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Ein Beitrag zur Bestimmung des Reflexionsvermgens von Metallen im Sichtbaren und im Ultraviolett.

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ANNALEN D E R PHYSIK
~
~
~
~
~~
5. F O L G l E , B A N D 17, H E F T 1, M A 1 1 9 3 3
Edm Bedtrag
xur Bestdmmwng des Reflexdonsuermilgens
von N e t a l l e n iun 8ichtharen und dm Vltravdolett
T o n Eomrad vom X r a g s t e d n
(Gekiirzte Breslauer Dissertation)
(Mit 10 Figuren)
I n h a l t s i i b e r s i c h t : I. Spektralphotometrische Messung des ReflexionsvermBgens von Stlhlen verschiedener Zusammensetzung im Sichtbaren und Vergleich der Ergebnisse mit den durch Bestimmung der
optischen Konstanten gefundenen Werten des Reflexionsvermogens. 11. Lichtelektrische Bestimmung des ReflexionsvermGgens im Ulbaviolett
an den gleichen Stahlen und einigen anderen Substanzen: Silber, H o c h h e i m sche Legierung, Magnalium, Tellur, Tantal, Pyrit und Bleiglanz.
I. Spektralphotometrische Messung des ReflexionsvermGgens
von Stahlen verschiedener Zusammensetzung i m Siohtbaren
u n d Vergleich der Ergebnisse m i t den d u r c h Bestimmung der
optischen K o n s t a n t e n gefundenen Werten desReflexionsvermogens
Im Rahmen einer groljeren Untersuchung der Eigenschaften
von Metallen (allgemeine Metallforschung) fie1 dem Physikalischen
Institut der Universitat Breslau die Aufgabe zu, eine genaue
Bestimmung der optischen Konstanten von Edelstahlen vorzunehmen. Die (vom Eisenforschungsinstitut Diisseldorf gelieferten) Edelsfalile waren fur die geplante optische Untersuchung noch nicht geniigend plan und nicht auf Hochglanz
poliert; sie muBten daher erst (durch die Firma Carl Zeiss)
eine den Anforderungen geniigende Politur erhalten.
Nach der Drudeschen Theorie kann man bekanntlich die
optischen Konstanten n und x eines absorbierenden Mediums
aus Lage und Form der Schwingungsellipse des an ihm reflektierten Lichtes bestimmen (das einfallencle Licht ist als linear
polarisiert vorausgesetzt). Dazu ist die Messung folgender
Groljen erforderlich: 1. des Einfallswinkels y , 2. der Phasendifferenz A der parallel bzw. senkrecht zur Einfnllsebene schwingenden Komponente des reflektierten Lichtes und 3. des AziAnnalen der Physik. 5. Folge. 17.
1
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
2
mutes y der wiederhergestellten Polarisation. Diese Messungen l)
wurden an einem im hiesigen Institut befindlichen Apparat
ausgefuhrt, der seinerzeit von L u m m e r - K y n a s t 2 ) besonders
fur derartige Messungen konstruiert worden ist. Der verwendete Kompensator hat die von S o l e i l - B a b i n e t angegebene Form.
Mit Hilfe der Werte fur n und n x ergibt sich das Jieflexionsvermogen aus der Beziehung
Bei den Beobachtungen diente als Lichtquelle eine Quarzquecksilberlampe, und zwar wurden die optischen Konstanten
f u r die Quecksilberlinien 5771579 q t , 546 mp und 435 mp
bestimmt. Die anderen Quecksilberlinien waren f u r die Messung
zu lichtschwach. Bisher wurden 8 Legierungen, namlich PWC,
H B N V , E 53, KWDV, E 724, LWZ, A 18, MCC untersucht;
nach den vom Eisenforschungsinstitut mitgeteilten Daten haben
diese Legierungen folgende Zusammensetzung :
Tabelle 1
__
Mfi
Bezeichnung
P wc.
HBNV
E.53 .
KWDT
E 724
LWZ
A18.
MCC .
.. .
...
. . .
...
in "Ilo
-_
-_
1 1
Oil3
0,13
0,68
0,55
0,21
0,66
0;29
0,25
0,42
0,49
0,53
0,50
0,6l
0,53
0,33
0,27
~
0,015
0,024
0,017
0,010
0,040
0,017
0,018
0,015
_
0,003
0,032
0,025
0,028
0,040
0,017
0,010
0,007
MIB'W
in
in
Ol0
_
in
O/,
O/,,
1,66
--
0,78
4123
1
1
0;85 etwa 4 18,70
G6 13,44 1 ~
Tabelle 2 gibt die Ergebnisse der Messungen.
Eine systematische Abhangigkeit der Werte fur die
optischen Konstanten von der chemischen Zusammensetzung
der Legierungen la& sich his jetzt noch nicht feststellen.
I m Brechungsquotienten ist eine st,arke, in der Absorptionskonstanten ?a x eine schwachere Zunahme mit der Wellenlange zu erkennen. Das Reflexionsvermogen ist dagegen nahezu unabhangig
von der Wellenlange und schwankt bei den verschiedenen
Legierungen nur zwischen 57 und 62O/,. TJm die Beobachtungen
1) Die Bestimmung der optischen Konstanten wurde auf Veranlassung von Hrn. Prof. S c h a e f e r dnrch Frl. Dr. G e r t r u d D l u g o s c h ausgef ghrt.
2) 0. L u m m e r u. R. K y n a s t , Ann. d. Phys. [4] 22. S. 721. 1907.
K . v. Fragstein. Bestimmung des Reflexionsver&gens
3
USW.
