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Startseite - GBT Forum - Chopper Licht , die intermittierende Belichtung
 

Chopper Licht , die intermittierende Belichtung

Text Datum Benutzer
Chopper Licht , die intermittierende Belichtung
Hallo,
suche Links √ľber Thema Chopper Licht.
vielen Dank Winter
12 Dec 2004
19:59:21
Liemer
Chopper Licht , die intermittierende Belichtung

Link und Text zu Thema im Anhang! Viel Erfolg K.Leichter

http://www.biologie.uni-erlangen.de/botanik1/html/body_einheit_1.htm


1. Physikalische Grundlagen, Lichtquellen, Filter, Monochromatoren, Meßgeräte



1.1 Physikalische Grundlagen



1.1.1 Das elektromagnetische Spektrum



Licht stellt einen kleinen Ausschnitt aus dem Spektrum elektromagnetischer Wellen dar. Diese Wellen lassen sich entweder durch ihre Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde = Hertz, mit dem griechischen Buchstaben n bezeichnet) oder durch ihre Wellenlänge (l in m, durch den griechischen Buchstaben bezeichnet) charakterisieren, die sich leicht ineinander umrechnen lassen:



Dabei ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum (2,9979 x 108m s-1). Die Frequenz elektromagnetischer Wellen reicht prinzipiell von wenigen Hertz bis unendlich (Abb. 1.1). Den Frequenzbereich bis ca. 200 Hz bilden Wellen, die f√ľr technische Wechselstr√∂me Verwendung finden. Anschlie√üend erstreckt sich der Bereich der Niederfrequenzen (von etwa 20 Hz bis 20 KHz), die f√ľr die Nachrichtentechnik von Bedeutung sind. Damit entsprechen sie dem h√∂rbaren Frequenzbereich der Schallwellen. Daran schlie√üen sich Lang-, Mittel-, Kurz- und Ultrakurzwellen an, die f√ľr Radiosendungen verwendet werden. Fernsehsendungen und Radar benutzen noch h√∂here Frequenzen. Schwingungen mit Wellenl√§ngen bis herunter in den Zentimeter- und Millimeterbereich lassen sich in elektronischen Schaltungen erzeugen, w√§hrend Schwingungen mit noch k√ľrzeren Wellenl√§ngen ausschlie√ülich auf den Schwingungen von Atomen und Molek√ľlen beruhen. Bei der Betrachtung biologischer Systeme kommt dem Wellenl√§ngenband zwischen 200 und 900 nm (etwa 1015 Hz) besondere Bedeutung zu. In diesen Ausschnitt des Spektrums f√§llt die sichtbare Strahlung (400 - 720 nm) (nach DIN 5031, Bl. 3 als 380 ‚Äď 780 nm definiert), die von unserem Auge als Licht verschiedener Farbe empfunden wird. Dar√ľber hinaus sind auch die l√§ngeren (Infrarot, IR) und k√ľrzeren Wellenl√§ngen (Ultraviolett, UV) von Interesse, da diese Strahlung von Organismen sowohl zur Energielieferung genutzt wird, als auch steuernde und sch√§digende Wirkungen haben kann. In der Optik hat es sich weitgehend eingeb√ľrgert, mit Wellenl√§ngen zu rechnen, w√§hrend in der Elektronik und in der Infrarot- und Ramanspektroskopie mit Frequenzen bzw. Wellenzahlen [cm-1] gearbeitet wird. Die kurzwellige sichtbare Strahlung wird als violett gesehen, daran schlie√üen sich blau, gr√ľn, gelb und orange an. Im langwelligen Bereich wird das sichtbare Spektrum durch rot, dunkelrot und tiefrot begrenzt. Ein Gemisch aller dieser Wellenl√§ngen wird als Wei√ülicht bezeichnet. Das f√ľr das menschliche Auge unsichtbare Ultraviolett l√§√üt sich auf Grund seiner differentiellen Wirksamkeit auf biologische Systeme unterteilen: Als UV-A bezeichnet man den Bereich zwischen 320 und 400 nm. Das Band zwischen 290 und 320 nm wird mit UV-B gekennzeichnet; UV mit noch k√ľrzeren Wellenl√§ngen definiert man als UV-C (nach DIN 5031, Bl. 7: UV-A = 315 ‚Äď 380, UV-B 280 - 315 nm, UV-C = 100 ‚Äď 280 nm). Der h√∂herfrequente Bereich des elektromagnetischen Spektrums ab etwa 1016 Hz wird von den R√∂ntgenstrahlen, Gamma- und sekund√§ren H√∂henstrahlen eingenommen.



1.1.2 Die Wellennatur des Lichtes



Ch. Huygens ver√∂ffentlichte 1690 seine Wellentheorie in der Abhandlung "Trait√® de la lumiere". Sie wurde sp√§ter von A. Fresnel fortgef√ľhrt, der Licht als transversale Welle in einem schwingenden elastischen Medium betrachtet, das "√Ąther" genannt wurde. Heute wissen wir, da√ü longitudinale mechanische Wellen und Schallwellen an das Vorhandensein von Materie gebunden sind (auf dem atmosph√§relosen Mond h√∂rt man nicht, was ein anderer sagt), w√§hrend sich Licht auch im Vakuum des Weltraums ausbreitet. Nat√ľrlich ist der Weltraum nicht materiefrei, aber die Fortbewegung elektromagnetischer Wellen erfolgt auch im absolut leeren Raum.

