Das Prisma: weißes Licht zerlegen
Worum geht es?
Weißes Licht ist ein Gemisch. Das Prisma sortiert es, weil die Brechzahl des Glases für jede Farbe ein klein wenig anders ist: Violett wird am stärksten gebrochen, Rot am schwächsten. Das nennt man Dispersion, und das entstehende Farbband heißt Spektrum. Die entscheidende Frage lautet: Erzeugt das Prisma die Farben, oder legt es nur offen, was im Weiß schon steckt? Zwei Kontrollversuche beantworten sie eindeutig.
Warum macht man dieses Experiment?
Hier lernt man das vielleicht wichtigste Denkmuster des Experimentierens überhaupt: Eine schöne Beobachtung (das Farbband!) hat zwei konkurrierende Erklärungen, und erst gezielt gebaute Kontrollversuche entscheiden zwischen ihnen. Newtons Doppelprobe von 1666 ist das historische Musterbeispiel. Nebenbei erklärt der Versuch den Regenbogen, die Farbsäume an billigen und das Schillern geschliffenen Glases.
Die physikalische Idee
Variante 1 erzeugt das Spektrum sauber (schmaler Spalt, Prisma, Schirm) und protokolliert Reihenfolge und Ablenkungsrichtung. Variante 2 stellt die Systemfrage mit zwei Proben: Eine einzelne Spektralfarbe wird durch ein zweites Prisma geschickt (zerlegt es sie weiter?), und das komplette Spektrum wird mit einer wieder eingesammelt (entsteht daraus wieder Weiß?).
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
- Brechung und Brechzahl (Experiment)
Wissenschaftliche Einordnung
Newton kaufte sein Prisma 1666 auf einem Jahrmarkt. Farbige Prismenbilder kannte man längst, hielt die Farben aber für Glas-Zauber. Newtons „experimentum crucis“ (die Doppelprobe dieser Anleitung) drehte die Beweislast um: Die Farben stecken im Licht. Aus dem Spektrum wurde später die Spektralanalyse; Fraunhofer fand 1814 dunkle Linien im Sonnenspektrum, der Beginn der Astrophysik.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Das Spektrum erzeugen
Erzeuge mit dem Prisma ein sauberes Spektrum, protokolliere Farbreihenfolge und Ablenkungsrichtung und deute beides über die farbabhängige Brechzahl.
Gemessen
- — Farbreihenfolge und Ablenkung
Qualitativ protokolliert: Welche Farbe wird wie stark zur Prismenbasis abgelenkt?
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Trägt die Deutung: Das Brechungsgesetz gilt für jede Farbe mit leicht anderer Brechzahl, und genau das spreizt den Fächer.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Schicke das schmale weiße Bündel durch das Prisma, drehe es in die Stellung deutlicher Farbtrennung, protokolliere die Farbfolge auf dem Schirm und die Richtung der Gesamtablenkung; prüfe den Einfluss der Spaltbreite.
2Vorbetrachtung
Warum ein Keil und nicht eine Platte? An einer planparallelen Glasplatte wird das Licht beim Eintritt zum Lot hin und beim Austritt genauso wieder zurück gebrochen. Es verlässt die Platte nur parallel versetzt, und eine etwaige Farbaufspaltung vom Eintritt wird beim Austritt wieder geschlossen. Beim Keil stehen die zwei Flächen dagegen schräg zueinander. Beide lenken in dieselbe Richtung, nämlich zur Basis, und die Unterschiede zwischen den Farben addieren sich, statt sich aufzuheben. Nur deshalb sieht man den Fächer.
Die Erwartung mit Zahlen: Für Kronglas gilt etwa und , gut ein Prozent Unterschied. Der Fächer wird also schmal sein, und deshalb braucht es den engen Spalt: Jede Farbe malt ein eigenes Spaltbild, und nur schmale Bilder liegen getrennt nebeneinander.
3Geräte / Stoffe
Prisma langsam drehen, bis das Spektrum am breitesten und hellsten steht (nahe der symmetrischen Durchstrahlung); Schirmabstand ein bis zwei Meter.
Leuchte mit engem Spalt
Erzeugt ein schmales weißes Bündel; nur dann liegen die Farbbilder des Spalts sauber nebeneinander.
Glasprisma auf Drehhalter
Der Sortierer: Die zweifache am Keil spreizt die Farben auseinander.
Schlitzblende
Der Farbfänger; er lässt für die Doppelprobe genau eine Spektralfarbe passieren.
Zweites Prisma und Sammellinse
Für die zwei Kontrollversuche: weiterzerlegen bzw. wieder vereinigen.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Draufsicht: Spaltbündel, Prisma mit Basis nach unten, aufgefächertes Bündel zum Schirm; Rot am wenigsten, Violett am stärksten zur Basis abgelenkt.
