O-07 – Rotationsdispersion von Quarz - II. Physikalisches Institut ...

O-07 – Rotationsdispersion von Quarz 1
O-07 – Rotationsdispersion von Quarz
(Version 2 – 8. Juni 2011)
Betrachtet man einen optisch aktiven Stoff durch ein Polarimeter, so beobachtet man, dass sich
seine Farbe mit der Stellung des Polarimeters verändert. Optische Aktivität kann in kristallinen
Mineralien, in Flüssigkeiten und in Lösungen auftreten, und zeichnet sich dadurch aus, dass
polarisiertes Licht beim Durchgang durch den Stoff seine Polarisationsrichtung (nicht zu verwechseln
mit der Ausbreitungsrichtung!) ändert. Der Betrag dieser Änderung hängt u. a. von der
Wellenlänge des Lichtes ab, was zu den als Rotationsdispersion bezeichneten Farberscheinungen
im Polarimeter führt. Er gibt außerdem Aufschluss über die mikroskopischen Struktur des
untersuchten Stoffes, und hat daher zahlreiche Anwendungen gefunden.
Voraussetzungen
• Polarisation des Lichtes (linear, zirkular), Erzeugung von polarisiertem Licht
• Doppelbrechung, Nicolsches Prisma
• Strahlengang im Polarimeter, Halbschattenanordnung, Skalenablesung eines Nonius
• Drehung der Polarisationsebene durch optische Aktivität bei Quarz, Drehsinn
• Funktionsweise einer Metalldampflampe
Literatur
u. a. Bergmann Schäfer, Band III (Optik) Kap. 4.7 (Polarisation), 4.8 (optische Aktivität)
Versuchsaufbau
Der einfachste Aufbau eines Polarimeters besteht aus zwei Polarisationsfiltern. Der erste wird
als Polarisator bezeichnet, und dient dazu, das natürliche Licht linear zu polarisieren. Zum
Nachweis von polarisiertem Licht verwendet man den zweiten Polarisationsfilter, den man als
Analysator bezeichnet. Ist der Analysator so eingestellt, dass seine Polarisationsrichtung mit
der des Polarisators zusammen fällt, so wird (sofern keine die Polarisation verändernde Probe
im Strahlengang liegt!) das Licht vollständig hindurch gelassen, und das Bild ist maximal hell.
Steht er dagegen senkrecht zum Polarisator, so wird gar kein Licht hindurch gelassen, und es ist
vollkommen dunkel. In der Praxis sind diese beiden Einstellungen jedoch nur mit sehr geringer
Präzision zu erkennen, da die Helligkeit sich hier nur langsam mit dem Winkel ändert. Bei dem
Halbschattenpolarimeter nach Lippich (Abb. 1) ist daher hinter dem Polarisator (P) noch ein
zweiter Polarisator (P’) eingebaut, der nur das halbe Gesichtsfeld bedeckt.
B L P P´ Q A F
Abbildung 1: Aufbau des Halbschattenpolarimeters nach Lippich: B - Lichtquelle; L - Linse; P,
P’ - Polarisationsprismen; Q - Probe; A - Analysatorprisma; F - Fernrohr.
Praktikum A – Teil 2 II. Physikalisches Institut Universität zu Köln

O-07 – Rotationsdispersion von Quarz 2
H
e
H´
H
e
H´
H
e
H´
H
e
H´
P
P´
P P P
A
A
P´ P´ P´
A
(a)
(b) (c) (d)
Abbildung 2: Funktionsweise des Halbschattenpolarimeters: (a) Stellung der Polarisationsprismen;
(b) Analysator A gekreuzt mit Polarisator P; (c) Analysator A gekreuzt mit Polarisator
P’; (d) Halbschattenstellung.
Die Hauptschnitte H und H’ der Polarisationsprismen P bzw. P’ sind um einen kleinen Winkel
ε zueinander verdreht (Abb. 2a). Steht der Analysator gekreuzt mit jeweils einem der beiden
Polarisatoren, erscheint die entsprechende Hälfte des Gesichtsfeldes völlig dunkel, während die
andere eine gewisse Resthelligkeit zeigt, (Abb. 2b und c). Steht der Analysator senkrecht zur
Winkelhalbierenden von H und H‘, so erscheinen beide Hälften gleich dunkel (Abb. 2d). Das
Auge kann diese Einstellung mit großer Genauigkeit wahrnehmen.
Messung
Zuerst wird die Nullstellung ϕ 0 des Halbschattenpolarimeters bestimmt, also der Winkel ohne
Probe, bei dem beide Hälften des Gesichtsfeldes gleich hell erscheinen. Diese Einstellung ist bei
insgesamt vier Winkeln gegeben. Man wählt zweckmäßigerweise diejenigen, bei der die geringere
Lichtintensität beobachtet wird (warum?). Zur Bestimmung des Mittelwertes werden zehn
Einzelmessungen aufgenommen.
Anschließend legt man eine Probe in das Polarimeter, und bestimmt zunächst den Drehsinn des
Quarzes, also das Vorzeichen des Winkels. Dieser ergibt sich aus der Abhängigkeit des Drehwinkels
von der Wellenlänge des Lichtes. Dazu verfolgt man die Reihenfolge der Farben während
man den Analysator dreht. Danach bestimmt man den Drehwinkel für eine feste Wellenlänge
mit Hilfe des grünen Farbfilters. Man misst erneut den Winkel für die Halbschattenstellung ϕ
in zehn Einzelmessungen. Diese Messungen werden für alle drei Proben gemacht, für einen der
Quarze wird zusätzlich der Drehwinkel mit rotem, gelbem und blauem Licht bestimmt. Vor dem
Wechseln der Proben ist die Nullstellung ϕ 0 zu kontrollieren. Insbesondere ist bei der Drehung
des Analysators darauf zu achten, dass man an dafür vorgesehener Stelle anfasst, und nicht vorn
am Okular, weil die Nullstellung sich dabei verändern kann.
Auswertung
1. Bestimmung des Drehsinns der Quarze aus der Farbfolge bei Betrachtung mit weißem Licht.
2. Berechnung des Drehwinkels der Polarisation α = ϕ − ϕ 0 aus den Mittelwerten der Halbschattenwinkel
ϕ, ϕ 0 von je zehn Einzelmessungen für drei Proben bei grünem Licht, und
für eine Probe bei rotem, gelbem und blauem Licht. Bestimmung der zugehörigen Fehler.
3. Bewertung, Vergleich und Diskussion der Ergebnisse
Die Spektrallampen dürfen nur vom Assistenten eingeschaltet werden!!!
Praktikum A – Teil 2 II. Physikalisches Institut Universität zu Köln