Tabelle 2
Messungsergebnisse an den Stahlen
(9 = Hauptazimut, p = Haupteinfallswinkel)
-- - - ~
Legierung
PWC
Spiralbohrerstahl
gewalzt
HBNV
Xickelstahl gewalzt
E 53
Chromnickeleinsatzstahl gewalzt
KWDV
Chromnickelstahl
vergiitet
E 724
Chromnickelstahl
gegliiht
LWZ
Chromnickelstahl
gewalzt
A 18
Schnelldrehstahl
MCC
rostbestandiger Spiegelstahl gewalzt
1
435 my
546
577/579
435 m y
546
5771579
435 m p
546
5771579
435 m,u
546
5771579
435 mp
546
5771579
435 mp
546
5771579
435 mp
546
5771575
435 m y
546
5771579
cp
___
__ __
~
__ __
30° 34
28 21
28 8
29 39
27 45
27 34
31 9
29 7
28 56
30 12
28 43
28 19
31 40
30 30
29 33
30 6
28 26
27 59
30 34
28 7
28 1
31 11
29 20
28 42
750 0
76 25
76 37
75 56
77 15
77 24
74 29
76 23
76 37
75 2
76 54
76 58
74 10
75 50
76 4
75 53
77 5
77 17
76 5
77 12
77 28
76 26
77 35
77 57
nx
n
~
1,78
2,26
2,32
2,04
2,51
2,57
1,67
2,16
2,22
1,85
2,34
2,41
1,57
1,94
2,06
1,96
2,36
2,47
1,93
2,43
2,50
1,91
2,35
2,51
x
~
~
2,98
3,23
3,27
3,22
3,47
3,51
2,92
3,27
3,32
3,05
3,40
3,41
2,50
3,24
3,28
3,20
3,43
3,46
3,28
3,45
3,52
3,41
3,67
3,75
1,67
1,43
1,41
1,58
1,38
1,36
1,75
1,52
130
1,65
1,46
1,42
1,85
1,68
1,59
1,63
1,45
1,40
1,70
1,41
1,40
1,79
1,56
1,49
~
R
57ilo/o
57,1
57,2
58,4
58,8
58,9
58,2
58,2
58,6
57,5
59,0
58,6
58,2
59,5
59,1
68,7
59,1
59,0
60,0
58,9
59,4
62,1
61,9
61'9
bei moglichst gleichmaBigenOberflachenverhaltnissen anzustellen,
wurde jede einzelne Legierung so rasch wie moglich durchgemessen. Trotzdem zeigte sich eine allmahliche Abnahme
von A, die auf den EinfluB von Oberflachenschichten zuriickzufiihren ist. Um festzustellen, wie grog die im Laufe der Zeit
erfolgenden Veranderungen von A und damit von n und n x
werden konnen, wurden zwei Legierungen LTYZ und A 18
nach SchluB der ersten Megreihe mehrere Wochen der Luft
ausgesetzt und dann ihre optischen Konstanten neu bestimmt.
E s ergab sich eine Verkleinerung von n zwischen 5 und 6O/,
und von n x zwischen 2l/, und 4O/,. Dagegen macht sich im
Werte des Reflexionsvermogens selbst der EinfluB der Oberflachenschicht nur schwach bemerkbar. Es erschien daher
ratsamer und iiberdies einfacher, die E'ortsetzung dieser Untersuchungen durch direkte Messung des Reflexionsvermogens
1*
4
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
auszufuhren. Diese Fortsetzung sollte sich im besonderen
auf eine Bestimmung der Wellenlangenabhangigkeit des Reflexionsvermogens im Sichtbaren und im Ultraviolett erstrecken.
Zuerst wurde das Reflexionsvermogen der erwahnten Stahle
LWZ, E 724, KWDV, MCC, E 53, HBN V, PWC auf3er A 18
im Sichtbaren einer Untersuchung unterzogen. E s wurde dazu
ein K o n i g - M a r t e n s sches Spektralphotometer benutzt, das
durch eine kleine Prismenanordnung fu r Reflexionsmessungen
eingerichtet worden war. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, wird
Fig. 1. Reflexionsanordnung
beim K S n i g - Mar t e n s schen Spektralphotometer
das Licht in beiden Strahlengangen nach Passieren der
Doppellinse L i der Beleuchtungsvorrichtung mit Hilfe von
zwei kleinen, totalreflektierenden Prismen Pz, P, rechtwinklig
abgebogen. Nach der Reflexion an den MeBspiegeln M I , M ,
wird das Licht wiederum durch zwei gleiche totalreflektierende
Prismen P,, P, in die Richtung der optischen Achse des
Apparates gebracht und fallt auf den Eintrittsspalt ESP.
Die Anordnung wurde so getroffen, da8 der Weg von Doppellime bis Eintrittsspalt verdreifacht wurde gegeniiber der Entfernung in der normalen Beleuchtungsvorrichtung. Durch
Einschalten je einer Linse Li, und Li, von gleicher Brennweite wie die Doppellinse wurde einfach die Bbbildung der
Doppellinse wiederholt, so daD auf dem Eintrittsspalt das Bild
der Blenden in gleicher GroDe lag wie beim normalen Apparat.
K. v. Fragstein. Bestimmung des Reflexionsvermogens usw.
5
iluf diese Weise wurde die Abbildung des Apparates unverandert beibehalten und man hatte die Garantie fur eine vollstandige und gleichmaBige Fiillung.
Es wurden keine Absolutmessungen, sondern Relativmessungen gegen einen Bezugsspiegel aus Silber ausgefiihrt.
Im Konig-mart enswhen Spektralphotometer sind die
beiden Vergleichslichter senkrecht zueinander polarisiert und
zwar liegen in dem verwendeten Apparat die Schwingungsrichtungen vertikal bzw. horizontal. Da die Einfallsebene des
MeB- und des Bezugsspiegels in der Horizontalebene orientiert
war, fie1 die parallel bzw. senkrecht schwingende Komponente
des reflektierten Lichtes mit der horizontalen bzw. vertikalen
Schwingungsrichtung im Photometer zusammen. Bezeichnen
R, bzw. R8 die Reflexionskoeffizienten fur die der Einfallsebene parallele bzw. senkrechte Komponente, so sind R,. J,, bzw.
Rs.J , die Intensitaten des Lichtes in den beiden Vergleichsfeldern des Photometers. (Der Index I bezeichnet die vertikale,
der Index I1 die horizontale Schwingungsrichtung). Ihr Quotient
wird gemessen durch tg2aIl wo ul derjenige Winkel ist, um
den man den Nicol drehen muB, um von der Dunkelstellung
des zu J , gehorenden Feldes des Biprismas zur Einstellung
auf Helligkeitsgleichheit zu kommen.
