Die mechanische Wirkung des Lichtes; von W. Crookes. Mit Abbildungen auf Taf. XI [d/3]. Crookes, über die mechanische Wirkung des Lichtes. Das große Interesse, welches einige neuerdings in Gegenwart der Mitglieder der Royal Society von mir angestellten Versuche über die mechanische Wirkung des Lichtes erregt haben, gibt mir Anlaß, meine in den letzten 3 oder 4 Jahren angestellten Beobachtungen, sowie die dazu dienlichen Instrumente in kurzen Umrissen zu beschreiben. Ich hoffe dadurch den Leser von den stufenweisen Fortschritten zu überzeugen, welche zu dem vollgiltigen Beweis geführt haben, daß die strahlende Wärme eine Triebkraft ist. Den Impuls zu den ersten Versuchen gaben einige Wahrnehmungen, die ich beim Abwägen schwerer Theile eines Glasapparates in einer chemischen Waage gemacht hatte. Letztere war in einem eisernen Kasten eingeschlossen, aus welchem die Luft ausgepumpt werden konnte. Wenn die Temperatur der gewogenen Substanz größer war als die der umgebenden Luft und der Gewichte, so macht sich eine Abweichung von dem Gravitationsgesetze bemerklich. Es wurden nun Versuche angeordnet, welche darauf hinzielten, die Wirkung wahrnehmbarer zu machen und die Fehlerquellen zu beseitigen. Meine ersten Versuche stellte ich mit Apparaten an, welche nach dem Princip der Waage construirt waren. Ein äußerst feiner und leichter Arm, an dessen Enden Kügelchen von verschiedenen Stoffen befestigt wurden, balancirte in einer Glasröhre auf der Spitze einer Nadel. Die Stoffe, womit ich experimentirte, waren Glas, Holzkohle, Holz, Elfenbein, Kork, Selen, Platin, Silber, Aluminium, Magnesium und verschiedene andere Metalle. Der empfindlichste für den Hauptversuch construirte Apparat enthielt als Waage einen Strohhalm mit Hollundermark an den Enden. Fig. 30 gibt eine allgemeine Ansicht dieses Apparates. A ist die zur Sprengel'schen Luftpumpe gehörige Röhre, B der Dessicator. Letzterer ist mit Glasperlen angefüllt, welche mit Schwefelsäure angefeuchtet sind. C bezeichnet die Röhre, welche den Waagebalken aus Stroh mit den Markkügelchen umschließt; sie ist an einem Ende in einen engen Hals ausgezogen, dessen Verbindung mit der Pumpe in jedem Stadium der Evacuation leicht aufgehoben werden kann. D ist die Barometerprobe (Manometer) der Luftpumpe, und dicht neben dieser befindet sich das gewöhnliche Barometer E. Während der Apparat noch mit Luft gefüllt war, hielt ich eine Spiritusflamme bei b unter die Röhre C, wobei ich die Bewegung des Waagebalkens mit Hilfe eines Mikrometers beobachtete. Das Markügelchen senkte sich an dieser Stelle ein wenig, und stieg gleich darauf um ein Beträchtliches über seine ursprüngliche Lage. Es hatte den Anschein, als ob die Wärme eine Anziehung auf dasselbe ausgeübt habe, die jedoch augenblicklich von aufsteigenden Luftströmen überwogen wurde. Ein heißer Metall- oder Glasstab und eine mit heißem Wasser gefüllte Röhre, an dieselbe Stelle bei b gehalten, brachten die gleiche Wirkung hervor; bei a gehalten, bewirkten sie ein leichtes Steigen des Kügelchens. Der nämliche Erfolg zeigte sich, wenn der heiße Körper dem anderen Ende des Waagebalkens genähert wurde. In diesen Fällen genügte das Vorhandensein von Luftströmen, um sich das Steigen des Kügelchens unter dem Einflusse der Wärme zu erklären. Um nun die Wärme in einer regelmäßigeren Weise wirken zu lassen wurde