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Der Fizeausche Versuch ber die nderung des Polarisationsazimuts eines gebrochenen Strahles durch die Bewegung der Erde.

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137
8. D e r Fixeausche Yersuch
iiber die znderung des Polarisationsax6muts
eines gebrochenem StrahZes
durch &e Bewegung der Erde;
von B. B t r a s s e r .
Die Versuche, welche angestellt wurden, einen EinfluB
der Erdbewegung auf die auf der Erde zu beobachtenden
optischen Erscheinungen nachzuweisen, haben bisher zu einem
negativen Ergebnis gefiihrt. Nur F i z e a u l ) gibt an, in eipem
Falle einen solchen EinfluB beobachtet zu haben. LieB er
einen polarisierten Lichtstrahl durch eine Reihe von geneigten Glasplatten fallen, so beobachtete er eine Bnderung
der Drehung der Polarisationsebene, je nachdem sich der
Strahl in der Richtung der Erdbewegung oder gegen dieselbe
fortpflanzte.
Der Versuch von F i z e a u steht im Widerspruch mit der
Theorie der Elektrodynamik fur bewegte Korper, und es erschien daher wunschenswertz), das Experiment von F i z e a u
unter moglichst den gleichen Bedingungen zu wiederholen.
Wahrend ich mit den vorbereitenden Messungen beschaftigt war, erschien eine Arbeit von Braces), in welcher
ebenfalls die F i z e auschen Untersuchungen wiederholt und
gepruft wurden.
B r a c e benutzte in einer gegenuber F i z e a u etwas veranderter Anordnung zur Drehung der Polarisationsebene des
Lichtes vier Glasplatten ; hierbei sollte sich nach der Anschauung
von F i z e a u durch die Bewegung der Erde eine Drehungsdifferenz
von 0,024O ergeben. B r a c e konnte indessen einen solchen Einflus nicht nachweisen; denn er erhielt als Mittelwert aus seinen
1) F i z e a u , Ann. de chim. et phys. (3) 68. p. 129.
2) Vgl. z. B. W. Wien, Referat fur die 70. Veraammlung Deutscher
Naturforscher und &ete in Diisseldorf 1898; P. D rude, Lehrbuch der
Optik, 11. Aufl. p. 463. 1906.
3) B. Brace, Phil. Mag. (6) 10. p. 591. 1905.
10
Annalen der Physik. IT.Folge. 24.
138
B. Strasser.
Beobachtungen eine Drehungsanderung von nur 0,003 O. Die
groBten Abweichungen von seinem Mittelwert betrugen +0,014°
und -0,018°. Der infolge der Erdbewegung zu erwartende
Effekt von + 0,024O liegt mithin trotz der sehr sorgfaltigen
Messungen von B r a c e nicht sehr weit von den Beobachtungsfehlern entfernt. Da ich bei meiner Anordnung eine groBere
Genauigkeit zu erreichen hoffte, hielt ich es trotz der Arbeit
von B r a c e fur nutzlich, meine Versuche fortzusetzen.
Das Prinzip des Versuches von F i z e a u ist kurz folgendes:
Geht zur Mittagszeit ein Lichtstrahl in der Richtung von
West nach Ost durch eine Reihe von geneigten Glasplatten,
so bewegen sich diese infolge der Bewegung der Erde urn die
Sonne in einer der FortpRanzung des Lichtstrables entgegengesetzten Richtung, die Geschwindigkeit des Lichtes muB nach
F i z e a u verzogert sein , wahrend das Brechungsverhaltnis der
Luft zum Glase , und ebenso die Drehung der Polarisationsebene vergrijBert werden. Hat hingegen der Lichtstrahl die
Richtung von Ost nnch West, so ist die Drehung der Polarisationsebene kleiner. Wie die Rechnung unter Zugrundelegung des Fresnelschen Mitfuhrungskoeffizienten ergibt, sol1
die Drehungsdifferenz in den beiden entgegengesetzten Richtungen nnhezu 1/1500 der Gesamtdrehung betragen.