Wenn wir in unserm Falll bei der Messung des Stahlspiegels,
die auf Stahl beziiglichen Reflexionskoeffizienten mit dem
Index F e und die auf Silber beziiglichen Reflexionskoeffizienten
mit dem Index Ag versehen, so gelten, wenn man nach der
ublichen MeBmethode die Spiegel vertauscht, vor bzw. nach
der Vertauschung die folgenden Beziehungen:
Man gewinnt also in der beschriebenen Anordnung noch nicht
direkt das Retlexionsvermogen, sondern zunachst das geometrische Mittel aus dem Reflexionskoeffizienten fur die parallele
6
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
bzw. senkrechte Komponente. Es la& sich jedoch leicht zeigen,
daB dieses geometrische Mittel fur kleine Einfallswinkel 40,
wie sie hier vorlagen, sehr angenahert mit dem Werte des
Reflexionsvermogens iibereinstimmt.
-
1/R78 R.
Dies folgt aus den Q uinckeschen 1) Naherungsformeln, wenn
man cos = 1 - 6 setzt und in der Entwicklung von Aus1
driicken wie -,1
-nach 6 die Glieder hoherer Ordnung
COSQI
COS'QI
vernachlassigt. Durch die Mittelung, die die Vertauschung der
Spiegel von selbst mit sich bringt, elimimiert man also die
Abhangigkeit der Reflexionskoeffizienten vom Einfallswinkel;
in gewissen Grenzen ist also der gewahlte Einfallswinkel ohne
Einflu6 auf die Resultate der Messung.
Das Justieren und Vertauschen der Spiegel rnuBte sorgfaltig ausgefiihrt werden, denn eine nur geringfugig erscheinende Verriickung der Spiegelebene gals schon andere Helligkeitswerte im Photometer. Die Spiegel wurden in dem Spiegelhalter gegen eine feste, kreisformige Blende gepreBt, so da6
auf diese Weise beim Vertauschen die Spiegelebene erhalten
blieb. Ob beim hustauschen der Spiegel die Justierung der
Spiegelhalter erhalten geblieben war, wurde auf folgende Weise
kontrolliert : Die Spiegel warfen von einem geeignet aufgestellten
Lampchen mit einem sehr wenig ausgedehnten Gliihfaden
einen Lichtfleck auf eine etwa 3 m entfernte Wand. Die Lage
der Lichtflecke wurde bei richtiger Justierung markiert. Eine
Verriickung der Spiegelhalter und damit der Spiegelebene
zeigte sich in einer deutlichei Verschiebung der Lichtflecke
an. Mit Hilfe der Feinverstellungsschrauben konnten in diesem
Falle die Spiegel nach dem Lichtfleck auf der Wand wieder
eingestellt werden. I m allgemeinen brauchte ein solches Nachstellen gar nicht vorgenommen zu werden. Aber auch wenn
korrigiert wurde, wurden stets gut reproduzierbare Werte
erhalten.
Die Messung wurde in der Weise vorgenommen, daB an
jeder Wellenlange 12 Einstellungen auf Helligkeitsgleichheit
gemacht wurden, mit 3 Einstellungen in jedem Quadranten,
In der nachstehenden Tabelle 3 sind die erhaltenen Resultate angegeben, die also die Bedeutung von Relativwerten,
bezogen auf Silber2), haben.
1) A. W i n k e l m a n n , Handb. d. Phye., 6.Bd. 2. Aufl. S. 1300.
2) Beziiglich der Absolutwerte vgl. S. 15.
K . v. Fragstein. Bestimmung des Reflexionsvermogens usw .
7
Tabelle 3
Reflexionsvermogen von Stiihlen (Relativwerte bezogen auf Silber)
Die Resultate sind Mittelwerte aus je zwei unabhangigen
MeSreihen. Die Abweichungen vom Mittelwert sind in der
Tab. 3 beigefiigt.
11. Lichtelektrische Bestimmung des Reflexionsverm~geneimU1traviolett an den gleichen Stiihlen und einigen anderen Subetanaen
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Untersuchung auf
das Ultraviolett ausgedehnt. Direkte Bestimmungen des Reflexionsvermogens von Metallen im Ultraviolett sind noch wenig
zahlreich. H a g e n und Ru b en s')% )untersuchten in den Jahren
1900-1 902 das Reflexionsvermogen von Silber, Gold, Platin,
Kupfer, Nickel und Stahl bis zu 250 mp. H u l b u r t 3 ) machte
ebenfalls Messungen des Reflexionsvermogens an einer grogen
Anzahl von Metallen. Von neueren Arbeiten sind die von
Cobl e nt z und Mitarbeitern4)6)6)zu erwahnen. Im extremen
Ultraviolett, im Gebiete der Lymanserie, verfolgte P f u n d 7)8)
das Reflexionsvermogen sowohl von Metallen als auch von
Substanzen wie Quarz, Glas usw. I n der vorliegenden Untersuchung wurde das Reflexionsvermogen auBer an den Stahlen
noch an Silber, Magnalium, Hochheimscher Legierung, Tantal,
Tellur, Pyrit und Bleiglanz gemessen.
Die MeBanordnung war der von H u l b u r t verwendeten
ahnlich (Fig. 2). Das in dem Spektralapparat S zerlegte Licht
der Lichtquelle L gelangt nach Passieren der Blende B und
1) E . H a g e n u. H. R u b e n s , Ann. d. Phys. S. S. 1. 1902.
2) E. H a g e n u. H. R u b e n s , Ann. d. Phys. 1. S. 352. 1900.
3) E. 0. H u l h u r t , Astroph. Journ. 42. S. 206. 1915.
4) W. W. Coblentz, B. S. Bull. Nr. 152, 7. S. 197. 1910.
5) W. W . C o b l e n t z u. C. W . H u g h e s , B. S. Sci. Pap. Nr.493,19.
S. 577. 1924.
6) W. W . C o b l e n t z u. R. S t a i r , B.S. Journ. ofRes. 2. S.343.1929.
7) A. H. P f u n d , Journ. Opt. SOC. Amer. 12. S. 467. 1926.
8) A. H. P f u n d , Science (N. S.) 65. S. 595. 1927. Nr. 1694.
8
Annalen der Physik. 5. Folge. Band I?'.