ein Thermometer in eine Glasröhre Fig. 31 geschoben, deren eines Ende eine Glaskugel von ungefähr 1 1/2 Zoll (38mm) Durchmesser bildete. Diese Röhre wurde mit Wasser gefüllt, sorgfältig geschlossen und auf einem drehbaren Ständer angeordnet, so daß ich sie, ohne das Auge von dem Mikrometer zu wenden, mit Hilfe einer Schnur in die gewünschte Lage bringen konnte. Die Temperatur des Wassers wurde auf 70° C. erhalten, während die des Laboratoriums ungefähr 15° betrug. Die Glaskugel wurde bei b unter das Hollundermarkkügelchen gebracht, während das Barometer auf 767mm stand, und das Manometer auf Null zeigte. Das Kügelchen erhob sich rasch. Hierauf wurde die Wärmequelle entfernt, und, sobald das Gleichgewicht wieder hergestellt war, die Kugel mit dem heißen Wasser oberhalb des Markkügelchens bei a gehalten, worauf das letztere wieder stieg, jedoch langsamer als im ersten Falle. Jetzt wurde die Luftpumpe in Thätigkeit gesetzt, und als das Manometer 147mm unter der Barometerhöhe stand, der Versuch wiederholt. Es ergab sich ein ähnliches, nur schwächeres Resultat. Die Evacuirung wurde nun fortgesetzt, indem man die Thätigkeit der Luftpumpe von Zeit zu Zeit einstellte, um die Wirkung der Wärme zu beobachten, wobei es sich zeigte, daß die Einwirkung des heißen Körpers mit zunehmender Luftverdünnung regelmäßig abnahm, bis bei einem Manometerstand von ungefähr 12mm unter der Barometerhöhe der Einfluß der Wärme kaum noch bemerkbar war. Als der Unterschied zwischen dem Barometer- und dem Manometerstaude nur noch 7mm betrug, hatte weder das heiße Wasser, noch die heiße Stange, noch die Spiritusflamme eine wahrnehmbare Bewegung des Markkügelchens zur Folge. Aus diesem Versuch ergab sich die unbestreitbare Folgerung, daß das Steigen des Markkügelchens nur Luftströmungen zuzuschreiben und daß bei diesem annähernden Vacuum die noch übrige Luft zu stark verdünnt war, um bei ihrem Aufsteigen die Kraft zu besitzen, die Trägheit des Strohhebels und der Markkügelchen zu überwältigen. Ein empfindlicheres Instrument würde zwar bei noch weiterer Annäherung an das Vacuum unzweifelhaft Spuren von Bewegung zeigen. Es schien jedoch einleuchtend, daß, wenn die letzte Luftspur aus der die Waage umschließenden Röhre beseitigt werden könnte, das Markkügelchen unbeweglich bliebe, an welche Stelle man auch den heißen Körper halten würde. Die Luftpumpe wurde im Gang erhalten. Als ich nun wieder die Wärmequelle von unten auf das Instrument wirken ließ, zeigte das Resultat, daß ich von der Entdeckung des Gesetzes, welches dieses Phänomen beherrscht, noch weit entfernt war; das Markkügelchen erhob sich stetig und ohne jene Zögerung, welche sich bei geringeren Verdünnungen bemerklich gemacht hatte. Als dem Manometer nur noch 3mm bis zum Barometerstand fehlten, war das Steigen des Kügelchens, wenn ein heißer Körper von unten applicirt wurde, demjenigen gleich, welches in Luft von gewöhnlicher Dichtigkeit stattgefunden hatte, während bei gleichem Manometer- und Barometerstand die Bewegungen nach oben nicht nur bestimmter sich ausprägten, als dieses in der Luft der Fall gewesen war, sondern auch schon unter dem Einflusse einer weit geringeren Wärme erfolgten. Die Annäherung des Fingers z.B. trieb das Kügelchen augenblicklich so weit, als es nur ging, zurück. Zur weiteren Bestätigung dieser unerwarteten Resultate lieh ich