Nach der Maxwellschen Theorie erfolgt die Wellenausbreitung durch schnelles Abwechseln von elektrischen und magnetischen Feldern, die sich gegenseitig erzeugen und senkrecht zueinander gerichtet sind. Als Polarisationsebene definieren wir die Schwingungsebene des magnetischen Vektors, w√§hrend die Schwingungsebene des elektrischen Vektors, Schwingungsebene genannt, darauf senkrecht steht. Elektromagnetische Felder entstehen durch Schwingungen von Atomen oder Molek√ľlen, die keine kontinuierlichen Wellen abgeben, sondern kurze Wellenpakete, die aus mehreren Schwingungen bestehen. Da die Schwingungsebenen der von verschiedenen Molek√ľlen ausgehenden Wellenz√ľge nicht parallel sind, ist Licht wie z.B. Sonnen- oder Lampenlicht ein Gemisch unterschiedlich polarisierter Wellenpakete. Au√üerdem unterscheiden sich die Wellenz√ľge durch ihre Phasenlage. Somit sind die Wellen nicht koh√§rent. (Koh√§rente Wellen gehen von Quellen gleicher Frequenz aus und schwingen mit unver√§nderlichem Phasenwinkel zueinander.) Strahlung einer Wellenl√§nge bezeichnet man als monochromatisch (einfarbig). Dieser Begriff wird allerdings im t√§glichen Laborgebrauch meist etwas weiter gefa√üt und bezeichnet Strahlung mit einem engen Wellenl√§ngenbereich (z.B. 10 nm).



1.1.3 Quanteneigenschaften des Lichtes



Viele Eigenschaften des Lichtes, wie Beugung, Brechung, Interferenz und die Ausbreitung im Raum lassen sich durch die Wellennatur des Lichtes beschreiben (s. unten). Untersucht man jedoch das elektrische Verhalten eines Photomultipliers bei der Einstrahlung von sehr geringen Bestrahlungsst√§rken, so beobachtet man eine statistische Folge von Einzelimpulsen, die sich nur durch das Auftreffen von distinkten Partikeln (Photonen) erkl√§ren l√§√üt. Schon I. Newton hatte 1675 die Emissionstheorie vertreten, wonach Strahlung aus kleinen Teilchen besteht, die von einer Quelle emittiert werden und durchsichtige K√∂rper durchdringen k√∂nnen. Somit m√ľssen wir der elektromagnetischen Strahlung sowohl Wellen- als auch Quantennatur zuschreiben. Diese dualistische Strahlungstheorie wurde von M. Planck (1900), A. Einstein (1905) und L. De Broglie (1924) begr√ľndet.

Da Photonen im Gegensatz zu Hadronen (Neutronen und Protonen) oder Elektronen keine Ruhemasse besitzen, sprechen wir von virtuellen Partikeln. Jedoch besitzen Photonen eine bestimmte Energie. Planck hat gezeigt, daß Licht aus distinkten Portionen bestimmter Energie, den Quanten besteht. Diese Energie ist abhängig von der Frequenz der Strahlung und damit auch von der Wellenlänge



wobei h, das Plancksche Wirkungsquantum, gleich 6,63 x 10-34 W s2 ist.

Wir wollen in einem einfachen Beispiel die Energie eines Lichtquants von 500 nm berechnen:



Da 1 W s gleich 6,242 x 1018 eV ist, entspricht die Energie dieses Quants 2,48 eV. Ein Mol Quanten (6,02 x 1023) wird als 1 Einstein definiert und besitzt bei dieser Wellenlänge eine Energie von:

6,02 x 1023 x 3,97 x 10-19 W s = 2,39 x 105 W s.

Da die Energie eines Quants umgekehrt proportional zu seiner Wellenl√§nge ist, resultiert daraus die f√ľr uns im folgenden wichtige Folgerung, da√ü kurzwellige Strahlung energiereicher ist als langwellige, da√ü violette Photonen (400 nm) fast doppelt soviel Energie tragen wie dunkelrote (700 nm).



1.1.4 Die physikalischen Eigenschaften des Lichtes



Seit dem 1.1.1978 ist die Berechnung physikalischer Gr√∂√üen nach dem SI-Einheitensystem (Syste`me International d"Unite"s) verbindlich, in dem die Einheiten "Meter" [m] f√ľr die L√§nge, "Kilogramm" [kg] f√ľr die Masse, "Sekunde" [s] f√ľr die Zeit, "Ampere" [A] f√ľr die elektrische Stromst√§rke, "Kelvin" [K] f√ľr die thermodynamische Temperatur, "Candela" [cd] f√ľr die Lichtst√§rke und "Mol" [mol] f√ľr die Stoffmenge als Basiseinheiten eingef√ľhrt sind. Dar√ľber hinaus gibt es eine Reihe abgeleiteter Einheiten.