1933
des Spiegels S p auf die Kathode einer schwenkbaren Photozelle 2. (Der Spiegel S p hat nur den Zweck, den Strahlengang um etwa 90° abzubiegen; er ist nicht auf der Schwenkscheibe montiert , bleibt also beim Schwenken der Photozelle
und des MeBspiegels unverhdert am Ort). Den Einfall des
Lichtes in Stellung I der Photozelle bezeichnen wir als den
,,direktenLL,denjenigen in Stellung I I (in der Figur durch ge-
Fig. 2. MeBanordnung.
L : Lichtquelle
Li,, Li,: Linsen
,'S : Eintrittsspalt
Sp: Spiegel
Sp9: Austrittsspalt
Mgp : MeBspiegel
B : Blende
Z : Photozelle
strichene Linien angedeutet), bei dem das Licht erst nach
Reflexion an dem zu untersuchenden MeBspiegel auf die Photozelle gelangt, als den ,,gespiegelten". Die Schwenkvorrichtung
(die Zelle Z und der Measpiegel M sp konnen unabhangig von
einander geschwenkt werden) ist wie bei H u l b u r t so konstruiert, dal3 bei ,,direktem" und ,,gespiegeltem" Einfall des
Lichtes die Lichtwege gleiche L b g e haben. Die Lime Liz
bildet gleichzeitig den Austrittsspalt Sp, des Spektralapparates
auf den MeBspiegel M s p und die Blende B auf die Kathode
der Photozelle Z ab. Die Gleichheit der Lichtwege in
Stellung I und I1 garantiert die Unveranderlichkeit der Abbildung
beim Schwenken der Photozelle. Zum elektrostatischen Schutz
befinden sich sowohl die Photozelle mit der ganzen Schwenkvorrichtung als auch das Elektroineter dns zur Messung der
Photostrome diente, in geerdeten Blechhausern. Die Zufiihrung
von der Zelle nach dem Elektrometer l) ist auf Bernstein oerlegt
und gleichfalls mit Blech verkleidet.
Fur die spektrale Zerlegung wurde in Ermangelung eines
Quarzmonochromators ein Spiegelspektrometer , wie es sonst
1) Fur die freundliche Uberlassung des Einfadenelektrometers
sprechen wir der Helmholtzgesellschaft unsern herzlichen Dank aus.
K.
u.
Fragstein. Bestimmung des Reflexionsvermogens usw.
9
im Ultraroten verwendet wird, eingerichtet. Silberspiegel
kamen wegen des steilen Abfalls des R.V. im Ultraviolett nicht
in Prage. Nach einer anfanglichen Verwendung von Platinspiegeln wurden Spiegel aus dem H o c h h e i m schen l) Spiegelmaterial eingesetzt, dessen R.V. nach einer Messung an einem
frischen Exemplar (vgl. Fig. 7) his zu 250 mp zwischen 80 bis
90 "i0 betrug. Die zuerst verwendeten platinierten Hohlspiegel
waren namlich nicht so haltbar, wie man erwartet hatte. Es
bildete sich im Laufe der Zeit immer ein Schleier auf der
Oberflache. Nachdem aber Hohlspiegel und Wadsworthspiegel
des Spektrometers mit der Hochheimschen Legierung verspiegelt waren, zeigten sie dauernd eine tadellose Oberflachenbeschaffenheit. Hinsichtlich der Intensitat wird kein allzu
groBer Unterschied zwischen einem gewohnlichen Quarzlinsenmonochromator und einem solchen Spiegelspektrometer bestehen ; denn bei Zugrundelegung eines R.V. der Spektrometerspiegel von SOo/o, wie es im Gebiete von 400-250 mp im
Mittel gemessen wurde, behalt man durch die dreimalige
Reflexion (zwei Hohlspiegel und ein W adsworthspiegel) von dem
einfallenden Lichtstrom etwa. 50 O/, iibrig. Inzwischen ist Ton der
Firma Carl Leiss das H o c hheimsche Spiegelmaterial zur Konstruktion eines Ultraviolettmonochromators 2, verwendet worden.
Der Jnzidenzwinkel des auf den MeBspiegel fallenden
Lichtes betrug 2S0/,,. Das R.V. ist im strengen Sinne aber
nur fur senkrechten Einfall definiert. Sobald man unter einem
endlichen Inzidenzwinkel beobachtet, miBt man ein modifiziertes
Reflexionsvermogen R , das sich aus den Reflexionskoeffizienten
fur die parallel bzw. senkrecht zur Einfallsebene schwingenden
Komponenten des Lichtes zusammensetzt; und zwar ist dieses
fu r teilweise polarisiertes Licht gegeben durch den Ausdruck
R' = * R, (1 - (il) * R,
[die Gesamtintensitat des Lichtes ist gleich 1 gesetzt; auf die
parallel zur Einfallsebene schwingende Komponente des Lichtes
entfalle a o/o der Gesarntintensitat, auf die senkrecht zur Einfallsebene schwingende dementsprechend (1 - a)O l O ] . Fur ein1
Im
fallendes natiirliches Licht ist im besonderen u =
allgemeinen ist aber die GroBe R', die fast immer an Stelle
von R (Reflexionsvermogen fur senkrechte Inzidenz) gemessen
wird, nur unwesentlich von R verschieden. Wie namlich aus
+
1) Herrn Dr. Hochheim, der uns in liebenswurdigster Weise die
Verspiegelung ausfiihrte, sagen wir an dieser Stelle uneern mfrichtigen
Dank.
2) C. L e i s s , Ztschr. f. Phys. 72. S. 822. 1931.
10
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
den metalloptischen Formeln l) (fur nicht zu kleine Werte
yon n x ) hervorgeht, und experimentell vielfach bestatigt ist,
wachst RB mit wachsendem Einfallswinkel, wahrend R p ,
wenigstens bis zu relativ groBen Einfallswinkeln, immer um
den gleichen Betrag abnimmt. Selbst bei grogen Einfallswinkeln @is zu 45O und mehr) stinimt also R‘ fu r natiirliches
Licht, fur das R = Rp Rn wird, sehr genau mit dem Werte
des R.V. fur senkrechte Inzidenz iiberein. F u r teilweise
polarisiertes Licht weicht R’ von dem R.V. fiir senkrechten
Kinfall um einen gewissen Betrag ab, der von dem Polarisationsgrad des einfallenden Lichtes und den optischen Konstanten
des Spiegelmaterials abhangt. Unter Beriicksichtigung des
durch eine besondere Messung ermittelten Polarisationsgrades
des einfallenden Lichtes und bei Verwendung von Werten der
optischen Konstanten, wie sie f u r die untersuchten Substanzen
in &’rage kommen, ergibt die Berechnung im vorliegenden
Falle einen Unterschied zwischen R und R‘, der kleiner als
lo,!, ist. Es eriibrigte sich daher, die Messungen im polarisierten Lichte auszufuhren.
