Tolle Kristalle mit Benzoesäure

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

in meinem letzten Beitrag habe ich den kleinen Trick mit dem Tesafilm unter dem Objektträger beschrieben.
Den kann man auch gut bei der Benzoesäure anwenden. Diese gut aus Wasser oder Spiritus kristallisierende Substanz bildet eindrucksvolle Kristalle, die aber nicht farbig sind. Hier hilft der Trick mit dem Tesafilm.

Benzoesäure bekommt man beim freundlichen Apotheker. Sagt ihm genau, was ihr mit der Benzoesäure vorhabt, dann wird er vielleicht ein paar Gramm herausrücken.

Hier zunächst die Formel:

Benzoesäure

Benzoesäure

Wegen seiner antimikrobiellen Eigenschaften wird die Substanz in der Lebensmittel-Industrie und  bei Kosmetika zur Konservierung eingesetzt.

Hier nun eine Aufnahmen der Benzoesäure mit und ohne Tesastreifen. Das Lösungsmittel war Isopropanol.

Benzoesäure ohne Tesaband

Benzoesäure ohne Tesaband

 

Benzoesäure mit Tesaband

Benzoesäure mit Tesaband

Bei der folgenden Aufnahme zeige ich nur das Resultat mit Tesaband:

 

Benzoesäure mit Tesafolie

Benzoesäure mit Tesaband

Bei der Benzoesäure treten Kristallstrukturen stärker als Farben in den Vordergrund, wie besonders die letzte Aufnahme zeigt. Das nächste Foto ist ein weiteres eindrucksvolles Beispiel dafür. Die Aufnahme hatte es vor 2 Jahren auf die Titelseite der Fotocommunity geschafft.  Sie wurde im polarisierten Licht ohne Tesaband aufgenommen.

Benzoesäure ohne Tesaband

Benzoesäure ohne Tesaband

Für die Fotos habe ich ein „Noname“-Klebeband verwendet. Kunststofffolien müssen „gestreckt“ werden, damit sie sich für unsere Zwecke eignen.

Im Prinzip funktioniert fast jede gestreckte, transparente Kunststofffolie. Was passiert beim Strecken und wie wirkt sich das aus?  Kunststofffolien bestehen aus langkettigen Polymermolekülen. Wenn man sie streckt, werden Molekülketten, die sonst eher ungerichtet kneulförmig  angeordnet sind, bis zu einem gewissen Grad parallel ausgerichtet. Fällt polarisiertes Licht durch eine ungestreckte Folie, wird es beim Auftreffen auf die Polymermoleküle abgebremst. Da diese Moleküle ungerichtet sind, ist es egal, unter welchem Winkel das Licht auf die Folie trifft, es wird unabhängig vom Eintrittswinkel gleichmäßig abgebremst. Sind die Polymermoleküle durch die Streckung aber in eine parallele Anordnung gebracht, so kann man sich vorstellen, dass es jetzt in Bezug auf die Abbremsung nicht mehr egal ist, unter welchem Winkel das polarisierte Licht auf die Polymermoleküle trifft. Es wird daher beim Durchtritt in Abhängigkeit vom Eintrittswinkel unterschiedlich abgebremst, was eine Phasenverschiebung der Lichtwellen bewirkt. Im Ergebnis kommt es durch die Phasenverschiebung der Lichtwellen zu Interferenzen. Diese sind ausschlaggebend für die Farbwirkung.Wer sich genauer für die physikalischen Hintergründe interessiert:  In meinem Blogbeitrag  zu λ/4-Verzögerungsplättchen, https://mikrokristalle.com/tag/lambda4-plaettchen/ , habe ich den Vorgang ausführlicher beschrieben.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

In meinem nächsten Blogbeitrag zeige ich Fotos der Salicylsäure, die man ebenfalls beim freundlichen Apotheker kaufen kann. Sie ist der Benzoesäure in der Struktur sehr ähnlich.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

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Ein Leuchtturm in der Servicewüste

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

wie im letzten Blogbeitrag angekündigt, zeige ich einige Aufnahmen der Äpfelsäure, kristallisiert aus  Lösungsmitteln.

Vorher möchte ich aber von einem persönlichen Erlebnis berichten, das mich sehr beeindruckt hat:

Ich besitze einige tausend Dias aus alter Zeit. Für einen besonderen Anlass musste ich diese durchschauen, was ohne Diaprojektor praktisch unmöglich ist. Bei meinem  Leitz Pradovit 153 Diaprojektor hakte nach 30 jährigem treuen Dienst plötzlich der Dia-Transport. Was war zu tun? In meiner Not rief ich bei Leitz in Wetzlar an und schilderte mein Problem. Die freundliche Mitarbeiterin der Service-Abteilung sagte mir, dass man leider 2017, wegen mangelnder Nachfrage, die Reparatur von Diaprojektoren eingestellt, und daher auch kaum noch Ersatzteile für die alten Geräte vorrätig habe.

Bei den meisten Firmen wäre das Gespräch hier wohl zu Ende gewesen. Nicht aber bei Leitz. Nach Rücksprache mit einem Techniker frug mich die Mitarbeiterin, ob ich den Projektor persönlich vorbeibringen könne. Da ich in der Nähe von Wetzlar  wohne, vereinbarten wir für den nächsten Tag einen Termin.

Also machte ich mich auf den Weg in die Zentrale. Dort erwartete mich ein Techniker. Er gab mir einen Gutschein für ein Getränk im Leitz-Cafe und gab mir noch ein paar Tipps, wie ich die Wartezeit überbrücken könne: Leitz-Schau-Raum und Leitz-Museum. (Beides sehr sehenswert im neuen Leitz-Areal). Nach ca. einer Stunde rief er mich auf dem Handy an und sagte, der Projektor sei fertig. Man habe ein defektes Zahnrad ausgetauscht und das gute Stück gereinigt. Er übergab mir das reparierte Gerät und ich bat, mir die Rechnung nach Hause zu schicken. „Das kostet nichts, ist ein Service unseres Hauses“, war die Antwort.

Ich war wirklich im höchsten Maße verblüfft. Man erlebt so etwas nicht sehr häufig, und ich möchte daher auf diesem Wege der Firma Leitz danken. Beim Preisvergleich vom Mikroskopen, an denen man ja auch nach vielen Jahren noch seine Freude haben will, sollte man neben der Qualität der Instrumente auch den Service-Aspekt durchaus beachten. Leitz ist für mich, nach dieser Erfahrung, ein Leuchtturm in der ansonsten ziemlich verbreiteten Service-Wüste. (Wer meinen Bog regelmäßig liest weiss , dass es noch ein kleines und feines serviceorientiertes  Unternehmen in Wetzlar gibt, das auch sehr gute Mikroskope für den etwas kleineren Geldbeutel herstellt).