Im folgenden sollen die f√ľr unsere Betrachtung wichtigen photophysikalischen Gr√∂√üen mit ihren Einheiten im SI-System dargestellt werden. W√§hrend die physikalischen Einheiten eindeutig sind, verwenden Photobiologen, Physiker und Lichttechniker unterschiedliche Bezeichnungen; die sich entsprechenden Termini werden nebeneinander aufgef√ľhrt. Um das Arbeiten mit englischsprachigen Texten zu erleichtern, werden die entsprechenden englischen Termini ebenfalls angegeben.



1.1.4.1 Strahlungsenergetische Größen



Wir betrachten eine punktf√∂rmige Strahlungsquelle, die eine bestimmte Zahl von Partikeln (Photonen) gleichm√§√üig in alle Richtungen abgibt. Diese Photonenmenge (Photonenzahl = photon number) kann durch die dimensionslose Zahl an Photonen (N) charakterisiert werden oder in [mol] angegeben werden. Da jedes Photon, wie wir gesehen haben, eine bestimmte Energie (abh√§ngig von seiner Wellenl√§nge) besitzt, k√∂nnen wir diese Strahlung durch Q, die Strahlungsmenge (Strahlungsenergie = radiant energy), kennzeichnen, die in Joules [J] oder [W s] ausgedr√ľckt wird (Tab. 1.1).

Zur Berechnung der Strahlungsmenge, die in einen bestimmten Raumsektor abgestrahlt wird, interessiert uns der Raumwinkel. In der Ebene wird ein Winkel entweder in Grad (Altgrad oder Neugrad) oder in Radiant angegeben. Ein Radiant ist der Winkel, der von zwei Schenkeln eingeschlossen wird, die aus dem Umfang (Bogenl√§nge 2pr) die Strecke herausschneiden, die dem Radius entspricht. Da 360¬į dem Umfang 2pr entsprechen, ergibt sich f√ľr r ein Winkel von etwa 57,3¬į. Wenden wir diese Betrachtung analog auf den Raum an, so ist der Raumwinkel (solid angle) von 1 Steradiant [sr] der √Ėffnungswinkel eines Kegels von etwa 65,5¬į, der aus der Kugel mit dem Radius r eine Kugelfl√§che mit der Fl√§che F = r2 herausschneidet.

Somit können wir eine räumliche Partikeldichte (steric particle flux) F als die Zahl der Photonen pro Raumwinkel mit der Einheit [mol sr-1] definieren oder wir betrachten die abgestrahlte Energie in einem Raumsektor als räumlichen Energiefluß (steric energy flux) M mit der Dimension [J sr-1]. Da sich bei unserer Betrachtung die Photonen in alle Richtungen des Raumes ausbreiten, fällt die Zahl der auf eine Fläche auftreffenden Quanten mit dem Quadrat der Entfernung.

Damit drehen wir die Betrachtungsweise um und konzentrieren uns auf das absorbierende Objekt, insbesondere, da nur die hier auftreffenden (genauer gesagt: absorbierten) Quanten eine Wirkung hervorrufen können. Der Einfachheit halber beschränken wir uns dabei zunächst auf parallele, senkrecht einfallende Strahlung. Wir definieren eine Photonenbestrahlung (=Photonendichte, photon exposure) Y als Zahl der Photonen pro Fläche mit der Einheit [mol m-2]. Ebenso können wir die Energie beschreiben, die auf eine Fläche fällt, als Bestrahlung (radiant exposure, energy area density) Y mit der Einheit [J m-2].

Bei dieser Betrachtung spielt die Zeit keine Rolle, wie wir uns an einem einfachen Beispiel veranschaulichen k√∂nnen. Bei der Vergr√∂√üerung von photographischen Negativen mu√ü eine definierte Zahl von Lichtquanten auf das Photopapier fallen, um einen bestimmten Schw√§rzungsgrad hervorzurufen. Dabei ist es innerhalb gewisser Grenzen gleichg√ľltig, ob die gleiche "Lichtmenge" in recht kurzer Zeit (offene Blende) oder in l√§ngerer Zeit (geschlossene Blende) auftrifft. Die Energie, die von einer Fl√§cheneinheit eines Objektes w√§hrend der Expositionszeit absorbiert wird, wird auch als Dosis in [J m-2] bezeichnet.

Nat√ľrlich k√∂nnen wir auch die Zahl der von einer Lichtquelle abgegebenen Photonen auf die Zeiteinheit beziehen. Damit erh√§lt man den Photonenstrom (photon flow) A gemessen in der Einheit [mol s-1], bzw. f√ľr die abgestrahlte Energie den Energiestrom (radiant flux or energy flux)

F mit der Einheit [J s-1] oder [W]. Diese Größe entspricht also einer Leistung, wie man aus der Einheit [W] ersehen kann. Verfolgen wir diesen Strom von der Strahlungsquelle aus, so wird ein Teil I in einen bestimmten Raumwinkel abgestrahlt [J s-1 sr-1].