Als Lichtquelle diente eine Quarzquecksilberlampe. Urn
grogere Intervalle zwischen den Linien zu iiberbriicken, wurden
mit einer Kohlenhogenlampe (positiver Krater) MeBpunkte eingeschoben. Mit diesen beiden Lichtquellen konnte im Wellenlangengebiet zwischen 400-300 mp der Abstand der MeBpunkte zu 10 mp gewahlt werden. Unterhalh von 300 mp
reichte die Intensitat des kontinuierlichen Kohlespektrums
nicht mehr aus, deshnlb wurde Ton 300 mp abwkts nur mit
Quecksilberlicht gemessen.
Bei Verwendung der Quarzqueeksilberlampe konnte auf
doppeltspektrale Zerlegung des Lichtes verzichtet werden, da
kein merkliches Streulicht beobachtet wurde. Der EinfiuB des
Streulichtes wurde dadurch untersucht, daB an einem beliebigen
Orte zwischen zwei Quecksilberlinien der Photostrom der Zelle
gemessen wurde. Dieser Photostrom ist nicht allein auf Kosten
des Streulichtes zu setzen, sondern riihrt z. T. auch noch von dem
kontinuierlichen Untergrund des Quecksilberlinienspektrums
her. Der hervorgerufene Photostrom betrug im allgemeinen
von demjenigen am Ort der Linien; d. h.
weniger als 1,5
das Streulicht machte prozentual noch weniger aus.
F u r das kontinuierliche Spektrum der Kohlenbogenlampe
mit seinen steilen Intensitatsabfall nach dem Ultraviolett muBte
selbstverstandlich eine zweite Reinigung des Lichtes vor+
~
1) a. a. O., S. 6.
K . v. Fragstein. Bestimmung des Reflexwnsvermogens usw.
11
genommen werden. Zu diesem Zwecke wurde hinter die
Lime Li, (Fig. 2) ein Christiansenfilter 1) eingeschaltet, das die
Vorzerlegung ubernahm.
Die verwendete Photozelle war eine Hochvakuumzelle
nach Suhrmann.2) Herrn Prof. Dr. S u h r m a n n , sowie Herrn
Dr. B r e y e r , der die Herstellung der ZelIe ubernahm, sei an
dieser Stelle herzlich gedankt. Die Zelle hat als Vakuumzelle
eine geringere Empfindlichkeit als gasgefullte Zellen. Dafur hat
sie aber den Vorzug einer ausgezeichneten Konstanz, eines
auBerordentlich geringen Dunkeleffektes (<
Amp.) und einer
zuverlassigen Proportionalitat. Erscheinungen wie Ermudung
oder Tragheit wurden an der Zelle nicht beobachtet. Die
Proportionalitat der Photozelle wurde gepriift durch Belichtung
mit meMbar veranderlichen Intensitaten. Zur Dosierung des
Lichtes diente ein rotierender Sektor mit den folgenden Durchlassigkeiten :
Stufe
1
2
3
4
5
6
in "/"
50
37,s
24,8
12,4
6,1
3
I n der Tat konnte ein vollig linearer Anstieg des Photostromes mit der Belichtung festgestellt werden (vgl. Fig. 3).
Nach einer so befriedigend ausgefallenen Bestatigung des
Proportionalifatsgesetzes erschien es berechtigt, den Photostrom
als ein direktes MaB fur die Lichtintensitat zu verwenden.
Die Messung des Photostromes muBte wegen der geringeren
Empfindlichkeit der Zelle mit der empfindlichsten Methode,
der Messung der Aufladegeschwindigkeiten eines Elektrometers
erfolgen. Die GrGRe der MeBstrome bewegte sich zwischen
10-l' und
Amp. Da die verfiigbare Intensitat an den
einzelnen Wellenlangen eine verschiedene war, so muBte die
Empfindlichkeit des Elektrometers von Punkt zu Punkt im
allgemeinen verandert werden. Die verwendeten Empfindlichkeiten lagen in einem Interval1 von 100-3,5 Skt. pro Volt.
Die geringsten Aufladegeschwindigkeiten, die zur Mesjung verwendet wurden, wa.ren 1 Skt. in 8 Sek. Bei einiger Ubung ist
Sek. genau.
die Zeitmessung auf 2/100-9/100
Die Justierung des Strahlenganges in der Photozelle muBte
mit besonderer Vorsicht vorgenommen werden, da die Empfindlichkeit der Zelle an verschiedenen Stellen der Kathodenoberflache stark variiert. Das macht zur Bedingung einer zu1) Die nahere Beschreibnnn dieses Filters erfolat in der naehstehenden Arbeit; vgl. auch H r K o h n und K. v. FFags te in, Phys.
Ztschr. 33. S. 929. 1932.
2) R. Suhrmano, Ztschr. f. wiss. Phot. 29. S. 156. 1930.
12
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
verlassigen Messung, daB bei direktem und gespiegeltem Einfall
1. der in der Zelle abgebildete Lichtfleck seine GroBe nicht
verandert, und daR 2. der Lichtfleck immer an genau dieselbe
Stelle fallt. Die erste Bedingung war erfullt durch die Gleichheit der Weglangen fur das direkt einfallende und das ge-
L/ch/stfom
1
0
zoo
100
Fig. 3
spiegelte Licht, die zweite war durch eine sorgfaltige Justierung
zu befriedigen.
Um die GroBe der lokalen Empfindlichkeitsanderung l) zu
untersuchen, wurde ein begrenzter Lichtfleck in Schritten von
je 2 mm iiber die Kathodenflache gefuhrt und der jeweilige
Photostrom gemessen. Nachstehende Tabelle gibt die Empfindlichkeitsanderung an:
Lokale Empfindlichkeitsanderung der Kathode
Rand
der
Kathode
*
I
*
.Z
Y
.x
Y
2
E
$* * *3 *4 *2
4
A
&
nj
4
~rj
.Z
4
tn
-Gegeniiberlieg. Rand
der
Kathode
-___
K. v. Fragstein. Bestimmung des Reflexionsvermogens usw.
13
Die Empfindlichkeit andert sich also bei dem benutzten
Exemplar von einem Maximalwert an, der dicht am Rande der
Kathode erreicht wird, maximal um 30-40°/,.