Nun aber zurück zur Äpfelsäure. Aus Wasser kristallisiert sie manchmal ziemlich unwillig. Ganz anders sieht es bei Spiritus, Isopropanol, Aceton oder Methyläthylketon aus. Aus diesen Lösungsmitteln kristallisiert Äpfelsäure sehr leicht in schönen Kristallen. Die sind oft aber nicht farbig. Die Ursache kann ich nur vermuten: Da sich Lösungsmittel auf dem Objektträger, im Gegensatz zu Wasser, sehr gut verteilen, entstehen eine sehr dünne Kristallschichten. Möglicherweise reichen die für die Farbigkeit verantwortlichen Interferenzerscheinungen an diesen dünnen Schichten nicht aus, um farbige Bilder zu erzeugen. Hier ein Beispiel:

 

Äpfelsäure kristallisiert aus Isopropanol

Äpfelsäure kristallisiert aus Isopropanol

Manchmal erhält man in solchen Fällen interessante Effekte, wenn man unter den Objektträger ein Stück Tesa-Film klebt.

 

Äpfelsäure kristallisiert aus Isopropanol ohne Tesafilm unter dem Objektträger

Äpfelsäure kristallisiert aus Isopropanol ohne Tesafilm unter dem Objektträger

 

Äpfelsäure kristallisiert aus Isopropanol mit Tesafilm unter dem Objektträger

Äpfelsäure kristallisiert aus Isopropanol mit Tesafilm unter dem Objektträger

Folien wie Tesafilm wirken ähnlich wie λ/4-Verzögerungsplatten. (Infos darüber findet man hier:  https://mikrokristalle.com/2016/08/). Wenn die Kristalle beim Kristallisieren aus wassermischbaren organischen Lösungsmitteln wie Spiritus oder Isopropanol zu klein werden, weil das Lösungsmittel zu schnell verdampft, kann man einen Tropfen Wasser zugeben.

 

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. In meinem nächsten Blogbeitrag werde ich auf den Trick mit dem Tesafilm etwas näher eingehen.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

 

H-D-S

 

 

 

 

 

 

 

 

Farbenprächtige Mikrokristalle von Äpfelsäure.

Hallo liebe Freude der Mikrokristalle,

richtig farbenprächtige Bilder erhält man aus Mikrokristallen der  Äpfelsäure.

Hier zunächst die chemische Formel:

Äpfelsäure

Äpfelsäure

 

Das kleine Sternchen zeigt,  daß das Molekül ein asymmetrisches Kohlenstoffatom besitzt. Es liegen  2 optisch aktive Formen, eine D-Äpfelsäure  und eine L-Äpfelsäure vor.

Für die Aufnahmen habe ich ein Racemat, also eine 1:1 Mischung beider Komponenten verwendet.

Da Äpfelsäure  auch als Lebensmittelzusatzstoff verwendet wird, ist es relativ leicht zu beschaffen, z.B bei einem freundlichen Apotheker. Man kann Äpfelsäure aber auch bei Amazon kaufen. Es wird dort u.a. als DL-Äpfelsäure angeboten.

Für chemisch interessierte: Die Waldensche Umkehrung wurde von Paul Walden 1896 an der Umsetzung von L(-)-Äpfelsäure zu L(-)-Chlorbernsteinsäure und daraus zurück zu der jetzt in der optischen Konfiguration „umgekehrten“ D(+)-Äpfelsäure entdeckt. (Mit den damals zur Verfügung stehenden analytischen Mitteln war das eine großartige Leistung).

Wer mehr über die optische Aktivität erfahren möchte kann sich meinen Blogbeitrag über Optische Aktivität am Beispiel der Weinsäure ansehen. (April 2015).

Die Substanz ist in Wasser, Spiritus oder Aceton gut löslich. Sie kristallisiert aber nur schwer. Viel besser funktioniert die Kristallisation aus der Schmelze. Man gibt ein paar Kristalle auf einen Objektträger, legt ein Deckgläschen darüber und schmilzt vorsichtig z.B. auf einer Herdplatte auf. Sobald die Kristalle geschmolzen sind, das Deckgläschen mit dem Stiel eines Teelöffels oder Ähnlichem etwas andrücken, damit man eine dünne Schicht erhält. Dann sofort von der Platte nehmen. Die Äpfelsäure kristallisiert nach wenigen Sekunden. (Man kann auch sehr langsam, am Rande der Herdplatte abkühlen lassen).

Auf diese Weise erhält man prächtige Kristallformen, manchmal sogar ganz grossartige, wie die folgenden Aufnahmen zeigen:

 

Äpfelsäure Racemat Mikrokristalle aus der Schmelze.

Äpfelsäure – Racemat
Mikrokristalle aus der Schmelze.

 

Äpfelsäure- Racemat Mikrokristalle aus der Schmelze.

Äpfelsäure – Racemat
Mikrokristalle aus der Schmelze.

 

 

Äpfelsäure- Racemat Mikrokristalle aus der Schmelze.

Äpfelsäure – Racemat
Mikrokristalle aus der Schmelze.

 

Mit etwas Glück und Ausdauer, gelingen dann auch besonders interessante Aufnahmen, wie die folgende, die fast aussieht wie ein Drache:

 

Äpfelsäure- Racemat Mikrokristalle aus der Schmelze.

Äpfelsäure – Racemat
Mikrokristalle aus der Schmelze.

 

Soviel für heute liebe Freunde der Mikrokristalle. Ich wünsche erfolgreiches Experimentieren mit der Äpfelsäure, die tatsächlich so, und nicht Apfelsäure heißt.

Für meinen nächsten Blogbeitrag will ich versuchen, ansprechende Kristalle dieser tollen Säure aus einer Lösung zu erzeugen.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

 

H-D-S

 

 

 

 

 

 

 

 

Tipps zur Beschaffung anorganischer Substanzen II.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

es hat etwas gedauert mit diesem Beitrag. Aber man muss ja auch mal Urlaub machen.

Heute stelle ich eine weitere anorganische Substanz vor, die leicht zu beschaffen ist. Es ist das Natriumthiosulfat. Wer früher Filme oder Fotos entwickelt hat, kennt es als Fixiersalz. Entsprechend kann man auch heute noch das Fixiersalz im Fotohandel kaufen, man bekommt es aber auch bei Kosmos. (Ich habe die Firma in meinem letzten Blogbeitrag schon als Beschaffungsquelle erwähnt).

Natriumthiosulfat hat die chemische Formel Na2S2O3 • 5H2O. Ein Molekül der Verbindung bindet 5 Moleküle Wasser als sogenanntes Kristallwasser. Das Salz schmilzt schon bei ca. 48 ºC. Natriumthiosulfat ist sehr gut in Wasser löslich und zeigt ein etwas ungewöhnliches aber dennoch nicht sehr seltenes Kristallisationsverhalten. Löst man ein paar Kristalle auf einem Objektträger mit einem Tropfen dest. Wasser, so verdunstet das Wasser über Nacht, und es bleiben  kleine, nicht kristalline Tropfen zurück. Wenn man jetzt ein Deckgläschen auf die Tropfen legt und das Gläschen etwas verschiebt, beginnt das Salz zu kristallisieren. Diese nicht kristallisierten Tropfen nennt man eine unterkühlte Schmelze. (Siehe mein Blogbeitrag über Natriumacetat. https://mikrokristalle.com/2016/11/22/natriumacetat-mikrokristalle-in-allen-farben/). Das Salz bildet sehr interessante Kristalle, wie die folgenden Aufnahmen zeigen:

 

Natriumthiosulfat

Natriumthiosulfat
Kristallisiert aus wässriger Lösung.

 

Natriumthiosulfat

Natriumthiosulfat
Kristallisiert aus wässriger Lösung.