F√ľr den Biologen ist es von gr√∂√üerer Bedeutung, den auf ein Objekt auftreffenden Strom pro Zeiteinheit zu kennen, womit wir uns wieder von der Strahlenquelle ab- und dem Objekt zuwenden. Wir interessieren uns also f√ľr die Zahl der Photonen, die pro Zeiteinheit auf eine Fl√§che (z.B. auf ein Blatt) auftreffen. Dabei lassen wir f√ľr den Augenblick unber√ľcksichtigt, da√ü nur ein Teil der Quanten absorbiert und wirksam wird. Die Photonenbestrahlungsst√§rke (= Photonenflu√ü = Photonenstromdichte, photon irradiance) gemessen in [mol s-1 m-2] entspricht einer Bestrahlungsst√§rke E (radiant flux density, oder wenn man es auf die Einstrahlung aus dem Raum bezieht (s. unten): Raumbestrahlungsst√§rke = energy fluence rate, energy flosan, (energy) irradiance), die in [W m-2] oder [J s-1 m-2] gemessen werden kann.

Die Quantenenergie h√§ngt nat√ľrlich von der Wellenl√§nge der verwendeten Strahlung ab. Daher benutzt man bei allen Formelzeichen den Index, um die spezifische Beziehung zur Wellenl√§nge zu kennzeichnen: Ql, Ml, Fl, Yl, El, Il. Zur Unterscheidung von den oben erkl√§rten Bezeichnungen spricht man von der spektralen Strahlungsmenge, der spektralen Bestrahlungsst√§rke etc.

Besonders in der älteren Literatur findet sich eine Reihe von gebräuchlichen, im SI-System aber nicht mehr zulässigen Einheiten. Erfahrungsgemäß bereitet die Umrechnung der Einheiten aus einem System in ein anderes erhebliche Schwierigkeiten; deshalb soll an einigen Beispielen die Umrechnung gezeigt werden. Die Bestrahlungsstärke wird oft in [erg cm-2 s-1] angegeben. Dabei entsprechen

1000 erg cm-2 s-1 = 1 J s-1 m-2 = 1 W m-2

Kleinere Bestrahlungsst√§rken lassen sich in [mW m-2] oder [¬ĶW m-2] angeben bzw. auf [cm2] beziehen:

1 W m-2 = 1000 mW m-2 = 106 ¬ĶW m-2 =100 ¬ĶW cm-2.

Alle bekannten Wirkungen von Strahlung auf Organismen h√§ngen nicht von der eingestrahlten Energie, sondern von der Zahl der absorbierten Quanten ab. Daher ist es sinnvoll, die Quantenmenge anzugeben. Ein Quant der Wellenl√§nge 666 nm hat eine Energie von 2,977 x 10-19 W s. Ein Mol Quanten dieser Wellenl√§nge hat somit eine Energie von 1,792 x 105 W s. Daher k√∂nnen wir die Bestrahlungsst√§rke von 1 W m-2 mit 5,578 ¬ĶE m-2 s-1 angeben, die auf die Wellenl√§nge von 666 nm bezogen ist.

Bei der bisherigen Betrachtung der absorbierten Strahlung sind wir von paralleler und senkrecht einfallender Strahlung ausgegangen. Dieser Spezialfall trifft f√ľr viele experimentelle Bedingungen zu, jedoch sind die Bestrahlungsverh√§ltnisse in der nat√ľrlichen Umgebung ungleich komplizierter. Durch multiple Streuung und Brechung √§ndern sich die optischen Verh√§ltnisse so, da√ü Strahlung aus allen Richtungen des Raumes eintreffen kann. Ein fl√§chiger Photorezeptor (z.B.: eine Blattoberseite) erh√§lt also Strahlung aus einem halbkugeligen Raum. Die Gesamtstrahlung erh√§lt man durch Integration √ľber diese Hemisph√§re (Cosinuskorrektur). Somit mu√ü man unterscheiden, ob Strahlung senkrecht und parallel (Normalbestrahlung) oder aus einer Hemisph√§re (Cosinusbestrahlung) oder aus dem gesamten Raum (Raumbestrahlung) einf√§llt. Entsprechend spricht man z.B. von Photonenbestrahlungsst√§rke f√ľr fl√§chenbezogene Messungen und von Raum(photonen)bestrahlungsst√§rke bei raumintegrierenden Messungen.



1.1.4.2 Photometrische Größen



Bis jetzt haben wir uns auf den physikalischen Aspekt der Energie von Photonen konzentriert und sollten alle vorkommenden energetischen Gr√∂√üen mit dem Index e versehen, um sie von den visuellen Gr√∂√üen abzugrenzen. In der Photometrie werden die besonderen Absorptionseigenschaften des menschlichen Auges ber√ľcksichtigt. Das beschreibende System basiert darauf, welchen Helligkeitseindruck die Strahlung in unserem Auge hervorruft. Zur Abgrenzung erhalten alle Formelzeichen als visuelle Gr√∂√üe den Index v (Tab. 1.2). Die Augenempfindlichkeitskurve ist in Abb. 1.2 im linearen und logarithmischen Ma√üstab dargestellt. Die maximale spektrale Empfindlichkeit des helladaptierten Durchschnittsauges liegt bei 555 nm. Die Empfindlichkeit betr√§gt bei 470 nm und bei 650 nm nur noch etwa 10 %. Eine Strahlung von 400 nm oder 720 nm mu√ü die 1000fache St√§rke besitzen, um die gleiche Helligkeitsempfindung auszul√∂sen wie eine Strahlung von 555 nm.