Benutzt man eine einzige Glasplatte mit dem Brechungsexponenten n = 1,530, auf welche der Strahl unter einem
Winkel von ungefaihr 70 O bei einem Polarisationsazimut von
ca. 20° auffallt, so erleidet die Polarisationsebene des gebrochenen Strahles eine Drehung von 6 O 40. Der wahrscheinliche Effekt der Erdbewegung wird demnach 1/1600. 6 O 40’= 16”
betragen. Diese GroBe ist offenbar zu klein, urn genau beobachtet werden zu konnen. Indessen gelang es F i z e a u ,
durch Vermehrung der Platten und besonders durch geeignete Aufstellung derselben den Effekt von 16” stark zu
vergrofiern. Das Prinzip seines Verfahrens ist durch die
folgende Betrachtung gegeben.
Von F r e s n e l ist fur den Durchgang eines geradlinig
polarisierten Strahles durch eine Glasplatte fur eine Oberflache
die Gleichung aufgestellt worden:
Anderung des Polarisationsazimuts usw.
139
Hierin ist sp der Einfallswinkel, y der Brechungswinkel,
a1 und p, die Polarisationsazimute des einfallenden und des
gebrochenen Strahles. Fur eine zweite parallele Flache ist
1
tg /3, = Ts
((p-qjjtg %
und da az =
ist, erhalt man
1
t g p2 =
Bei n parallelen Flachen ist
tgp =
12
-
cos2 (9 y ) *
1
cos”’ (ql
tg ccl .
- .tg a ,
- q)
Berechnet man nach dieser Formel fur einen bestimmten
Einfallswinkel die zu verschiedenen Werten von as gehorigen
GroBen von Pn, so findet man, daB bei kleinen Werten von a
eine geringe Veranderung A a eine grijBere Anderung AP,, zur
Folge hat. Betragt z. B. bei einem Glassatz von vier Platten
der Einfallswinkel i = 70° und das Polarisationsazimut des
einfallenden Strahles a = 5 O , so veranlaBt eine h d e r u n g dieses
Azimuts um A a eine Drehungsanderuug der Endebene um
A@,, = 3,2. Au. Eine Veranderung in der Lage der urspriinglichen Ebene wird also unter diesen Umstanden verdreifacht.
Wendet man noch mehrere solcher Glassltze an, so
wachsen die VergroSerungen in geometrischer Progression.
Man wiirde schlieBlich zu Werten des Effektes gelangen,
welche sich leicht nachweisen lieBen. Eine experimentelle
Schwierigkeit liegt indessen darin , daB die Glasplatten selbst
schwach doppelbrechend sind , die lineare Polarisation des
Lichtstrahles also in elliptische verwandelt wird. Bei einer
Glasplatte ist die elliptische Polarisation kaum merkbar, sie
nimmt aber bei Vermehrung der Platten zu. Man kann, wie
es auch Pi z e a u tat, die vorhandene elliptische Polarisation
dadurch kompensieren, daB man Glasplatten hinzufugt , denen
man eine geringere Neigung und entgegengesetztes Azimut gibt.
Da diese kompensierenden Glasplatten eine schwachere und entgegengesetzte Drehung als die anderen Glaser hervorbringen,
so wird die Gesamtdrehung nur etwas verringert, wahrend die
elliptische Polarisation soweit kompensiert wird, daB sich hinreichend empfindliche Einstellungen ermoglichen lassen.
10*
140
B. Strasser.
Die benutzten Glasplatten waren rechteckig, ca. 50 mm
lang, 20mm breit und 3 m m dick. Sie waren nicht planparallel, sondern schwach prismatisch ; der Winkel der einzelnen
Platten lag zwischen 10’ und 40. Ns war auf diese Weise
nioglich, den durcbgehenden Strahl von den an den Flachen
reflektierten Strahlen zu trennen. Die Glaser waren zu zwei
bis vier in kleineii Zinkkasten vereinigt und so ausgewahlt
und angeordnet, daB der direkte Strahl bei seinem Durchgang
durch die Glaser aus dem Gesichtsfeld nicht herausgelenkt
wurde. Im ganzen wurden 14 Platten verwandt, welche
zwischen dem Polarisator und Analysator eines groBen Halbschattenapparates von der Firma S c h m i d t & H a e n s c h unter
einer Neigung von ungefahr 70° und einem Azimut von 5-20O
befestigt waren.
