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Photometrie

Photometer.

Bei dem Photometer von Leonhard Weber vergleicht man die Helligkeiten zweier Milchglasplatten a in Rohr A und b in Rohr B (Fig. 1), von denen letztere zunächst durch die zu untersuchende Lichtquelle y beleuchtet wird, während a von der Benzinflamme d Licht erhält. Der Beobachter bei e sieht b direkt, a gespiegelt in dem totalreflektierenden Prisma c, das die Hälfte des Gesichtsfeldes verdeckt. Er verschiebt nun a durch Drehen des daran angebrachten Knopfes so lange, bis beide Hälften des Gesichtsfeldes gleich hell geworden sind. Dann ist die Intensität der Strahlung bei a gleich der bei b. Sodann wiederholt er den Versuch, indem er an Stelle der zu untersuchenden Lichtquelle y die Hefnerlampe x setzt, aber nicht a, sondern x verschiebt, bis Helligkeitsgleichheit eintritt. Dann ist y: R² = 1: S². Die letztere Messung kann man sich ersparen, wenn man die Benzinflamme d als Vergleichsflamme statt der Hefnerflamme benutzt. Sie erhält zu diesem Zweck eine konstante Höhe von 20 mm. Man hat: y: R² = C: r², worin der Abstand r von d und a mittels des Zeigers an a an einer Zentimeterteilung auf dem Rohr A abgelesen werden kann. Um den Wert von C zu ermitteln, ersetzt man einmal y durch die Hefnerlampe, so daß 1: R₁ = C: r₁², also C = r₁²: R₁². Das Instrument ist dann für jeden spätem Gebrauch geeicht. Ist die Farbe der zu messenden Lichtquelle von der Farbe des Benzinlichts verschieden, so macht man zwei Messungen, in rotem und in grünem Licht.

1. Photometer von Weber.

Zu diesem Zwecke befindet sich an dem Okularteil ein in der Figur nicht angegebener Schieber mit roter und grüner Glasplatte sowie einem offenen Ausschnitt, so daß nach Belieben mit natürlichem (weißem), rotem oder grünem Lichte gemessen werden kann. Hat man in derselben Weise wie oben für rotes und für grünes Licht die Resultate J´ und J´´ berechnet, so findet man die gesuchte Lichtstärke, wenn man das für rotes Licht gefundene Resultat noch mit einem Faktor K multipliziert, der von dem Verhältnis J´´: J´ abhängig ist und aus einer voraus berechneten Tabelle entnommen werden kann; derselbe ist für Flammen mit rötlicherm Licht kleiner als 1, für weißlichere Flammen größer als 1. Um irgendwo in einem Raume die daselbst vorhandene Helligkeit mit dem Weberschen Photometer zu finden, stellt man an die betreffende Stelle eine mattweiße Tafel, richtet das Rohr B darauf und stellt durch Drehen des Knopfes a die Gleichheit der beiden Hälften des Gesichtsfeldes her. Ist r die Ablesung am Zeiger (in Zentimetern), so ist die gesuchte Helligkeit H in Meterkerzen H = 10000/r². C´, d.h. die Anzahl Normalkerzen, die man der Fläche im Abstand von 1 m gegenüberstellen müßte, um die gleiche Helligkeit zu erzeugen. Die Konstante C´ wird ein für allemal dadurch bestimmt, daß man in einem sonst völlig dunkeln Räume der weißen Fläche eine Hefnerlampe in 1 m Entfernung senkrecht gegenüberstellt und die Bestimmung der Helligkeit wie vorher durchführt. Da jetzt H = 1 ist, findet man C´ = r²/10000. Statt der weißen Tafel kann man auch eine unmittelbar vor das Rohr B geschobene matte Milchglasplatte benutzen und das Instrument so aufstellen, daß diese Platte an die Stelle kommt, deren Helligkeit gemessen werden soll. Die Berechnung der Helligkeit erfolgt dann nach derselben Formel wie vorhin, nur daß die Konstante C´ jetzt einen andern, für die angewendete Platte besonders zu bestimmenden Wert hat.