Die SI-Einheit f√ľr die Lichtst√§rke (luminous intensity) Iv ist 1 Candela [cd]. Das ist die Strahlst√§rke, die ein schwarzer Strahler mit einer Fl√§che von 1,67 x 10-6 m2 bei der Temperatur des erstarrenden Platins (2045 K) senkrecht zu seiner Oberfl√§che abgibt. Davon leitet sich der Lichtstrom (luminous flux) Fv ab, gemessen in Lumen [lm], als Produkt von Lichtst√§rke und Raumwinkel. Multipliziert man den Lichtstrom mit der Zeit, erh√§lt man die Lichtmenge (luminous energy) Qv [lm s].



Analog zur Photonendichte kann man die Lichtst√§rke auf die Fl√§che beziehen und als Leuchtdichte (luminance) Lv mit der Einheit [cd m-2] = [nit] definieren. Die Beleuchtungsst√§rke (illuminance) Ev ergibt sich, wenn der Lichtstrom von 1 lm auf eine Fl√§che von 1 m2 f√§llt; die abgeleitete SI-Einheit daf√ľr ist das Lux [lx]. Damit ist die Beleuchtungsst√§rke in [lx] die visuelle Parallelgr√∂√üe zur energetischen Gr√∂√üe Bestrahlungsst√§rke mit der Einheit [W m-2]. Die Belichtung Yv mit der Einheit [lx s] ergibt sich daraus, wenn man die Beleuchtungsst√§rke mit der Zeit multipliziert.

F√ľr die visuellen Gr√∂√üen findet man eine Reihe nicht koh√§renter Einheiten, die vermieden werden sollten. Neben der Candela (Neue Kerze) sind die Begriffe Hefnerkerze (HK) und Internationale Kerze (IK) gebr√§uchlich. Die Umrechnungsfaktoren sind


1 cd 0,981 IK = 1,107 HK.




Auch f√ľr die Leuchtdichte gibt es, besonders durch den Bezug auf andere Fl√§cheneinheiten, viele weitere Einheiten


1 Stilb [sb] 104 cd m-2

1 Apostilb [asb] 0,3183 cd m-2

1 Lambert [L] 3,183 x 103 cd m-2

1 Footlambert [fl] 3,426 cd m-2

1 Skot [sk] 3,183 x 10-4 cd m-2

1 cd in-2 1550 cd m-2

1 cd ft-2 10,764 cd m-2

1 cd cm-2 10-4 cd m-2




Durch die Verwendung der Hefner- bzw. Internationalen Kerze kommt man zu einer F√ľlle von Einheiten wie z.B. 1 Hsb = 0,903 sb = 0,886 Isb. F√ľr die Beleuchtungsst√§rke gibt es die Einheiten


1 Phot [pH] 104 lx = 1 lm cm-2

1 Footcandle [fc] 10,764 lx




Auch hier sorgt der Bezug auf verschieden genormte Kerzen f√ľr Verwirrung, so da√ü man die Buchstaben I oder H zur n√§heren Kennzeichnung einsetzen mu√ü: ph, Iph, Hph.

Wie oben geschildert, sind alle Größen auf die spektrale Empfindlichkeit des helladaptierten Auges V'(l) bezogen. Sollen die Größen auf das Nachtsehen bezogen werden, so bewertet man sie mit der spektralen Empfindlichkeit V'(l) des dunkeladaptierten Auges. Dadurch erhält man z.B. die Dunkelleuchtdichte mit der Einheit Skot [sk] und die Dunkelbeleuchtungsstärke mit der Einheit Nox [nx] (die etwa 10-3 lx entspricht, sich aber auf die spektrale Empfindlichkeit des dunkeladaptierten Auges bezieht).

Da die visuellen Einheiten von der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges abhängig sind, ist keine einfache Umrechnung zwischen den energetischen und visuellen Größen möglich, es sei denn, man benutzt monochromatisches Licht.

Als Umrechnungsfaktor benutzt man das photometrische Strahlungs√§quivalent Km von 673 lm W-1, das f√ľr den Maximalwert des Tagessehens bei 555 nm g√ľltig ist. F√ľr andere Wellenl√§ngen mu√ü Km mit dem Empfindlichkeitsfaktor V multipliziert werden, der sich aus Abb. 1.2 ergibt. Ein einfaches Beispiel soll diese Umrechnung verdeutlichen. Eine monochromatische Strahlung von 620 nm mit einer Bestrahlungsst√§rke von 1 W m-2 erzeugt eine Beleuchtungsst√§rke von

Ev = 1 W m-2 x 673 lm W-1 x 0,4 = 1683 lx.