die Luft allmälig wieder in den Apparat einströmen, und beobachtete das Instrument bei sinkendem Manometer. Die nämlichen Wirkungen zeigten sich in umgekehrter Ordnung, wobei der neutrale Zustand eintrat, wenn der Manometerstand ungefähr 7mm unterhalb des Vacuums betrug. Ein Stück Eis hatte genau die entgegengesetzte Wirkung wie ein heißer Körper. Da die Luft einen so entschiedenen Einfluß auf die Wirkung der Wärme ausübte, so wurde ein Apparat construirt, bei welchem die Wärmequelle (eine durch Elektricität glühend gemachte Platinspirale) innerhalb der Vacuumröhre, anstatt außerhalb derselben, sich befand und die Hollundermarkkügelchen durch Messingkügelchen ersetzt waren. Durch sorgfältige Manipulation und Drehung der Röhre konnte ich das äquilibrirte Messingkügelchen oberhalb, unterhalb und seitwärts der Wärmequelle placiren. Mit diesem Apparate stellte ich mehrfache Versuche an, um das Verhalten der Waage während der Evacuirung, sowohl unterhalb als oberhalb des Punktes, an welchem keine Einwirkung mehr stattfindet, ferner um den diesem neutralen Punkte entsprechenden Druck zu ermitteln. Bei einem dieser Versuche wurde die Luftpumpe im Gang erhalten, bis das Manometer noch 5mm unter der Barometerhöhe stand. Als das Kügelchen oberhalb der Spirale angeordnet und der Contact mit der Batterie hergestellt wurde, war die Attraction immer noch stark, indem sie das Kügelchen um 2mm abwärts zog. Es wurde weiter gepumpt, bis die Differenz zwischen dem Manometer- und Barometerstand kaum noch ein 1mm betrug. Die anziehende Wirkung der heißen Spirale auf die Kugel war immer noch augenscheinlich, die Bewegung der letzteren aber minder entschieden als vorher. Das Manometer stieg, bis die Differenz zwischen ihm und dem Barometer nur noch 1/2mm betrug. Bei dieser an das Vaccuum grenzenden Verdünnung hörte man die metallisch klingenden Schläge des herabstürzenden Quecksilbers, welches nur dann und wann eine Luftblase mit sich hinabriß. Beim Schließen des Batteriestromes zeigte sich nur eine äußerst schwache Bewegung des Messingkügelchens in der Attracionsrichtung der Spirale. Die Luftpumpe wurde im Gang erhalten. Beim nächsten Schluß der galvanischen Kette konnte eine Bewegung nicht mehr wahrgenommen werden. Die rothglühende Spirale übte weder eine anziehende noch abstoßende Wirkung aus. Ich war also bei dem neutralen Punkte angelangt. Ein Blick auf das Manometer zeigte, daß das Quecksilber desselben mit dem des Barometers in gleichen Niveau stand. Die Pumpe wurde nun eine Stunde lang in vollem Gang erhalten. Ein Steigen des Manometers war nicht wahrnehmbar, doch nahm jener hämmernde Metallklang an Schärfe zu; auch konnte ich sehen, daß eine oder zwei Luftblasen mit hinabgerissen wurden. Beim Erglühen der Spirale sah ich, daß der neutrale Punkt überschritten war; die Attraction war in eine schwache, aber unverkennbare Repulsion übergegangen. Die Pumpe blieb unausgesetzt in Thätigkeit, und mehrere Stunden hindurch wurde von Zeit zu Zeit eine Beobachtung angestellt. Die Abstoßung nahm fortwährend zu. Die Röhren der Luftpumpe wurden nun mit Schwefelsäure ausgespült und eine Stunde lang mit Pumpen fortgefahren. Es zeigte sich, daß die Wirkung der glühenden Spirale eine energisch zurückstoßende war, die Spirale mochte oberhalb oder unterhalb des Messingkügelchens angebracht sein. Ein warmer