Quelltext der Seite Dichroismus

{{Dieser Artikel|stellt von der Polarisation abhängige Absorption dar. Für Bauteile mit einer von der Wellenlänge abhängenden Reflektivität siehe [[Dichroitischer Spiegel]]. Für mehrfarbiges Glas, das auf einem anderen Effekt beruht, siehe [[Dichroitisches Glas]].}}
[[Datei:Kupfer(II)-acetat-Monohydrat, dichroitisch.jpg|mini|Kupfer(II)-acetat-Monohydrat, dichroitisch]]
Der '''Dichroismus''' (vom [[Griechische Sprache|griechischen]] Wort ''dichroos'' für „zweifarbig“) ist in der [[Physik]] die Eigenschaft bestimmter Materialien, [[Licht]] in Abhängigkeit von der [[Polarisation]] unterschiedlich stark zu [[Absorption (Physik)|absorbieren]].

Bei dichroitischen Materialien gibt es eine [[Optische Achse (Kristalloptik)|optische Achse]], so dass beim Betrachten durch einen [[Polarisationsfilter]] in der einen Polarisationsrichtung aufgrund der unterschiedlichen Absorption eine andere Farbe zu erkennen ist als in der anderen (ordentlicher und außerordentlicher Strahl). Für dazwischenliegende Polarisationswinkel erhält man [[Mischfarbe]]n, weshalb der Dichroismus insbesondere in der [[Mineralogie]] auch als '''Pleochroismus''' bezeichnet wird ([[Altgriechische Sprache|altgr.]] {{lang|grc|πλέον}} ''pléon'' ‚mehr‘ und {{lang|grc|χρῶμα}} ''chroma'' ‚Farbe‘ bzw. {{lang|grc|χρώσ}} ''chros'' ‚Färbung‘, also „Mehrfarbigkeit“).

Beim Auftreten von zwei optischen Achsen gibt es drei Hauptbrechachsen, die Absorption ist in drei Polarisationsrichtungen unterschiedlich, und man spricht von '''Trichroismus'''.<ref name="bergmann" />
Die Mehrfarbigkeit äußert sich
* in einer unterschiedlichen [[Farbtiefe (Farbmittel)|Farbtiefe]], Beispiel: der Wechsel von dunkleren Farben zu blasseren Farben bei manchen [[Turmalingruppe|Turmalinen]], oder
* in einem kompletten Farbwechsel, Beispiel: synthetischer [[Alexandrit]], der ohne Polarisationsfilter einen Farbwechsel gelbgrün – violett – rotbraun aufweist.<ref>GIA [[Gemological Institute of America]] Inc Jeniffer Stone-Sundberg: ''[http://www.gia.edu/gems-gemology/spring-2014-synthetic-alexandrite-stone-sundberg Challenges in Orienting Alexandrite: The Usambara and Other Optical Effects in Synthetic HOC-Grown Russian Alexandrite].'' Abgerufen am 10. Juli 2016.</ref>

Der Dichroismus wirkt sich auch auf das [[Reflexion (Physik)|Reflexionsverhalten]] der Materialien aus.

Weiterhin gibt es [[Röntgenspektroskopie|röntgenspektroskopische]] Effekte, die auf der Kopplung von [[Photonen]] im [[Röntgenstrahlung|Röntgenbereich]] an bestimmte [[Elektronenorbital]]e beruhen und unter dem Begriff [[Röntgendichroismus]] zusammengefasst werden.

Dichroismus ist mit der [[Doppelbrechung]] verwandt, bei welcher der Realteil des komplexen [[Brechungsindex]] von der Polarisation abhängt. Der Imaginärteil ist der [[Absorptionskoeffizient]], und dessen Abhängigkeit von der Polarisation bewirkt gerade den Dichroismus.

Ein anderer verwandter Effekt ist der [[Alexandrit-Effekt]], bei dem die Absorption nicht von der Polarisation, sondern von der [[Wellenlänge]] des Lichts abhängt.