Wenn man statt monochromatischer Strahlung einen ganzen Wellenl√§ngenbereich einstrahlt, mu√ü man √ľber alle Wellenl√§ngen integrieren, wobei der f√ľr jede Wellenl√§nge spezifische Empfindlichkeitsfaktor ber√ľcksichtigt werden mu√ü. Daher k√∂nnen je nach Wellenl√§ngenzusammensetzung der Strahlung sehr unterschiedliche Werte auftreten. Wenn wir in einem gewissen Abstand von einer Gl√ľhbirne (mit einem Wolframfaden) ein "Wei√ülicht" mit einer Bestrahlungsst√§rke von 1 W m-2 messen, so entspricht das etwa 29,7 lx. Ein gr√∂√üerer Teil der emittierten Strahlung liegt im Infraroten und geht deshalb nicht in die Lux-Messung mit ein. Eine Quarzhalogenlampe, wie man sie in Niedervolt-Diaprojektoren findet, erzeugt bei 1 W m-2 eine Beleuchtungsst√§rke von etwa 302 lx, w√§hrend es eine Leuchtstoffr√∂hre auf 826 lx bringt.



1.2 Strahlungsquellen



Das gesamte elektromagnetische Spektrum wird von der Sonne emittiert; jedoch erreicht nur ein Ausschnitt dessen die Erdoberfl√§che. Teilbereiche des sichtbaren Lichtes und der angrenzenden kurzwelligen und langwelligen, unsichtbaren Strahlung lassen sich auch mit k√ľnstlichen Quellen erzeugen. Den Photobiologen interessiert besonders der sichtbare, als Licht bezeichnete Teil des elektromagnetischen Spektrums, weil Photorezeptoren mikrobieller, pflanzlicher und tierischer Organismen diese Strahlung absorbieren. Da die Absorption der Pigmente in unterschiedlichen Wellenl√§ngenbereichen erfolgt, ist die Kenntnis der spektralen Verteilung der Strahlung insbesondere k√ľnstlicher Strahlungsquellen von gro√üer Wichtigkeit.

Neben dem sichtbaren Licht ist jedoch auch die unsichtbare ultraviolette Strahlung biologisch √§u√üerst wirksam, da eine Reihe von Biomolek√ľlen, unter ihnen Nukleins√§uren und Proteine, in diesem Bereich eine hohe Absorption zeigen. Die energiereiche UV-Strahlung verursacht innerhalb der genetischen Informationstr√§ger photochemische Umlagerungen, die zu genetischen Ver√§nderungen, zu bleibenden Sch√§den oder zum Tod des Organismus f√ľhren k√∂nnen.

Sichtbare Strahlung und die benachbarten Bereiche werden durch unterschiedliche Prozesse emittiert:

Temperaturstrahlung Die Sonne und viele k√ľnstliche Strahlungsquellen wie Gl√ľh- oder Photoblitzbirnen strahlen auf Grund einer thermischen Anregung. Elektrische Entladung in Metalld√§mpfen oder Gasen In diese Kategorie geh√∂ren Natrium- und Quecksilberdampflampen, sowie Wasserstoff- und Xenonlampen. Bei Leuchtstofflampen ist prim√§r das gleiche Entladungsprinzip wirksam, hinzu kommt jedoch die Fluoreszenzanregung von Leuchtstoffen, die dann sekund√§r sichtbares Licht abstrahlen. In neuerer Zeit werden in der photobiologischen und photochemischen Forschung Laser-Strahlungsquellen eingesetzt, deren Strahlungsprinzip ebenfalls auf der energetischen Anregung und Entladung von Edelgasatomen, Kristallen oder Farbstoffen beruht.


1.2.1 Nat√ľrliche Strahlung



Die Erw√§rmung eines schwarzen K√∂rpers auf ca. 500¬į C f√ľhrt zu einer Temperaturstrahlung. Erhitzt man diesen K√∂rper √ľber 500¬į C, so sendet er neben W√§rme auch sichtbares Licht aus. Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz und dem Wienschen Verschiebungsgesetz ist die spektrale Energieverteilung der Strahlung eines schwarzen K√∂rpers durch dessen Temperatur definiert: je h√∂her die Temperatur ist, um so h√∂her ist das Emissionsmaximum und um so st√§rker die Emissionsverschiebung in den kurzwelligen Bereich.

Der Begriff des "schwarzen K√∂rpers" ist irref√ľhrend: zwar sieht ein schwarzer K√∂rper bei Raumtemperatur schwarz aus, weil er die gesamte auftreffende Strahlung absorbiert. Bei einer Temperatur von ca. 1000¬į C hingegen ist ein schwarzer K√∂rper wei√ügl√ľhend und daher blendend hell. Schwarze K√∂rper weisen nach dem Kirchhoffschen Gesetz ein gr√∂√ütm√∂gliches Emissionsverm√∂gen auf.

Die Sonne als nat√ľrliche Strahlungsquelle ist ein Temperaturstrahler. Sie gewinnt ihre Energie durch Kernfusionsprozesse, bei denen Materie in Energie umgewandelt wird, die als elektromagnetische Strahlung in den Weltraum abgegeben wird. Die spektrale Energieverteilung ihrer Strahlung entspricht n√§herungsweise derjenigen eines schwarzen K√∂rpers von ca. 5700 K (Abb. 1.3).

