2. Illethode sur Prihfurng des Strahlurngsgesetxes absolut schwarxer Korper;

von W. Wiem urnd 0. Lummer.

Stefan ' ) and im Jahre 1879 auf Grund des bis dahin vorhandenen experimentellen Materials, dass die von einem Korper ausgestrahlte Warmemenge proportional ist der vierten Potenz der absoluten Temperatur. Der Proportionalitatsfaktor ist die sogenannte Emissionsconstante und von der Natur des strahlenden Korpers abhangig. Das nach S te fan benannte Gesetz wurde sodann von B o 1 t z m a n n z, auch auf theoretischem Wege hergeleitet und zwar fur eineii ,,a6soZut schwarzen" Korper, wahrend H. I?. Weber3) eine andere Pormel auf- stellte, welche die Strahlung ah Funktion sowohl der Tem- peratur wie der Wellenlange angiebt.

Die zur Prufung dieser Gesetze unternommenen Versuche sind insofern nicht einwandsfrei, als sie nicht mit absolut schwarzen Korpern angestellt sind, worauf bereits L. O r a t z 4, aufmerksam macht. Denn nur solche Korper brauchen dem theoretisch abgeleiteten Strahlungsgesetze zu folgen, wahrend ver- schiedene Korper beliebiger Beschaffenheit keineswegs einem einheitlichen Gesetze zu folgen brauchen.

Will man also das Strahlungsgesetz priifen, so muss man sich eines Korpers bedienen, der auch in hohen Temperaturen sich wie ein schwarzer Korper verhalt. Eines solchen Normal- korpers bedarf es auch , wenn man das Emissionsvermogen der seltenen Erden (Zirkon, Thoriumoxyd etc.) daraufhin unter- suchen will, ob diese Korper lediglich gemass der Flammen- temperatur leuchten oder ob noch eine Auslosung chemischer Krafte (Luminescenz) stattfindet , die zur nothwendigen Folge eine dauernde Veranderung der Substanz , also allmahliches Aufhoren der Leuchtkraft haben muss. Urn diese fur die

1) Stefan, Wien. Ber. (2) 79. p. 391. 1879. 2) Boltzmann, Wied. Ann. 22. p. 291. 1884. 3) H. F. Weber, Berl. Ber. p. 933. 1888. 4) L. Griltz, Winkelmann's Hdb. d. Phys. p. 255. 1895.

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Technik wie fur die Wissenschaft gleich wichtige Frage ein- wandsfrei beantworten zu konnen, muss man erst die Strahlung eines absolut schwarzen Korpers studiren und Methoden aus- findig machen, die den idealen schwarzen Korper ersetzen.

Zunachst konnte man daran denken, die mit hoch schmelz- baren Metalloxyden iiberzogenen Platinbleche als strahlende Korper zu verwenden. Hier stehen aber technische Hinder- nisse im Wege. Einerseits ist es schwierig, einen gleich- massigen Ueberzug zu erlangen , andererseits wird das mit Uranoxyd etc. uberzogene Blech an seiner Oberflache dadurch verandert, dass ein Theil des Oxydes in hoher Temperatur verdampft.

Beim electrischen Gli'hen haben diese Qersuche die That- snche kennen gelehrt I), dass bei ungleichmassigem Ueberzug bedeutende Temperaturdifferenzen nnhe aneinander grenzen und stationar nebeneinander bestehen bleiben.

Bestreicht man Platinblech auf einer Seite mit einer feuer- festen Substanz, deren Ausstrahlungsvermogen grosser ist, als das von Platin, SO ist die Riickseite der bestrichenen Stelle stets dunkler als ihre Umgebung, wahrend die Leuchtkraft der bestrichenen Stelle selbst von ihrer Ausdehnung abhangt. 1st die Stelle klein, so leuchtet sie heller als die Umgebung, bei grosserer Ausdehnung ebenso hell und schliesslich sogar dunkler. Es kann dies nur dadurch erkliirt werden, dass infolge des vermehrten Ausstrahlungsvermogens die Temperatur an der be- strichenen Stelle niedriger ist als am blanken Platin. Hier- durch werden weniger leuchtende Strahlen ausgesandt, wahrend natiirlich die Gesammtstrahlung der bestrichenen Stelle nicht geringer ist.

