Ueber das directe Erkennen des polarisirten Lichts und der Lage der Polarisationsebene

II. Ueber das directe Erkennen des polarisirten Lichts und der Lage der Polarisationsebene; von Wilhelm Haidinger.

Bald nach der Entdeckung der Lichtpolarisation durch Malus folgte eine solche Masse glänzender Entdeckungen in diesem Zweige des menschlichen Wissens, der Scharfsinn von Airy, Brewster, Biot, Arago, Fresnel, Herschel, Seebeck und Anderer hat des Schönen und Merkwürdigen in höchster Farbenpracht so viel erschlossen, daß wir auf diesem Felde die reichsten Ernten als eingeheimst betrachten dürfen. Hin und wieder bleibt wohl noch eine kleine Aehrenlese, und als Beitrag zu solchen dürfte ein directes Erkennen des polarisirten Lichts mit dem bloßen Auge, ohne irgend ein Instrument oder irgend ein Werkzeug zu Hülfe zu nehmen, nicht uninteressant seyn. Zugleich wird unzweideutig die Richtung der Polarisation beobachtet.

Bei der aufmerksamen Betrachtung der der Axe parallel geschnittenen Andalusitplatten hatte ich längst bemerkt, daß ihre Farbe zwar im Ganzen sehr blaß röthlich erschien; denn sie waren so dünn geschnitten, daß noch nicht alles rothe Licht absorbirt wurde, daß man aber manchmal ein fliegendes Phantom von einer gelblichen Farbe wahrnahm, das wieder verschwand, wenn es galt die Platte fester in’s Auge zu fassen. Senkrecht auf die optischen Axen geschnitten^{[WS 1]}, zeigt der Andalusit in Richtungen, die von der Krystallstructur abhängen, schöne blaßgrüne Lichtbüschel, von zwei dunkelrothen Räumen eingeschlossen, wenn man in der Richtung dieser Axen hinsieht. Weder direct besehen, noch mit einer Lupe war ich im Stande eine begränzte Figur der gelben Farbe aufzufinden.

Bei einer späteren Gelegenheit suchte ich einen Intensitätsunterschied zwischen den beiden, durch einen Doppelspath hervorgebrachten, Bildern eines schwarzen Quadrats auf weißem Grunde festzuhalten, und da dieser fast unmerklich ist, so war es nothwendig, abwechselnd das eine und das andere zur Vergleichung fest anzusehen. Dabei zeigten sich denn bald gelbliche und graulichviolette Farbentinten, die als Complementärfarben immer sicherer heraustraten, bis sie endlich deutlich die Gestalt gelber Lichtbündel in violettgrauem Grunde annahmen, in der Austheilung, wie sie Fig. 1 Taf. II zeigt, das obere ordentliche Bild $O$ mit einem horizontalen, das untere außerordentliche Bild $E$ mit einem verticalen Büschel, schmal in der Mitte, gegen beide Seiten divergirend.

Schwarz ist aber der Abgang des Lichtes; die zwei weißen Bilder einer im schwarzen Papier ausgeschnittenen Oeffnung, durch Doppelspath besehen, oder die zwei Bilder der dichroskopischen Lupe, gaben leicht, gegen das hellste gleichartige Licht gehalten, die Erscheinung Fig. 2 Taf. II, den gelben Büschel des ordinären Strahles $O$ vertical, den des extraordinären Strahles $E$ horizontal, wenn die Axe des Rhomboëders in einer Verticalebene lag. Nun ist aber der ordinäre Strahl in der Ebene des Rhomboëder-Hauptschnittes polarisirt, der extraordinäre senkrecht darauf. Es zeigt also die Richtung der Lichtbüschel genau die Lage der Polarisationsebene an.

