Fotometer

Ein Fotometer (alte Schreibweise: Photometer) ist ein Instrument zur Lichtstärkenmessung. In der Astronomie wird es zur Helligkeitsmessung der Himmelskörper eingesetzt. In der Analytischen Chemie dient es zur Bestimmung von Konzentrationen in Lösungen (Lambert-Beer'sches Gesetz).

Die Fotometer haben Genauigkeiten von einigen Prozent bis weit unter ein Prozent (entspricht 0.01 Größenklassen). Helligkeitsschätzungen mit dem Auge nach der Stufenmethode von Friedrich Argelander aus dem 19. Jahrhundert sind fünf bis zehn Prozent genau.

Allgemeine Fotometer

Die meisten Fotometer gründen sich auf den Satz, dass die Stärke der Erleuchtung einer Fläche sich umgekehrt verhält wie das Quadrat ihrer Entfernung von der Lichtquelle.

Rumfords Fotometer

  Nach Rumford stellt man in geringer Entfernung vor einer weißen Wand ein undurchsichtiges Stäbchen c auf, welches, von den beiden zu vergleichende Lichtquellen beleuchtet, zwei Schatten 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.

Ritchies Fotometer

Nach Ritchie beleuchtet man mit den zu vergleichenden Lichtquellen die beiden Seiten eines mit weißem Papier überzogenen Prismas p, welches sich in einem innen geschwärzten Kästchen befindet, dessen den Prismenflächen gegenüberstehende Seiten mit Öffnungen oo versehen sind.

Durch eine Röhre p in der oberen 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.

Bunsens Fotometer

  Viel genauer und für technische Zwecke im 19. Jahrhundert häufiger im Gebrauch war das Fotometer von Bunsen oder Fettfleckfotometer.

Es 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 vergleichenden 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 b, welche bei der Vergleichung den Maßstab abgibt (die Normalflamme), am anderen 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 20cm 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 fotometrischen Untersuchungen müssen die Wände des Zimmers sowenig wie möglich Licht 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 Normal-Kerze (siehe auch Hefnerkerze). Als solche hat man in Deutschland 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 bis Ende des 19. Jahrhunderts alle fotometrischen Untersuchungen nur wenig miteinander vergleichbar waren. Lampen boten eher größere als geringere Schwierigkeiten und gaben außerdem kein gleich bleibendes Licht.

Die Fortschritte der elektrischen Beleuchtung haben das Bedürfnis nach einem Fotometer hervorgerufen, welches die Leuchtkraft einer elektrischen Lampe zu messen, das heißt mit derjenigen einer Normalkerze zu vergleichen, gestattet. Bei den frühen Fotometern, beispielsweise 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.

Zerstreuungsfotometer

Ayrton und Perry bewirken bei ihrem Zerstreuungsfotometer die Schwächung durch eine Konkavlinse (Zerstreuungslinse); im übrigen stimmt der Apparat mit dem Rumfordschen Fotometer 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 und feinere Einstellung der Linse 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 sieht. Da nämlich das elektrische Licht vermöge seines verhältnismäßig größern Gehalts an brechbareren 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 beispielsweise 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.

Bothes Tangentenfotometer

Außer den beschriebenen Fotometern sind noch einige andere Instrumente zu erwähnen, welche manche Vorzüge besitzen. Sehr beachtenswert ist Bothes Tangentenfotometer, 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 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 anderen 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 und gewann dabei den Vorteil, sowohl starke als schwache Lichtquellen miteinander vergleichen zu können. Die mikroskopische Fotografie 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 des Mikroskops entfernt, bis die gleich bleibende Beleuchtung von oben das Verschwinden der Schrift bewirkt, wodurch das Helligkeitsverhältnis aus der Entfernung sich auf bekannte Weise ergibt. Für durchsichtig farbige Körper, beispielsweise 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 gerichtet ist, so weit von dem Fenster entfernt, bis das Gleichgewicht der obern und untern Beleuchtung hergestellt ist. Um die von unten eintretende Beleuchtung beliebig zu schwächen, kann man unter das Objekt ein Nicolsches Prisma einsetzen und ein hinten drehbares in das Okular.

Wheatstones Fotometer

  Wheatstones Photometer besteht aus einer zylindrischen Messingbüchse von etwa 5 cm Durchmesser; mittels der Kurbel K kann das Scheibchen S derart in Umdrehung versetzt werden, dass das an seinem Rand befestigte polierte Stahlkügelchen T eine Bahn 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 stärkeren 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.

Babinets Polarisationsfotometer

Jacques Babinet hat den Polarisationsapparat als Polarisationsfotometer in Anwendung gebracht. Die zu vergleichende Lichtquellen werden so gestellt, dass die Strahlen der einen durch schräg gestellte Glasplatten hindurchgehen, die der anderen von diesen zurückgeworfen werden, um in das Auge des Beobachters zu gelangen.

Es treten alsdann, wenn vor dem Auge ein Bergkristall und ein Calcitkristall 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. Dieses Fotometer ist deshalb wichtig, weil es gerade diejenige Eigenschaft des Auges benutzt, Farbennuancen zu erkennen.

