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Einige Versuche ber totale Reflexion und anomale Dispersion.

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456
E. Much
11.
J. ,4rbes.
TI. Eiwiye Verszcclte uber totule ReflexiotL
ucnd anomale B i a p e w i o n ;
t?on E. M a c 1~ und J. A r b e Y.
(Aus dem 92. Bd. der Sitzungsber. d. h i s . Acad. d. Wiss. zii Wien.
11. Abth. voin 9. Jnli 1885; iiiitgctlirilt voii deli Hrn. Vcrf.1
(Rierzn Tar. 1Y Fig. 1 - 1 Z . i
1. Vor zehn Jahren hat einer von uns mit 0. v. O s n o hischin’) ein Verfahren zum Studiuln der anomalen Dispersion angewandt, welches nur kurz beschrieben wurde und
wenig bekannt geworden zu sein scheint. Nach der ControTerse der Herren v. Lang2) und P u l f r i c h s ) zu urtheilen,
inijchte man aber eine ausfuhrlichere Mittheilung dieser Versuche, welche einstweilen auch wesentlich verbessert worden
sin$ noch jetzt noch fur gerechtfertigt halten. Die hier zu
beschreibende Versuchsweise ermoglicht zudem eine sehr
klare, bequeme und ubersichtliche o b j e c t i v e Darstellung der
anomalen Dispersion, die manchem Physiker auch erwiinscht
sein durfte.
Schon N e w t o n 4, hat gezeigt, dass die Dispersionsverhaltnisse Lei der totalen Reflexion zum Ausdruck komrnen.
Er beschrieb den ,,blauen Bogen“ an der Grenze der Totalreflexion, und experiinentirte mit einer Combination yon zwei
rechtwinkeligen Reflexionsprismen, deren Hypotenusenflachen
sich beruhrten. C h r i s t i a n s e n j) wurde durcL Anwendung
der Methode der Totalreflexion zur Entdeckung der anomalen Dispersion gefuhrt. Unser Verfaliren kniipft ebenfttlls
an das Newton’sche an.
2. Die einfachen Versuche, aus welclien unsere Methode
herrorgegangen ist, sind folgende:
1) 11ach u. v. Ua ti v b i s cL i n , ?tIittheiliing im Aiizeiger der Wien.
Acad. 18i5. Nr. X.
2 ) V. v. L a n g , W e u . k r . 84. 11. 3til. Idsl.
3 1 P r i l f r i c h , W e d . Aiiii. 16. p. 335. 1882.
d j h’ewtoni Opticc, lib. I , Pars 1 . Prop. 1. Eip. 9, 10 - lib. I,
Para 11. Propp. I X I , EL 16.
51 Cliristianseri, l’ogg. Ann. 141. 11. 479. 1SiV.
Totole R$e.rion
717d
anomnle Dispersion.
437
a) Eine Combination von zwei total reflectirenden Prismen (Fig. 1) werde durch das volle Sonnenlicht beleuchtet.
Bildet man das Prismenpaar durch eine Linse mit Hulfe
des reflectirten oder durchgelassenen Lichtes auf einem
Schirme ab, so sieht man bei der durch den Pfeil angedeuteten Drehung im erateren Falle das Bild bliiulich und dann
heller weiss, in dem letzteren gelb, dann roth, dann schwarz
werden. Die spectrale Aidlosung des reflectirten und des
durchgelassenen Lichtes ermoglicht die Verfolgung des Vorganges im einzelnen.
b) Man macht durch eine Lime das Licht convergirend,
und lasst den betreffenden Lichtkegel auf die Prismencombinatjon (Fig. 2) fallen. Jedem Strahle des Kegels entspricht
dann ein besonderer Incidenzwinkel. Das reflectirte und das
durchgelassene Licht wird mit Schirmen aufgefangen. Das
erstere zeigt den N e w t o n'schen ,,blauen Bogen" als Grenze
zwischen dem helleren und dunkleren Feld o bj e c t i v , wahrend in dem letzteren das der Totalreflexion entsprechende
Feld vollkommen dunkel und gegen das helle Feld r o t h
abgegrenzt erscheint.