Die Untersuchung der Andalusitplatten mußte nun wieder aufgenommen werden, aber nun nicht mehr in der Entfernung der deutlichsten Sehweite, sondern gerade vor das Auge gehalten, um gegen helles Licht hindurchzusehen. Nun zeigten sich die Büschel in jeder Richtung, in der man hindurchsah, aber stets regelmäßig der verticalen Axe parallel. Aus dieser Lage der Büschel folgt, im Vergleich mit Fig. 2 Taf. II, daß der übrigbleibende hellgrüne Strahl im Andalusit der ordinäre ist. In der That bleibt in der dichroskopischen Lupe das obere Bild $O$ hellgrün, das untere $E$ wird dunkelroth. Die verticale Lage der Büschel läßt sich auf den Flächen $\infty A$, auf den $\infty {\breve {D}}$ und $\infty {\bar {D}}$, dem Prisma von 90° 51′ und seinen beiden Diagonalen beobachten, ja man nimmt sie sogar an nicht geschliffenen oder polirten Geschieben wahr, die man dicht vor das Auge hält. Man erhält die Beobachtung sehr deutlich, wenn man den Krystall erst senkrecht gehalten, nach und nach horizontal stellt, indem die Retina durch die Complementärfarbe für den Eindruck empfindlicher geworden ist. Dieses Herumdrehen der polarisirenden Ebene um die Sehelinie als Axe ist nicht immer möglich. Bei unbeweglichem polarisirten Lichte neigt man den Kopf abwechselnd gegen Rechts und Links, und nimmt dann sogleich, wenn auch in etwas abweichender Richtung, die Büschel deutlich wahr.

Das Nächste war natürlich eine Turmalinplatte Fig. 5 Taf. II. Sie zeigte sehr deutliche Lichtbüschel in horizontaler Stellung gegen die verticale Axe $AB$. Der hindurchgehende Lichtstrahl, mit Fig. 2 Taf. II verglichen, ist also aus der Lage des Büschels der extraordinäre. Wirklich ist auch in der dichroskopischen Lupe das ordinäre Bild $O$ schwarz, alles $O$ ist absorbirt, und das extraordinäre Bild $E$ erscheint mit hellbrauner Farbe.

Vergleicht man den Andalusit Fig. 3 Taf. II, der den ordinären Strahl hindurchläßt, und den Turmalin Fig. 5 Taf. II, der den ordinären Strahl absorbirt, so folgt natürlich, daß sie combinirt nur das der Dicke beider entsprechende Minimum von Licht hindurchlassen. Gekreuzt lassen sie das Maximum durch. Im Andalusit ist der ordinäre Strahl der hellere, stärkere, im Turmalin der extraordinäre.

Auch die grünen Turmaline zeigen deutlich den gelben Büschel, nur die fast farblosen, blaß rosenrothen von Elba lassen beide Strahlen durch. Durch die dichroskopische Lupe erscheint nur das ordinäre Bild ein klein wenig stärker gefärbt.

Es war nun interessant auch das durch die gewöhnlichen Methoden erhaltene polarisirte Licht zu untersuchen; überall konnte man mehr und weniger deutlich die gelben Büschel mit den begleitenden bläulichen Räumen bemerken.

Ein schwarzer Spiegel in horizontaler Lage unter das Auge gehalten, Fig. 7 Taf. II, die breite Fläche eines gut polirten gleichfarbigen Tisches, selbst der mit Wachs eingelassene und glänzende Fußboden, zeigen einen verticalen Büschel, also in dem polarisirenden Hauptschnitte. Bei den verticalen Fensterflügeln beobachtet man die fast horizontalen nur in der Polarisationsebene etwas geneigten Büschel ungemein leicht, besonders wenn man das Auge abwechselnd in das reflectirte Bild eines zunächst anliegenden horizontalen Fensterbalkens oder Kreuzes hält, wodurch die Retina ebenfalls für den Eindruck empfindlicher wird.

Durch eine Schicht Glasplatten, ja durch eine einzige Glasplatte in schiefer Richtung gegangenes Licht zeigt die gelben Büschel, erstere natürlich deutlicher in der Richtung senkrecht auf die Einfallsebene der Strahlen.