Indessen muss man bei der Priifung des Strahlungsgesetzes iiberhaupt yon den kunstlich geschwarzten Blechen absehen, weil sie immer noch weit entfernt sind, wie ein absolut schwarzer Korper zu wirken, selbst wenn eE: gelingt, ganz gleichmassige feuerfeste Uberzuge herzustellen.

Noch weuiger ist dies der Fall bei absolut reinem Platin, da es in der Weissgluth spiegelt und im 0ussigen Zustande einem Quecksilberspiegel ahnelt. Sorgt man aber dafur, dass _ _

1) Thatigkeitsber. d. Phys.-Techn. Reichsanst. 1890/ i 891.

Priifung des Stralrlungsgesettes. 453

d m straltleriden Kiirper gerude 'diejenlje Strahl~n~y, die er ceniger aussenrlet als em &ic?itemperirter schwarzer Kiirper, durch Be- strah1un.y aollstiindi~~ erp5nzt w i d , so oerltiiit er sich in Bezug auf ' die Aic.~straliEz~11,9 irie ein nbsulut schwarter Kiirper.

Nach eirier bekanriten Folgcrung aus den1 Kirchhoflschen Gesetze stellt sic11 im Innern eiries von gleichtemperirten, iibrigeris heliebigen Korpern unigcbenen Raumes eine solche Dichtiglieit der Energie der StrLthlung her, als ob diese Kiirper vollkommen schwarx wiiren. Man hat also die sogcnnnnte Stralilutig eiries schwarzen Kiirpers als den Zust.and des Riirmegleichgcwichte aufzufassen. Aus tliesem Grunde hat der eine voti uns vorgeschlagen, die Strilhl11rlg eiries schwarzen Kijrpcrs uberhaupt als Zustand des Wiirme~leichgewichts zu definiren 1). Diese strengere Definition wird auch gereclitfertigt durch die Uberlegung, dass es Korper, die in Luft sicli wie schwarze Kiirper rerhnlten , praktisch nicht geben kitiin, weil jeder KGrper Dispersion zeigen muss und vollkommetie Ab- sorption fiir nlle Fnrben iiur eintreten kanri, wenn bei grossem Absolptionsvermiigen der Kiirper fur alle Earbeti dtwselben Brechungsindex hat, wie fur Luft.

Urn hierauf auch eine praktisch brauchbare Methode zu griintlcn. durch die man die Strahlung eines schwarzen Korpers in beliebiger .4nn&herung herstellen kann , muss man einen Hohlrniim auf' mo!/kichst gkeichmassiye Ternperatur bringen und durch eine fifhu11.9 seine Strahlung nach aussen gelangen iassen.

Ton dieser Oeffnung erhalt die iriiiere 0l)erflache keine Strahluiig untl liierdurch wird eine Abweic*hung Tom Zustando des Wkmegleichgewichts bedingt, die urn so grosser ist, j e grosser die offnung irn Vergleich zi i der Grosse der inneren Oberfliiche gewiihlt wird. Ausserdem hangt die Anniiherung an den idealen Zustand vom Ahsorptio~isvermijgen der innern Obertliiche und im allgemeinen von der Form des Holilraums ab. Man kann den Grad der Ahweichung leicht herechnen, wenn diese Faktoreii bekannt sind, und zwar am besten diirch Aufsuchung der S h h l u n g , die von einem iris Innere ge- langencleii Ytrah1enl)iindel wieder nach aussen reflektirt wird.

1) W. W i e n , W i d . Anu. 62. p. 133. 1894.

454 V. Wien u. 0. Jummer.

Nach dem Kirchhoffschen Satz ergiebt sich hieraus dann auch die .,%ission des Hohlraums.

Man sieht ohne weiteres, dass es bei regelmirssig spiegelnden Wanden am giinstigsten ist, wenn die Strahlen in der Weise schrag zur Hinterwand durch die Offnung gelangen, dass sie moglichst oft reflektirt werden , ehe sie die Offnung wieder finden. Da aber bei Spiegeln das Absorptionsvermogen klein ist, wird man moglichst stark absorbirende Flachen wiihlen, die nur einen kleinen Theil der Strahlen zerstreut zuriick- werfen.

Nehmen wir den Hohlraum kugelformig an und nennen E das Reflexionsvermogen der eerstreut spiegelnden Wande. Durch die 6ffnung dn dringe senkrecht zu ihr ein enges Strahlen- bundel; dann gelangt bei der ersten Reflexion von der ein- fallenden Strahlung der Antheil E da/4mr2 wieder nach aussen.