Glasstab, eine Spiritusflamme, ein Stück heißen Kupfers, selbst die Finger wirkten abstoßend. Um nun ein für allemal zu entscheiden, ob diese Wirkungen Luftströmungen zuzuschreiben seien, stellte ich in einem besonderen Apparate auf chemischem Wege ein nahezu vollkommenes Vacuum her, so daß, wenn man die in die Röhre eingeschmolzenen Platindrähte mit einem Ruhmkorff'schen Funkeninductor in Verbindung brachte, der elektrische Strom den Raum nicht zu durchsetzen vermochte. In einem solchen Vacuum zeigte sich die Abstoßung durch die Wärme stets entschieden und energisch. Bei den folgenden Versuchen wurden directe Sonnenstrahlen, und dann verschiedene Abtheilungen des Sonnenspectrums, auf die empfindlich aufgehängte Markkügelchen-Waage projicirt. Im luftleeren Raume war die Abstoßung durch einen Sonnenstrahl so heftig, daß sie das feine Instrument wie durch den physischen Stoß eines materiellen Körpers zu beschädigen drohte. Eine einfachere Form des Apparates zur Darstellung des Phänomens der Anziehung in der Luft und Abstoßung im Vacuum besteht aus einem Glasrohre ab Fig. 32, an dessen eines Ende eine Kugel c geblasen ist. Ein leichter Index de aus Hollundermark schwebt in dieser Kugel an einem Coconfaden. Wenn der Apparat mit Luft von gewöhnlicher Spannung gefüllt ist, so äußert ein auf eines der Enden des Markstäbchens de fallender Wärme- oder Lichtstrahl eine attractive Wirkung. Wird die Röhre ausgepumpt, bis das Manometer 12mm unter der Barometerhöhe anzeigt, so resultirt weder Anziehung noch Abstoßung; ist aber das Vacuum so vollkommen, als es die Pumpe nur zu erzeugen vermag, so zeigt sich eine starke Abstoßung. Ein unter Beobachtung der geeigneten Vorsichtsmaßregeln construirter und bei vollkommener Luftleere zugeschmolzener Apparat dieser Art ist gegen die Wärme so empfindlich, daß die Berührung einer Stelle der Kugel in der Nähe des einen Endes des Markstäbchens mit dem Finger den Index um 90° dreht, während derselbe einem Eisstücke wie die Nadel dem Magnete folgt. Für noch genauere Versuche gebe ich dem Instrumente eine etwas andere EinrichtungEinrichtug. Die beste Form desselben ist in Fig. 33 dargestellt. ab ist eine Glasröhre, an welche eine andere engere Röhre cd rechtwinkelig angeschmolzen ist. Die verticale Röhre ist bei e ein wenig eingezogen, damit der solide Glaspfropf d, welcher genau in die Bohrung der Röhre paßt, nicht herabfallen kann. Das untere Ende des Pfropfes ist in eine Spitze ausgezogen und an diese ein feiner Glasfaden von ungefähr 0,001 Zoll (0mm,025) Durchmesser gekittet. In gleicher Weise ist an das untere Ende des Glasfadens ein Bügel aus Aluminium nebst einem concaven Glasspiegel befestigt, und der Bügel zur Aufnahme eines Waagebalkens fg angeordnet, an dessen Enden Körperchen von irgend einem verlangten Material angebracht sind. Bei c ist ein flaches Glasfensterchen an die horizontale Röhre und ebenso bei b ein Glasplättchen gekittet. Die Evacuirung erfolgt durch ein seitwärts in die senkrechte Röhre einmündendes Rohr h, welches an die Spiralröhre der Pumpe angeschmolzen ist. Der Pfropf de, sowie die Glasplatten c und b, werden mit Hilfe eines Kittes aus Harz und Wachs sorgfältig befestigt. Die mit diesem Instrumente angestellten Versuche (welche bereits in diesem Journal, 1875 216 507, mitgetheilt wurden) lehren unter Anderem, daß der neutrale Punkt