 

Mit Natriumthiosulfat kann man grafisch sehr wirksame Aufnahmen machen, aber immer daran denken, die Substanz kristallisiert erst, wenn man sie etwas ankratzt oder wie ober beschrieben, sie mit einem Deckglas etwas bewegt.

Da das Salz schon bei ca. 48 °C schmilzt, kann man auch aus der Schmelze schöne Kristalle erzeugen. Dabei muss man behutsam vorgehen, da durch zu starkes Erwärmen das Kristallwasser aus den Kristallen ausgetrieben wird. Man erhält dann nur ein wasserfreies feines Pulver. Schmilzt man aber vorsichtig auf, erhält man schöne Kristalle, wie die folgende Aufnahme zeig:

Natriumthiosulfat Kristallisiert aus der Schmelze.

Natriumthiosulfat
Kristallisiert aus der Schmelze.

 

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. In meinen nächsten Blogbeitrag werde ich das Mikroskop vorstellen, mit dem die meisten meiner Bilder entstanden sind.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

 

H-D-S

 

Beugung von Lichtwellen.

Hallo liebe Freude der Mikrokristalle,
in meinem letzten Blogbeitrag habe ich auf die korrekte Einstellung der Aperturblende hingewiesen.

Ich hatte beschrieben und an Hand eines Beispiels gezeigt, daß die Aperturblende nicht zu weit geschlossen werden darf, da sonst durch Beugungserscheinungen das Bildergebnis verschlechtert und sogar verfälscht wird. Auf das Phänomen der Beugung möchte ich heute etwas näher eingehen.

In der geometrischen Optik geht man davon aus, daß bei einem ideal korrigierten Objektiv, ein Objektpunkt O als Bildpunkt O‘ dargestellt wird. In der Realität sieht das aber anders aus. Statt eines Bildpunktes O‘ entsteht ein Beugungsscheibchen. Um zu demonstrieren, was es mit der Beugung auf sich hat, habe ich ein Experiment mit einem Laser Pointer durchgeführt. Dazu habe ich vor einem roten Laser Pointer eine Aluminiumfolie befestigt, in die ich ein Loch mit einem Durchmesser von ca. 0,15 mm gestochen habe. Im Abstand von ca. 3 m habe ich den Lichtfleck auf einem weißen Projektionsschirm  fotografiert. Die Aufnahme wurde in einem dunklen Raum aufgenommen.

 

Beugungsbild eines roten Laserpointers.

Beugungsbild eines roten Laser Pointers.

Eigentlich hätte man auf dem Projektionsschirm nur einen kleinen roten Lichtfleck erwarten sollen. Statt dessen ist ein Bild mit einem Lichtfleck in der Mitte, umgeben von abwechselnd roten und dunklen Kreisen entstanden. Es sind nicht wirklich Kreise, weil leider das Loch in der Aluminiumfolie nicht kreisrund war. Auch ist der Lichtfleck  im Zentrum nicht rot, weil ich die Aufnahme absichtlich stark überbelichtet habe, um auch die umgebenden „Kreise“ besser sichtbar zu machen. Ich konnte die Kamera auch nicht mittig platzieren, da sie sonst in den Strahlengang gekommen wäre.

Wie ist dieses Bild nun zu deuten?
Es ist ganz offensichtlich, daß die aus dem kleinen Loch der Aluminiumfolie austretenden Lichtwellen sich kreisförmig auch im Schattenraum um den zentralen Lichtpunkt herum ausbreiten. Wenn sich Lichtwellen auch im Schattenraum eines Objekts ausbreiten, nennt man diese Erscheinung Beugung. Warum entstehen diese merkwürdigen roten und dunklen Ringe um das Zentrum herum?  Da auch viele Schüler meinen Blog lesen, möchte ich zunächst einige grundlegende Dinge erläutern.
Der niederländische Forscher Christiaan Huygens (1629-1695) hat Gedanken zur Ausbreitung der Lichtwellen  entwickelt, die noch heute gelten, und die wir das „Huygens’sche Prinzip“ nennen. Zur Darstellung der Ausbreitung von Lichtwellen verwendet man die Begriffe „Wellenfront“, „Wellennormale“ oder „Wellenstrahl“.

Wellenfronten, Wellennormale bzw. Wellenstrahl.

Die Kreise in der Skizze sind die Wellenfronten, sie stellen die maximale Auslenkung (Wellenberge) einer Welle dar. (Man denke an das Bild das entsteht, wenn man einen Stein in einen Teich mit glatter Wasseroberfläche wirft). Der Abstand λ zwischen den Wellenbergen  ist die Wellenlänge, nochmals an der Skizze rechts unten verdeutlicht. Die roten Pfeile sind die Wellennormalen oder auch Wellenstrahlen. Sie sind Richtungspfeile und stehen immer senkrecht auf den Wellenfronten. Betrachtet man einen kleinen Teil einer sehr großen Kreiswelle, kann dieser annähernd durch horizontale Wellenfronten dargestellt werden, wie oben rechts geschehen.

Huygens hat sich nun überlegt, wie die Ausbreitung einer Welle zustande kommt. Er nahm an,  daß jeder Punkt einer Wellenfront,  Ausgangspunkt neuen Elementarwellen ist. Diese Elementarwellen überlagern sich. Die Einhüllende aller Elementarwellen, ergibt dann eine neue Wellenfront.  Die folgende Skizze soll das erläutern:

Das Huygens’sche Prinzip.

Die roten Punkte auf der Wellenfront sind Ausgangspunkte neuer Elementarwellen, hier als Teilkreise dargestellt. Die  Elementarwellen überlagern sich, die Einhüllende bildet die neue Wellenfront. Dort entstehen wieder neue Elementarwellen, und so setzt sich die Ausbreitung der Welle fort. Die Welle kann sich in alle Richtungen ausbreiten. Die skizzierten Wellenstrahlen stellen daher auch keine bevorzugten Richtungen dar.

Was passiert, wenn nun eine horizontale Wellenfront auf ein Hindernis, wie eine Lochblende fällt? Um das zu versehen, betrachten wir zunächst statt einer engen Lochblende einen engen Spalt, weil die mathematische Beschreibung hier einfacher ist. Physikalisch betrachtet sind die Verhältnisse an Spalt und Lochblende aber identisch.

 

Betrachten wir eine ebene Wellenfront, die auf einen engen Spalt der Breite l fällt.

 

Wellenstrahlen die von A und B auf P zulaufen.

Auch hier entstehen, an der den Spalt passierenden Wellenfront, neue Elementarwellen. Zwei Elementarwellen am äußeren Rand, dargestellt durch deren Wellenstrahlen, laufen auf Punkt P zu. Wenn die Spaltbreite l gegenüber der Strecke a sehr klein ist, kann man annehmen, daß beide Wellenstrahlen fast parallel verlaufen. Die Wegstrecke BP ist in diesem Beispiel um die halbe Wellenlänge, also λ/2 länger als die Wegstrecke AP. Das bedeutet, daß die von Punkt B ausgehende Welle etwas später in P ankommt, so daß ein Gangunterschied (Phasenverschiebung) von λ/2 eintritt. Das folgende Bild verdeutlicht nochmals die Phasenverschiebung.