Zur bequemeren Beobachtung kann man dem Prismenpaar noch ein Reflexionsprisma (Fig. 3) hinzufugen uncl
beide Erscheinungen n e b e n e i n a n d e r auf einem Schirme
dar stellen.
c) Man zerlegt das Sonnenlicht durch ein Spectralprisma
und leitet einen kleinen Theil des Spectrums durch ein Reflexionsprisma auf die Lime in dem Versuche 11). Die
Erscheinungen auf dem Schirme werden dann fast monochromatisch. Wechselt man die beleuchtende Farbe, so vcrschieben sich zugleich die Grenzen der Totalreflexion auf
den Schirmen.
d) In dem Versuch b) setzt man vor die Beleuchtungslime einen Schirm mit einem horizontalen Spalt SS' Fig.4.
Das Licht convergirt auf der Hypotenusenflache der Prismencombination (mit verticalen brechenden Kanten) und wird
nach der Reflexion oder Brechung von Prismen D (mit gerader Durchsicht und horizontalen brechenden Kanten) und
von den Spalt SS' abbildenden Linsen L L nufgenommen.
E. Macli
438
11.
J. Arbes.
welche auf Schirmen scharfe Spectren von verticaler Dispersion entwerfen.
Denkt man sich die beiden Spectren, das reflectirte R und
das gebrochene G, Fig. 5 und 6,nebeneinander gestellt, so sieht
man letzteres schief abgeschnitten, in ersterem aber einen helleren rechten, von einem dunkleren linken Theil durch eine schiefe
Grenze getrennt. Das Spectrum R, urn eine verticale Axe
umgeklappt (wegen der Spiegelung) und auf G gelegt, wurde
letzteres zu einem gleichmassig hellen Spectrum erganzen.
I n diesen Spectren entsprechen den horizontalen Abscissen
im Sinne der Pfeile wachsende Incidenzwinkel, den verticalen
Ordinaten im Sinne der Pfeile wachsende Wellenlangen.
Die Grenze in dem Spectrum R ist zwar w h a r f ' ) , sie
trennt aber vie1 geringere Helligkeitsunterschiede, als jene
in G, welche letztere (von diffusem Lichte abgesehen) Licht
von absoluter Dunkelheit trennt. Durch das folgende Ver~~~~
~-
1) TrQt man den Bogcn des Inciclenzwinkels nls Abscisse, die In.
tensitiit des reflectirten Lichtes nach der Fresnel'schen Formel als
Ordinate auf, so erhalt m a n a11 der Grenze cler Totnlrcflexion die Curve
(Fig. 6). Dieselbe zeigt, dass unendlich nahe Stellen nirgends einen
endlicheii Intensitiitsunterschied erhalten. Dennoch sieht man aus physiologischen Griinden und nach dcm voii Mach gefundeiien Contrastgesetze (Wien. Bcr. 1865-1868) die Grenze der Totalreflexion scharf und
wie einen leuchtenden Wulst.
Diesem Contrastgesetze enteprechend, sieht mail aiich an dcr Grenze
der Totalreflexion bei dem Versuche b) nicht nur den Newton'schen
,,blauen Bogen", sondern an der helleren Seite derselbcii bei aufmerksamer Betrachtung noch ein griiiies, gelbes und rothes Band, ein vollstandiges blasses Spectrum. Ein Ueberschass dieser Farbeii iiber dns
vollc Weiss ist aber nirgends vorhanden. wie ein Hick auf die Figur
lehrt, in welcher die ausgezogene Curve dem Violett, die punktirte dem
Roth angehsrt, ,2 die Grenze fur das Violett, t , fur das Roth bedeutet.
Ebenso auffallend ist ea, dass man die bedeutende Zunahme der
Helligkeit in dem dunklcren Felde gegen die Reflexionsgrenze zu fast
gar nicht bemerkt. Der Helligkeitswechsel wild erst recht deutlich, \ T ~ U
man zwci getrennte schmalc Streifchen Papier in den dunkleren Theil
des Lichtkegels (in Versuch b) bringt, noch melir, wenn man e i n e n
Streifen hineiiibringt und denselbcn gegen die Reflexionsgrenze bewegt,
ohue dieselben zu iiberschreitcn. Man ist also gegen eine continuirlichc
z e i t li c h e Helligkeits%nderung empfindlicher, rtls gcgcn eine continuirliche
rhmliche Helligkeitsiinderung. (Vgl. auch D v o ? it k , Wien. Ber. 01.