== Beschreibung ==
Einige Materialien (hauptsächlich [[Kristall]]e) haben eine oder mehrere ausgezeichnete optische Achsen.

Bei optisch einachsigen Materialien wird einfallendes Licht in Abhängigkeit seiner Polarisation (immer bezogen auf den Vektor der elektrischen Feldstärke) in zwei Teilstrahlen aufgespalten: [[Doppelbrechung#Ordentlicher und außerordentlicher Strahl|den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl]]. Zeigt das Material unterschiedliches Absorptionsverhalten bezüglich dieser Achse, d.&nbsp;h., wird der ordentliche Strahl stärker bzw. schwächer absorbiert als der außerordentliche, so spricht man von einem dichroitischen Kristall. Bei einem entsprechend dicken Kristall wird daher einer der beiden Teilstrahlen (bis unter eine Schwellwert) absorbiert und nur der andere [[Transmission (Physik)|transmittiert]].

Der Effekt ist stark wellenlängenspezifisch und tritt nur in einem schmalen Spektralbereich auf, d.&nbsp;h., bei einer anderen Wellenlänge des Lichts kann der Effekt der Absorption nicht auftreten (man spricht dann von [[Doppelbrechung]]) oder sich sogar umkehren.
In der Regel sind dichroitische Kristalle doppelbrechend und doppelbrechende dichroitisch; Ausnahmen bestehen beim Vorliegen ganz bestimmter Randbedingungen (z.&nbsp;B. Einschränkungen des Spektralbereichs).<ref name="Daniel">{{Literatur |Autor=Herbert Daniel |Titel=Physik: Optik, Thermodynamik, Quanten |Verlag=Walter de Gruyter |Datum=1998 |ISBN=3-11-014630-4 |Seiten=192}}</ref>
Betrachtet man „normales“, d.&nbsp;h. unpolarisiertes, [[Weißlicht]] des gesamten sichtbaren Spektrums, so führt die polarisationsabhängige Absorption dichroitischer Materialien zur Schwächung bestimmter Spektralbereiche, was als Änderung der [[Lichtfarbe]] wahrnehmbar ist.

Besonders deutlich wird der Dichroismus, wenn man linear polarisiertes Licht auf einen optisch einachsigen Kristall mit zwei Resonanz- bzw. Eigenfrequenzen (Extremfarben) im sichtbaren Spektralbereich einstrahlt und das durchfallende Licht betrachtet. Ändert man nun die Polarisationsrichtung, so werden die Extremfarben sichtbar, wenn die Polarisation senkrecht bzw. parallel zur optischen Achse des Kristalls liegt. Für eine Polarisation dazwischen treten Mischfarben aus diesen beiden Farben auf, weswegen in der Mineralogie häufig allgemein von ''Pleochroismus'' gesprochen wird. Hinsichtlich der tatsächlichen Beobachtung ist diese Begriffswahl gerechtfertigt.<ref name="bergmann">{{Literatur |Autor=Ludwig Bergmann, Heinz Niedrig, Clemens Schaefer |Titel=Optik: Wellen- und Teilchenoptik |Verlag=Walter de Gruyter |Datum=2004 |ISBN=3-11-017081-7 |Seiten=558}}</ref>

Komplexeres Absorptionsverhalten liegt bei optisch mehrachsigen Kristallen vor:
* optisch zweiachsige Kristalle erzeugen zwei außerordentliche Strahlen, sie zeigen den ''Trichroismus''; ein [[Einkristall]] kann höchstens zwei optische Achsen haben.
* analog dazu zeigen (Poly-)Kristalle mit mehr als zwei optischen Achsen den ''Pleochroismus'' mit vielen Farben; solche Kristalle können nur durch Aneinanderkitten vieler Einkristalle zustande kommen ([[polykristall]]ines Material).