Bei einer Phasenverschiebung von einer halben Wellenlänge, treffen in Punkt P Wellental auf Wellenbauch.

Sinusförmige Lichtwelle um L/2 versetzt.

Phasenverschiebung  λ /2 . Destruktive Interferenz.

Wenn aber das Wellental einer Welle mit dem Wellenbauch einer anderen Welle aufeinander treffen, (ähnliche Wellenlänge und Orientierung vorausgesetzt), dann löschen sie sich gegenseitig aus. Man nennt das Destruktive Interferenz.

So, nun haben wir alles zusammen, um die Kreise des obigen Beugungsbildes zu erklären. In der folgenden Skizze trifft nochmal eine horizontale Wellenfront mit der Wellenlänge λ auf einen Spalt der Breite d. Auch hier entstehen am Spalt neue Elementarwellen. Die Elementarwellen breiten sich in alle Richtungen aus. 5 Ausgangspunkte von Elementarwellen sind als rote Punkte eingezeichnet.   Die Wellenstrahlen breiten sich in Richtung a mit dem Winkel α aus. Alle Wellenstrahlen treffen sich in einem Punkt P, der hier nicht eingezeichnet ist. Wegen der großen Entfernung zum Projektionsschirm im Vergleich zum engen Spalt,  können die Wellenstrahlen parallel gezeichnet werden. Das entspricht durchaus der Realität der obigen Aufnahme. Die Lochblende vor dem Laser Pointer hatte einen Durchmesser von ca. 0,15 mm, der Abstand zwischen Lochblende und Projektionsschirm betrug ca. 3000 mm.

 

Beugung an einem Einzelspalt mit Darstellung des 1. Minimums.

Beugung an einem Einzelspalt mit Darstellung des 1. Minimums.

 

Betrachtet man einen Einzelspalt genauer, so ist er nicht Ausgangspunkt einer einzelnen Elementarwelle. Vielmehr ist jeder Punkt des Spalts Ausgangspunkt neuer Elementarwellen. Im Bild sind 5 solcher Punkte rot eingezeichnet. Die von ihnen ausgehenden, sich überlagernden Elementarwellen sind durch ihre Wellenstrahlen dargestellt. Sie bewegen sich in Richtung a mit dem Winkel α gegenüber  der Horizontalen. Beträgt der Gangunterschied zwischen den beiden äußeren Randstrahlen  1 und 5 gerade λ, so kann man Strahlenpaare finden, deren Gangunterschied gerade λ/2 beträgt. Das sind die Strahlenpaare 1 und 3 sowie 2 und 4 und schließlich 3 und 5. Die Strahlenpaare löschen sich somit alle wegen des Gangunterschieds durch destruktive Interferenz  vollständig aus.

Wellenstrahlen die geradlinig verlaufen, bei denen der Winkel α = 0 ist, bilden das Intensitätshauptmaximum, auf dem Bild auf der Mittelachse.

Für das ersten Minimum gilt:

sin α = ± λ/d

Die hier angestellten Überlegungen gelten natürlich auch für Gangunterschiede größer als λ, also für 2λ, 3λ, …

Bei der Beugung an einem Spalt entstehen helle und dunkle Streifen. Für die Minima gilt:

sin αk = k·λ/d                  k = ±1, ± 2, …         (  λ Wellenlänge  d Spaltbreite)

Zwischen den Minima liegen Nebenmaxima sehr geringer Intensität. Die Bedingung für die Nebenmaxima lautet:

sin αk = (2k + 1)·λ/2d          k= ±1, ±2, …

 

Es besteht physikalisch kein Unterschied zwischen der Beugung an einem Spalt oder an einer runden Öffnung, wie einer Lochblende mit dem Radius r. Aber die mathematische Beschreibung ist erheblich schwieriger. Bei Lochblenden entstehen dann nicht Beugungsstreifen wie am Spalt sondern Beugungskreise, wie sie auf dem obigen Foto zu sehen sind.

Unser Ausgangspunkt war das Schließen der Aperturblende am Mikroskop. Je weiter man sie schließt, umso stärker treten Beugungserscheinungen auf, die das mikroskopische Bild negativ beeinträchtigen. Beugung von Lichtwellen tritt immer auf, wenn diese auf Hindernisse treffen. Ein Blendenrand oder die Fassung eines Objektivs sind solche Hindernisse. Je kleinen ein Öffnung ist, umso stärker treten Beugungserscheinungen hervor. Ohne die kleine Aluminiumlochblende vor dem Laser Pointer hätten wir auf dem obigen Foto einen kleinen roten Punkt gesehen, wie wir es von einem Laser Pointer gewöhnt sind. Das Hindernis Lochblende mit einem Durchmesser von ca. 0,15 mm hat die Beugungserscheinungen aber voll zu Tage treten lassen.

So liebe Freunde der Mikrokristalle, es ist Spargelzeit. Da habe ich nochmal zur Asparaginsäure gegriffen, die, wie der Name schon sagt, Bestandteil dieses feinen Gemüses ist. Ich habe ca. 250 mg in 10 ml Isopropanol/dest. Wasser 1:1 heiß gelöst und einen Tropfen auf einen Objektträger gegeben. Die Kristallisation setzt meist schon nach wenigen Minuten ein. (Manchmal benötigt man aber etwas Geduld).

Hier die Ergebnisse:

 

Asparaginsäure fotografiert im polarisierten Licht. Vergrößerung 100x.

Asparaginsäure fotografiert im polarisierten Licht. Vergrößerung 100x.

 

Asparaginsäure fotografiert im polarisierten Licht. Vergrößerung 100x.

Asparaginsäure fotografiert im polarisierten Licht. Vergrößerung 100x.

Bei dem unteren Foto könnte man meinen, ein reißende Fluss bewegt sich durch eine Berglandschaft.

Man kann sich fragen, ob der Aufwand gerechtfertigt war, um das Phänomen der Beugung so detailliert zu beschreiben. Aber mit den Erkenntnissen die wir aus dem Beugungsexperiment gewonnen haben, können wir ohne weiteren Aufwand berechnen, wo die Grenze des Auflösungsvermögens bei optischen Mikroskopen liegt, mit anderen Worten, welche maximale Vergrößerung überhaupt möglich ist. Und das ist doch eine wirklich interessante Frage.

Das liebe Freunde der Mikrokristalle, wird daher auch das Thema meines nächsten Blogbeitrags sein.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

 

 

 

 

Magnesiumsulfat ein Tannendünger in prachtvollem Outfit.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

eigentlich hatte ich für diesen Beitrag das Natriumcitrat angekündigt, aber es hat mit der Züchtung ansprechender Kristalle nicht richtig geklappt.

Hier ein anderer Star unter den Mikrokristallen, das Magnesiumsulfat. Man nennt es auch Bittersalz, und das nicht ohne Grund. Der Stoff hat einen bitteren Geschmack und wird u.a. auch als Abführmittel verwendet. Man bekommt das Salz ohne Probleme in der Apotheke. Aber auch im Baumarkt gibt es Magnesiumsulfat als Düngemittel für Tannen und andere Nadelgewächse.