Der blaue Himmel ist deutlich in Hauptschnitten polarisirt, welche als größte Kreise durch die Sonne gehen. Die Atmosphäre stellt in optischer Beziehung eine Art von einaxigem Krystall vor, der in der Richtung der Axe die Farbe des Sonnenlichts besitzt, von der sie erleuchtet ist, in der Richtung senkrecht darauf die Farbe der unendlichen Tiefe des Raumes, Abgang alles Lichts, Schwarz, modificirt durch die Körperlichkeit der beleuchteten Atmosphäre zu mehr und weniger dunklem Blau. Blickt man schnell irgendwo an den blauen Himmel, so erscheint deutlich, fast wie zwei zarte gelbe, mit einander verbundene neblige Flecken von der scheinbaren Größe von etwa 2°, der gelbe Büschel in der Richtung des Hauptschnittes. Man verstärkt den Eindruck leicht, wenn man schnell darauf die Augen schließt, und sie in gleicher Höhe auf einem größten Kreise durch die Sonne öffnet, der senkrecht auf dem ersten steht. Auf der Retina erscheint der zweite Büschel kreuzweis gegen den ersten, und viel deutlicher. Die Abwechslung setzt die wunderbare Erscheinung in ihre volle Deutlichkeit, ohne irgend einen Apparat, als das unbewaffnete Auge.

Je stärker das Licht polarisirt ist, desto sicherer erscheinen die Büschel, am deutlichsten in Krystallen, welche einen Strahl absorbiren, und dabei wohl meistens farbig erscheinen. Schon in dem vollkommen durchsichtigen Doppelspath ist der ordinäre Strahl etwas mehr absorbirt, als der extraordinäre. In ziemlich dicken Stücken schief durch zwei parallele Flächen gesehen, so daß man den Strahl ziemlich senkrecht auf die Axe des Rhomboëders richtet, nimmt man den gelben Büschel wahr, und zwar in der Stellung senkrecht gegen die Axe, also den Ueberschuß, den kräftigeren Strahl, den extraordinären. Viel deutlicher erscheinen die gelben Büschel in einem honiggelben Kalkspath von St. Denis in Frankreich. Dieser Kalkspath ist aber in der Richtung der Axe auch dem freien Auge röthlich-honiggelb; senkrecht auf dieselbe mehr gelblich. Durch die dichroskopische Lupe getrennt, indem man senkrecht auf die Axe hinsieht, ist $O$ röthlich honiggelb, $E$ blaß weingelb, und viel heller als $O$.

Der Cordierit zeigt im gewöhnlichen Lichte senkrecht auf einander drei Farben, nämlich in der Fig. 8 Taf. II, welche einen geschliffenen Würfel in dem k. k. Hofmineraliencabinet von zwei Linien Seite darstellt, ist $P$ schön blau, $M$ gelblichgrau klar, $T$ schwach bläulichgrau, etwas trübe; das Ganze von der lichtfarbigen Varietät.

Durch das Dichroskop werden die Farben zerlegt:

$P$ in dunkelblau und sehr blaßblau,

$M$ in dunkelblau und gelblichgrau,
$T$ in gelblichgrau und sehr blaßblau.

Die Büschel liegen wie in der Figur angezeigt ist. Sie zeigen die Helligkeit der Farben. Die stärkste hellste Tinte ist die gelblichgraue, die schwächste dunkelste die dunkelblaue, indem sie zuerst absorbirt wird. Die blaue Farbe von $P$ enthält kein Gelb in der Mischung, die Büschel erscheinen deutlich, doch schwach violett.