Becquerels Polarisationsfotometer

Das Polarisationsfotometer 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 stärkeren Lichtquelle gerichteten Fernrohr 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 schwächeren und der stärkeren Lichtquelle aus.

Zöllners Astrofotometer

Zur Messung der Helligkeit der Sterne dient am besten Zöllners Astrofotometer (siehe Astrofotometrie). 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 entwickelt worden, dass sie zu regelmäßigen Beobachtungen in meteorologischen Observatorien dienen kann.

Sie gründet sich darauf, dass innerhalb sehr weiter Grenzen gleichen Produkten aus Lichtintensität und Insolationsdauer gleiche Schwärzungen auf Chlorsilberpapier von gleicher Empfindlichkeit entsprechen.

Der hierzu dienende Apparat besteht im wesentlichen aus einem Pendel, welches in Zeiträumen von etwa 3/4 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 aus dem photographischen Normalpapier die Normalfärbung hervorbringt.

Bei Roscoes einfacherem 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 bringen.

Hierzu bedient man sich eines an beiden Seiten offenen Beutels von schwarzer Seide, in welchem man mit den Händen operieren und das empfindliche Papier bloßlegen kann, ohne eine Veränderung durch das Licht fürchten zu müssen. Die erhaltene Schwärzung liest man bei einem durch eine Sammellinse konzentrierten Natriumlicht ab.

Siemens' elektrisches Fotometer

Das elektrische Fotometer von Siemens beruht auf der Eigenschaft des Selens, dass seine elektrische Leitfähigkeit 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.

Zöllners Skalenfotometer

  Zöllner hat sich des Radiometers (Lichtmühle) zur Konstruktion seines Skalenphotometers bedient. In einem luftleeren Glasgefäß aa befindet sich 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 cylindrischen beweglichen Messingkapsel dd, deren Rand von dem darunter befindlichen vorspringenden Rand ee des obern Messingsstücks getragen wird und aus demselben leicht gedreht werden kann.

Da der Nullpunkt der Skala erst nach längerem Stehen des Instruments eine hinreichend feste Lage einnimmt, so ist die Beweglichkeit des Index für eine Korrektion des Nullpunktes erforderlich. f ist ein starkwandiger, auf beiden Seiten matt geschliffener Glascylinder, welcher zur Zerstreuung des Lichts und zur Absorption dunkler Wärmestrahlen dient. Derselbe steht in einem Messingzylinder, welcher seitlich eine, durch einen Deckel leicht verschließbare kreisförmig 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.

Das Skalenfotometer eignet sich auch zur Messung der Intensität des zerstreuten Tageslichts für fotografische Zwecke. Man ersetzt, um es in solcher Weise zu benutzen, 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 ermöglicht es eine sichere Bestimmung der Expositionszeit.

Die Temperatur wird vermutlich auf die Empfindlichkeit des Instruments einen Einfluss ausüben, der indes für die in bewohnten Räumen vorkommenden Schwankungen praktisch zu vernachlässigt sein dürfte. Für genaue Messungen ist dem Instrument ein Thermometer beigegeben.

Astronomische Fotometer

Astronomische Fotometer werden hinter dem Okular eines Fernrohrs oder im Fokus des Objektivs angebracht. Die vom Objekt eintreffende Strahlungsmenge wird i.a. relativ gemessen - durch Vergleich mit einer geeichten Lichtquelle, dem Standardstern. Folgende Geräte sind gebräuchlich:

Visuelle Fotometer

Visuelles Fotometer: als Strahlungsempfänger dient das Auge. Man vergleicht 2 benachbarte Lichtquellen miteinander. Der künstliche Stern wird durch ein Graufilter dem zu messenden Stern angeglichen.

Lichtelektrische Fotometer

Lichtelektrisches Fotometer: benützt den lichtelektrischen Effekt von Alkalimetallen, dessen Stromfluss der Strahlung proportional ist. Zur Verstärkung dienen Photomultiplier (PMP) oder Sekundärelektronenvervielfacher (SEV).

Lichtelektrische Flächenfotometer

Lichtelektrisches Flächenfotometer: erlaubt die Messung der flächenhaften Strahlungsverteilung auf der Kathode durch Abbildung auf einen Leuchtschirm oder eine Speicherplatte; Bildverstärkung durch Verstärkerfolie ist möglich.

CCD-Teilchendetektoren

CCD-Detektor: basiert auf dem inneren lichtelektrischen Effekt eines Siliziumscheibchens, auf dessen Bildelementen (Pixel) bei Belichtung Elektronen frei werden.

Thermoelektrische Fotometer

Thermoelektrisches Fotometer: eine geschwärzte Empfängerfläche erwärmt sich durch die Strahlung; ist auch im fernen Infrarot wirksam.

Plattenfotometer

Plattenfotometer: misst die Schwärzungsverteilung auf Fotoplatten; zum Kalibrieren verwendet man Eichsterne.

Irisblenden-Fotometer

Irisblenden-Photometer: Ergänzung des Plattenfotometers durch eine das Licht regulierende variable Blende.

Literatur

• Zöllner: Das Skalenphotometer. Leipzig 1879
• Krüß: Die elektrotechnische Photometrie. Wien 1886