen des Analysators bei denen sich das Gesichtsfeld verdunkelt. Bei
genau zwei Stellungen trat dies ein, da das Licht bei gekreuzter Stellung nicht hindurch scheinen kann,
also bei α und bei α + 180 ◦ .
In den Versuchen sollte gezeigt werden, dass es einen linearen Zusammenhang zwischen Dicke bzw.
Konzentration und Drehwinkel gibt. In Diagramm 1 ist erkennbar, dass der Drehwinkel mit der Dicke
l des Quarzkristalls steigt, d.h. je länger der Weg ist, den das Licht durch das Medium hinter sich legen
muss, umso stärker wird es gedreht. Ähnliches gilt auch für die Messungen an Zucker. Wie in Diagramm
2 zu sehen ist, steigt der Drehwinkel mit der Konzentration der Lösung. Mit der Konzentration steigt
wiederum die Anzahl der optisch aktiven Saccharosemoleküle, sodass die Lichtwellen stärker abgelenkt
werden. Diese Abhängigkeit ist also nachgewiesen.
Außerdem ist bei beiden Versuchen erkennbar, dass der Drehwinkel auch von der Farbe des Lichtes
abhängt. Je kleiner die Wellenlänge ist, desto höher ist der Drehwinkel. So ist zu erklären, dass das blaue
Licht am stärksten abgelenkt wird, das rote Licht am wenigsten. Da das gelbe Spektrum zwischen den
beiden anderen liegt, liegt der Drehwinkel hier auch dazwischen. Beim Auftreffen auf die optisch aktiven
Medien ändert sich die Wellenlänge λ der Lichtwellen, sie wird kürzer. Je kürzer die Wellenlänge ist,
desto länger ist der Weg, den die Photonen durch das Medium nehmen müssen. Sie treffen auf wesentlich
mehr optisch aktive Moleküle, sodass sich der Dreheffekt verstärkt. Am stärksten ausgeprägt ist das
bei den kurzen Wellenlängen des blauen Lichts: Der Weg ist hier generell schon länger als bei höheren
Wellenlängen und dieser Effekt wird durch das optische Medium noch verstärkt.
Literatur
[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Polarisiertes_Licht, 26.4.2010, 19:20 Uhr
[2] Lon-CAPA „Polarisierung von Licht“
[3] Trautwein, "Physik für Mediziner, Biologen, Pharmazeuten", 7. Auflage, 2008, de Gruyter
6

[4] http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d03/03c.htm, 16.05.2010, 22:00 Uhr
[5] Abbildung 1: http://www.ipf.uni-stuttgart.de/lehre/online-skript/edynamik/welle1.gif, 16.05.2010,
10:35 Uhr
[6] Abbildung 2-4: Skript „Versuch 14/1 Polarisationsapparat“ S.3 (abgewandelt)
7