Die Substanz ist ein Magnesiumsalz der Schwefelsäure und hat die folgende einfache Formel: MgSO4. Magnesiumsulfat ist in kleinen Mengen ungiftig und sehr gut in Wasser löslich. Es bildet sehr leicht schöne Kristalle auf dem Objektträger. Man gibt einige wenige Körnchen auf einen sauberen Objektträger und fügt 1-3 Tropfen dest. Wasser hinzu. Die Kristalle lösen sich schnell auf. Man läßt die Probe an einem staubfreien Ort langsam eintrocknen. Eilige legen den Objektträger auf die Heizung und fügen ein Papierdach darüber, um lästigen Staub zu vermeiden. Nach dem Verdunsten des Wassers haben sich schöne Kristalle gebildet, die prächtige Fotos unter dem Mikroskop im polarisierten Licht ergeben. Wir arbeiten hier ohne Deckglas. Nun ein paar Beispiele:

Magnesiumsulfat

Magnesiumsulfat-Kristalle  im polarisierten Licht

 

Magnesiumsulfat-Kristalle im polarisierten Licht.

Magnesiumsulfat-Kristalle im polarisierten Licht.

 

Magnesiumsulfat-Kristalle im polarisierten Licht.

Magnesiumsulfat-Kristalle im polarisierten Licht mit zusätzlichem Lambda-Plättchen.

 

Diese Beispiele zeigen, daß auch anorganische Mikrokristalle prächtig unter dem Mikroskop im polarisierten Licht aussehen. Anorganische Salze haben den Vorteil, daß sie meist viel leichter zu beschaffen sind, als organische Stoffe.

Warum düngt man eigentlich Nadelgewächse mit Magnesiumsulfat? Magnesium spielt in der Pflanzenwelt eine große Rolle. Das Blattgrün der Pflanzen besitzt bei der sogenannten Photosynthese der Pflanzen eine wichtige Funktion. Aus Wasser und Kohlendioxid erzeugen Pflanzen in den Blättern mit Hilfe des Blattgrüns, auch Chlorophyll genannt, Kohlenhydrate, wie z.B. Zucker. Die Kohlenhydrate benötigen die Pflanzen für ihr Wachstum. Sie erzeugen daraus z.B. Cellulose als Stützgerüst oder Stärke als Energiespeicher und vieles andere mehr. Das Chlorophyll ist ein großes, kompliziertes Molekül, das in seiner Mitte das Magnesium als Zentralatom besitzt. Magnesium ist also für Pflanzen ein unentbehrliches Element. Darum führen wir es den Pflanzen z.B. als Magnesiumsulfat zu.

Und hier noch etwas ziemlich erstaunliches: Wie erwähnt, ist Magnesium das Zentralatom einer komplizierten chemischen Struktur, dem Chlorophyll. Ersetzt man nun das Magnesium in dieser Struktur durch  Eisen, so erhält man den roten Blutfarbstoff Häm, der gebunden an sogenannten Globinen, als Hämoglobin durch unsere Adern fließt und für den Sauerstoff-Transport in unsere Zellen verantwortlich ist. Es ist doch interessant, wie genial und doch sparsam, die Natur in der Evolution vorgeht. (Die Strukturen um die Zentralatome sind zwar nicht zu 100% identisch, sind sich aber doch erstaunlich ähnlich).

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. In meinem nächsten Blogbeitrag möchte ich die Mikroskopbeleuchtung etwas näher betrachten, besonders in Hinblick auf die Fotografie der Mikrokristalle.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

Natriumacetat: Mikrokristalle in allen Farben.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

in meinem letzten Blogbeitrag habe ich das Natriumcarbonat vorgestellt. Man kann damit recht schöne Mikrokristalle erzeugen, die aber farblich nicht sehr viel hergeben.,

Ganz anders sieht es mit Natriumacetat aus. Mit diesem Salz lassen sich fantastisch farbige Mikrokristalle erzeugen. Wir können uns Natriumacetat relativ leicht selber herstellen. Dazu benötigen wir an Chemikalien nur das Natriumcarbonat aus dem vorigen Blogbeitrag und Essig aus der Küche. (Der saure Bestandteil des Essigs ist Essigsäure).

Für chemisch weniger bewanderte Leser einige Erläuterungen: Natriumcarbonat ist das Salz einer starken Lauge, nämlich der Natronlauge und einer sehr schwachen Säure, der Kohlensäure.

Wenn man dem Salz einer schwachen Säure eine stärkere Säure zusetzt, verdrängt die stärkere Säure die schwache. Genau das wollen wir durchführen. Essigsäure ist eine viel stärkere Säure als Kohlensäure und verdrängt diese sehr leicht. Aus dem Natriumcarbonat wird Natriumacetat.

Folgende Gerätschaften werden benötigt:

  • Feuerfeste flache Schale aus Porzellan oder Metall (kein Aluminium oder Kupfer).
  • Teelöffel
  • Kleiner Filtertrichter
  • Kaffeefilterpapier
  • Becherglas oder Schnapsglas

Chemikalien:

  • Natriumcarbonat (Soda)
  • Speiseessig
  • Brennspiritus oder Isopropanol

Wer keine feuerfeste Schale besitzt kann auch eine kleine Glasschale verwenden, muss dann aber das Lösungsmittel ohne Wärmezufuhr verdunsten lassen, was einige Tage benötigt.

So, und nun geht es los: In die feuerfeste Schale geben wir einen gestrichenen Teelöffel Natriumcarbonat. Jetzt fügen wir ganz langsam Essig hinzu. Das Natriumcarbonat schäumt stark auf. Das rührt daher, dass die Essigsäure die Kohlensäure aus dem Natriumcarbonat austreibt. Die Kohlensäure zerfällt, da instabil, sofort zu Wasser und Kohlendioxid, das als Gas entweicht. Wir geben so lange in kleinen Portionen Essig zu, bis keine Gasbildung mehr sichtbar ist. (Ein kleiner Überschuss an Essig schadet nicht). Wir haben jetzt eine klare Lösung vorliegen, die bereits unser Natriumacetat enthält. Aber wir sind noch nicht fertig mit unserer Arbeit. Der Speiseessig enthält meist noch Zutaten wie z.B. Gewürze und andere Zusatzstoffe. Diese Dinge wollen wir entfernen, da besonders das reine Natriumacetat sehr schön kristallisiert.

Wir stellen unsere feuerfeste Schale auf eine Herdplatte und lassen das Wasser langsam verdampfen. (Es geht auch bei Raumtemperatur, benötigt aber eine knappe Woche). Zum Schluss bitte aufpassen, es kann sehr leicht spritzen, Schutzbrille tragen, darum die Schale rechtzeitig von der Herdplatte nehmen. Die Eindampftemperatur sollte 100°C nicht überschreiten! (Wenn es etwas gespritzt hat, kein Problem, mit einem feuchten Lappen von der Herdplatte entfernen. Hier ist nichts giftig). Wir haben jetzt einen weißen bis leicht gelblichen Rückstand in unserer Schale, das Natriumacetat. Um es von Verunreinigungen und restlicher Essigsäure zu befreien, geben wir ca. 20 ml (ein Schnapsglas) Spiritus hinzu und lösen den Kristallbrei vom Schalenboden. Eventuelle Würzextrakte und Essigsäure lösen sich im Spiritus. Das Natriumacetat ist aber in dem Lösungsmittel nur sehr wenig löslich.

Wir schneiden uns ein kreisrundes Filter aus einem Kaffeefilter und falten es einmal, so dass es einen Halbkreis bildet. Den falten wir nochmal zu einem Viertelkreis. Jetzt können wir den Viertelkreis zu einer Filtertüte öffnen, die wir in den Filtertrichter einsetzen. Wir feuchten das Papierfilter mit Spiritus an, damit es gut an der Trichterwand anliegt. Jetzt befördern wir den Filterbrei mit dem Spiritus in das Filter, das wir in ein Glasgefäß stellen, damit der Spiritus dort hineinlaufen kann. Wenn der Spiritus abgelaufen ist, waschen wir noch mit etwas Spiritus nach.

Wir haben jetzt im Filter praktisch reines, weißes Natriumacetat, das wir nur noch trocknen müssen. Das geht am besten in der eingangs verwendeten Schale an der Luft in staubarmer Umgebung.

Das trockene Natriumacetat bewahren wir in einer kleinen Flasche oder Plastiktüte auf. (Beschriften nicht vergessen). Eine Warnung zum Spiritus: Spiritus ist fast reiner Alkohol, der mit einer extrem bitter schmeckende Substanz vergällt ist, damit man ihn nicht trinken oder zu alkoholischen Getränken verarbeiten kann. Er ist daher auch steuerfrei und preiswert. In der Küche sollte man mit Spiritus vorsichtig umgehen, damit nicht Gefäße oder Tischoberflächen oder Wischlappen den bitteren Geschmack annehmen! Viel besser geeignet ist an Stelle von Spiritus Isopropanol der korrekt 2-Propanol genannt wird. Also, immer sauber arbeiten und hinterher alles gut abwaschen. Spiritus ist feuergefährlich! Niemals mit offener Flamme arbeiten. Auch in der Nähe darf kein offenes Feuer sein!

Hier noch kurz die formelmäßige Beschreibung:

Na2CO3 + 2 CH3COOH = 2 CH3COONa + CO2 + H2O

Beim Kristallisieren des Natriumacetats gibt es eine Besonderheit: Natriumacetat kristallisiert zusammen mit 3 Molekülen Kristallwasser. Formal können wir schreiben: CH3COONa⋅3H2O. Dieses sogenannte Trihydrat löst sich  bei 58°C im eigenen Kristallwasser. Bei ca. 120°C beginnt das Kristallwasser zu verdampfen. Das wasserfreie Salz schmilzt bei ca. 300°C. Darum muss man beim Eindampfen aufpassen, dass die Temperatur 120ºC nicht überschreitet. Es ist aber auch kein Problem, wenn man das wasserfreie Natriumacetat herstellt. Auf dem Objektträger entsteht ohnehin bei Wasserzugabe wieder das Trihydrat.

Es gibt eine weiter Besonderheit des Natriumacetats, die wir auf dem Objektträger beobachten können: Dazu geben wir einige Körnchen unseres Salzes auf einen sauberen Objektträger. Wir fügen einen Tropfen eines Lösungsmittels Spiritus/dest. Wasser 1:1 hinzu. Die Körnchen lösen sich leicht auf, eventuell mit einem Glasstab oder dem Stiel eines Teelöffels etwas verteilen. Bei Zimmertemperatur, (nicht auf der Heizung!!) das Lösungsmittel verdunsten lassen. Nachdem das Lösungsmittel verdunstet ist liegt auf dem Objektträger eine nicht kristalline Masse vor. Wenn man diese, z.B. mit einer Stecknadel, berührt oder etwas ankratzt, erfolgt eine spontane Kristallisation. Man kann auch ganz wenig Natriumacetat zwischen den Fingern ganz fein verreiben und wenige Körnchen, ein einziges würde genügen, auf den Objektträger geben. Sofort erfolgt spontane Kristallisation. Natriumacetat bildet gerne sogenannte unterkühlte Schmelzen, die dann bei Berührung oder Erschütterung kristallisieren. Die so entstandenen Kristalle ergeben sehr schöne Bilder im polarisierten Licht, wie die folgenden Aufnahmen zeigen:

Natriumacetat Trihydrat

Natriumacetat Trihydrat

 

Natriumacetat Trihydrat

Natriumacetat Trihydrat

 

Natriumacetal Trihydrat

Natriumacetat Trihydrat

 

Natriumacetat Trihydrat

Natriumacetat Trihydrat

 

Vergleicht man die Kristalle von Natriumcarbonat mit denen von Natriumacetat, so sieht man, dass letztere viel farbiger sind. Ich vermute dafür folgenden Grund: Voraussetzung für bunte Strukturen im polarisierten Licht ist der anisotrope Charakter der Kristalle. (Den Begriff der Anisotropie habe ich in meinem Blogbeitrag  Warum ergeben Mikrokristalle im polarisierten Licht farbige Bilder?  ausführlich beschrieben). Ein Natriumcarbonat-Kristall ist vermutlich symmetrischer aufgebaut, als ein Natriumacetat-Kristall und besitzt daher geringere anisotrope Eigenschaften. Aber das ist nur eine Vermutung von mir. Das Kristallwasser befindet sich nicht irgendwo eingeschlossen im Kristall, es ist im Kristallgitter eingebaut.

Die Eigenschaft von Natriumacetat, unterkühlte Schmelzen zu bilden, nutzt man in Wärmespeichern, die man im Winter als Sitzkissen benutzen kann. Diese Wärmespeicher bestehen aus einer Kunststoffhülle, die Natriumacetat enthält. Zusätzlich befindet sich darin ein Metallstreifen. Zu Hause erwärmt man das Sitzkissen auf ca. 60°C. Dabei lösen sich die Kristalle unter Wärmeaufnahme im eigenen Kristallwasser. Dieses Kissen kann man jetzt abkühlen lassen. Wenn man die gespeicherte Kristallisationswärme nutzen will, knickt man das Kissen an der Stelle, wo der Metallstreifen sitzt. (Entspricht dem Anritzen auf dem Objektträger). Jetzt kristallisiert das Natriumacetat und setzt die Kristallisationswärme frei. Das Sitzkissen erwärmt sich auf ca. 35°C.

Wer sich lieber Natriumacetat kaufen möchte, bekommt es preiswert bei Amazon. Dort gibt es auch meinen Kalender „Surreale Farbwelten – Mikrokristalle“ für 2017 mit tollen Mikrokristallen.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Im nächsten Blogbeitrag vergleiche ich Bilder der Zitronensäure mit Natriumzitrat, dem Natriumsalz der Zitronensäure, das wir auch leicht selber herstellen können.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

 

H-D-S

catalog_577467

Titel: Surreale Farbwelten-Mikrokristalle

Autor: Dieter Schenckenberg

Hier die ISBN-Nummern:
Wandkalender 2017 DIN A4 quer ISBN 978-3-664-84126-4

Wandkalender 2017 DIN A3 quer ISBN 978-3-664-84127-1

Wandkalender 2017 DIN A2 quer ISBN 978-3-664-84128-8

Den Kalender gibt es bei

http://www.amazon.de

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Mikrokristalle von Natriumcarbonat.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

Weihnachten naht mit großen Schritten. Da lohnt es sich, einmal das Natriumcarbonat auf dem Objektträger zum Kristallisieren zu bringen. Manchmal erhält man sehr interessante, sternenähnliche Kristalle, die gut zu der Jahreszeit passen.

Natriumcarbonat, auch Soda genannt, wurde früher in jedem Haushalt zum Wäsche waschen verwendet. Man nannte es Bleichsoda oder Waschsoda. Soda findet in der Industrie vielfältige Verwendung, so z.B. in der Glasindustrie. Das weltgrößte chemische Unternehmen, die BASF in Ludwigshafen, trug „Soda“ ursprünglich in ihrem Namen. Sie hieß Badische Anilin- & Sodafabrik.

Na2CO3 ist die chemische Formel für Soda, es handelt sich also um das Natriumsalz der Kohlensäure. Soda bekommt man in jeder Apotheke, manchmal auch in Drogerien. Soda gibt es auch in manchen Baumärkten. Das Salz löst sich sehr leicht in Wasser, es ist unlöslich in Spiritus.

Zum Züchten von Mikrokristallen gibt man ein paar Kristalle auf einen Objektträger und fügt einen Tropfen Wasser hinzu. Die Kristalle lösen sich sofort auf. Man kann, zur besseren Verteilung des Wassers auf dem Objektträger, dem Wasser ganz wenig Spülmittel zusetzen oder Wasser/Spiritus 3:1 verwenden. Die Kristallisation setzt, sobald das Lösungsmittel weitgehend verdampft ist, sehr schnell ein. Je langsamer das Lösungsmittel verdampft, umso größer werden die Kristalle.

Die folgenden Bilder sind HDR-Aufnahmen, aus jeweils 3 Bildern unterschiedlicher Belichtung, die mit Photomatix Pro zusammengesetzt wurden. Diese Technik habe ich in früheren Blogbeiträgen schon ausführlich beschrieben. (HDRI-Software). Neben den obligatorischen Polarisationsfiltern wurde ein λ/4-Filter verwendet. Auch diese Technik habe ich kürzlich detailliert besprochen. (Lineare Polarisation). Hier die Ergebnisse:

 

Natriumcarbonat

HDR-Aufnahme von Natriumcarbonat im polarisierten Licht, zusätzlich mit λ/4-Filter.

 

Natriumcarbonat

HDR-Aufnahme von Natriumcarbonat im polarisierten Licht, zusätzlich mit λ/4-Filter.

 

Natriumcarbonat

HDR-Aufnahme von Natriumcarbonat im polarisierten Licht, zusätzlich mit λ/4-Filter.

 

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Im nächsten Blogbeitrag stellen wir uns ein organisches Salz aus Soda und Essig selber her. Es ist das Natriumacetat, das sehr schöne farbige Kristalle bildet. Man benötigt zur Herstellung nur Dinge, die in jedem Haushalt vorhanden sind. Eine spannende Sache.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

p.s. Weihnachten naht, wie wäre es mit einem Kalender voller prächtiger Mikrokristalle als originelles Weihnachtsgeschenk? 
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Titel: Surreale Farbwelten-Mikrokristalle

Autor: Dieter Schenckenberg

Hier die ISBN-Nummern:
Wandkalender 2017 DIN A4 quer ISBN 978-3-664-84126-4

Wandkalender 2017 DIN A3 quer ISBN 978-3-664-84127-1

Wandkalender 2017 DIN A2 quer ISBN 978-3-664-84128-8

Den Kalender gibt es bei

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Sorbit kristallisieren mit einem Impfkristall.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

ich hatte ihn schon angekündigt: den Zuckerersatzstoff Sorbit. Diesen Stoff kann man sich leicht, z.B. aus der Apotheke, beschaffen. In Lebensmitteln wird er als Ersatz für Zucker verwendet.

Hier zunächst die chemische Formel:

D-(-)-Sorbit

D-(-)-Sorbit

Chemisch ähnelt Sorbit den Zuckern D-Glucose und D-Fructose:

d-Glucose D-Fructose

D-Glucose und D-Fructose. Die Sternchen kennzeichnen die asymmetrischen Kohlenstoffatome.

In früheren Blogbeiträgen hatte ich schon über die Geduld berichtet, die man beim Kristallisieren von Zuckern benötigt. Auch Sorbit macht da keine Ausnahme. Der Stoff ist sehr gut löslich in Wasser und Wasser/Alkohol-Gemischen. Gut geeignet ist eine Mischung aus Wasser/Spiritus 1:1 oder besser noch Wasser/Isopropanol 1:1. Man gibt auf einen Objektträger einige Kristalle Sorbit und einen Tropfen Lösungsmittel. Die Kristalle lösen sich schnell auf. Man lässt das Lösungsmittel an einem staubfreien Ort bei Raumtemperatur verdunsten – und siehe da, es passiert nichts -. In aller Regel erhält man keine Kristallisation, auch nicht nach mehreren Tagen Wartezeit. Fast immer ist es erforderlich, die Kristallisation mit Hilfe eines Impfkristalls in Gang zu setzen. Dazu nimmt man die Probe, bei der das Lösungsmittel verdampft ist und versetzt sie mit einem ganz kleinen Sorbitkristall. Schon nach kurzer Zeit, meist nach wenigen Minuten, setzt die Kristallisation ein. Sie beginnt um den Impfkristall herum, wie die folgende Aufnahme zeigt, bei der 2 Impfkristalle zu sehen sind:

D-(-)-Sorbit mit Impfkristall.

D-(-)-Sorbit mit Impfkristallen.

Das „Animpfen“ ist im chemischen Labor eine übliche Praxis, um die Kristallisationsneigung von Stoffen, die sonst schwer kristallisieren, zu beschleunigen. Das Animpfen mit einem Impfkristall kann sowohl aus einer übersättigten Lösung, als auch aus einer Schmelze heraus erfolgen. Bei Sorbit funktioniert das ganz hervorragend aus der eingedampften Probe. Aus der Schmelze funktioniert es auch, aber nicht so gut. Bei den folgenden Aufnahmen wurden Sorbit-Kristalle auf einem Objektträger in einem Tropfen Wasser/Isopropanol 1:1 gelöst. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels wurde mit einem kleinen Sorbit-Kristall angeimpft. Für die Aufnahmen wurde zusätzlich zu den Polarisationsfiltern ein λ/4-Plättchen verwendet, da Sorbit farblich sonst nicht allzuviel hergibt.

D-(-)-Sorbit, fotografiert im polarisierten Licht, zusätzlich mit L/4-Plättchen.

D-(-)-Sorbit, fotografiert im polarisierten Licht, zusätzlich mit λ /4-Plättchen.

 

D-(-)-Sorbit

D-(-)-Sorbit, fotografiert im polarisierten Licht, zusätzlich mit λ /4-Plättchen.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. In meinem nächsten Blogbeitrag gibt es Mikrokristalle von einem anorganischen Stoff, den man sich sehr leicht, z.B. in der Apotheke, besorgen kann. Es ist Natriumcarbonat, auch Soda genannt.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

p.s. Weihnachten naht, wie wäre es mit einem Kalender voller Mikrokristalle als Geschenk?