Beim Schwerspath, dieser höchst merkwürdigen Species, die in Bezug auf ihre Farben allein schon eine Monographie verdiente, liegen die Büschel nicht in allen Varietäten gleich. Die gelben von Felsöbánya zeigen ihn wie Fig. 9 Taf. II in der großen Diagonale des Rhombus. – Aber das obere ordinäre Bild $O$ ist auch blaß strohgelb, heller als das untere citronengelbe Bild $E$. Bei einem blaß nelkenbraunen aus dem k. k. Hofmineraliencabinet, von Beira in Portugal, liegen die Büschel in der kleinen Diagonale des Rhombus. Aber das obere Bild $O$ ist auch dunkel violblau, das untere Bild $E$ blaß weingelb, daher heller, und die Wirkung des Lichtes, welches dieser Farbe entspricht, bleibt übrig, während die dunkle violblaue absorbirt ist.

Glimmerblättchen, welche so dick sind, daß sich ein Strahl deutlich heller als der andere, welcher daher stärker absorbirt wird, herausstellt, zeigen in gewöhnlichem Lichte die Büschel in der Richtung einer Ebene, welche durch die Mittellinie senkrecht auf der Ebene der Axen steht. Je dünner die Blättchen sind, desto kleiner der absolute Unterschied auch zwischen der Wirkung der beiden senkrecht auf einander polarisirten Strahlen. Man entdeckt dann im gewöhnlichen Lichte auch keine Büschel mehr. Desto schöner und lebhafter erscheinen sie, wenn man durch dünne Glimmerblättchen oder überhaupt durch doppelbrechende Blättchen nach einer polarisirten Lichtfläche hinsieht, aber mit einer merkwürdigen Modification.

Betrachtet man eine horizontale polarisirte Lichtfläche durch eine, in bestimmter Richtung polarisirte Vorrichtung, so wird die Lage des Lichtbüschels in letzterer nicht durch den Einfluß des vertical erscheinenden Lichtbüschels der ersteren verändert. Stehen beide parallel, sind sie also beide vertical, so fällt das Maximum von Licht in’s Auge; ist der Lichtbüschel des Apparats horizontal, so fällt das Minimum von Licht in’s Auge, weil der vertical polarisirte Strahl von der Fläche, welche nur einen horizontal polarisirten zurückwirft oder durchläßt, absorbirt worden ist. Das Maximum der Absorption tritt bei einer Azimuthal-Drehung des analysirenden Apparats von 90° ein. Während man einmal um 360° herumdreht, ist bei 90° ein Maximum, bei 180° ein Minimum, bei 270° ein Maximum, bei 360° oder 0° wieder das anfängliche Minimum der Absorption.

Anders verhält es sich, wenn man ein Blättchen zur Untersuchung anwendet, das zwei gleiche oder doch nur ganz wenig verschiedene Strahlen in Bezug auf Intensität, die senkrecht gegen einander polarisirt sind, hindurchläßt, wie dieß bei krystallisirten Blättchen, außer in den Axenrichtungen, überall der Fall ist.

Wir müssen dabei drei verschiedene Lagen der gelben Büschel unterscheiden, 1) die verticale in der Linie $AA_{1}$, Fig. 11 Taf. II, welche, wie die polarisirende Horizontalebene selbst, fest bleibt; 2) die zwei polarisirten Büschel $BB_{1}$ und $B_{2}B_{2}$, Fig. 12 Taf. II, welche in senkrecht auf einander stehenden Richtungen für jede der beiden Polarisirungen übrig bleiben, wenn man die entgegengesetzte durch einen anpassenden Apparat aufhebt; 3) den Büschel $CC_{1}$, Fig. 13 Taf. II, welcher bei der Deckung von $A$ durch $B$ in verschiedenen Azimuthen beobachtet wird.

Legt man die Platte $BB_{1}$ auf $AA_{1}$, so erscheint ein Büschel $CC_{1}$ ebenfalls vertical.

Dreht man $BB_{1}$, Fig. 14 Taf. II, oben gegen die rechte Seite um einen Winkel $\varphi$, so erscheint der gelbe Büschel in der Richtung $CC_{1}$ mit der Linie $AA_{1}$^{[WS 2]} einen Winkel $2\varphi$ einschließend.