Die gesamte extraterrestrische, auf der Atmosphäre der Erde auftreffende Strahlung hat eine Gesamtbestrahlungsstärke von ca. 1350 W m-2. Diese als Solarkonstante bezeichnete Größe stellt einen Jahresmittelwert dar. Wegen der wechselnden Entfernung der Erde zur Sonne findet man im Januar ca. 1410 W m-2 und im Juli ca. 1310 W m-2. Der Anteil der sichtbaren Strahlung an der Solarkonstanten beträgt etwa 50%, der Gesamt-UV-Anteil etwa 8%, der Rest ist Wärmestrahlung (Tab. 1.3).





1.2.1.1 Strahlenklima



F√ľr das Strahlenklima auf der Erde ist jedoch nicht die extraterrestrische Solarstrahlung (Solarkonstante) von Bedeutung, sondern die Strahlung, die auf der Erdoberfl√§che ankommt. Sie wird als Globalstrahlung bezeichnet. Erhebliche Anteile der extraterrestrischen Strahlung werden beim Durchgang durch die Atmosph√§re absorbiert (Tab. 1.3). Der kurzwellige Bereich unter 290 nm wird ebenso wie der langwellige Bereich oberhalb 3000 nm vollst√§ndig herausgefiltert. Bei wolkenlosem Himmel und einer Sonnenh√∂he von 90¬į gelangen im UV-B-Bereich 33%, im UV-A-Bereich 72% und im sichtbaren Bereich 91% der extraterrestrischen Strahlung auf die Erde. Bei Bew√∂lkung und bei niedrigen Sonnenst√§nden wird erheblich mehr an Strahlungsenergie absorbiert (Abb. 1.4).

Die Globalstrahlung wird definiert als Summe der direkten Sonnenstrahlung und der diffusen, gestreuten Himmelsstrahlung, die auf eine Fl√§cheneinheit pro Zeiteinheit fallen. Au√üer durch selektive Absorption bestimmter Wellenl√§ngenbereiche in der Atmosph√§re besonders durch Ozon, Kohlendioxid und Wasser wird die Globalstrahlung durch diffuse Reflexion ver√§ndert. Hieran sind die Luftmolek√ľle selbst, die in den Wolken enthaltenen Wassertr√∂pfchen und Eiskristalle (10-6 m bis 10-4 m Durchmesser), sowie das Aerosol (< 10-7 m Durchmesser), stark beteiligt, das sich haupts√§chlich aus Staub, Rauch und D√§mpfen zusammensetzt. Durch selektive Absorption und Reflexion wird die extraterrestrische Solarstrahlung je nach Sonnenh√∂he bis zu 70% reduziert (Tab. 1.4).

Der Einflu√ü der Bew√∂lkung auf die Globalstrahlung ist relativ gro√ü. So wird bei voll bedecktem Himmel die Bestrahlungsst√§rke um bis zu 80% gegen√ľber Wolkenlosigkeit reduziert (Abb. 1.4). Hierbei ist der Anteil der diffus gestreuten Strahlung besonders hoch. Die spektrale Zusammensetzung der diffus gestreuten Strahlung √§ndert sich entsprechend dem Gesetz von Rayleigh. Danach ist der molekulare Streuungskoeffizient von kleinen Partikeln wie Luftmolek√ľlen umgekehrt proportional zur 4. Potenz der Wellenl√§nge. Deshalb werden die blauen Anteile des Lichtes st√§rker reflektiert als die roten und der Himmel erscheint blau. Auch der Anteil der kurzwelligen UV-B-Strahlung ist im diffusen Licht relativ h√∂her als im direkten Sonnenlicht. Da jedoch die diffuse Reflexion auch von der L√§nge des Weges abh√§ngt, den das Licht durch die Atmosph√§re zur√ľcklegen mu√ü, wird bei niedrigen Sonnenst√§nden der Blaulichtanteil stark herausreflektiert und es dominiert der Rotlichtanteil (Abend- und Morgenrot). Das spektrale Maximum der Sonnenstrahlung liegt daher zur Mittagszeit etwa bei 480 nm, abends hingegen bei 680 nm (Abb.1.3).

Die Einzelkomponenten der Globalstrahlung werden au√üer durch den Sonnenstand auch von den atmosph√§rischen Zust√§nden der verschiedenen geographischen Zonen beeinflu√üt. Bei wolkenlosem Himmel liegt das Verh√§ltnis zwischen direkter und diffuser Strahlung in den Tropen ganzj√§hrig bei etwa 5:1. Diese Relation gilt in unseren Breiten nur im Sommer, im Winter geht das Verh√§ltnis auf ca. 1,5:1 zur√ľck. In W√ľstengebieten ist wegen des geringen Bew√∂lkungsgrades die mittlere Globalstrahlung mit 8,4 x 109 J m-2 pro Jahr am h√∂chsten. Die mittleren Breiten Europas erhalten 4,2 x 109 Jm-2 pro Jahr.