Man hatte nun
daran denken konnen, die Kathodenflache zu iiberfiillen , um auf
diese Weise von einer lokalen Empfindlichkeitsanderung unabhangig zu werden. Dabei ware es aber nicht zu vermeiden gewesen, daB ein unkontrollierbarer Teil des iiberfiillenden Lichtes
durch Reflexion an der verspiegelten Glaswand der Photozelle
wieder auf die Kathodenflache gelangte und dadurch zu Storungen
AnlaB gab. E s wurde also als das sicherste angesehen, durch
sorgfaltige Justierung dafiir zu sorgen, dab der Lichtfleck bei
gespiegeltem Einfall genau an die gleiche Stelle fie1 wie bei
direktem Einfall.
DaB eine einmal gewahlte Justierung sich mit Sicherheit
reproduzieren lie0 , geht aus der folgenden Zusammenstellung
von gesonderten Messungen des R.V. von Silber hervor. Zwischen
je zwei Messungen wurde die Justierung zerstort und wieder
hergestellt.
Reproduzierbarkeit der Justierung
Justierung
R.V. von Ag bei 546 my.
I
I
2 L
I
3
1
4
_ . _ ~ _ _ _ _ _ _
96,2
1
96,4
1
97,1
1
96,2 '/,
E s ist zu beriicksichtigen, daB in den Schwankungen der
Resultate nicht nur die Ungenauigkeit der Justierung, sondern
der ganze MeBfehler enthalten ist. Das Justieren des Lichtflecks wurde durch eine sichtbare Unregelma6igkeit der Natriumschicht der Kathode, die einen Anhalt gab, erleichtert.
Der Gang der Messungen ist der folgende: In direkter
Stellung werden 3 -5 Beobachtungen gemacht, darauf wird die
Zelle geschwenkt und der MeBspiegel in den Strahlengang gedreht. Nach der gleichen Anzahl van Beobachtungen in gespiegelter Stellung wird die Zelle wieder zuriickgeschwenkt
und die erste MeBreihe wiederholt.
Die Genauigkeit der Messungen hangt in erster Linie von
der Konstanz der verwendeten Lichtquellen ab. Die Quecksilberlampe (Hochdruckquarzlampe) war an die Akkumulatorenbatterie des Instituts angeschlossen. Im Stromkreis lag eine
Drosselspule zur Ausgleichung kleinerer Stromschwankungen.
Derart brannte die Lampe mit ausreichender Konstanz. Im
iibrigen wurde die Spannung, die bei einer solchen Lampe fur
die Lichtstarke maBgebend ist, dauernd mit einem Prazisionsinstrument kontrolliert. Die Spannungsschwankungen waren
14
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 17. 1933
selten grofier als 'Ilo Volt. Zur Erganzung der Messungen mit
dem Quecksilberlicht wurden, wie schon oben bemerkt , Messungen mit dern positiven Krater der Kohlenbogenlampe gemacht, Der Krater der Bogenlampe wurde dabei in gleicher
Grofie auf den Spalt des Spektrometers abgebildet. Hinter der
abbildenden Lime wurde das bereits erwahnte Christiansenfilter eingeschaltet. Als positive Elektrode wurde eine homogene
Reinkohle von 6 mm Durchmesser, als negative eine Dochtkohle verwendet. Die Strornstarke wurde zwischen 12-13 Amp.
gewahlt; d a m ist die Unabhangigkeit der F'lachenhelle von
der Stromstarke geniigend sichergestel1t.I) Durch einen Gehilfen wurde die Bogenlange konstant gehalten. Immerhin betragen die Schwankungen des Photostromes bei den Messungen
mit dem Krater noch 2OI0, wie sich aus einer Probemessung
ohne Filter ergab. Durch Temperaturschwankungen im Filter
werden sie noch etwas erhoht.
Der resultierende MeBfehler ist hier also gro6er als der
MeBfehler bei Verwendung von Quecksilberlicht. Deshalb sind
die mit Quecksilberlicht erhaltenen MeBpunkte in den folgenden
Figuren anders markiert als die mit dem Kohlebogen gewonnenen. Alle in den Tabellen angegebenen Resultate sind
Mittelwerte aus 2-4 unabhangigen MeBreihen. Die mittlere
Abweichung der Einzelresultate vom Mittelwert bei Verwendung
diejenige bei Verwendung
der Kohlenbogenlampe betragt 2
der Quecksilberlampe 1 o/i,.
Im folgenden werden an Hand von Tabellen und Figuren
die Ergebnisse bespr~chen.~)
Tabelle 4
Silber
( x x x in Fig. 4) Spiegel frisch
[
I I I
. . 1 5 4 6 1 5 0 0 ) 450 420 400 388
. . . . . . 94,O 94,O 95,7 91,6 92,3 87,5
(+ + + in Fig. 4) Spiegel einige Tage alt
Wellenlange in mp . .
R.V. in o / o . . . . . . .
Wellenlange in mp
R.V. in o/o
.
358 342
78,O 66,O
..
. .. ...
Wellenliingeinmp
R.V. in O/,
.
1) H.Kohn und M. G u c k e l , Ztschr. f. Phys. 27. S. 303. 1924.
2) Die Mittel fur die Politur der Spiegel wurden von der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft zur Verfiigung gestellt, wofiir
an dieser Stelle herzlichst gedankt sei.
K. v. Fragstein. Bestimmung des Refkxionsverm6gens usw.
15
Silber. Ein Spiegel wurde in ganz frischem Zustand im
Wellenlangengebiet von 546-340 mp photoelektrisch gemessen.
Die erhaltenen Werte des R.V. liegen hiiher als diejenigen von
Fig. 4
H a g e n und R u b e n s, die zum Vergleich beigegeben sind. Nachdem der Spiegel einige Tage in einer etwas feuchten Atmosphare
gelegen hatte, wurde er ein zweites Ma1 gemessen und zwar im
Spektralgebiet von 546-254 mp. Es ist hier bereits eine Verschlechterung des R.V. zu erkennen.
