Das Prisma: weißes Licht zerlegen

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.

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 Linsen und das Schillern geschliffenen Glases.

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.

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.

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 Brechungen 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 $n_\mathrm{rot} = 1{,}51$ und $n_\mathrm{violett} = 1{,}53$, 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.

Prisma langsam drehen, bis das Spektrum am breitesten und hellsten steht (nahe der symmetrischen Durchstrahlung); Schirmabstand ein bis zwei Meter.

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, Sammellinse (f ≈ 10 cm); abgedunkelter Raum.

Spektrum einstellen, Farbfolge von oben nach unten notieren; Gesamtablenkung relativ zum ursprünglichen Bündel festhalten; Spalt schrittweise öffnen und die Veränderung protokollieren.

Der Fächer folgt dem Gesetz: Alle Farben werden zur Basis abgelenkt (zweifache Brechung 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.

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.

Ein schwacher Effekt braucht saubere Bedingungen: