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Photometrīe
(griech.), die Lehre [* 2] von der Messung der Lichtstärke. Ein absolutes Maß für die Lichtstärke besitzen wir nicht, und die Photometer (Lichtmesser) können daher nur Instrumente sein, welche zur Vergleichung verschiedener Lichtstärken mit einer in jedem Fall willkürlich gewählten Einheit dienen. Die meisten Photometer gründen sich auf den Satz, daß die Stärke [* 3] der Erleuchtung einer Fläche sich umgekehrt verhält wie das Quadrat ihrer Entfernung von der Lichtquelle.
Nach Rumford stellt man in geringer Entfernung vor einer weißen Wand [* 1] (Fig. 1 ab) ein undurchsichtiges Stäbchen c auf, welches, von den beiden zu vergleichende Lichtquellen beleuchtet, zwei Schatten [* 4] d e 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 nach dem oben angeführten Satz die Lichtstärken der beiden Flammen wie die Quadrate ihrer Entfernungen von der Wand. Nach Ritchie beleuchtet man mit den zu vergleichende Lichtquellen die beiden Seiten eines mit weißem Papier überzogenen Prismas p [* 1] (Fig. 2), welches sich in einem innen geschwächten Kästchen befindet, dessen den Prismenflächen gegenüberstehende Seiten mit Öffnungen oo versehen sind.
Durch eine Röhre p in der obern Wand des Kästchens überblickt man zu gleicher Zeit die beiden Seiten des Prismas r, welche durch Verschiebung der Lichtquellen auf gleiche Helligkeit zu bringen sind. Viel genauer und für technische Zwecke jetzt am häufigsten im Gebrauch ist das Photometer von Bunsen [* 1] (Fig. 3). Dasselbe besteht im wesentlichen aus einem Papierschirm, in dessen Mitte sich ein mit Wachs oder Stearin gemachter Fettfleck befindet. Dieser erscheint hell auf dunklem Grund, wenn der Schirm von der Rückseite her stärker erleuchtet ist als von der Vorderseite. Bei der Beobachtung verschiebt man die Lichtquellen, bis der Fleck auf der Vorderseite verschwindet. Die Vorrichtung, welche den Schirm und die zu verglei-
[* 1] ^[Abb.: Fig. 1. Rumfords Photometer.
Fig. 2. Ritchies Photometer.
Fig. 3. Bunsens Photometer.] ¶
mehr
chenden Lichtquellen trägt, die sogen. optische Bank aa, ist so eingeteilt, daß man die Zahlen, welche die Entfernungen angeben, nicht erst ins Quadrat zu erheben braucht. Desaga hat diesem Apparat folgende Gestalt gegeben. An einem Ende der geteilten horizontalen Schiene aa befindet sich die Flamme [* 6] b, welche bei der Vergleichung den Maßstab [* 7] abgibt (die Normalflamme), am andern dagegen die zu prüfende Flamme d. Die Gasuhr c gibt den stündlichen Gasverbrauch an. Auf der geteilten Schiene ist ein cylindrisches Gehäuse verschiebbar, dessen Rückwand ganz undurchsichtig ist, während sich in der vordern Wand ein Diaphragma mit dem Fettfleck befindet.
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 ergibt nach dem bekannten Satz die Lichtstärke der Flamme.
Bei allen
photometrischen Untersuchungen müssen die Wände des Zimmers sowenig wie möglich Licht
[* 8] reflektoren, sie werden deshalb
am vorteilhaftesten geschwärzt. Sind die Flammen ungleich gefärbt, so wird die Sicherheit der Vergleichung
bei allen Photometern mehr oder weniger beeinträchtigt. Eine große Schwierigkeit bietet auch die Wahl der Normalkerze. Als
solche hat man in Deutschland
[* 9] meist Wachs- oder Stearinkerzen, in England Walratkerzen benutzt; aber man ist so wenig einig über
die Größe der Kerzen und über die Beschaffenheit des Materials, daß bisher alle
photometrischen Untersuchungen
nur wenig miteinander vergleichbar waren.