T a b e l l e 5 (zu Fig. 5)
Stahle
Bezeichnung
des Stahls
-
420
I460
500
660
700
53,6
55,2
54,6
55,2
55,9
56,2
57,l
56,7
56,9
55,s
55,s
55,s
56,6
57,s
5S,3
56,8
56,O
56,5
55,6
56,l
56.1
56;4
56,6
56,l
64,2
54,s
54,O
54,4
55,O
55;2
56,4
56,O
56,3
56,5
56,3
56,2
56.7
56;7
57,2
56,s
I 4S,5
50,5
50,8
61,6
513
52;O
53,4
52,7
1 I 1
5!),2
60,4
59,6
59,s
60.0
60;O
60,7
59,7
Xtahle. Die in Tab. 4 anaeeebenen Messunmeraebnisse an
Silber wurden benutzt, um dye Vauf Silber bezogenen Relativmessungen an Stahlen im sichtbaren Spektralgebiet (vgl. Tab. 3)
zu reduzieren. Die vorstehende Tab. 5 enthalt jetzt die Absolutwerte des R.V. der Stahle. Ein Vergleich mit den durch
Bestimmung der optischen Konstanten gefundenen Werten des
R.V. zeigt, daB die photometrisch gewonnenen Werte durch"
Y
Rv
- 6Q%
II
o
fJ!Lc
I
'
Fig. 5
A I8
-5Q%
47%
I<. v. Yragstein. Beslimmung des Reflexionsvermogens usw.
17
gangig uni 4- 6 Olio tiefer liegen, wobei allerdings zu bedenken ist, da8 die photometrische Bestiiiimung erst nach derjenigen mit Hilfe der optischen Konstanten vorgenommenen
erfolgte, das R.V. der Stiihle sich also moglicherweise schon
verschlechtert hatte.
T a b e l l e 6 (zu Fig. 6 a und 6 b )
Stlhle
~
~~
Wellenlange in mp
R.V. in "i0 . . . . .
..
..1
I
700
57,6
1
KWDV
1 1 1
-~
~
_ _ _ _ _ _ ~ ~
.
Wellenlange in m p .
R.V. in o/o . . . , . .
.
.
.1
Welleuliinge in mp .
R.V. in
. . ...
.
420
57,l
1
1
660 620 580 540 500 460 435
5S,l 56,6 55,s 56,l 56,7 157,l 56,s
~
~
j
40t' 398 390 I 382 374 365 355
54,; ,52,5 50,ci I51,O 62,7 150,5 150,7
~
1 1 1 1 1, 1 1
344
47,9
334 324 312 297 205 2 5 4 1 5
46,9 47,7 46,5 44,2 40,ti 37,s 35,2
A 18
..
Wellenlange in my
R.V. in O/, .
..
...
Olio
' / i l l
. . 398 382 374 365 355
. . . . . . . ,53,5 62,3 51,s 50,3 48,6
Wellenllnge in mp
R.V. in
.
01
334 I312 297 265 254
46,9 /4fi,5 45,O 40,7 37,9
Zwei Stahle, nkmlich A 18 und KTVDV wurclen im Ultraviolett bis 254 mp, untersucht. I n Figg. 6 a und 6 b ist das R.V.
dieser beiden Stahle im Spektralgebiet oon 700-254 m p dargestellt. Die MeBpunlrte im Sichtbaren, die photometrisch gewonnen waren, sind besonders hezeichnet. Ebenso sind in der
Marlriernng diejenigen MeBpunkte, die rnit Quecksilberlicht erhalten wurden, von denjenigen unterschieden, bei denen die
Kohlenbogenlampe verwendet M urde. Die Messung im Ultraviolett schlieBt sich hier Tyie auch bei den anderen untersuchten Substanzen gut an diejenige im Sichtbaren an.
H o chheimsche Legierung. Untersucht wurden 2 Exemplare,
davon Spiegel I einmal im frischen Zustand und clas zweite Ma1
drei Monate alt I), Spiegel I1 11~111' im frischen Zustand. Rei dem
frischen Spiegel I niichst das R.V. bogar noch nach kiirzeren
Kellenlangen hin an. Das R.V. eines von Z e i s s polierten
1) Xeuerdings haben R. L a d e n b u r g und G. W o l f s o h n (Ztschr.
f. Phys. 79. 8. 45. 1932) eine andere von H o c h h e i m hergestellte, Silicium
enthaltende Legierung zur Belegung der Spiegel eines J a m i n s c h e n
Interferometers benutzt.
Aiinalrii rlcr I'hysik. .5 hWge
17.
2
Annulen der Physik. 5. Folge. Bund 17. 1933
18
45Q
40u
I
I
35Q
3uo
-
250 m ,-
Fig. 7
T n b e l l e 7 (zu Fig. 7)
H o c h h e i m sche Legierung
1
Welled. in m u
R*V. in
. ''
'10
{ 1 88,J'
'
M'ellenl.
, -.
.- -. in mu
'
R.V. in
..
Wellenl. in m y
R.V* in
'/a
*
*
1
54fi
.
{
{
1
8S,3
1
3S2
1
-
'
88,3
1
1
435
88,fi
8S,7
89,4
374
87,3
365
90,5
88,G
I
324 312
- 193,"
87,7 88,3
82,8
' 334
-
1
406
I 8i,7
1
398
I
87,6
I
'
355
-
-
~
1
1
265
'
1
254
193,2
83,2
~
frisch,
Spie3Mon. tilt,} gel 1
8y4
frisch,
Spie3 Mon. alt, gel I
}
1
frisch,
75,9 3 Mon. alt,
~
,
344
88,s I 86,8
297
1
1
390
!
79,l
-
Spie) gel
1
H o c h h e irn sche Legierung
~-
~~~
Welled. in m p
R.V. in a / O . . .
~
Welled. in m p
R V . in O//, . . .
~
Wellenl in my
. 1 546 1
. 98,;
.1
.,
_
~
R.V. in
.
