PTB-Mitteilungen 2012 Heft 2

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PTB-Mitteilungen 122 (2012), Heft 2 1896 – Schönrock verbessert die Zuckeranalytik 1895 – Lummer und Wien entwickeln erste Hohlraumstrahler Aufbauend auf einer Idee von Gustav Kirchhoff (1860) entwickeln Otto Lummer und Willy Wien erste Hohlraumstrahler zur praktischen Erzeugung der Wärmestrahlung Schwarzer Körper. In der PTR werden zur Unterstützung der Industrie die Grundlagen für quantitative Zuckerprüfungen mit Hilfe der Polarimetrie gelegt. Dazu entwickelt Otto Schönrock neue Saccharimeter zur Messung der optischen Aktivität von Zuckerlösungen und untersucht die Eigenschaften von Normalzuckerlösungen und Quarzplattennormalen. 1896 – Wien’sches Strahlungsgesetz Wilhelm Wien formuliert ein Strahlungsgesetz, von dem man für einige Jahre glaubt, dass es die Wärmestrahlung eines Schwarzen Körpers exakt beschreibt, bis Präzisionsmessungen von Otto Lummer und Ernst Pringsheim (1899) sowie von Ferdinand Kurlbaum und Heinrich Rubens (1900) deutliche Abweichungen bei hohen Temperaturen und großen Wellenlängen zeigen. 1897 – Hauptgebäude (später Werner-von- Siemens-Bau) Für die Aufgaben der II. Abteilung, der Technischen, wird gegenüber dem Observatorium das vierstöckige, U-förmige Hauptgebäude errichtet. 1895 – Friedrich Kohlrausch wird Präsident der PTR Friedrich Kohlrausch (1840–1910) studiert Physik in Erlangen und Göttingen. Ab 1870 ist er nacheinander ordentlicher Professor in Zürich, Darmstadt, Würzburg und Straßburg. Kohlrausch gilt als einer der meisterhaftesten Messtechniker des 19. Jahrhunderts und als einer der Mitbegründer der physikalischen Chemie. Er ist Autor des 1870 als „Leitfaden der Praktischen Physik“ erschienenen ersten Lehrbuchs zur Experimentalphysik, das er zum Lehrbuch für Generationen erweiterte. Er ist Kurator der PTR von der ersten Stunde bis 1910 und von 1895 bis 1905 ihr Präsident. 1898 – Orlich erstellt Selbstinduktivitätsnormale 1899 − Abweichungen vom Wien’schen Strahlungsgesetz Chronik � Ernst Orlich stellt die ersten Selbstinduktivitätsnormale nach der Methode von Max Wien her und entwickelt umfangreiche Berechnungen für Induktivitäts- und Kapazitätsnormale, die im Vieweg Verlag veröffentlicht werden. Die Arbeiten werden später von Erich Giebe und Gustav Zickner fortgeführt. Otto Lummer und Ernst Pringsheim messen an einem elektrisch geheizten Hohlraumstrahler bei Temperaturen bis 1600 °C und Wellenlängen bis zu 6 µm Abweichungen der emittierten Wärmestrahlung vom Wien’schen Strahlungsgesetz im Bereich hoher Temperaturen und großer Wellenlängen. Die Messungen werden bis 18 µm ausgedehnt. Die Abweichungen nehmen zu. 1900 − Gumlich untersucht Transformatorbleche Ernst Gumlich entdeckt, dass siliziumhaltiges Eisen einen erhöhten elektrischen Widerstand und damit geringere Wirbelstromverluste aufweist. Der Elektromaschinenbau greift diese Entwicklung auf und macht Gumlichs Entdeckung zu einem der wesentlichen technischen und wirtschaftlichen Impulse, die von der PTR ausgehen. 1900 1898 – Gesetz betreffend die elektrischen Maßeinheiten Die PTR erhält durch das am 1. Juni von Kaiser Wilhelm II. unterzeichnete Gesetz betreffend die elektrischen Einheiten ihre erste gesetzliche Aufgabe. Sie soll die im Gesetz definierten elektrischen Einheiten darstellen und bewahren und Messgeräte für elektrische Größen prüfen. 11
� PTR/PTB: 125 Jahre metrologische Forschung Jörg Hollandt Bild diese Seite: „Vollständige“ Absorption eines Lichtstrahls, der in den Schwarzen Körper fällt. Bild Seite 13 linke Spalte: Spektrum der vom Schwarzen Körper emittierten Wärmestrahlung, 1900 gemessen von Lummer und Pringsheim und verglichen mit dem Wien’schen Strahlungsgesetz Bild Seite 13 rechte Spalte: Ein moderner Hochtemperatur- Hohlraumstrahler der PTB, mit dem Temperaturen von 3000 °C erreicht werden. Die Temperaturmessung erfolgt optisch durch absolut kalibrierte Strahlungsempfänger. 