Lampen [* 10] bieten eher größere als geringere Schwierigkeiten dar und geben außerdem kein gleichbleibendes Licht. Die Fortschritte der elektrischen Beleuchtung [* 11] haben das Bedürfnis nach einem Photometer hervorgerufen, welches die Leuchtkraft einer elektrischen Lampe [* 12] zu messen, d. h. mit derjenigen einer Normalkerze zu vergleichen, gestattet. Bei den frühern Photometern, z. B. dem Bunsenschen, mußte man, um die Erleuchtung des Schirms durch elektrisches Licht gleich derjenigen durch eine Normalkerze zu machen, die starke Lichtquelle in eine unbequem große Entfernung vom Schirm bringen.
Ayrton und Perry bewirken bei ihrem Zerstreuungsphotometer die Schwächung durch eine Konkavlinse (Zerstreuungslinse); im übrigen stimmt der Apparat mit dem Rumfordschen Photometer überein. Durch die Konkavlinse zerstreut, treffen die Strahlen der elektrischen Lampe ungefähr mit derselben Divergenz wie diejenigen der Normalkerze auf einen weißen Papierschirm und entwerfen auf ihm einen Schatten eines davor angestellten dünnen Stabes; die Normalkerze entwirft einen zweiten Schatten des Stabes.
Macht man die Helligkeit der beiden Schatten einander gleich, was durch grobe Einstellung der Kerze [* 13] und feinere Einstellung der Linse [* 14] geschieht, so kann die Lichtstärke in Normalkerzen auf der Skala abgelesen werden. Der Beobachter macht die Schatten gleich, indem er erst durch grünes, dann durch rotes Glas [* 15] sieht. Da nämlich das elektrische Licht vermöge seines verhältnismäßig größern Gehalts an brechbarern Strahlen weißer ist als das Licht einer Kerze, so ist nicht seine Leuchtkraft als Ganzes mit derjenigen der Normalkerze direkt vergleichbar, sondern nur die Leuchtkraft für bestimmte Farben; es ist z. B. das Verhältnis der Leuchtkräfte für die brechbarern grünen Strahlen ein größeres als für die schwächer brechbaren roten.
Durch die Messung für diese zwei verschiedenen Farben erhält man daher auch einen ziffermäßigen Ausdruck für die Qualität des Lichts; das elektrische Licht übertrifft das Kerzenlicht um so mehr an Weiße, je verschiedener die Leuchtkräfte für diese beiden Farben sind. Außer den beschriebenen Photometern sind noch einige andre Instrumente zu erwähnen, welche manche Vorzüge besitzen. Sehr beachtenswert ist Bothes Tangentenphotometer, bei dem die Vergleichung der beiden Lichtquellen ebenfalls durch Betrachtung eines teilweise transparenten Papierstreifens erfolgt.
Die Lichtquellen liegen indes nicht in gerader Linie, sondern senden ihre Strahlen unter sich rechtwinkelig auf den Papierschirm, welcher von beiden schräg bestrahlt wird. Bekanntlich ist nun die Stärke der Beleuchtung, abgesehen von der Entfernung der Lichtquelle, abhängig von dem Einfallswinkel, und zwar ist sie dem Kosinus dieses Winkels proportional. Hieraus ergibt sich, daß bei gleicher Stärke und Entfernung der zu vergleichende Lichter der Schirm den rechten Winkel [* 16] der von beiden kommenden Strahlen halbieren muß, um auf beiden Seiten gleich hell beleuchtet zu sein, sowie daß eine Drehung des Schirms nach der einen oder der andern Seite eine Änderung zugleich auf beiden Seiten hervorbringt, ohne daß es nötig ist, die Entfernung einer Lichtquelle zu ändern.
Bei Ungleichheit der Lichtstärken muß man also auch durch Drehung des Schirms den Punkt herbeiführen können, wo beide Lichter gleiche Wirkung ausüben, und dann ergibt die Tangente des abgelesenen Winkels das Verhältnis der Lichtstärken. Dove benutzte das Mikroskop [* 17] und gewann dabei den Vorteil, sowohl starke als schwache Lichtquellen miteinander vergleichen zu können. Die mikroskopische Photographie einer Schrift auf Glas erscheint nämlich bei Betrachtung durch das Mikroskop dunkel auf hellem Grund, wenn die Beleuchtung von unten stärker als von oben, hingegen hell auf dunklem Grund, wenn die Beleuchtung von oben stärker als von unten ist.