2. Lummer-Brodhuns Photometerwürfel.

An Stelle des totalreflektierenden Prismas kann man mit Vorteil Lummer-Brodhuns Prismenkombination verwenden (Fig. 2). B ist ein gewöhnliches totalreflektierendes Prisma mit genau ebener Hypotenusenfläche, während bei Prisma A nur die kleine Fläche c d absolut eben ist, der übrige Teil dagegen eine Kugelzone bildet. Die beiden Prismen sind bei c d so innig aneinander gepreßt, daß alles auf diese Berührungsfläche fallende Licht vollständig hindurchgeht. Das Auge in O wird also Licht von L her nur durch die Berührungsfläche cd hindurch erhalten, dagegen von R her nur diejenigen Strahlen, die an den frei gebliebenen Teilen der ebenen Hypotenusenfläche total reflektiert werden. Sind L und R diffus leuchtende Flächen, so erblickt das auf c d eingestellte Auge einen scharf begrenzten hellen oder dunkeln elliptischen Fleck in einem gleichmäßig erleuchteten Felde, der bei Gleichheit der Beleuchtung der Flächen L und R vollkommen verschwindet.

Noch genauer wird die Messung mittels Lummer-Brodhuns Kontrastwürfel, der ebenfalls aus zwei mit den Hypotenusenflächen aneinandergelegten rechtwinkligen Prismen besteht, von denen nur das eine vollkommen eben geschliffen ist, während in die Hypotenusenfläche des andern mittels des Sandstrahlgebläses viereckige Vertiefungen eingeschliffen sind, so daß das Gesichtsfeld aus vier Feldern besteht, die paarweise (infolge vorgespalteter Glasplatten) gleiche Helligkeitsunterschiede zeigen, wenn die zu vergleichenden Lichtstärken übereinstimmen. Da die Kontrastempfindlichkeit des Auges doppelt so groß ist wie die Gleichheitsempfindung, so werden die Einstellungen wesentlich genauer.

Am vollkommensten ist Lummers Interferenzwürfel, aus zwei mit den Hypotenusenflächen aneinander gelegten rechtwinkligen Prismen bestehend, die eine Luftschicht zwischen sich lassen, in der durch wiederholte Reflexion der Strahlen Herschelsche Interferenzstreifen auftreten. Die von beiden Lichtquellen herrührenden Streifen überdecken sich für den Beobachter und heben sich, da sie komplimentär sind, gegenseitig auf, falls die Lichtstärken gleich sind.

3. Ritchies Photometer.

Eine andre Art der Ausführung des Weberschen Photometers ist die als Polarisationsphotometer.

4. Flimmerphotometer.

4a. Flimmerphotometer.

Dabei sind in die Röhre B hintereinander zwei Nicolsche Prismen eingesetzt, so daß man durch gegenseitige Verdrehung derselben gegeneinander, die sich an einer Gradeinteilung messen läßt, die Lichtstärke der zu untersuchenden Lichtquelle in meßbarer Weise beliebig abschwächen kann. Sie ändert sich mit dem Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen beiden Nicols. Sind dieselben gekreuzt, so wird der Kosinus, somit auch die Lichtstärke = 0. Ein Photometer nach diesem Prinzip konstruierte schon Babinet.

5. Bunsens Photometer in Desagas Ausführung.

Soll die Helligkeitsverteilung in einem Raume bestimmt werden, so nimmt man nach Classen nicht die Benzinflamme als Vergleichsobjekt, sondern einen weißen Schirm, der feste Lage im Raume behält und alle Helligkeitsschwankungen mitmacht, die durch die wechselnde Stärke des Tageslichts bedingt sind. Bei dem Helligkeitsprüfer von Wingen wird die zur Erzielung der Helligkeitsgleichheit erforderliche Höhe der Benzinflamme gemessen, bei Henrys Photometer (für geringe Helligkeit) die Zeit, bis ein frisch belichteter Phosphoreszenzschirm gleiche Helligkeit zeigt.

Nach Ritchie beleuchtet man mit den zu vergleichenden Lichtquellen die beiden Seiten eines mit weißem Papier überzogenen Prismas r (Fig. 3), das sich in einem innen geschwärzten Kästchen befindet, dessen den Prismenflächen gegenüberstehende Seiten mit Öffnungen o o versehen sind. Durch eine Röhre p in der obern Wand des Kästchens überblickt man zu gleicher Zeit die beiden Seiten des Prismas r, die durch Verschiebung der Lichtquellen auf gleiche Helligkeit zu bringen sind. Eine handliche moderne Form ist das Gleichheits- und Kontrastphotometer von Marteus. Bei Jolys Diffusionsphotometer ist an Stelle von r ein würfelförmiger, durchscheinender Paraffinblock gesetzt, der durch ein zu o o senkrechtes Stanniolblatt halbiert ist.

