Doppelbrechung

Experimente
Versuch 43: Demonstration der Doppelbrechung von Kalkspat


Bild 1: Brechung und Doppelbrechung
(Links: Optisches Glas; rechts: Isländischer Kalkspat)
(Fotos: Blume)


Brechung
Ein Lichtbündel, das in eine Flüssigkeit oder einen anderen transparenten Körper wie z. B. Glas eintritt, wird gebrochen. Das heißt, es läuft in eine andere Richtung. Tritt es wieder aus dem Körper heraus, so läuft der Strahl wie vorher - nur seitlich versetzt.

Brechung

Grund dafür ist, dass das Licht im neuen Medium eine andere Geschwindigkeit hat als in der Luft. Das kann man mit einer Kolonne Soldaten vergleichen: Sie marschieren stramm auf einem Platz mit festem Belag, und wenn sie in ein Feld gehen müssen, gehen sie langsamer. Und wenn sie dazu noch schräg in das Feld gehen, biegt die Kolonne ab.


Doppelbrechung
Nun gibt es Kristalle (vor allem hexagonale und trigonale), die einen Lichtstrahl sogar in zwei Lichtbündel aufteilen. Wir sprechen von Doppelbrechung. Offenbar muss in beiden Lichtstrahlen die Fortpflanzung des Lichts verschieden sein. Der Grund: Ein Kristall ist nicht homogen wie ein Gas, eine Flüssigkeit oder Glas aufgebaut. Sein Aufbau ist richtungsabhängig, vektoriell. Elektromagnetische Strahlung steht mit den aus geladenen Teilchen zusammengesetzten Bausteinen der Kristalle in enger Wechselwirkung: Deshalb ist die auch Brechung richtungsabhängig. Wir sprechen hier von einer anisotropen Eigenschaft, die die isotropen Gase und Flüssigkeiten nicht zeigen. Es gibt nicht nur kristallographische Achsen, sondern auch optische Achsen. Beim Kalkspat-Rhomboeder fallen beide Achsen zusammen; wir nennen solche Kristalle optisch einachsig.

Ein Strahl der beiden folgt den normalen Brechungsgesetzen; man nennt ihn den ordentlichen Strahl. Der andere tut das nicht, er ist deshalb der außerordentliche Strahl.
Lässt man das primäre Lichtbündel senkrecht auf die Kristallachse fallen, so laufen beide Strahlen zusammen. Bei senkrechtem Einfall auf eine beliebige Fläche des Kristalls wird der ordentliche Strahl nicht gebrochen. Der außerordentliche Strahl wird dagegen abgelenkt.


Doppelbrechung führt zu polarisiertem Licht
Jetzt kommt etwas ganz wichtiges: Bei optisch einachsigen Kristallen sind diese beiden Strahlen polarisiert. Licht beruht bekanntlich auf elektromagnetischen Schwingungen. Und die Schwingungsebenen der beiden Strahlen stehen senkrecht zueinander. Beide Strahlen verlassen den Kristall auch mit diesen Schwingungsrichtungen. Das nutzt man zur Herstellung polarisierten Lichts, wie man es z. B. bei der Analyse von Zuckermischungen benötigt. Dazu muss man den ordentlichen oder den außerordentlichen Strahl aus dem Strahlengang entfernen. Das geschieht mit dem Nicolschen Prisma (kurz "Nicol"). Hierzu wird ein Kalkspatkristall so geschnitten, dass nur der ordentliche Strahl durchkommt, der andere jedoch reflektiert wird.


Doppelbrechenden Kalkspat gibt es überall
Übrigens wurde das Phänomen der Doppelbrechung 1669 erstmals von Erasmus Bartholinus am Beispiel des isländischen Doppelspats beschrieben. Um solche Phänomene zu sehen, brauchst du aber nicht nach Island zum Sammeln zu fahren. Diese Steine gibt es z. B. auch im Teutoburger Wald. Du musst nur ausreichend klare Steine finden.

Bild 2: Doppelspat aus dem Teutoburger Wald
(Foto: Blume)


Die Doppelbrechung zeigen übrigens nicht die regulären - also kubischen - Kristalle.


Weitere Texte zum Thema „Kristalle“


Diese Seite ist Teil eines großen Webseitenangebots mit weiteren Texten und Experimentiervorschriften auf Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie.
Letzte Überarbeitung: 25. März 2010, Dagmar Wiechoczek