Die Winkeldistanz der wirklichen Polarisationsebene von der festen ist doppelt so groß, als die Distanz der ursprünglichen Polarisationsebene des einen Strahls im Blättchen. Sie eilt um den Drehungswinkel $\varphi$ selbst voraus.

Dreht man das Blättchen um 45°, so erhält $CC_{1}$ eine horizontale Lage. Die Abweichung der Polarisationsebene ist dann im Maximo, und giebt daher bei der Untersuchung durch einen fest polarisirten Apparat die der Lage $AA_{1}$ entgegengesetzten Absorptions-Erscheinungen, obwohl das Blättchen erst um 45° herumgedreht worden ist.

Bei der Drehung von $BB_{1}$ um 90° nimmt der gelbe Büschel die Lage $A_{1}A$ an, das heißt, er ist zwar vertical, aber das obere Ende zu unterst gekehrt. Die Erscheinungen der Absorption sind wie in der ursprünglichen Lage.

Bei einer Drehung von 180° fällt die Erscheinung des gelben Büschels vollkommen wieder in die Richtung $AA_{1}$. Der Büschel hat die Drehung von 360° vollendet, obwohl das Blättchen erst einen Halbkreis beschrieb. Ist die Drehung des letzteren um 360° geschehen, so haben die wirklich dem Auge erscheinenden Büschel schon einen Weg von zwei ganzen Umkreisen zurückgelegt.

Mit der Erscheinung der Büschel ist die nach Octanten vertheilte abwechselnde Helligkeit und Dunkelheit der Krystallplatten im polarisirten und dann analysirten Lichte in unmittelbarem Zusammenhange; die der vollkommenen Polarisation entgegengesetzte Wirkung nimmt nämlich von der durch die Lage der Büschel bestimmten Linie zu beiden Seiten zu, und ist ein Maximum senkrecht auf jene. Aber dort befindet sich eben die zweite Ebene, nach welcher die senkrecht auf der ersten bestehende Polarisation stattfindet. Deckt eine oder die andere Linie den Büschel der ursprünglichen Polarisation des Spiegels, so muß der erscheinende Büschel gleichfalls vertical werden. Das wahre Maximum der entgegengesetzten Wirkung fällt also zwischen die beiden Stellungen und kehrt daher vier Mal wieder, nämlich bei 45°, 135°, 225° und 315°. Bei paralleler Stellung des polarisirenden und des analysirenden Lichtbüschels sind diese Räume hell, die dazwischenliegenden 0°, 90°, 180°, 270° dunkel, bei gekreuzten Büscheln letztere hell, erstere dunkel.

Mittelst der gelben Lichtbüschel, die man durch Glimmerblättchen auf den Flächen polarisirten Lichtes entdeckt, kann man leicht die directe Beobachtung auf diesen vermitteln. Man darf nur eine kurze Zeit durch den Glimmer hindurchsehen und dann denselben schnell vom Auge entfernen, so bleibt für den in abweichender Richtung unmittelbar darauf folgenden Eindruck eines ähnlichen Büschels die Retina mehr empfindlich. Doch ist dieß nicht ein bloß complementärer Eindruck, denn die Büschel zeigen sich auf dem polarisirten Grunde in einer fest bestimmten Richtung, was auch die durch den Glimmer gesehenen für eine Lage gehabt haben mögen.