Irgend ein Flachenelement ds der inneren Oberflache erhiilt also indirect die Strahlung : l)

wo 8 der Winkel zwischen der Richtung da, ds und der Tangente an da ist.

Es erhalt also jedes Flachenelement gleich viel Strahlung unabhangig von seiner Lage. Eberiso gibt bei der zweiten Reflexion jedes Element gleich viel Strahlung an d a ab. Also erhalt d o infolge der zweiten Reflexion den Antheil:

6' d a 4 n ra -~ -

etc. Menge nZch aussen:

Es gelangt von der einfallenden Energie E demnach die

d o d a e 7l T 2 4 n r a ' 1 - 8

E p - ~ ( l + E + E' + ...) = E-- Sind r, d a und E gegeben, so kann man den Antheil be-

rechnen, der von der einfallenden Energie wieder nach aussen gelangt. Dieser ist ein Maass fur die Abweichung vom absolut schwarzen Korper.

1) Unter der Voraussetzung, dass die nach aussen gelangende Energie gegen die zuruckbleibende zu vernachlassigen ist.

Prufung des Strahlunysgesetzes. 455

Um diesen Plan experimentell zu verwirklichen , liessen wir Hohlkugeln aus Porzellan nnd Metal1 von verschiedener Gr6sse des Verhaltnisses der Oeffnung ~ ~ 1 1 % inneren Oberflache hers tell en.

Diese Kugeln sollen fur hohe Temperaturen in einem be- sonders construirten Ofen, fiir niedere in Badern von Salzen und Diimpfen organischer Substanzen auf eine miiglichs t gleich- massige Temperarur gebracht werden. Vor die gegen die Heizgase geschiitzte Oeffnung werden Diaphragmen mit Wasser- spulung gesetzt, sodass man durch diese hindurch niir Strahlen aus dem inneren Hohlraurn erh8lt.

Um die Temperatur der im Ofen gegluhten Hohlkugeln in zwei Durchmessern messen zu kannen, besitzen sie je zwei Pam diametrale Ansatxrohren, deren Axen senkrecht zii ein- ander stehen. Durch diese Rahren sollen Thermoelemente ge- zogen werden, die auch in hoher Temperatur verschiebbar bleiben, sodass man die Qleichmassigkeit der Temperatur im Innern prufen kann.

Es soll nun erstens mittels des Flachenbolometers die Gesammtstrahlung gemessen werden, die der Hohlraum bei verschiedenen Temperaturen aussendet.

Diese Messungen dienen zur Priifung des Stefxn'schen Strahlungsgesetzes. Zweitens so11 gleichzeitig mittels des Spectralphotometers die Lichtstrahlung in den verschiedenen Spectralregionen gemessen werden. Drittens soll auf linear- bolometrischem Wege die Energievertheilung als Funktion der Temperatur festgestellt werden, um eine theoretische Beziehung zu prufen, die von einem von uns abgeleitet worden ist.l)

Sach Feststellung der fur den schwarzen Korper geltenden Qesetze, sollen die Hohlkugeln mit solchen Substanzen aus- gekleidet werden , deren Strahlung moglicherweise zum Theil durch Lumineszenz erregt wird und die deswegen von der nur durch Temperaturerhohung bedingten abweichen muss.

Praktisch ausfuhren lasst sich ein strahlender Hohlraum auch mit dicht nebeneinander gestellten electrisch gliihenden sehr diinnen Platinblechen, von denen eines einen Schlitz hat. Man sieht durch ihn hindurch das Innere ausserordentlich vie1 ~- -

1) W. W i e n , Berl. Ber. 9. Febr. 1893.

456 W; Pien u. 0. Lummer. Prufung des Strahltingsgesetzes.

heller Ieuchten als das Aeussere. Die Temperaturmessung kann hier durch Bestimmung der Widerstandszunahme ausgefuhrt werden.

Diese Anordnuny lasst sich auch umkehren und als Bolo- meter benutzen, indem die zu messesde Strahlung durch den Schlitz geschickt wird und dabei beide Platinbleche erwarmt.

Auf diesen Wegen erreicht man Unabhangigkeit von den individuellen Eigenschaften der absorbirenden und emittirenden Oberflachen und bann absolute Strahlungsmessungen in ein- wandsfreierer Weise ausfuhren als es bisher moglich war.