bei einem dünnen Markplättchen niedrig, dagegen bei einem mäßig dicken Platinblech hoch liegt, daß daher bei einer zwischen diesen beiden Punkten liegenden Verdünnung Hollundermark durch eine und dieselbe Quelle der Radiation abgestoßen, Platin dagegen angezogen wird. Fig. 34 dient zur Erläuterung des Apparates, womit sich diese Thatsache nachweisen läßt. Die Stücke fg an den Enden des einen Waagebalkens bestehen aus Platinfolie von 1qc Oberfläche, die Enden f' g' des anderen Waagebalkens aus eben so großen Markplättchen. Ein nach der Mitte der Röhre gegen die Platten g, f' gerichteter breiter Strahl wirkt anziehend auf g und abstoßend auf f'. Der atmosphärische Druck im Apparat entspricht einer Quecksilberhöhe von ungefähr 40mm. In einem Torsionsapparate, ähnlich dem in Fig. 33 dargestellten, habe ich verschieden gefärbte Scheiben der Einwirkung der verschiedenen Strahlen des Spectrums ausgesetzt. Die auffallendsten Resultate ergaben sich, wenn ich diese Strahlen auf weiße und schwarze Flächen richtete. Hier zeigte sich ein deutlicher Unterschied zwischen der Einwirkung des Lichtes und derjenigen der strahlenden Wärme. Beim höchsten Grade der Evacuirung ist die Wirkung der Wärme des siedenden Wassers auf weißes und auf mit Lampenruß überzogenes Mark beinahe die gleiche, indem sie beide mit ungefähr gleicher Stärke zurückstößt. Anders aber verhält es sich mit den leuchtenden Strahlen. Diese treiben die dunkle Fläche energischer zurück, als die weiße. Ist daher in dem in Fig. 33 dargestellten Apparate die eine Markscheibe weiß, die andere schwarz, und man setzt beide dem Lichte von gleicher Intensität aus, so wird in Folge der auf die schwarze und weiße Fläche ausgeübten ungleichen Repulsion eine Drehung des Waagebalkens erfolgen. Wenn also in dem Kugelapparate Fig. 32 die eine Hälfte des Markstäbchens weiß, die andere mit Ruß geschwärzt ist, so erzeugt jener Wirkungsunterschied eine rasche Rotation nach der einen Richtung, der nur die Torsion des Aufhängefadens ein Ziel setzt. Diese Thatsache führte mich auf die Construction eines Instrumentes, welchem ich den Namen „Radiometer“ gegeben habe. (Vergl. 1875 216 188 und 506.) Ich will hier nur auf einige wenige der zahlreichen Anwendungen, deren dasselbe fähig ist, aufmerksam machen. Die Anzahl der Umdrehungen des Instrumentes in der Zeiteinheit, wenn es den directen Strahlen einer Lichtquelle z.B. einer Kerze ausgesetzt wird, ist ein Maß für die totale Radiation. Wenn nun ein Schirm aus Alaun eingeschaltet wird, so hört der Einfluß der Wärme beinahe ganz auf, die Geschwindigkeit wird verhältnißmäßig geringer, und das Instrument verwandelt sich in ein Photometer. Die Photometrie wird durch Einführung dieses neuen Princips sehr vereinfacht. Die verschiedenartigsten Flammen lassen sich leicht mit einander oder mit anderen Lichtquellen vergleichen. Als Normalkerze kann von nun an eine solche Kerze definirt werden, welche bei x Maßeinheiten Abstand y Rotationen des Radiometers pro Minute hervorbringt. Anstatt also zu sagen, eine Gasflamme sei gleich so und so viel Kerzen, sagt man genauer, dieselbe erzeugt so und so viel Umdrehungen des Radiometers in der Zeiteinheit. Für Photographen ist das Radiometer von unschätzbarem Werthe. Da dasselbe in der Dunkelkammer hinter dem orangegelben Glasfenster rotirt, so braucht der Operateur nur