Bei dem Flimmerphotometer (Fig. 4 u. 4a), dessen Prinzip von Rood herrührt, wird das Prisma von Ritchie g durch eine keilförmige Linse k betrachtet, die durch einen Elektromotor m in Umdrehung erhalten wird. Sind die beiden Flächen ungleich stark durch die Lichtquellen beleuchtet, so beobachtet man ein Flimmern, da abwechselnd die eine und andre Fläche gesehen wird. Bei Gleichheit verschwindet es. Das Instrument ermöglicht die Vergleichung verschiedenfarbiger Lichtquellen, da man bei genügend rascher Rotation nur die Mischfarbe sieht.

Beim Photometer von Bunsen (Fig. 5) befindet sich an einem Ende der mit Teilung versehenen Schiene a a die Normalflamme b, am andern Ende die zu prüfende Flamme d mit Gasuhr c. Auf der Schiene ist ein Gehäuse verschiebbar, dessen Rückwand undurchsichtig ist, während sich in der vordern Wand ein Diaphragma aus Papier befindet, in dessen Mitte ein Fettfleck angebracht ist. Dieser erscheint hell auf dunklem Grund, wenn der Schirm von der Rückseite her stärker erleuchtet ist als von der Vorderseite. In dem Gehäuse brennt eine kleine Gasflamme. Man nähert dasselbe bis auf 20 cm der Normalflamme und reguliert dann die kleine Gasflamme so, daß der der Normalkerze zugekehrte Fettfleck verschwindet. Dann dreht man das Gehäuse um 180°, und ohne die Größe der kleinen Flamme zu verändern, nähert man es der zu prüfenden Flamme, bis der Fettfleck auf dem Diaphragma abermals verschwindet. Die hierbei gefundene Entfernung gibt nach dem bekannten Satz die Lichtstärke der Flamme.

An Stelle des Papierschirms wird mit Vorteil der Lummer-Brodhunsche Würfel benutzt. Die Fig. 6 zeigt von oben gesehen die Anordnung des mit dieser Vorrichtung ausgestatteten Photometers. Lotrecht zur Achse der Photometerbank pq, längs welcher die zu vergleichenden Lichtquellen meßbar verschoben werden können, steht der auf beiden Seiten mit weißem Papier überzogene, undurchsichtige Schirm S. Das diffuse, von diesem Schirme beiderseits ausstrahlende Licht fällt auf die Spiegel C und D, die es senkrecht auf die ihnen zugewendeten Kathetenflächen der Prismenkombination A B werfen. Der Beobachter bei O stellt mittels der Lupe 1 scharf auf die Fläche c d ein.

6. Aufsatz mit Photometerwürfel.

Bei dem Rauchglasphotometer von Krüß ist der Würfel mit drei einzeln einschaltbaren Rauchgläsern zur Schwächung der stärkern Lichtquelle versehen. Das Resultat ist dann mit 5,25 oder 125 zu multiplizieren. Ein andres Mittel zur Schwächung zu intensiver Lichtquellen ist der dioptrische Lichtzerstreuer von Ayrton u. Perry, bestehend aus drei Paar Zerstreuungslinsen, die Schwächung auf ¹/₁₀, ¹/₂₀ und ¹/₄₀ gestatten. Ein drittes Mittel ist die Sektorenscheibe, eine rasch rotierende Scheibe mit Schlitz. Je breiter letzterer, um so mehr Licht geht hindurch.

Bei Wilds Photometer werden die beiden Strahlenbüschel senkrecht zueinander polarisiert und zusammen durch ein Savartsches Polariskop geleitet. Sind sie gleich intensiv, so heben sich die beiden entstehenden, zueinander komplementären Streifensysteme gerade auf. Ist es nicht der Fall, so kann man sie durch Drehen des Analysators zum Verschwinden bringen.

7 u. 8. Thorners Beleuchtungsprüfer.

Bei Mascarts Diaphragmenphotometer erfolgt die Schwächung des Lichtes durch Diaphragmen, die sich pupillenartig verkleinern lassen.

Bei den Spektralphotometern wird das zu untersuchende Licht spektral zerlegt und jede Farbe für sich photometriert. Dabei kann ebenfalls durch Änderung der Spaltbreite eine Änderung der Helligkeit bewirkt werden. (Photometer von Vierordt, Glan, König, Lummer etc.)