Aufbau: Experimentierleuchte mit engem Spalt, Geradsichtprisma oder gleichseitiges Glasprisma auf Drehhalter, weißer Schirm, Schlitzblende zum Ausblenden einzelner Farben, zweites Prisma, (f ≈ 10 cm); abgedunkelter Raum.
5Durchführung
Spektrum einstellen, Farbfolge von oben nach unten notieren; Gesamtablenkung relativ zum ursprünglichen Bündel festhalten; Spalt schrittweise öffnen und die Veränderung protokollieren.
6Beobachtung
| Prüfung | Ergebnis |
|---|---|
| Farbfolge (von der Basis weg) | Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange, Rot: kontinuierlich ineinander übergehend, keine scharfen Grenzen |
| Gesamtablenkung | das ganze Band liegt zur Prismenbasis hin abgelenkt; Violett am stärksten |
| Spalt geöffnet | Farben verwaschen von der Mitte her zu Weiß, nur oben roter und unten violetter Saum bleiben |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Der Fächer folgt dem Gesetz: Alle Farben werden zur Basis abgelenkt (zweifache am Keil), Violett am stärksten, Rot am schwächsten. Das ist genau die Reihenfolge der Brechzahlen; das Spektrum ist also das Brechungsgesetz, sichtbar gemacht für jede Farbe einzeln. Dass die Farben ohne scharfe Grenzen ineinander übergehen, sagt zusätzlich etwas Wichtiges: Weißes Licht enthält ein Kontinuum von Farbanteilen, keine sechs Sorten. Die Farbnamen sind menschliche Einteilung.
Der Spaltbreiten-Test erklärt den Alltag: Beim breiten Spalt überlagern sich die vielen Farb-Spaltbilder in der Mitte wieder zu Weiß; nur an den Rändern bleibt die Sortierung als farbiger Saum sichtbar. Genau solche Säume zeigen billige Ferngläser und Brillengläser an kontrastreichen Kanten, denn der Linsenrand wirkt wie ein Keil. Auch geschliffene Glaskanten, Kronleuchter und Tautropfen im Gegenlicht gehören dazu: Überall, wo Weiß über einen Glaskeil läuft, blitzt das Spektrum auf.
Offen bleibt die Systemfrage: Sortiert das Prisma, oder färbt das Glas? Diese Beobachtungen allein können es nicht entscheiden, denn beide Erklärungen sagen ein Farbband voraus. Es braucht die Kontrollversuche der zweiten Variante. Wissenschaft heißt, die eigene Lieblingserklärung testbar zu machen.
8Fazit
Das Prisma spreizt weißes Licht in ein kontinuierliches Spektrum: Violett wird zur Basis am stärksten abgelenkt, Rot am schwächsten. Das ist die farbabhängige Brechzahl in Aktion. Ob die Farben aus dem Glas oder aus dem Licht stammen, entscheidet erst die Doppelprobe.
9Fehlerbetrachtung
Ein schwacher Effekt braucht saubere Bedingungen:
Spalt zu breiteher systematisch
- Ursache
Die Farb-Spaltbilder überlappen.
- Auswirkung
Statt Spektrum nur weiße Mitte mit Farbsäumen.
- Verbesserung
Spalt unter einem Millimeter; notfalls zwei Rasierklingen als Spalt.
Prisma in ungünstiger Drehstellungeher systematisch
- Ursache
Nahe streifendem Ein- oder Austritt wird das Bündel lichtschwach und verzerrt.
- Auswirkung
Blasses, schmales Spektrum.
- Verbesserung
Auf maximale Helligkeit und Breite drehen (symmetrische Durchstrahlung).
Raum zu helleher systematisch
- Ursache
Spektralfarben sind lichtschwach gegen Streulicht.
- Auswirkung
Blau und Violett verschwinden zuerst.
- Verbesserung
Konsequent abdunkeln.
Das Wichtigste
- Dispersion
Die Brechzahl hängt leicht von der Farbe ab; Violett wird stärker gebrochen als Rot. Am Keil des Prismas fächert das Gemisch deshalb auf, zur Prismenbasis hin am stärksten abgelenkt.
- Farben stecken im Licht
Das Prisma erzeugt keine Farben, es sortiert sie. Der Beweis: Eine ausgeblendete Einzelfarbe bleibt im zweiten Prisma unverändert, sie wird nur noch abgelenkt, nicht mehr zerlegt.
- Weiß ist die Summe
Die vereinigt das komplette Spektrum wieder zu weißem Licht. Weiß ist keine Farbe, sondern das volle Gemisch; beide Proben zusammen schließen die Erklärung „Glas färbt“ aus.
- Der Regenbogen
In jedem Regentropfen passiert dasselbe wie im Prisma: , innere , Brechung, jeweils mit farbabhängigen Winkeln. Der Himmel macht den Prismenversuch mit Millionen Tropfen gleichzeitig.