18'70).
Totale Rrjtexion
iind
anomule Dispersion.
439
fahren lasst sich aber der Helligkeitsunterschied (oder das
Helligkeitsverhaltniss) auch in R beliebig v e r g r o s s e r n .
e) Man lege auf eine Combination von zwei Reflexionsprismen (Fig. 7). deren Hypotenusenflache HH mit dem Horizont einen Winkel von 45O einschliesst, noch ein Reflexionsprisma so, dass die Stellung seiner Hypotenusenflache H' H
aus jener von HH durch eine Drehung von 90'' urn die
Verticale hervorgeht. Sendet nun die Beleuchtungslinse einen
Lichtkegel auf H I I , so wird derselbe daselbst und dann an
H H reflectirt, und zeigt auf einem Schirm aufgefangen
einen Kreis (Fig. 8), welcher durch zwei Grenzen der Totalreflexion in vier Felder a, b, c, d zerschnitten ist. Das Licht
des Feldes a hat zwei Totalreflexionen erlitten und ist am
hellsten,' b und d haben je eine einfache und eine Totalreflexion durchgemacht , c hat zwei einfache Reflexionen erfahren und ist sehr dunkel. l)
Es steht nichts im Wege, die Reflexionsprismen in der
durch Fig. 9 angedeuteten Weise zu combiniren. Der Unterschied der Intensitat des einfach und total reflectirten Lichtes
nimmt mit der Zahl der angewandten Prismen zu, wie man
bei Anwendung eines Lichtkegels und auch bei spectraler
Auflosung sieht. Sol1 die Grenzcurve nicht mehrfach erscheinen, so miissen alle Hypothenusenfliichen exact parallel
gestellt werden. 2,
3. Die beschriebenen Versuchsweisen lassen sich nun
benntzen, um jede relative oder absolute Dispersionsanomalie
in einfacher und unzweideutiger Weise zu demonstriren.
Eine r e l a t i v e Dispersionsanomulie zeigt Cassia01 gegen
Flint. Das violette Licht wird, aus Flint in Cassia01 iibertretend, w e n i g e r vom Lothe gebrochen als das rothe Licht,
wie man aus den Tafeln der Brechungsexponenten ohne weiteres ersehen kann. Stellt man nun den Versuch a) mit
Reflexionsprismen am Flint an, welche zwischen ihren Hy1) 1st das Inteneitatsvcrhaltiliss eines total und eines einfach reflectirten Strahles 1 : m , so wird daaselbe bei nochmaliger Reflexion unter
denselben Inridenzwinkcln 1 : m*, wobei rn cin cchter Bruch ist.
2) Dcr Parnllclismus optischer Flschen kann auf diese Weise unter
Urnsttinden bequem gepriift werden.
440
E. Much
u. J , Arbes.
potenusenflacheo eine Bchicht Cassia01 einschliessen, so t'arbt
sich das durchgelassene Licht bei der in Fig. 1 angedeuteten
Drehung zuerst griinlich, dann blau und vor dem Verschwinden tief violett. F u r diesen Versuch ist aus naheliegenden
Griinden eine Prismencombination von der Form der Fig. 10
vorzuziehen.
Wird der Versuch b) mit Flint und Cassia61 ausgefuhrt,
so aussert sich die bedeutende Dispersion des Cassiaoles dadurch, dass die Grenze der Totalreflexion einen vie1 breiteren
farbigen Saum erhalt. Der 3 e w t o n'sche ,,hlaue Bogen"
verwandelt sich im r e f l e c t i r t e n Lichte in einen r o t h e n
Bogen. Bei Versuch c) verschieben sich im Farbenwechsel
die Grenzen der Totalreflexion fur Flint-Cassia01 umgekehrt
wie fur Glas-Luft. Der Versuch d) liefert bei gleicher Anordnung mit Plint-Cassiadl die in der Fig. 11 dargestellten
Spectren.