Thorners Beleuchtungsprüfer (Fig. 7 u. 8) bestimmt die Helligkeit eines Arbeitsplatzes durch Messung der Apertur einer Linse d, bei der in dem Brennpunkt a der Linse gleiche Helligkeit wie die an dem Platze c tatsächlich vorhandene erzeugt wird, wenn diese Linse durch den Spiegel e von derselben Himmelsfläche wie der Platz beleuchtet wird. Das Auge des Beobachters befindet sich bei b.

9. Ulbrichts Kugelphotometer.

Zur direkten Messung der mittlern räumlichen Intensität von Glüh- und Bogenlampen dient Ulbrichts Kugelphotometer (Fig. 9), bestehend aus einer innen mattweiß angestrichenen, undurchsichtigen Hohlkugel von ca. 2 m Durchmesser, die seitlich eine mit Milchglas verschlossene Öffnung a besitzt. Wenn auch der von der eingebrachten Lampe 1 ausgehende Lichtstrom nach verschiedenen Richtungen sehr verschieden ist, wird doch infolge der bei der diffusen Reflexion eintretenden Lichtverteilung die Wandung durch das reflektierte Licht gleichmäßig erleuchtet, so daß die auf gewöhnliche Weise zu ermittelnde Helligkeit der Milchglasscheibe ein Maß für die mittlere sphärische Intensität gibt.

10. Rumfords Photometer.

Durch Einhängen einer Lampe, für welche diese bekannt ist, ermittelt man den Proportionalitätsfaktor. Durch einen kleinen weißen Schirm b wird verhindert, daß das Milchglas von direkten Strahlen der Lampe getroffen wird. n ist die Normallichtquelle, c das Gehäuse mit dem Photometerwürfel.

Rumfords Photometer. In geringer Entfernung vor einer weißen Wand (Fig. 10) ab steht ein undurchsichtiges Stäbchen c, das, von den beiden zu vergleichenden Lichtquellen beleuchtet, zwei Schatten de auf die Wand wirft. Entfernt man nun die stärkere Lichtquelle f so lange von der Wand, bis beide Schatten gleich dunkel sind, so verhalten sich die Lichtstärken der beiden Flammen wie die Quadrate ihrer Entfernungen von der Wand.

11 u. 12. Wheatstones Photometer.

Wheatstones Photometer (Fig. 11 u. 12) besteht aus einer zylindrischen Messingbüchse von etwa 5 cm Durchmesser; vermittelst der Kurbel K kann das Scheibchen S derart in Umdrehung versetzt werden, daß das an seinem Rande befestigte polierte Stahlkügelchen T eine Bahn von der in Fig. 12 dargestellten Form beschreibt. Bringt man nun das Instrumentchen zwischen zwei Lichtquellen, so gewahrt man bei rascher Umdrehung der Kurbel wegen der Nachwirkung des Lichteindrucks im Auge zwei voneinander getrennte Lichtkurven; man entfernt nun das Instrumentchen von der stärkern Lichtquelle, bis beide Lichtkurven gleich kräftig erscheinen, und mißt den Abstand der Lichtquellen vom Kügelchen T.

Bezüglich der Photometer zur Ermittelung der Helligkeit von Sternen s. Astrophysik.

13. Zöllners Skalenphotometer.

Die Photometer für photographische Zwecke (vgl. Photographische Photometrie) dienen der Bestimmung der Intensität der chemisch wirksamen Strahlen. Das Pendelphotometer von Bunsen und Roscoe beruht auf der Tatsache, daß innerhabl sehr weiter Grenzen gleichen Produkten aus Lichtintensität und Insolationsdauer gleiche Schwärzungen auf Chlorsilberpapier entsprechen. Der Apparat besteht aus einem Pendel, das in Zeiträumen von 3/4 Sekunde schwingt, und durch dessen Oszillationen ein Blättchen geschwärzten Glimmers über einen horizontalen, mit Chlorsilber imprägnierten Streifen Papier so hin und her geführt wird, daß das Blättchen abwechselnd das Papier bedeckt und wieder freiläßt. Die Zeitdauer der Exposition muß für jeden Punkt des Papierstreifens berechnet werden, und die erzielte Schwärzung ergibt dann die Größe der chemischen Wirkung.