Ich erhielt durch die Glasplatten bei 18 facher VergroBerung
von A a [ A ,!l=
18 A a] eine Gesamtdrehung von ungefahr 50 O, so
da6 der zu erwartende Effekt betragt: 1/1500. 50O. 18 = 0,60°.
Es erschien angebracht zu priifen, ob meine Anordnung
empfindlich genug war, um den oben angegebenen EinfluB der
Erdbewegung experimentell feststellen zu konnen. Zu dem
Zwecke wurde absichtlich eine kleine Anderung des Brechungsverhaltnisses nl, der Luft zum Glase herbeigefuhrt und beobachtet, um wieviel dabei die Polarisationsebene gedreht wurde.
Urn das zu erreichen, wurde die die Glasplatten umgebende Luft durch ein Gas von etwas groBerem Brechungsexponenten ersetzt. Die Glasplatten waren von einem allseitig
geschlossenen Zinkkasten umgeben, welcher an zwei gegeniiberliegenden Seiten Glasfenster fiir den Durchgang des Lichtes
hatte. Durch zwei in den Kasten eingekittete Riihren konnte
statt der Luft ein anderes Gas eingeleitet werden, dessen
Brechungsexponent ungef ahr 1/1600 grof3er als derjenige der Luft
war. Ich verwandte. ein Gemisch von Atherdampf (n = 1,00152)
und Luft. Ein Luftstrom wurde langsam durch Atliylather
geblasen, dessen Temperatur etwas haher als die der Urngebung war. Die Luft, welche hierbei reichliche Mengen Atherdampf aufnahm, wurde darauf durch eine Kuhlvorrichtung auf
eine bestimmte Temperatur t abgekiihlt, so daB ein Teil des
Atherdampfes sich wieder kondensierte, und die Luft mit Ather
gesattigt war. Das Gemisch gelangte in den Zinkkasten und
141
Anderung des Polal.isa&ionsazimzits usw.
verdrangte allmahlich die darinnen befindliche Luft. Die
Temperatur in dem Kasten war etwas hiiher als t, urn zu
verhindern, daS ein Teil des Atherdampfes sich wieder kondensierte. Durch Verandern der Temperatur t konnten im Zinkkasten beliebige Zusammensetzungen von Luft und Dampf
hergestellt , das Brechungsverhaltnis, und somit die nrehung
der Polarisationsebene urn die gewunschten kleinen Betrage
vsriiert werden.
Die Drehungsanderungen, welche auf diese Weise erhalten
werden, lassen sich auch rechnerisch bestimmen. Fur Gasgemische ist die hrechende Kraft gleich der Summe der brechenden Krafte der einzelnen Bestandteile. Da der Sattigungsdruck von Athylather z. B. bei 20° 442 mm betragt, wird die
Zusammensetzung der Luft und des Atherdampfes sich wie
760-442
318
_
_ ~ _ _- 442
verhalten.
Fur das Gemisch ist daher
318
- 1 = __
760
n
442
*
0,000294
442
+ -.0,0015 = 0,000995.
760
~
Temp.
Drehungslnderung
t
Drehung
bei Luft
Drehung
beim Gemisch
beobachtet
berechnet
100
20
28
53,78
53,80
53,80
53,42
53,14
53,93
0,36
0,66
0,87
0,45
0,68
0,93
142
B. Strasser.
GroBenordnung , wie sie durch die Erdbewegung verursacht
sein konnten.
Anfangs versuchte ich, die Beobachtungen so anzustellen,
daS bei fester Aufstellung des Apparates die Einstellungen
mittags um 12 Uhr und nach 12 Stunden gemacht wurden.
Es zeigten sich aber hierbei bedeutende Schwankungen mit der
Zeit in der QroBe der Drehungen, welche vermutlich durch Erschiitterungen, oder durch Temperaturschwankungen verursacht
waren, so daB ich die Beobachtungen unmittelbar hintereinander anstellte. Der Tisch, auf dem der Apparat aufgestellt
war, wurcle an Stahlsaiten urn eine vertikale Achse leicht drehbar aufgehangt; die Messungen konnten dadurch in kurzer Zeit
ausgefuhrt werden, indem der Apparat mit der Lichtquelle urn
180° gedreht wurde. Es gelang so, jede auBere Storung zu ver-
meiden. Die Anordnung ist aus der Figur ersichtlich. Darin
ist 1; die Licktquelle, P der Polarisator. G, , G,, G, , G4 sind
die Glassatze, K ist ein Kompensator nach S o l e i l - B a b i n e t ,
auf dessen Anwendung ich spater noch zuriickkomme, 4 der
Analysator mit Teilkreis und P ein Fernrohr.