== Grad des Dichroismus ==
Der Grad des Dichroismus <math>D</math> wird bestimmt durch das Verhältnis der Differenz der [[Absorptionskoeffizient]]en für die parallele bzw. senkrechte Polarisation (<math>K_{\parallel}</math> bzw. <math>K_{\perp}</math>) zu ihrer Summe:<ref name="Ardenne" />

:<math>D = \frac{K_{\parallel} - K_{\perp}}{K_{\parallel} + K_{\perp}}</math>

== Linearer und zirkularer Dichroismus ==
[[Datei:Circular dichroism.png|mini|Zirkulardichroismus: rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht wird in einer Schicht, die ein [[Enantiomer]] eines optisch aktiven chiralen Stoffes enthält, verschieden beeinflusst.]]
Beim Dichroismus wird hinsichtlich der Art der Polarisation des einfallenden Lichts unterschieden:
* ''linearer Dichroismus'' bezeichnet das Phänomen, dass bei linear polarisiertem Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge entweder der außerordentliche Strahl stärker absorbiert wird als der ordentliche, oder umgekehrt. Dieser Effekt wurde Anfang des 19.&nbsp;Jh. erstmals bei [[Einkristall]]en des [[Schmuckstein]]s [[Turmalin]] gefunden.<ref name="Ardenne" />
* analog zur [[Zirkulare Doppelbrechung|zirkularen Doppelbrechung]] gibt es auch den Effekt des zirkularen Dichroismus (auch [[Zirkulardichroismus]] genannt), der das unterschiedliche Absorptionsverhalten rechts- und linksdrehend polarisierter Strahlung in einem [[Optische Aktivität|optisch aktivem]] Material beschreibt. Dieser Effekt wurde erstmals 1896 von [[Aimé Auguste Cotton]] beschrieben, vgl. [[Cotton-Effekt]].<ref name="Ardenne" />

== Anwendung und Materialien ==
Angewendet werden dichroitische Materialien z.&nbsp;B. als dichroitischer [[Polarisator]] im sichtbaren Bereich des [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrums]]. Hier können einfache [[Drahtgitterpolarisator]]en nicht mehr eingesetzt werden, denn mit geringer werdender Wellenlänge wird auch der erforderliche Gitterabstand geringer. Dieser ist schon im Bereich des [[Nahes Infrarot|nahen Infrarot]] nur noch schwer zu realisieren, im sichtbaren Bereich sind Strukturen in der Größenordnung von [[Molekül]]en notwendig.

Dem US-amerikanischen Physiker [[Edwin Herbert Land]] gelang 1932 erstmals die Herstellung dichroitischer Folien. Dazu richtete er die länglichen [[Kohlenwasserstoff]]moleküle in [[Polyvinylalkohol]] durch Erhitzung und [[Dehnung]] des Materials entsprechend aus. Solche [[Polarisationsfolie]]n ([[Polaroid]]<nowiki />filter oder -folie genannt) werden sehr häufig eingesetzt und sind vergleichsweise günstig.<ref>{{Literatur |Autor=Rainer Dohlus |Titel=Photonik |Verlag=Oldenbourg Wissenschaftsverlag |Datum=2010 |ISBN=978-3-486-58880-4}}</ref>
Sie können vergleichsweise großflächig hergestellt werden und erreichen einen [[Polarisationsgrad]] von über&nbsp;99 %.<ref name="Ardenne">{{Literatur |Autor=Manfred von Ardenne |Titel=Effekte der Physik und ihre Anwendungen |Verlag=Harri Deutsch Verlag |Datum=2005 |ISBN=3-8171-1682-9 |Seiten=777–778}}</ref>
Ihre Qualität (z.&nbsp;B. hinsichtlich des erreichbaren [[Transmission (Physik)|Transmissions-]] oder [[Polarisationsgrad]]es) liegt jedoch unter der von anderen Polarisatoren. Des Weiteren zeigen sie Nachteile beim Anwendungen mit hohen [[Lichtleistung]]en. Die Polarisation aufgrund von Absorption im Material führt zu einer Erwärmung und kann negative Einflüsse auf die Eigenschaften des Polarisators haben, ihn im Extremfall sogar zerstören.