Hat man die Existenz solcher r e l a t i v e r Anomalien
einmal erkannt, so erscheinen die absoluten Anomalien nicht
mehr so absonderlich, da sie j a eigentlich doch nur relative
Anomalien gegen die Luft oder das ,,Vacuum" vorstellen.
4. Wir bringen eine Fuchsinlosung von massiger Concentration (etwa 5 Proc.) zwischen Reflexionsprismen von
Flint. Bei Versuch b) kundigt sich die grosse Dispersion
sofort dadurch an, dass statt des schmalen blauen Bogens
der game Querschnitt des reflectirten Lichtkegels mit breiten
farbigen Bandern ausgefiillt ist. J e concentrirter die Losung,
desto breiter werden die farbigen Bander. Bei mehrfacher
Reflexion, wie in Versuch e) Fig. 9, werden die Farben sehr
lebhaft. Ebenso treten in dern gebrochenen Kegel farbige
Bander auf, die aber wegen der Storung durch die Absorptionsfarbe nicht einfach complementar zu den vorigen sind.
- Der Versuch c) gelingt aus Griinden, die alsbald zur
Sprache kommen, nur i m rothen Theile des Spectrums gut.
Der Versuch d) werde genau wie zuvor ausgefiihrt mit
Flintprismen und Fuchsinlosung. Die bejden Spectren R
und G erhalten dann beilaufig das Aussehen der Fig. 13.1)
1) Bei 6 tritt iiii Spectrum H ein dunkles, verwaschenes Band auf,
neil die betreft'endeii Strahlcn in Flint und Fuchsinlosung zu weiiig ver-
Tot& R$iI.rion
ti12 d u no i n nit,
Di.yemiot i .
441
Die Orenzcurve der Totalreflexion erscheint in zwei voneinander ganzlich getrennte Zweige m n und p y getheilt, wie die
Curve, welche K u n d t durch Kreuzung einer normalen und
anomalen Dispersion erhielt. Niemand wird bei diesem Anblick die Dispersionsanomalie verkennen. Die Grenze m n
ist im Spectrum R schon bei e i n e r Reflexion sehr scharf.
Dagegen findet man die Grenze pp, welche verwaschen erscheint: nur mit einiger Aufmerksamkeit.') I m Spectrum G
hingegen sind alle Grenzen sehr deutlich. Die Lage derselben wird aber durch einen misslichen Nebenumstand beeinflusst. Wenn namlich auch die Fuchsinschicht zwischen den
Prismen sehr diinn ist, so wird dieselbe doch yon den Strahlen, welche sich der Grenze der Totalreflexion nahern, sehr
schief durchsetzt. Letztere Strahlen konnen also absorbirt
werden, b e v o r sie noch die Grenze der Totalreflexion erreicht haben. Dadurch kann sich der Grenzwinkel im Spectrum G scheinbar verkleinern. Driickt man nun die beiden
Prismen gut zusammen, SO stimmen die Curven der Spectren
R und G sehr wohl uberein. Dies ist abcr nicht mehr der
Fall, wenn die Fuchsinschicht dicker ist. Es ist deshalb
rathsam, sich an das Spectrum R zu halten und G nur mit
Vorsicht zur 1-ergleichung heranzuziehen.2)
5. Der zuletzt beschriebene Versuch wurde im Wesentlichen schon von M a c h und v. O s n o b i s c h i n ausgefuhrt,
schiedene Brechuiigseiponeiiten haben iind dalier nicht merklich rcflectirt werden.
I) In dieser vcrwaschencn Grenze pq spricht sich sclion eine IXspersionsanomalie ans.
2) Wenn die Fuchsinschicht zivischen den Prisinen nicht sehr diinn
ist, so kommt in dem Spectrum G thatslchlich die Absorption Zuni Ausdruck. Deckt man den horizontalen Fensterladcnspalt durch ein mit Fuchsinlosung von geriiiger Concentration gefulltes Hohlprisnia von verticaler
brechender Kante , dessen Ablenkung durch ein Alkoholprisina compensirt ist, und entwirft mit eineiu Flintprisma ein Spectruiii von verticaler
Dispersion, so erhalt man beilanfig den Anblick der Fig. 14. Durch Verdickung der Fiichsinschicht oder Schiefstellung derselben nghert sich das
im Text beschriebene Spectrum G immer mehr deiii Absorptionsspectrum,
welches einer stlrkeren Absorption entspricht. (Vgl. T n m l i r z , Anzeiger
der Wien. Acad. 185?. Kr. 15.)
442
E. Mnch
11.
J. Arbes.
nur dass das Spectrum damals nicht objectiv dargestellt, sondern durch Betrachten eines horizontalen Spaltes durch die
Prismencombination und ein Ocularprisma gewonnen wurde.
Nachher wurden die Refl?xionsprismen auch Ruf den Tisch
des Spectrometers gebracht, der Spalt des Collimators horizontal gestellt und vor dem Ocular des Beobachtungsrohres
ein Prisma von gerader Durchsicht und verticnler Dispersionsrichtung befestigt.
W i r wollen nun die Verbesserungen, deren die Versuchsform d) fahig ist, betrachten. Zunachst ist klar, dass eine
m e h r f a c h e Reflexion an parallelen Flachen die Grenze p y
im Spectrum R deutlicher machen wird. W i r verwenden
deshalb mehrere Reflexionsprismen , an deren Hypotenusenflachen kleine Cuvetten zur Aufnahme der Fuchsinlosung angekittet sind, in der durch Fig. 15 angedeuteten Anordnung.
Schon bei zwei Reflexionen wird die Qrenze p y deutlich, und
bei vier Reflexionen tritt sie sehr schon hervor. Um das
Justiren der Prismen zu ersparen! haben wir uns ein Prisma
von der Form Fig. 16 fur dreifache Beflexion schleifen lassen
iind dasselbe in der nngedeuteten Weise mit Cuvetten versehen. Die gegeniiberliegenden Flachen erwiesen sich aber
als nicht genugend parallel, so dass die Anwendung mehrerer
Prismen vortheilhafter blieb.
So11 das Spectrum auf einen Schirm projicirt werden, so
darf es nicht zu distrahirt sein, wenn man es auf einmal
durch die sammtlichen Prismen hindurchbringen will. Die
Anwendung von Prismen aus recht stark brechendem Flint
(nB = 1 , 7 0 5 729, nc; = 1 . 7 4 5 971) ist deshalb vortheilhaft.
Bei der Versuchsf'orm d) wird das von den verschiedenen
Spaltenpunkten ausgehende Licht durch die Lime auf der
reflectirenden Flache gesammelt. Das Licht jedes Spaltenpunktes erhalt also einen anderen Incidenzwinkel. Dies
schliesst aber nicht Bus, dass von einem Spaltenpunkte noch
Strahlen unter verschiedener Neigung auf die reflectirende
Flache gelangen, wodurch die Schilrfe der Grenzen der Totalreflexion in den Spectren beeintrfichtigt wird. Diese Ueberlegung fiihrt zu folgender Anordnung: Die das Sonnenlicht
sammelnde Lime L,, Fig. 14,wird mit einem Spaltenschirm S S
Tottale Rejlexiori und anotmle Dispersioa.
443
bedeckt. Bevor das Licht auf die refiectirenden Flachen gelangt, geht es noch durch eine Linse L,, in deren Brennweite der Spaltenschirm S S steht. Nun fallen von e i n e m
Spaltenpunkt nur parallele Strahlen auf die reflectirenden
Flachen, aber von jedem Spaltenpunkt unter anderer Incidenz. Nachdem die Strahlen die Reflexionsprismen P und
das Prisma mit gerader Durchsicht passirt haben, gelangen
sie auf die Linse L, von grosser Brennweite, welche in ihrer
Brennebene (da sich der Spalt S S wie ein iinendlich fernes
Object verhalt) das Spectrum entwirft. Die Lime L, ist
mit einer Blendung BB bedeckt, damit keine Strahlen von
S S neben den Prismen vorbei auf L, gelangen, was zu
einer Abbildung des Spaltes S S a u f dem Spectrum fuhren
wiirde. I )
Die beschriebene Anordnung lasst sich ohne weiteres
an dem gewohnlichen Spectralapparat anbringen, wenn man
vor den horizontal gestellten Spalt des Collimators eine
Sammellinse setzt , deren Brennweite die Llnge des Rohres
etwas ubertrifft. Das Prisma D kann dann in das Beobachtungsrohr eingeschlossen oder vor dessen Ocular gesetzt
werden.
