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Naturwissenschaft

Ein Prisma ist ein geschliffener Glasblock, der klassischerweise aus 3 Flächen auf einer dreieckigen Grundfläche besteht, aber auch komplexere Formen annehmen kann, die vom üblichen Prisma mit dreieckiger Grundfläche abweichen. Es ist ein optisches Instrument, das verwendet wird, um Licht zu brechen, zu reflektieren oder zu streuen. Spezielle Prismen können auch dazu verwendet werden, Licht zu beugen, zu polarisieren, die Polarisation zu trennen oder Interferenzen zu erzeugen.

Isaac Newton machte mit seinen Experimenten im 18. Jahrhundert große Fortschritte beim Verständnis der Zusammensetzung des Lichts. Seitdem werden Prismen überwiegend in der Spektroskopie und bei allen Anwendungen eingesetzt, bei denen Strahlablenkungen oder -teilungen erforderlich sind. Seit ihrem goldenen Zeitalter in der Spektroskopie gelten Prismen als rudimentäres Werkzeug, doch in der Optik sind sie nach wie vor allgegenwärtig und werden in zahlreichen Anwendungen wie der Trennung vonOberwellen eingesetzt.

Dispersionsprisma

In der Optik wird ein dispersives Prisma zur Streuung des Lichts verwendet, d. h. zur Aufteilung des Lichts in seine Spektralanteile (die Farben des Regenbogens). Verschiedene Wellenlängen (Farben) des Lichts werden durch das Prisma in unterschiedlichen Winkeln abgelenkt, da der Brechungsindex des Prismenmaterials mit der Wellenlänge variiert (Dispersion).

IIm Allgemeinen erfahren längere Wellenlängen (rot) eine geringere Abweichung als kürzere Wellenlängen (blau). Die Dispersion von weißem Licht in Farben durch ein Prisma veranlasste Sir Isaac Newton zu der Schlussfolgerung, dass weißes Licht aus einer Mischung verschiedener Farben besteht.

Prinzip

Das Licht ändert seine Geschwindigkeit, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht (z. B. von der Luft in das Glas des Prismas). Diese Geschwindigkeitsänderung führt dazu, dass das Licht gebrochen wird und in einem anderen Winkel in das neue Medium eintritt (Huygens-Prinzip). Wie stark der Weg des Lichts gekrümmt wird, hängt von dem Winkel ab, den der einfallende Lichtstrahl mit der Oberfläche einnimmt, sowie vom Verhältnis der Brechungsindizes der beiden Medien (Snellsches Gesetz). Der Brechungsindex vieler Materialien (z. B. Glas) ändert sich mit der Wellenlänge oder der Farbe des verwendeten Lichts, ein Phänomen, das als Dispersion bezeichnet wird. Dies führt dazu, dass Licht in verschiedenen Farben unterschiedlich gebrochen wird und das Prisma in verschiedenen Winkeln verlässt, was einen regenbogenähnlichen Effekt erzeugt. Dies kann genutzt werden, um einen weißen Lichtstrahl in seine einzelnen Farbspektren zu zerlegen.

Prismen streuen das Licht im Allgemeinen über eine viel größere Frequenzbandbreite als Beugungsgitter, was sie für die Spektroskopie mit breitem Spektrum nützlich macht. Außerdem haben Prismen nicht mit den Komplikationen zu kämpfen, die sich aus überlappenden spektralen Ordnungen ergeben, wie sie bei allen Gittern auftreten. Ein üblicher Nachteil von Prismen ist die geringere Dispersion, als sie ein gut gewähltes Gitter erreichen kann.

Prismen werden manchmal eher für die interne Reflexion an den Oberflächen als für die Dispersion verwendet. Wenn Licht im Inneren des Prismas in einem ausreichend steilen Winkel auf eine der Oberflächen trifft, kommt es zur internen Totalreflexion und das gesamte Licht wird reflektiert. Dies macht ein Prisma in manchen Situationen zu einem nützlichen Ersatz für einen Spiegel.