Es gibt aber auch Körper aus mehreren Materialien, die dichroitisches Verhalten zeigen. So können Nadeln aus schwefelsaurem Jodchinin ([[Herapathit]]) in [[Zellulose]] eingebettet und als dichroitischer Polarisator (Polarisationsfolie) genutzt werden.<ref name="Daniel" /> In gleicher Weise kommen auch dichroitischen Farbstoffe in [[Kunststofffolie]]n zum Einsatz. Die dazu notwendige einheitliche Ausrichtung der Farbstoffmoleküle wird beispielsweise durch magnetische oder [[Elektrisches Feld|elektrische Felder]] erreicht.<ref name="HeringMartinStrohrer" />

In der [[Analytische Chemie|Analytischen Chemie]] kann der Zirkulardichroismus zur [[Strukturanalyse]] optisch aktiver [[Chiralität (Chemie)|chiraler]] Moleküle eingesetzt werden.

Zur Verwendung in der Mineralogie siehe folgendes Kapitel.

== Pleochroismus in der Mineralogie ==

In der Mineralogie wird der Dichroismus bei der Charakterisierung von [[Mineral]]ien verwendet und dabei meist ''Pleochroismus'' genannt. Die pleochroitischen Eigenschaften eines Minerals können mit Hilfe eines [[Dichroskop]]s festgestellt und zur Bestimmung und Prüfung vor allem bei [[Schmuckstein]]en genutzt werden. Seine Wirkung auf die Farbtiefe ist vor allem für [[Edelsteinschleifer]] von Bedeutung bei der Auswahl<!-- und Orientierung --> des [[Schliff (Schmuckstein)|Schliffs]], um zu dunkle oder helle (blasse) Farben zu vermeiden.

Pleochroismus tritt bei durchsichtigen, farbigen Steinen ebenso auf wie bei undurchsichtigen. So wird bei der Transmission von natürlichem Licht durch eine ca. 1&nbsp;mm dicke Platte aus grünem Turmalin ([[Turmalin #Varietäten|Verdelith]]) der ordentliche Strahl praktisch vollständig absorbiert, der außerordentliche Strahl hingegen nur geschwächt.<ref name="HeringMartinStrohrer">{{Literatur |Autor=[[Ekbert Hering]], Rolf Martin, Martin Stohrer |Titel=Physik für Ingenieure |Verlag=Springer |Datum=2008 |ISBN=978-3-540-71855-0 |Seiten=584 }}</ref>

Sonderformen des Pleochroismus sind:
* der Dichroismus zeigt zwei verschiedene Hauptfärbungen und tritt in uniaxialen Kristallen auf, d.&nbsp;h. in Kristallen mit (genau) einer [[Optische Achse (Kristalloptik)|optischen Achse]].
* der Trichroismus zeigt drei verschiedene Hauptfärbungen und tritt in biaxialen Kristallen auf, d.&nbsp;h. in Kristallen mit zwei optischen Achsen.
''Keinen'' Pleochroismus zeigen [[Mineralien]] des [[Kubisches Kristallsystem|kubischen Kristallsystems]] und [[amorph]]e Stoffe.