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Titel: Surreale Farbwelten-Mikrokristalle

Autor: Dieter Schenckenberg

Hier die ISBN-Nummern:
Wandkalender 2017 DIN A4 quer ISBN 978-3-664-84126-4

Wandkalender 2017 DIN A3 quer ISBN 978-3-664-84127-1

Wandkalender 2017 DIN A2 quer ISBN 978-3-664-84128-8

Den Kalender gibt es bei

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Lineares Polarisationsfilter und λ/4-Plättchen II.

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

es hat etwas gedauert, mit dem zweiten Beitrag zur Zirkularpolarisation, in dem ich das Prinzip und den Aufbau eines Zirkularpolarisationsfilters beschreibe.

In meinem letzten Blogbeitrag habe ich experimentell gezeigt, wie sich die Intensität des polarisierten Lichts beim Passieren durch ein zweites lineares Polarisationsfilter in Abhängigkeit vom Drehwinkel verändert. Eine Lichtwelle wurde als eine sinusförmige Schwingung, vergleichbar mit der Schwingung eines angeregten Seils dargestellt.

Skizze einer horizontal und einer vertikal schwingenden Welle

Skizze einer horizontal und einer vertikal schwingenden Welle

Da gibt es aber einen Widerspruch. Würde sich eine Lichtwelle tatsächlich wie eine Seilwelle verhalten, würde schon ein geringfügiges Drehen eines Polarisationsfilters ausreichen, um den gesamten Lichtdurchgang zu sperren. Man hat aber gesehen, daß beim Verdrehen eines der Filter zunächst wenig passiert, dann aber geht es sehr schnell. Die Intensität, mit der das Licht die Polarisationsfilter passiert wurde mit Hilfe des Amplitudenvektors mathematisch beschrieben. Dazu wurde der Amplitudenvektor in seine horizontale und vertikale Komponente zerlegt. Die vertikale Komponente erwies sich als Maß für die Intensität des passierten Lichts. Man muß sich also von der Vorstellung frei machen, daß eine Lichtwelle einer mechanischen  Seilwelle sehr ähnelt. Das Modell der Seilwelle dient nur dem besseren Verständnis. Ich arbeite hier bewusst nicht mit magnetischen und elektrischen Feldvektoren, um die Sache nicht zu kompliziert zu machen. Wenn ich von Wellenvektoren spreche sind die elektrischen Feldvektoren gemeint.

Man kann, wie wir gesehen haben, eine linear polarisierte Lichtwelle, mit einer wie auch immer gearteten Orientierung, mathematisch in einen horizontalen und einen vertikalen Wellenanteil zerlegen.

 

Horizontale und vertikale Komponente einer polarisierten Welle.

Horizontale und vertikale Wellenanteile einer polarisierten Welle.

Beide Wellenanteile verlaufen genau synchron. Nun stelle man sich einmal gedanklich vor, eine der beiden Wellenanteile würde um ein viertel der Wellenlänge, also λ/4 versetzt laufen, wie im folgenden Bild zu sehen ist.

 

Zwei Teilwellen um lambda/4 versetzt.

Zwei Wellenanteile einer polarisierten Welle  um λ /4 versetzt mit den Wellenvektoren.

 

Diese beiden Wellenanteile verlaufen jetzt nicht mehr synchron. Kann man so etwas praktisch durchführen? Ja man kann. Und zwar, man ahnt es schon, mit einem λ/4-Plättchen. Wie funktioniert das?

Bei manchen Kunststoff-Folien können die Moleküle durch mechanisches Strecken in die Länge gezogen werden. Moleküle behindern das Licht beim Passieren und verlangsamen die Lichtgeschwindigkeit. Bei solch langgestreckten Molekülen ist es nicht egal, ob passierende Lichtwellen längs oder quer zur Streckrichtung schwingen, sie werden unterschiedlich stark abgebremst . Und so gelingt es, eine Gangunterschied mit solchen Kunststoffen zu erzeugen. Man kann die Dicke einer solchen Kunststoffschicht so bemessen, daß man genau einen Gangunterschied von λ/4 also ein Viertel Wellenlänge erhält, und schon haben wir unser λ/4-Plättchen.

Sind nun beide Wellenanteile um λ/4 gegeneinander versetzt, so führt der Wellenvektor eine schraubenförmige Rotationsbewegung durch. Daher wird die so polarisierte Lichtwelle zirkular polarisiert genannt.

Meine zeichnerischen Fähigkeiten sind leider zu begrenzt, die Rotation des Wellenvektors vernünftig darzustellen. Ich habe aber auf YouTube eine Animation gefunden, die diese Rotation sehr schön zeigt:

Man sieht zunächst die synchron laufenden Wellenanteile bei denen der Wellenvektor nicht rotiert , und danach die um λ/4 versetzten mit dem rotierenden Wellenvektor. Ich finde die Animation ganz hervorragend, dem Autor kann man nur gratulieren. (Zur Wiederholung unten ganz links das runde Pfeilsymbol anklicken).

Ein Zirkularpolarisationsfilter besteht nun aus einer Kombination aus  linearem Polarisationsfilter und nachgeschalteter λ/4-Folie. Man verwendet diese Art von Filter in der Fotografie und vor allen Dingen bei Sonnenbrillen.

Für die Mikrofotografie, ich hatte es im letzten Blogbeitrag erwähnt, benutzt man beide Komponente besser getrennt. Ein Zirkularpolarisationsfilter ersetzt hier also nicht das λ/4-Plättchen. Hier zwei Fotos von L-Weinsäure im polarisierten Licht, jeweils mit und ohne λ/4 Plättchen. Die L-Weinsäure wurde im Methylethyketon gelöst und bildete einen sehr dünne Kristallschicht auf dem Objektträger.

 

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht mit L/4-Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht mit λ/4-Plättchen.

 

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht ohne L/4-Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht ohne λ/4-Plättchen.

 

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht mit L/4-Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht mit λ /4-Plättchen.

 

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht ohne L/Plättchen.

L-Weinsäure fotografiert im polarisierten Licht ohne λ/Plättchen.

Wie man sieht, kann man mit einem  λ/4-Plättchen manchmal interessante Effekte erzielen. Als Folien sind die λ/4-Plättchen im Internet relativ preiswert zu bekommen.

 

Soviel für heute liebe Freunde der Mikrokristalle. Der nächste Blogbeitrag wird nicht so lange auf sich warten lassen. Es ist zur Abwechslung mal wieder ein Zucker bzw. ein Zuckerersatzstoff dran, den man sich leicht beschaffen kann. Es ist der Sorbit.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

p.s.

Wer Freude an schönen Bildern von Mikrokristallen hat, sie aber nicht selber fotografieren will, dem empfehle ich meinen neuen Kalender für 2017, der seit dem ersten Juni im Handel ist.

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Titel: Surreale Farbwelten-Mikrokristalle

Autor: Dieter Schenckenberg

Hier die ISBN-Nummern:
Wandkalender 2017 DIN A4 quer ISBN 978-3-664-84126-4

Wandkalender 2017 DIN A3 quer ISBN 978-3-664-84127-1

Wandkalender 2017 DIN A2 quer ISBN 978-3-664-84128-8

Den Kalender gibt es bei

http://www.amazon.de

http://www.amazon.co.uk

http://www.amazon.fr

http://www.thalia.de

http://www.buchhandel.de

http://www.weltbild.de

http://www.buecher.de

http://www.ebook.de

http://www.calvendo.de