6. Beobachtet man die angegebenen Vorsichten, so kann
man n a c h d e m P r i n c i p d e r K r e u z u n g e i n e r a n o m a l e n
T o t a l r e f l e x i o n u n d e i n e r n o r m a l e n B r e c h u n g , wie
wir uns kurz ausdrucken wollen, sehr schone Spectren objectiv darstellen. J e hoher die Concentration wird, desto
mebr werden die Spectren distrahirt. a) Von dem Spectriim
einer sehr concentrirten Fuchsinlosung kann man sich eine
1) Man kann dies zur scharfen Einstellung des Spectrums benritzen
und nachher erst die Blendung vorsetzeii.
2) Solche Spectren bringt man dann nicht mchr g a n z durch dic
Prismen hindureh. Fur die Demonstration eignen sich besser geringere
Concentrationen. Setzt man den1 Alkohol tropfenweise Fuchsinlijsung zu,
so zeigt sich die erste Spur der Anomalie in einer kaum merklichcn Discontinuitiit der Grenzcurve, die sich allmahlich zur vollen Deutlichkeit entwickelt. Die bedcutende Verhderung der ganzen Erscheinung durch
die Concentration ist schr auffallend, und dieser Urnstand nird bei niessenden Versuchen sehr hinderlich.
444
E. Xach
11.
J . Arbes.
gute Vorstellung machen, wenn man sich das Spectrum R
der Fig. 13 horizontal sehr in die Lange gezogen denkt.
Ohwohl wir eigentliche Messungen nicht ausgefubrt hahen, so konnen wir doch sagen, dass die auf den Schirm projicirten Spectren mit Hiilfe der von C h r i s t i a n s e n angegebenen Brechungsexponenten der Fuchsinlosung (und mit Hiilfe
der Brechungsexponenten unseres Flintglases) sich recht gut
voraus construiren liessen.
Es schien uns wiinschenswerth, eine so wichtige Thatsache, wie die anomale Dispersion, welche die c h e m i s c h e
Natur der Farbenzerstreuung so nahe legt, durch einen leicht
ausfiihrbaren und einwurfsfreien Versuch leichter zuganglich
und controlirbar zu machen. Die E x i s t e n z der anomalen
Dispersion konnen wir nicht bezweifeln. Dagegen mussen wir
v. L a n g darin vollstlndig beistimmen, dass das gewohnliche
spectrale Verfahren an bedeutenden Mangeln leidet.') Selbstverstandlich bleibt auch die von demselben Physiker angeregte Frage discutirhar, oh die f a r d i e n o r m a l e Dispersion
geltenden Gesetze der Totalreflexion und Interferenz auch
o h n e M o d i f i c a t i o n auf den Fall der a n o m a l e n Dispersion
Anwendung finden.
VII. Die Methode des S'ectt-ophors;
v o n J. R e i n k e .
Wenn es sich darum handelt, die mechanische oder chenlisclie Wirkung einzelner Abschnitte des Spectrums zu studiren und den Effect verechiedener Strahlengruppen miteinander zu vergleichen, so ist das objective prismatische
1 ) HCh<Jllin der obeii erwahiiten Jlittheilung von hIach und v. 0 s n o b i s c h i n wurde clarauf hingewieseu, dass die init stark obsorbirendeii
Fliissigkeiten gefiillten Hohlprisiiien sls beugende Spalten von verschiec h e r Breite fur jede Farbe mirkcn. Das Vcmchwinden maneher Fraunh o fc r'schen Liiiieii (bei Anwendung der gewiihiilichen spectralen Methode)
erkliirt sich hierdurcli gaiiz nngezwungen, rind die bedenkliche Annahme
eiues ,,unbestirnmteir" ~ r e c l ~ m i g s e x p o ~ ~ e ~fiir
i t e ndns betrcft'ende Licht
wird ganz unnothig.
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