Es ist ferner notig; daB bei den Beobachtungen die Lichtquelle stets in unveranderter Stellung zum Apparat gelassen
wurde. Nine Verschiebung der Lichtquelle hatte stets eine
wenn auch nur geringe Anderung der Einstellung zur Folge.
Auch F i z e a u , der fur die doppelte Beobachtung je einen
Spiegel im Osten und im Westen vom Apparat aufgestellt hatte,
urn Sonnenlicht auf den Apparat reflektieren zu lassen, gibt
an, daD die Spiegel selbst in merklicher Weise die Beobachtungen beeinfluBten. Es ist immerhin moglich , daB die
Drehungsdifferenzen, welche F i z e a u fur die Ost- und Westrichtung erhielt, aus den verschiedenen Stellungen der Spiegel
zu seiner Anordnung verursacht sein konnen.
Die Beobachtungen wurden von mir mit Unterbreohungen
hauptsachlich vom Fruhjahr bis zum Herbst 1906 angestellt.
Bei den Messungen wurden lqeistens vier Eirlstellungen ge-
Anderung des Polarisationsazimuts usw.
macht und daraus das Mittel genommen.
1906 mittags:
143
So war am 2. Juli
Mit
Also betragt der UberschuB fur die Westrichtung -0,03 O.
Von den Beobachtungen seien diejenigen des Monat Juli mitgeteilt.
Als Mittelwert aus diesen Zahlen ergibt sich ein DrehungsuberschuB fur die Westrichtung von +0,03 O, liegt also innerhalb der Grenzen der Beobachtungsfehler.
Im Juli 1907, als mir ein Kompensator nach S o l e i l B a b i n e t zur Verfugung stand, habe ich die Versuche noch
einmal wiederholt. Der Kompensator wurde hinter die Glassatze gebracht, und die beiden verschiebbaren Quarzkeile des
Kompensators mittels der Mikrometerschraube so eingestellt,
daB die noch vorhandene elliptische Polarisation vollkommen
in lineare zuruckgefiihrt wurde. Eine Verstellung des verschiebbaren Quarzkeiles sowohl nach der einen, wie nach der
anderen Richtung bewirkte, da6 die Einstellung am Polarisationsapparat ungenauer wurde, ein Beweis, daB in der Tat
die elliptische Polarisation vollig kompensiert war. Die Vergr6Berung von A a war bei einer Gesamtdrehung von ca. 60"
35 fach, der wahrscheinliche Effekt muBte demnach
144 B. Strasser.
dnderung des Polarisationsazimuts usw.
betragen. Die Versuche wurden teilweise in der Art ausgefuhrt, daB ich die Einstellung machte, wahrend ein anderer
Beobachter am Teilkreis die Ablesungen ausfuhrte. So war
am 21. Juli mittags eine Beobachtungsreihe
An den anderen Tagen ergab sich:
Der nach den Betrachtungen von F i z e a u berechnete Wert
des Drehungsiiberschusses fur die Westrichtung betragt 1,4 O.
In der vorstehenden Tabelle ist der groBte DrehungsiiberschuB
aber nur +O,O18O, und im Mittel ergibt sich aus den Zahlen
-0,0012°.
Bei der Empfindlichkeit der Messungen ware es
daher moglich gewesen, die gesuchte GrijBe bis auf 1 Proz.
genau festzustellen.
Aus den vorliegenden Beobachtungen darf daher mit
Sicherheit geschlossen werden, daB der von Fiz e a u beobachtete Effekt nicht besteht, und da8 somit bisher durch kein
Experiment ein EinfluB der Erdbewegung auf die optischen
Erscheinungen auf der Erde nachgewiesen werden konnte.
D a n z i g - L a n g f u h r , Physik. Inst. der Techn. Hochschule.
(Eingegangen 9. August 1907.)
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