Die oben beschriebenen Erscheinungen der Büschel in doppelter Winkeldistanz für Drehungen des Glimmerblättchens lassen sich aber noch anders vergleichen. Man setze die Lage des Glimmerblättchens fest, also auch $BB_{1}$, Fig. 15 Taf. II. Bewegt man nun die ursprüngliche Polarisationsebene $AA_{1}$ von $B$ weg gegen die Linke, so erscheint der Büschel unter demselben Winkel rechts in der Richtung $CC_{1}$. Es ist eine wahre circuläre, oder vielmehr gyroidische Polarisation. Der Winkel $BMC$ ist jederzeit gleich dem Winkel $BMA$; $C$ liegt rechts von $B$, wenn $A$ links liegt; umgekehrt liegt $C$ links von $B$, wenn $A$ rechts gedreht wird.

Bei den gewöhnlichen Polarisationsinstrumenten mit festem Polarisationsspiegel lassen sich dergleichen Beobachtungen nicht machen. Sehr leicht werden sie bei solchen ausgeführt, die nach dem Princip von Fig. 16 Taf. II eingerichtet sind. Die durch Polarisation abweichenden Strahlen sind durch parallel gestellte Metallspiegel wieder in die Richtung der Axe der Röhren gelenkt.

Nur in der Richtung der Axen erscheinen die Büschel wieder in fester Stellung.

Was sind denn aber am Ende die gelben Büschel, welche in jedem polarisirten Lichte beobachtet wurden? Wenn man die Erscheinungen an dem schwingenden Seile nach Herschel^[1] zuerst von Dr. Young, als Analogie für die Erklärung der wellenförmigen Bewegung der vom Licht afficirten Aethertheilchen aufgestellt, in der Richtung des gespannten Seiles betrachtet, so müssen zu beiden Seiten des Querschnitts in der Schwingungsebene die Eindrücke der Wellen in der größten Ausweichung $AA'$, Fig. 17 Taf. II, am deutlichsten erscheinen, weil sie einen Augenblick still stehen, um wieder zurückzukehren, wie man dieß so deutlich an schwingenden Saiten wahrnimmt. Die gelben Büschel $BB'$ besitzen eine dieser Analogie allerdings sehr entsprechende Gestalt. Das Auge sieht im polarisirten Lichte die Schwingungen der Aethertheilchen, wenn ein solcher Ausdruck nicht zu gewagt ist. Dann ist auch eben durch die Erscheinung die Schwingungsebene der Wellen unzweifelhaft festgesetzt. Es sind aber dem zufolge in einem durch Reflexion polarisirten Strahl die Schwingungen nicht, wie als Basis des Calculs angenommen wird^[2], der Ebene des Polarisationsspiegels parallel, sondern sie stehen senkrecht darauf. Die Schwingungsebene eines Strahles, welcher durch eine Turmalinplatte polarisirt worden ist, ist nicht der krystallographischen Hauptaxe der Turmalinplatte parallel, sondern sie steht senkrecht darauf.

Wenn ich auch wünschen könnte, diesen anscheinenden Widerspruch schon hier näher zu untersuchen, und überhaupt den Einfluß der Beobachtung der Büschel im polarisirten Lichte, vorzüglich in Bezug auf die circuläre Polarisation, weiter zu verfolgen, so ist dieß doch zu weit aussehend, als daß ich nicht vorläufig schon die Optiker einladen sollte, diese merkwürdige Erscheinung aufzusuchen, und sie in den Kreis ihrer Studien einzuschließen.

1. Vom Licht. Uebersetzt von D. J. C. E. Schmidt, 1831. S. 538.^{[WS 3]}
2. Pouillet’s Physik, von Müller, Bd. II S. 274.^{[WS 4]}

Anmerkungen (Wikisource)

1. Vorlage: geschnittten
2. Vorlage: $AA'$
3. J. F. W. Herschel: Vom Licht. Übersetzung von J. C. Eduard Schmidt. J. G. Cotta’sche Buchhandlung, Stuttgart / Tübingen 1831 Harvard
4. Johann Heinrich Jacob Müller: Pouillet’s Lehrbuch der Physik und Meteorologie, für deutsche Verhältnisse frei bearbeitet. 2. Band. Friedrich Vieweg u. Sohn, Braunschweig 1843 MDZ München