14. Durchschnitt.

Den Grad der Färbung bestimmt man bei Natriumlicht, das keine chemischen Strahlen enthält, und indem man auf dem Papierstreifen die Stelle aufsucht, welche die festgesetzte Normalfärbung zeigt, kann man mit Hilfe einer Tabelle bestimmen, wie lange diese Stelle des Papierstreifens exponiert gewesen ist. Als Maßeinheit gilt diejenige Lichtstärke, die in einer Sekunde auf dem photographischen Normalpapier die Normalfärbung hervorbringt. Kommt es nicht darauf an, die Expositionszeit direkt festzustellen, so kann man einfach unter einer Schablone mit Löchern, die mit 1, 2, 3, 4_... 7 Lagen Seidenpapier beklebt sind, ein photographisches Papier eine bestimmte Zeit belichten und dann mit einem mittels des Pendelphotometers geeichtem vergleichen. Bei dem Universalsensitometer von Scheiner wird eine photographische Platte hinter einer undurchsichtigen rotierenden Scheibe belichtet, die mit einem gegen den Umfang hin schmäler werdenden Schlitz versehen ist. Ein andres, hierher gehöriges Photometer ist das Zinkkugelphotometer von Elster u. Geitel, bei dem eine mit einem Elektrometer verbundene, frisch amalgamierte, negativ geladene Zinkkugel der Strahlung eine bestimmte Zeit ausgesetzt wird, wobei der Ausschlag des Elektrometers entsprechend der Strahlungsintensität abnimmt. Auch die Kaliumzellen von Elster u. Geitel können zur Vergleichung von Lichtstärken dienen. Das Selenphotometer von Siemens beruht auf der Eigenschaft des Selens, daß seine elektrische Leitungsfähigkeit durch Beleuchtung annähernd den Quadratwurzeln der Lichtstärken proportional zunimmt. Das zwischen die Windungen zweier flacher, ineinander liegender Drahtspiralen eingeschmolzene Selen befindet sich in einer Art Camera obscura, deren Linse die Strahlen der Lichtquelle auf dem Selenpräparat sammelt; aus der Größe des Widerstandes, den es während der Bestrahlung einem hindurchgeleiteten galvanischen Strom darbietet, wird auf die Intensität der Lichtquelle geschlossen.

Das Prinzip von Crookes Radiometer ist verwertet bei Zöllners Skalenphotometer (Fig. 13 u. 14). In einem luftleeren Glasgefäß a a hängt an einem hinreichend starken Kokonfaden das aus vier Flügeln bestehende Radiometerkreuz b. Die Flügel desselben bestehen aus Glimmer, dessen Flächen einseitig mit Ruß überzogen sind. Ein solches Kreuz dreht sich unter dem Einfluß sowohl leuchtender als dunkler Wärmestrahlen stets nach derselben Richtung. Die Skala c besteht aus einem kreisförmigen Papierzylinder, dessen Umfang in 100 Teile geteilt ist. Der Index befindet sich vor einer kreisrunden Öffnung in einer zylindrischen beweglichen Messingkapsel d d, deren Rand von dem darunter befindlichen vorspringenden Rand e e des obern Messingstücks getragen wird und auf demselben leicht gedreht werden kann. f ist ein starkwandiger, auf beiden Seiten matt geschliffener Glaszylinder, der zur Zerstreuung des Lichtes und zur Absorption dunkler Wärmestrahlen dient. Derselbe steht in einem Messingzylinder, der seitlich eine durch einen Deckel leicht verschließbare kreisförmige Öffnung g mit einer Platte von Milchglas oder mattem Glas trägt. Am Kopf trägt das Instrument eine Dosenlibelle zur Vertikalstellung. Die Zahl der Skalenteile wächst gemäß den Torsionsgesetzen proportional dem Drehungswinkel, wobei jedoch selbstverständlich darauf zu achten ist, daß nicht mehrere Umdrehungen der Skala unter dem Einfluß des Sonnenlichts stattfinden. Es ist daher durchaus notwendig, das Instrument, wenn es nicht benutzt wird, stets mit verschlossener Öffnung stehen zu lassen. Zur Messung der Intensität des zerstreuten Tageslichts für photographische Zwecke ersetzt man den äußern Messingzylinder durch einen im Innern versilberten konischen Reflektor mit nach oben gerichteter Öffnung. Erhält alsdann das Instrument an einem der Sonne nicht zugänglichen Ort, womöglich im Freien unter dem Schutz einer darüber angebrachten Glasglocke, seine dauernde Aufstellung, so ergibt es die nötige Expositionszeit.