'
94,3
'
I
_
322
1
__-
I
410
94,5
I
1 1
40G
95,J
390
94,5
350
91,fi
~
1 1 1
332
91,s
336
91,6
-
~
.-
~
frisch, Spiegel I1
~-
~
365
359
93,9 1 92,2
. . . . 188,i
o/o
1
435
frisch, Spiegel 11
~.
312 297 ' 265 254
89,5 86,6 180,O 7 6 3
235
72,i
-
~-
.
-
I
frisch, Spiegel 11
Magnaliurn
~
Welled. in m+
R V . in o / o . . .
~
~~~
.
.
1
85,l
,
356
f5,l
~
Welled. in mp
R.V. in "I,,
...
~
.
.
335
75,4
,541;
'
1
344
fi1,5
~
1
398
70,O
I !
324
60,8
I
4O(i
72,Z
334
fi4,5
_
_
!
380
72,O
~
312
58,2
_
1
I
_
~
1
~
~
382 I 374
67,8 1 70,2
I
__
3tj5
67,2
________
297
265
54,5 1 47,3
~
254
43,ti
K. v. Fragstein. Bestimmung des Reflexionsvermogens zisw.
19
Magnaliumspiegels wurde ebenfalls gemessen. Die Ergebnisse
sinct zum Vergleich in Fig. 7 und Tab. 7 beigegeben. Magnalium
wurde bis jetzt als eine der im Ultraviolett am besten reflektierenden Substanzen angesehen. I n Fig. 7 sieht man die Uberlegenheit der Hochheimschen Legierung.
T a b e l l e 8 i z u Fig. 8)
Wellenlange in m p
K.V. in Oi0. . . .
..
..
Wellenlange i n m p
R.V. in o/o . . . .
..
..
.
.
Eo-
1
1
344 334 324 312 297
49,s 47,5 45,9 140,6 I 35,l
,
~
350
400
;"q RV
I
355
50,s
30Q
265 254
17,4 I 12,4
~
~
250
200 m;l
4 _,-rn
&&j"
65%
20%
XU/bUd
mit Koh/enhgen/
/0@u
<_l________i
kv
1
300
350
4170
zou 7/?;
25u
Fig. S
Tellur. Das R.V. sinkt von 325 m p rasch all. Es wiiire
von Interesse, die hurve weiter zu verfolgen und zu untersuchen, ob hier eine iihnliche Senke wie heini Silber vorliegt,
nach der das R.V. mieder ansteigt. Die Messungen von H u l h u r t ,
die in Fig. 8 niit eingetragen sind, zeigen allerdings iiberhaupt
kein so starkes hbsinken.
T a b e l l e 9 (zu Fig. 9)
Tantal
..1
Wellenlgnge in mp
R.V. in o/n . . . . .
.
.
~
~
~
WellenlLnge in my
R.V. in ",, . . . .
.
1
1
406 398 390 1 3S2 374 365
42,6 40,9 42,s I 42,O I 42,i 42,O
546
42,4
- ~ _ _
..
..
2*
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
20
Tantal. Das untersuchte Material Elat eine tadellose Oberfliiche; iin Gegensatz hierzu gibt H u l b u r t an, daB das bei ihni
verwendete Material nach der Politur noch Kratzen und Unregelmafligkeiten zeigte. Dies erltlart wohl die Verschiedenheit
der Ergebnisse.
m+ff Y
49%
-
3%
70%
250
3uu
35L7
L
L
>
I
I
4uu
450
~
Z5U m p
Fig. 10
T a b e l l e 10 (zu Fig. 10)
Pyrit
1
--__
WellenlPnge in m p .
R.V. in
. .. . ..
.
.
N'ellenlangeinmrl .
R.V. in "lie . . . . . .
. I 355
. 132,O
546
48,O
--__________
1 1
i l !
-
~
~
435 406
37,1 34,O
1 398 1 33,2
390 1 382 1 374
31,s 30,6
1
344 334 324 1 312 297
32,O 35,5 38,l 135,9, 34,5
Bleidanz
1 I,
.
..
1 l
..... l
Wellenlange in mp .
R.V. in O/,, . . . . . .
WellenlLnge in mp
R.V. in O j 0 .
.
546
41,l
365
32,4
, 32,3
~
! '
i ' l
I 1
~~~
435 406 390 386 I 384 371 365
42,5 I44,4 44,5 43,2 142,9 43,l 43,6
l
360 350 336 320 324 312 297 1 265 254
~
. 43,2 j 43,5 43,s 44,3 45,1 42,s 41,9 I 36,O 3 3 3
Pyrit und Rleiglanx. Gemessen wurcle das B.V. an polierten
Spaltungsflachen. Pyrit nnd Bleiglanz zeigen ein schwach ausgepragtes Maximum hei 320 mp. C o b l e n t z und H u g h e s ' )
hatten die beiden Substanzen auch untersucht und bedeutend
ausgepragtere Maxiiria gefunden. Allerdings hatten sie das R.V.
an frischen SpaltungstlBcllen geinessen. In ihrer Arbeit finden
1) W. W. C o b l e n t z
LI.
C. W . I I u g h e s , a. a. 0.
lil. v.
Fraystein. Bestimmung des Reflexwnsvermogens usw.
21
sich leider nur die liurven in verkleinerter Abbildung. Die
Werte des R.V. konnen daher hier riicht mitgeteilt werden.
Pyrit und Bleiglanz gehoren dem reguliiren Kristallsystem an.
Eine Angabe der Orientierung der spiegelnden Fliichen ist
also iiberfhssig.
Die vorliegende Untersuchung ivurde auf hnregung von
Herrn Professor Clemen s S c h a e f e r im Breslauer Physikalischen Institut ausgefuhrt. Fu r sein stetes Wohlwollen sowie
fur das fordende Interesse, das er dem Fortgang meiner
Arbeit entgegenbrachte, mochte ich ihm auch an dieser Stelle
meineri aufrichtigen Dank aussprechen. Zu groBem Dank fiihle
ich mich ebenfalls Frau Privatdozent Dr. H. K o h n verpflichtet,
die mich wahrend der Durchfuhrung der Arbeit dauernd clurch
Ratschlage und fordernde Kritik unterstiitzte und mich sowohl
bei der Entwicklung der Methoden wie bei der Durchfuhrung
der Versuche beriet.
B r e s l a u , Physikalisches Institut der Universitat.
(Eingegangen 25. Februar 1933)
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