Maße Holzkassette: 24,7 cm x 16,7 cm x 7,2 cm
Durchmesser der Gipskristallpräparate: ca. 6 cm
Dicke des kombinierten Karton-Kork-Rahmens: 8 mm
Inventar-Nr.: 0314
Aus der Historischen Sammlung der Fakultät für Physik
In der gezeigten Holzkassette steckt schwierige, aber äußerst schöne Physik und großartige Handwerkskunst aus dem 19. Jahrhundert. Neben den sechs Gipskristallpräparaten in der Mitte enthält diese Kassette auch unterkühlte Gläser als Beispiele für die Spannungsdoppelbrechung. Wir beschränken uns hier jedoch nur auf die Gipskristallfiguren, die schon seit 1840 in Palmer's New Catalogue angeboten wurden. Rechts vorne ist noch ein Gipskristallkeil, den wir später für das Verständnis der Gipskristallfiguren heranziehen können. Im Prinzip sind die sechs Gipspräparate wie ein Dia aufgebaut, bei dem sich der Film zwischen zwei Glasplättchen befindet. Statt des Films befinden sich hier verschieden dicke hauchdünne Gipsplättchen im Größenbereich von Bruchteilen von Zehntelmillimeter bis einige Zehntelmillimeter zwischen zwei kreisrunden Glasscheiben. Die Fixierung der Gipsplättchen erfolgte mit Kanadabalsam. Die Rahmung besteht auf der Unterseite aus Kork und der Oberseite aus Karton.
Es sind nur mehr folgende Präparate vorhanden, da der Kork nicht sehr stabil ist:
Wird solch ein Gipspräparat zwischen zwei linearen Polarisationsfiltern, nämlich Polarisator und Analysator, beleuchtet und werden die richtigen Einstellungen getroffen, erscheint eine wunderschöne Farbenpracht, wie das untere Foto zeigt. In der ersten Spalte sind die Gipskristallfiguren ohne Polarisatoren zu sehen- sie erscheinen weiß und die Umrisse der Figuren sind nur angedeutet. Die zweite Spalte zeigt die Gipskristallfiguren im Hellfeld, d.h. Polarisator und Analysator sind parallel gestellt. Dadurch kann im Figurenhintergrund, wo keine Gipskristalle sind, maximale Lichtintensität durchdringen. Die Färbung der Figuren wird weiter unten erklärt. In der dritten Spalte werden die Gipskristallfiguren im Dunkelfeld beleuchtet, d.h. die Schwingungsebenen von Polarisator- und Analysator schließen einen Winkel von 90° ein. Man spricht auch von "gekreuzten Polarisatoren", bei denen linear polarisiertes Licht nicht mehr durchdringen kann. Daher ist der Figurenhintergrund schwarz, die Figuren erscheinen aber in prächtigen Komplementärfarben (im Gegensatz zur Beleuchtung im Hellfeld). Durch die Gipskristallplättchen entsteht sowohl im Dunkelfeld als auch im Hellfeld elliptisch bzw. zirkular polarisiertes Licht, das natürlich das lineare Polarisationsfilter, den Analysator, passieren kann. Bilder der Gipskristallfiguren in voller Auflösung finden sich im digitalen Repository der Universität Wien PHAIDRA.
Gipskristalle lassen sich entlang der x-z-Achse leicht in sehr dünne Plättchen spalten. Licht ist als Welle zu betrachten. Fällt Licht senkrecht auf so ein Plättchen ein, hat es nur zwei zueinander senkrechte Schwingungsebenen oder Polarisationsebenen, nämlich eine parallel zur x-Achse und eine parallel zur z-Achse. Es erfolgt aber keine räumliche Auftrennung in ordentlichen und außerordentlichen Strahl wie z.B. beim Kalkspat, der ja namensgebend für die Doppelbrechung war und auf ein Bild gelegt ein leicht verschobenes zweites Bild erzeugt. Den beiden zueinander senkrechten Polarisationsebenen ist etwas unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit zugeordnet und die Idee liegt nahe, durch den zu erwartenden Gangunterschied oder Phasenunterschied der Teilwellen Interferenz von Lichtwellen zu erzeugen. Auf jeden Fall ist die Lage der Schwingungsebenen geeignet, elliptisch oder zirkular polarisiertes Licht zu erzeugen. Im weißen Licht, in dem verschiedene Wellenlängen vorkommen und keine Polarisationsebene ausgezeichnet ist, passiert mit den Gipskristallfiguren gar nichts – sie erscheinen weiß bzw. der Kanadabalsam gibt teilweise eine gelbliche Färbung.
Fällt nun polarisiertes Licht senkrecht auf ein Gipskristallplättchen, laufen nur jene Wellenkomponenten durch den Kristall, die zu den vorgegebenen unterschiedlich schnellen Schwingungsrichtungen passen. Beim Analysator kommen die Wellenkomponenten je nach der Dicke des Gipskristallplättchens mit einem gewissen Phasenunterschied an. Der Analysator lässt genau jene Wellenkomponenten passieren, die seine Schwingungsrichtung haben. Damit ist nun Interferenz der schnellen und langsamen Wellenkomponente möglich, da nur Wellen gleicher Polarisationsebene und gleicher Wellenlänge interferieren können. Es kommt zu Minima und Maxima der Lichtintensität. Diese Überlegung gilt für jede Lichtfarbe. Bei monochromatischem Licht ergibt ein Gipskristallkeil eine Abfolge von hellen und dunklen Streifen. Bei weißem Licht ergäbe sich eine Abfolge von verschiedenfärbigen Streifen, da dann die eine oder andere Lichtfarbe ausgelöscht wird. Bei den Gipskristallfiguren sind die Dicken der Plättchen bewusst so gewählt, dass sich farbenprächtige Figuren ergeben.
PALMER, Edward: Palmer's New Catalogue, with Three Hundred Engravings of Apparatus, Illustrative of Chemistry, Pneumatics, Frictional and Voltaic Electricity, Electro Magnetism, Optics, &c. London, England: William Gilbert, 1840. Online verfügbar
WEBER, Kurt: Polarisation und Doppelbrechung des Lichtes. In: Optik. Wellen- und Teilchenoptik. Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. 3. Hrsg. v. Heinz Niedrig. Berlin: Walter de Gruyter & Co. 10. Aufl., 2004. S. 481–632. Exemplare im Bestand der UB Wien
WEINHART, Pia-Felicitas: Historische Objekte der Doppel- und Spannungsdoppelbrechung. Diplomarbeit, Universität Wien 2018. Exemplare im Bestand der UB Wien
Text und Fotos: Ass.-Prof. i. R. Mag. Dr. Franz Sachslehner