12 Der Schwarze Körper und die Quantisierung der Welt Bei einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts emittiert jeder Körper elektromagnetische Strahlung, die als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Bereits 1860 erkannte Gustav Kirchhoff, dass für einen Körper, der alle einfallende Strahlung vollständig absorbiert (Absorptionsgrad α = 1), das Spektrum der emittierten Wärmestrahlung unabhängig von Form und Material des Körpers und nur noch eine Funktion von Wellenlänge und Temperatur ist [1]. Ein solcher ausgezeichneter Körper wird seit Kirchhoff als Schwarzer Körper bezeichnet. Auf der Grundlage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik folgerte Kirchhoff, dass im thermischen Gleichgewicht für dieselbe Temperatur, Wellenlänge und Richtung der gerichtete spektrale Absorptionsgrad gleich dem gerichteten spektralen Emissionsgrad ist. Der spektrale Emissionsgrad beschreibt die Fähigkeit eines Körpers, Wärmestrahlung zu emittieren. Für einen Schwarzen Körper ist der spektrale Emissionsgrad somit gleich eins für alle Wellenlängen, und kein Körper gleicher Temperatur kann mehr Wärmestrahlung aussenden als ein Schwarzer Körper. Nach dieser wichtigen Entdeckung von Gustav Kirchhoff wurde die Suche nach einer analytischen Beschreibung des Wärmestrahlungsspektrums des Schwarzen Körpers zu der prominentesten Herausforderung der theoretischen Physik gegen Ende des 19. Jahrhunderts. Schon bald nach Gründung der Physikalisch- Technischen Reichsanstalt (PTR) im Jahr 1887 wurde die Messung der Strahlung Schwarzer Körper zu einer wichtigen Aufgabe des Laboratoriums für Optik, ausgeführt durch die Wissenschaftler Ferdinand Kurlbaum, Otto Lummer, Werner Pringsheim, Heinrich Rubens und Wilhelm Wien. 1892 entwickelten Kurlbaum und Lummer das elektrische Substitutionsradiometer zur quantitativen Messung elektromagnetischer Strahlung, was für die Vermessung der Wärmestrahlung eine unbedingte Voraussetzung war. Auch bei der praktischen Erzeugung der Wärmestrahlung eines Schwarzen Körpers beschritten die PTR- Physiker Wien und Lummer neue Wege, indem sie 1895 isotherme Hohlräume als Strahlungsquellen vorschlugen. Sie griffen damit eine Idee auf, die bereits Kirchhoff geäußert hatte. Nach Kirchhoff sollte die Wärmestrahlung innerhalb eines isothermen Hohlraums exakt der Strahlung eines Schwarzen Körpers entsprechen. Um die Strahlung zu beobachten, muss der Hohlraum allerdings mit einer kleinen Öffnung versehen werden. Solange die Öffnung sehr klein gegen die innere Oberfläche des Hohlraums ist, wird ein Lichtstrahl, der PTB-Mitteilungen 122 (2012), Heft 2 in den Hohlraum fällt, viele Reflektionen an den Wänden des Hohlraums durchlaufen und schließlich vollständig absorbiert werden. Die einzige Strahlung, die den Hohlraum verlässt, ist somit die in dem Hohlraum erzeugte Wärmestrahlung des Schwarzen Körpers. Erste Untersuchungen an solchen Hohlraumstrahlern führten Wien 1896 zur Formulierung des nach ihm benannten Strahlungsgesetzes, von dem man für wenige Jahre glaubte, dass es die Wärmestrahlung richtig beschreiben würde [2]. In den folgenden drei Jahren entwickelten Lummer und Kurlbaum einen elektrisch geheizten Hohlraumstrahler, mit dem sie Temperaturstrahlung bis zu etwa 1600 °C erzeugen konnten. Genaue Messungen von Lummer und Pringsheim mit diesem Strahler zeigten bei höheren Temperaturen und größeren Wellenlängen signifikante Abweichungen zum Wien’schen Strahlungsgesetz [3]. Die gestrichelte Linie in ihrem Diagramm wurde nach dem Wien’schen Strahlungsgesetz berechnet. Die durchgezogene Linie stellt das Ergebnis der Messungen im Spektralbereich von 1 µm bis 6 µm dar, die bei hohen Temperaturen und größer werdender Wellenlänge zunehmend vom Wien’schen Strahlungsgesetz abweichen. Im Jahre 1900 benutzten Rubens und Kurlbaum die Reststrahlenmethode, um bei noch größeren Wellenlängen nun eindeutig nachzuweisen, dass es mit zunehmender Temperatur immer deutlichere Abweichungen der Messungen vom Wien’schen Strahlungsgesetz gab [4]. Dieses Ergebnis berichtete Rubens persönlich Max Planck, der sich an der Friedrich-Wilhelms-Universität in Berlin mit der Theorie Schwarzer Körper befasste. Noch am selben Tag, am 7. Oktober 1900, fand Planck empirisch eine Formulierung des Strahlungsgesetzes für den Schwarzen Körper, die in Übereinstimmung mit allen Messungen der PTR stand. Am 19. Oktober präsentierte er dieses Ergebnis auf einer Sitzung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft im Anschluss an einen Vortrag von Kurlbaum [5]. In den folgenden zwei Monaten gelang Planck eine theoretische Herleitung seiner Gleichung. Dazu übertrug er das 1889 von Heinrich Hertz einge-
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