Je nachdem, wie sich ordentlicher und außerordentlicher Strahl farblich unterscheiden, kann man dem Objekt bestimmte Eigenschaften hinsichtlich seiner [[Kristallstruktur]] zuweisen; dabei kann es vorkommen, dass bei bestimmten Kristallen bis zu drei verschiedene Farben sichtbar werden, wenn man ihn während der Prüfung dreht:

{| class="wikitable"
! colspan="2" style="text-align:center"| Farben
! optische Eigenschaft
! Kristallstruktur
|-
|colspan="4"| eine Farbe
|-
|bgcolor="#606060"|
|bgcolor="#606060"|
| [[Isotropie|Isotrop]]
| [[Amorphes Material|amorph]] ([[Glas]]), [[Korngröße#Absolute Korngröße|mikrokristallin]], [[Kubisches Kristallsystem|Kubisch]]
|-
|colspan="4"| zwei Farben
|-
|bgcolor="#606060"|
|bgcolor="#D3D3D3"|
| [[Anisotropie|Anisotrop]], [[Doppelbrechung|doppelbrechend]], [[Kristalloptik|optisch einachsig]]
| [[Rhomboedrisches Kristallsystem|Trigonal]], [[Tetragonales Kristallsystem|Tetragonal]], [[Hexagonales Kristallsystem|Hexagonal]]
|-
|colspan="4"| drei Farben bei zwei verschiedenen Richtungen
|-
|bgcolor="#D3D3D3"|
|bgcolor="#606060"|
|rowspan="2"| Anisotrop, doppelbrechend, [[Kristalloptik|optisch zweiachsig]]
|rowspan="2"| [[Triklines Kristallsystem|Triklin]], [[Monoklines Kristallsystem|Monoklin]], [[Orthorhombisches Kristallsystem|Rhombisch]]
|-
|bgcolor="#909090"|
|bgcolor="#D3D3D3"|
|-
|}

Theoretische Grundlagen und Begründungen dafür, ob ein solcher Effekt auftreten kann, werden in einem Teilbereich der theoretischen [[Kristallographie]] abgehandelt.

[[Alexandrit]], [[Hiddenit]], [[Kunzit]], [[Rubin]], [[Saphir]] und [[Turmalingruppe|Turmalin]] lassen schon mit bloßem Auge die Mehrfarbigkeit erkennen.

Weitere Beispiele:
* [[Andalusit]] – gelb, olivgrün, rotbraun bis dunkelrot<ref>{{Literatur |Autor=Walter Schumann |Titel=Edelsteine und Schmucksteine. Alle Arten und Varietäten. 1900 Einzelstücke |Auflage=16., überarbeitete |Verlag=BLV Verlag |Ort=München |Datum=2014 |ISBN=978-3-8354-1171-5 |Seiten=194 }}</ref>
* [[Benitoit]] – farblos, purpur bis indigoblau oder grünlichblau
* [[Cordierit]] – hellgelb bis grün, violett bis blauviolett, hellblau
* [[Malachit]] – fast farblos, gelblichgrün, tiefgrün
* [[Tansanit]] – purpur, blau und braun oder gelb<ref>Siehe [http://minerals.gps.caltech.edu/FILES/Visible/zoisite/Zoisite2891_colors.jpg Diese Webseite] des California Institute of Technology, Pasadena, California, USA für ein anschauliches Bild.</ref>