ein solches Instrument in das Fenster zu stellen, um zu beurtheilen, ob das in diesem Raume dringende Licht auf die daselbst exponirten Flächen schädlich einwirken kann. Hat er durch einen Versuch ermittelt, daß seine Platten Schleier bekommen oder sein Papier angegriffen wird, wenn die Tourenzahl z.B. 10 in der Minute übersteigt, so zieht er eine Reservejalousie herab, damit sich die Rotationsgeschwindigkeit dieser Grenze nähere. Noch nützlicher wird sich das Radiometer in dem photographischen Aufnahmelocale erweisen. Der Photograph stellt das Instrument bei Beginn seiner täglichen Aufnahmen in der Nähe des Sitzenden auf. Angenommen, die zur Erzielung eines guten Negatives erforderliche Expositionszeit entspreche der Dauer von 20 Umdrehungen des Radiometers, so braucht er, so lange nur die Chemikalien sich nicht ändern, wegen der Veränderlichkeit der Beleuchtung im Laufe des Tages sich keine Sorgen zu machen. Jene 20 Touren sind für die ganze übrige Tageszeit maßgebend. Er hat nur das Radiometer zu beobachten und auf die Dauer von 20 Touren desselben, wozu einmal 5, ein anderesmal 10 Secunden erforderlich sein mögen, zu exponiren, um Negative von gleicher Qualität zu erhalten. Ich habe lange in der Absicht experimentirt, irgend einer Beziehung zwischen der in Rede stehenden Anziehung und Abstoßung und der Gravitation bei Cavendish's berühmten Versuch auf die Spur zu kommen. Meine Untersuchung in dieser Richtung ist noch nicht weit genug vorgerückt, um die Mittheilung näherer Details zu rechtfertigen; doch will ich hier eines der Resultate in kurzen Umrissen mittheilen. Ich finde nämlich, daß eine schwere Metallmasse, wenn sie einer empfindlich aufgehängten leichten Kugel genähert wird, dieselbe unter folgenden Bedingungen anzieht oder abstößt. I. Die Kugel befindet sich in Luft von gewöhnlicher Dichtigkeit. a) Wenn die Masse kälter als die Kugel ist, so stößt sie dieselbe ab. b) Wenn die Masse wärmer als die Kugel ist, so zieht sie dieselbe an. II. Die Kugel befindet sich in einem Vacuum. a) Wenn die Masse kälter als die Kugel ist, so zieht sie dieselbe an. b) Wenn die Masse wärmer als die Kugel ist, so stößt sie dieselbe ab. Die Dichtigkeit des die Kugel umgebenden Mediums, das Material, woraus die Kugel besteht, und ein sehr geringer Unterschied zwischen den Temperaturen der Masse und der Kugel üben einen so starken Einfluß auf die Attractiv- und Repulsivkraft aus, und es war für mich so schwer, alle störenden Einflüsse der Temperatur, Elektricität u.s.w. zu beseitigen, daß ich bis jetzt noch nicht im Stande bin, eine unabhängige, mit Wärme und Licht in keiner Beziehung stehende Kraft mit Bestimmtheit nachzuweisen, welche die Kugel und die Masse gegen einander treibt. Der Versuch hat inzwischen gezeigt, daß, während die Wirkung nach der einen Richtung in dichter Luft, nach der entgegengesetzten Richtung in einem luftleeren Raum erfolgt, es einen zwischenliegenden Spannungszustand der Luft gibt, bei welchem Temperaturunterschiede nur einen geringen oder gar keinen Einfluß auf das feine Instrument ausüben. Wenn man unter Beobachtung der nöthigen Vorsicht bei diesem neutralen Zustande experimentirt, so sollte man denken, daß die nämlichen Resultate, welche Cavendish, Reich und Baily erzielt haben, auch hier zum Vorschein kommen müssen. (Quarterly Journal of Science, Jahrg. 1875.)