Photometer

mini|Aufbau eines Photometers: Lampe, Spalt, Monochromator, Probe, Detektor Ein Photometer oder Fotometer ist ein Instrument zur Messung photometrischer Größen (siehe Photometrie), z. B. der Leuchtdichte (Einheit: cd/m²) oder Lichtstärke (Einheit: cd). In der Astronomie wird es zur Helligkeitsmessung der Himmelskörper eingesetzt. In der Analytischen Chemie dienen UV/VIS-Spektroskope zur Bestimmung von Konzentrationen in Lösungen nach dem Lambert-Beersches Gesetz. In der Fotografie wird das Photometer als Belichtungsmesser eingesetzt.

Allgemeine Photometer mini|Begriffe der Lichtmessung

Photometer 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. Das Messprinzip der meisten Photometer beruht auf dem Wissen, dass die Helligkeit am Messpunkt umgekehrt proportional zum Quadrat ihrer Entfernung von der Lichtquelle ist.

Das Prinzip des Photometers Eine konstante Quelle sendet Licht durch eine Küvette (beispielsweise) mit wässriger Messlösung. Abhängig von der Intensität der Färbung wird ein Teil des Lichts absorbiert und in einer lichtempfindlichen Zelle wird das durchgehende Licht gemessen. Die Menge des durchgegangenen Lichts lässt eine eindeutige Bestimmung des gemessenen Wasserwertes zu, der anhand von bereits fertigen Messtabellen abgelesen werden kann, welcher Konzentration des Messgutes dieses entspricht.

Soll das Licht einer optischen Abbildung mit einem hochempfindlichen, flächenhaften Strahlungsdetektor, wie zum Beispiel einer Photozelle oder einem Photomultiplier, gemessen werden, kann der Strahlengang mit Hilfe einer Fabry-Linse (nach Charles Fabry) in geeigneter Weise aufgeweitet werden.Fabry-Linse, Wikibook Digitale bildgebende Verfahren, abgerufen am 21. Juli 2015.

Rumfords Photometer mini|Rumfords Photometer

Nach Rumford stellt man in geringer Entfernung vor einer weißen Wand ein undurchsichtiges Stäbchen c auf, das zwei Schatten d und e auf die Wand wirft, wenn es von den beiden zu vergleichenden Lichtquellen beleuchtet wird.

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 Photometer Nach Wilhelm Ritchie beleuchtet man mit den zu vergleichenden Lichtquellen die beiden Seiten eines mit weißem Papier überzogenen Prismas p, das 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, die durch Verschiebung der Lichtquellen auf gleiche Helligkeit zu bringen sind.

Bunsens Photometer mini|Bunsens Photometer

Viel genauer und für technische Zwecke im 19. Jahrhundert häufiger im Gebrauch war das Photometer von Bunsen oder Fettfleck-Photometer.

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, die den Schirm und die zu vergleichenden Lichtquellen trägt, die sogenannte 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 die Norm für den Vergleich liefert (die Normalflamme), am anderen dagegen die zu prüfende Flamme d. Die Gasuhr c gibt den stündlichen Gasverbrauch an. Auf der geteilten Schiene ist ein zylindrisches Gehäuse verschiebbar, dessen Rückwand ganz undurchsichtig ist, während sich in der vorderen 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 Normalflamme 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 so wenig Licht wie möglich reflektieren, sie werden deshalb am vorteilhaftesten geschwärzt. Sind die Flammen ungleich gefärbt, so wird der Vergleich bei allen Photometern mehr oder weniger unsicher. Eine große Schwierigkeit bietet auch die Wahl der Normal-Kerze (beispielsweise Hefnerkerze). Als solche hat man in Deutschland meist Wachs- oder Stearinkerzen, in England Walratkerzen benutzt; aber man war so uneinig über die Größe der Kerzen und über die Beschaffenheit des Materials, dass bis Ende des 19. Jahrhunderts alle photometrischen 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 Photometer geweckt, das die Leuchtkraft einer elektrischen Lampe messen kann, durch den Vergleich mit einer Normalkerze. Bei den frühen Photometern, 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.

Zerstreuungsphotometer Ayrton und Perry bewirkten 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 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 größeren 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 brechbaren 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 umso mehr an Weiße, je verschiedener die Leuchtkräfte für diese beiden Farben sind.

Bothes Tangentenphotometer Außer den beschriebenen Photometern sind noch einige andere 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, der 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.

Zum Vergleich der Flammen werden diese von dem Spiegel des Mikroskops entfernt, bis die gleich bleibende Beleuchtung von oben das Verschwinden der Schrift bewirkt; dadurch ergibt sich das Helligkeitsverhältnis aus der Entfernung auf bekannte Weise. 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 oberen und unteren 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 Photometer mini|Wheatstones Photometer

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.

mini|Wheatstones Photometer 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 Polarisationsphotometer Jacques Babinet hat den Polarisationsapparat als Polarisationsphotometer in Anwendung gebracht. Die zu vergleichenden 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 gleichgemacht werden. Dieses Photometer ist deshalb wichtig, weil es gerade diejenige Eigenschaft des Auges benutzt, Farbennuancen zu erkennen.

Becquerels Polarisationsphotometer