== Magnetischer Dichroismus ==
Analog zu [[Magnetooptik|magnetooptischen Effekten]] der [[Doppelbrechung]] kann auch der Dichroismus bestimmter Materialien – also die Änderung der Intensität oder der Polarisationszustand des Lichts beim Durchgang durch das Material – durch [[Magnetisches Feld|magnetische Felder]] beeinflusst werden (''magnetisch induzierter Dichroismus''). Hierbei werden unterschieden:<ref>{{Literatur |Autor=W. Roy Mason |Titel=Magnetic Linear Dichroism Spectroscopy |Sammelwerk=A practical guide to magnetic circular dichroism spectroscopy |Verlag=Wiley-Interscience |Datum=2007 |ISBN=978-0-470-06978-3 |Seiten=188 ff |Online={{Google Buch|BuchID=rmXTpvbmsCIC|Seite=188}}}}</ref>
* der lineare magnetische Dichroismus (selten auch magnetischer Lineardichroismus genannt, engl. {{lang|en|''magnetic linear dichroism''}},&nbsp;MLD)
* der zirkulare magnetische Dichroismus (auch magnetischer zirkularer Dichroismus oder magnetischer Zirkulardichroismus genannt, engl. {{lang|en|''magnetic circular dichroism''}},&nbsp;MCD).
Der zirkulare magnetische Dichroismus tritt als Folge der unterschiedlichen [[Spin]]<nowiki />besetzung gewisser [[Atomorbital|Orbitale]] bei magnetischen oder magnetisierten Materialien auf, bei denen die Magnetisierung parallel zur [[Ausbreitungsrichtung]] des zirkular polarisierten Lichtes ausgerichtet ist. Dabei unterscheidet man:
* eine polare Geometrie, bei welcher die Magnetisierung senkrecht zur Oberfläche liegt
* eine longitudinale Geometrie, bei welcher die Magnetisierung parallel zur Oberfläche in der Einfallsebene liegt.
Hier wird die unterschiedliche Absorption für die beiden Polarisationsrichtungen ausgenutzt, die proportional zum Imaginärteil des Brechungsindex ist. Der gemessene Effekt entspricht somit:

:<math>\begin{align}
\mathrm{Im}(n_{+} - n_{-}) &= \mathrm{Im}\left(\sqrt{\varepsilon_{xx} + \mathrm{i}\,\varepsilon_{xy}} - \sqrt{\varepsilon_{xx} - \mathrm{i}\,\varepsilon_{xy}}\right)\\
                           &\approx \mathrm{Re}\left(\frac{\varepsilon_{xy}}{\sqrt{\varepsilon_{xx}}}\right)
\end{align}</math>

Beide Formen des magnetischen Dichroismus treten auch im Röntgenbereich auf (magnetischer [[Röntgendichroismus]]):
* der lineare magnetische Röntgendichroismus (engl. {{lang|en|''X-ray magnetic linear dichroism''}},&nbsp;XMLD)
* der stärkere zirkulare magnetische Röntgendichroismus (engl. {{lang|en|''X-ray magnetic circular dichroism''}},&nbsp;XMCD; auch {{lang|en|''magnetic x-ray circular dichroism''}},&nbsp;MXCD).
Besonders interessant ist MCD im weichen Röntgenbereich (engl. {{lang|en|''(soft) X-ray magnetic circular dichroism''}}, (S)X-MCD), wo die unbesetzte [[Valenzband]]-[[Bandstruktur|Elektronenstruktur]] spinaufgelöst gemessen werden kann.

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=Herbert Daniel
   |Titel=Physik: Optik, Thermodynamik, Quanten
   |Verlag=Walter de Gruyter
   |Datum=1998
   |ISBN=3-11-014630-4
   |Seiten=192}}
* {{Literatur
   |Autor=Ludwig Bergmann, [[Heinz Niedrig]], Clemens Schaefer
   |Titel=Optik: Wellen- und Teilchenoptik
   |Verlag=Walter de Gruyter
   |Datum=2004
   |ISBN=3-11-017081-7
   |Seiten=557–559}}
* {{Literatur
   |Autor=Walter Schumann
   |Titel=Edelsteine und Schmucksteine. Alle Arten und Varietäten der Welt. 1600 Einzelstücke
   |Auflage=13. überarbeitete und erweiterte
   |Verlag=BLV Verlags GmbH
   |Ort=München u.&nbsp;a.
   |Datum=2002
   |ISBN=3-405-16332-3}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Dichroism|Dichroismus}}
* [[Mineralienatlas:Dichroismus]] (Wiki)
* [http://www.beyars.com/lexikon/lexikon_3486.html Prof. Leopold Rösslers Schmucklexikon – Pleochroismus]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4149618-8|LCCN=sh85037671}}

[[Kategorie:Optischer Effekt]]
[[Kategorie:Mineralogie]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]