Bei Gleichheit der Beleuchtung verschwindet die Schrift. Zur Vergleichung der Flammen werden diese von dem Spiegel [* 18] des Mikroskops entfernt, bis die gleichbleibende Beleuchtung von oben das Verschwinden der Schrift bewirkt, wodurch das Helligkeitsverhältnis aus der Entfernung sich auf bekannte Weise ergibt. Für durchsichtig farbige Körper, z. B. Gläser, wird die Öffnung im Tisch des Mikroskops durch diese Gläser von unten so verdeckt, bis die Kompensation erhalten wird. In gleicher Weise werden undurchsichtige Körper verschiedener Farben verglichen, indem das von ihnen unter schiefer Inzidenz einfallende Licht mit dem von oben eintretende kompensiert wird. Um die Helligkeit verschiedener Stellen eines Zimmers zu bestimmen, wird das Mikroskop, dessen Spiegel gegen den Himmel [* 19] gerichtet ist, so weit von dem Fenster entfernt, bis das Gleichgewicht [* 20] der obern und untern Beleuchtung hergestellt ist. Um die von unten eintretende Beleuchtung beliebig zu schwächen,
[* 5] ^[Abb.: Fig. 4 u. 5. Wheatstones Photometer.] ¶
mehr
kann man unter das Objekt ein Nicolsches Prisma [* 22] einsetzen und ein hinten drehbares in das Okular. Wheatstones Photometer (Fig. 4 u. 5) besteht aus einer cylindrischen Messingbüchse von etwa 5 cm Durchmesser; vermittelst der Kurbel [* 23] K kann das Scheibchen S derart in Umdrehung versetzt werden, daß das an seinem Rand befestigte polierte Stahlkügelchen T eine Bahn von der in [* 21] Fig. 5 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 [* 24] zwei voneinander getrennte Lichtkurven; man entfernt nun das Instrumentchen von der stärkern Lichtquelle, bis beide Lichtkurven gleich kräftig erscheinen, mißt den Abstand der Lichtquellen vom Kügelchen T und berechnet daraus in bekannter Weise das Verhältnis der Lichtstärken.
Babinet hat den Polarisationsapparat [* 25] als Photometer in Anwendung gebracht. Die zu vergleichende Lichtquellen werden so gestellt, daß die Strahlen der einen durch schräg gestellte Glasplatten hindurchgehen, die der andern von diesen zurückgeworfen werden, um in das Auge des Beobachters zu gelangen. Es treten alsdann, wenn vor dem Auge ein Bergkristall und ein Kalkspatkristall aufgestellt werden, die bekannten Farben des polarisierten Lichts auf, wenn die beiden Beleuchtungen ungleich sind.
Die Farben verschwinden aber, wenn beide Beleuchtungen durch passende Verschiebung der einen Lichtquelle gleich gemacht werden. Dies Photometer ist deshalb wichtig, weil es gerade diejenige Eigenschaft des Auges benutzt, zu welcher es in einem so bewundernswürdigen Grad befähigt ist, nämlich die Eigenschaft, Farbennüancen zu erkennen. Das Polarisationsphotometer von Becquerel besteht aus zwei Fernrohren mit gemeinschaftlichem Okular, in deren jedem zwei Nicolsche Prismen angebracht sind.
Bringt man die zu vergleichenden Lichtquellen vor die Objektive, so erscheinen die beiden Hälften des Gesichtsfeldes ungleich erleuchtet. Durch Drehung des einen Nicols in dem nach der stärkern Lichtquelle gerichteten Fernrohr [* 26] bringt man die beiden Hälften des Gesichtsfeldes auf gleiche Helligkeit und liest an einem Teilkreis den Drehungswinkel ab. Das Kosinusquadrat dieses Winkels drückt alsdann das Verhältnis der Intensitäten der schwächern und der stärkern Lichtquelle aus.
Zur Messung der Helligkeit der Sterne dient am besten Zöllners Astrophotometer (s. Astrophotometrie). [* 27] Von einer Flamme fällt durch eine runde Öffnung das Licht auf eine Bikonkavlinse, geht durch diese und drei Nicolsche Prismen sowie durch eine Bergkristallplatte und schließlich durch eine Bikonvexlinse. Die durch letztere gebrochenen Strahlen fallen auf eine schräg gestellte Glasplatte und werden von dieser reflektiert. Die Glasplatte aber befindet sich in einem Fernrohr und gestattet den in das Objektiv fallenden Strahlen eines Sterns den Durchgang, so daß man nun das Bild der Flamme und das Bild des Sterns nebeneinander im Fernrohr erblickt.
Die vordern Prismen, zwischen denen sich die Bergkristallplatte befindet, sind drehbar und gestatten, die Intensität des künstlichen Lichts beliebig zu ändern. Die Größe der Drehung wird auf einem Kreisbogen abgelesen, und es ist mithin leicht, die Helligkeit verschiedener Sterne miteinander zu vergleichen. Da die Drehung des vordersten Prismas allein die Farbe des im Fernrohr erzeugten Bildes des künstlichen Lichts abändert, so kann man auch die Farben der Gestirne bestimmen und ihre Lichtstärken um so sicherer miteinander vergleichen.
Zur Messung und Vergleichung der Stärke des farbigen Lichts bedient sich Vierordt des Spektroskops. Das Licht einer Petroleumlampe fällt durch ein seitliches, mit verstellbarem Spalt versehenes Rohr auf die Hinterfläche des Prismas und wird von hierin das Beobachtungsrohr reflektiert. Das Licht des Spalts wird alsdann durch Vorsetzen von Rauchgläsern in bekanntem Verhältnis abgeschwächt, bis die von den reinen Spektralfarben erleuchteten Stellen des Sehfeldes nicht mehr von dem durch das abgeschwächte Weiß und die Spektralfarben zugleich erleuchteten Streifen unterschieden werden können.
Aus den bekannten Graden der Verdunkelung, bei welchen dies eintritt, ergeben sich die Intensitätsverhältnisse der Spektralfarben. Eine Methode, die chemische Wirkung des Lichts zu messen, ist durch Bunsen in Gemeinschaft mit Roscoe so weit ausgebildet worden, daß sie zu regelmäßigen Beobachtungen in meteorologischen Observatorien dienen kann. Sie gründet sich darauf, daß innerhalb sehr weiter Grenzen [* 28] gleichen Produkten aus Lichtintensität und Insolationsdauer gleiche Schwärzungen auf Chlorsilberpapier von gleicher Empfindlichkeit entsprechen.
Der hierzu dienende Apparat besteht im wesentlichen aus einem Pendel, [* 29] welches in Zeiträumen von etwa ¾ Sekunde schwingt, und durch dessen Oszillationen ein Blättchen geschwärzten Glimmers über einen horizontalen, mit Chlorsilber imprägnierten Streifen Papier so hin- und hergeführt 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.
Den Grad der Färbung bestimmt man bei Natriumlicht, welches keine chemischen Strahlen enthält, und während 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, welche in einer Sekunde auf dem photographischen Normalpapier die Normalfärbung hervorbringt. Bei Roscoes einfacherm Apparat dient als Maßstab ein im Pendelphotometer geschwärzter, dann fixierter und nach einem nicht fixierten Streifen graduierter Papierstreifen.
Man klebt nun einen Streifen photographisches Normalpapier mit Gummi auf die Rückseite eines Bandes, in welchem an einer Stelle längs hintereinander 9 runde Löcher ausgestoßen sind, so daß das Licht nur durch letztere auf das empfindliche Papier wirken kann. Den Streifen schiebt man in eine oben und unten offene flache Scheide von Messingblech, auf deren einer Seite sich ein rundes Loch von 10 mm Durchmesser befindet, welches durch einen Schieber leicht geöffnet und geschlossen werden kann.
Unter diesem Loch muß sich bei der Beobachtung ein Loch des Insolationsbandes befinden, so daß, wenn das Loch in der Scheide eine bestimmte Zahl von Sekunden geöffnet wird, das empfindliche Papier eine bestimmte Färbung erhält. Bei sehr starkem Licht würde man nur wenige Sekunden exponieren dürfen und dadurch den Fehler, der aus unrichtigem Ablesen der Zeit entsteht, bedeutend vergrößern. Dies vermeidet man, indem man in solchen Fällen eine durchbrochene Metallscheibe über dem Loch rotieren läßt und dadurch die Lichtwirkung abschwächt. Man kann mit einem Streifen neun Beobachtungen hintereinander ausführen und dann ein neues Insolationsband in die Scheide ¶