Die auf die Erdoberfl√§che auftreffende Globalstrahlung wird durch den Untergrund absorbiert oder reflektiert. Der Reflexionsgrad h√§ngt von der Beschaffenheit der Oberfl√§che ab. Wei√üe Oberfl√§chen wie Eis- oder Schneedecken haben eine sehr hohe Reflexion. Das Verh√§ltnis von reflektierter zu einfallender Strahlungsenergie wird als die Albedo bezeichnet und meistens in Prozent ausgedr√ľckt. Glatte Oberfl√§chen wie Wasser oder Beton haben Albedowerte zwischen 7% und 27% (Albedo-Quotient 0,07 bzw. 0,27). F√ľr vegetationsbedeckte Fl√§chen kann man mittlere Albedowerte von 16% annehmen. Der nicht reflektierte Teil der Globalstrahlung wird von der Erde oder der Vegetation absorbiert und entweder in chemische Energie, in Fluoreszenzstrahlung oder in W√§rme umgewandelt. Auch im Boden hat die Absorption der Strahlung eine Erw√§rmung zur Folge; diese W√§rme wird jedoch wieder in die Atmosph√§re zur√ľckgestrahlt. Auf Grund des Kohlendioxid- und Wasserdampfanteils wird die Erdstrahlung in der Atmosph√§re teilweise erneut absorbiert und bleibt durch Gegenstrahlung im erdnahen Raum erhalten. Daher kann sich bei Ver√§nderung der Kohlendioxid-Konzentration auch die Temperaturbilanz auf der Erde √§ndern. Dieser thermische Effekt (Glashaus-Effekt) ist neben der spektralen Zusammensetzung der Globalstrahlung f√ľr die Entwicklung der Vegetation von entscheidender Bedeutung.

Kohlendioxid und Wasserdampf wirken in der Atmosph√§re als Absorbenten langwelliger Strahlung. Kohlendioxid absorbiert selektiv in verschiedenen Banden und Linien zwischen 2,3 und 3 ¬Ķm, 4,2 und 4,4 ¬Ķm sowie 12 und 16 ¬Ķm. Wasserdampf weist Absorptionsbanden zwischen 2.5 und 8 ¬Ķm auf und eine vollst√§ndige Absorption der IR-Strahlung oberhalb von 14 ¬Ķm. Als Ursache f√ľr die starke Absorption der sch√§dlichen UV-Strahlung unterhalb von 320 nm kommt in erster Linie die in der Stratosph√§re in einer H√∂he zwischen 20 km und 50 km liegende Ozonschicht (O3) in Betracht. Da die Ozonschicht auf Grund ihrer Filterfunktion f√ľr sch√§dliche UV-Strahlung zur Erhaltung der biologischen Abl√§ufe auf der Erde von entscheidender Bedeutung ist, sollen im folgenden die Zusammenh√§nge zwischen Ozonschicht und UV-Strahlung ausf√ľhrlicher dargestellt werden.

Das Ozon in der Stratosph√§re entsteht als Folgeproze√ü der Sauerstoffspaltung durch kurzwellige UV-Strahlung. Durch langwelligere UV-Strahlung wird Ozon in einer langsameren Reaktion in Kombination mit atomarem Sauerstoff in zwei Molek√ľle Sauerstoff zerlegt:

O2 + hn (<200 nm) ¬ģ O + O

O + O2 + M ¬ģ O3 + M

O3 + hn (<300 nm) ¬ģ O2 + O

O + O3¬ģ 2 O2

M = Stickstoff als Stoßpartner

Auf Grund der UV-Absorption des stratosph√§rischen Ozons gelangt UV-Strahlung unterhalb von 285 nm praktisch nicht auf die Erdoberfl√§che. Die momentan herrschende UV-Strahlung kann sich aber im Lauf der kommenden Jahrzehnte erheblich √§ndern, wenn die vor kurzwelliger UV-Strahlung sch√ľtzende Ozonschicht in ihrer Ausdehnung verringert wird. Diese Gefahr droht in erster Linie durch in die Stratosph√§re transportierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe, die als Aerosoltreibgase in Spraydosen, als Sch√§umungs- und K√§ltemittel weltweit in gro√üem Ma√üe Verwendung finden. Die wichtigsten Fluorchlorkohlenwasserstoffe sind CFCl3 (F-11), CF2Cl2 (F-12), sowie die Chlorkohlenwasserstoffe CH3Cl, CCl4 und CH3CCl3,die unter den Handelsnamen Frigen und Freon bekannt sind.

Neben den Frigenen können auch Stickoxide, die aus Verbrennungsprozessen, aus vulkanischer Tätigkeit oder sogar aus mikrobieller Aktivität stammen, die Ozonschicht abbauen. Chlor- und Stickoxidradikale, die aus den genannten Gasen photochemisch gebildet werden, treten an die Stelle des atomaren Sauerstoffs und reagieren katalytisch mit Ozon, wobei molekularer Sauerstoff entsteht. Die bekanntesten Chlor- und Stickoxidradikalreaktionen sind:

Cl + O3¬ģ ClO + O2

ClO + O ¬ģ Cl + O2

NO + O3¬ģ NO2 + O2

NO2 + O ¬ģ NO + O2

________________________

O + O3¬ģ 2 O2

Als weitere Faktoren, die eine Ver√§nderung der Ozonschicht bewirken, kommen Durchmischung, Transport und Diffusion der Gase sowie rhythmische √Ąnderungen der Sonnenfleckenaktivit√§t und Temperaturschwankungen in der Stratosph√§re in Betracht.

Der Ozongehalt ist auch stark von der geographischen Breite abh√§ngig. Am √Ąquator findet man geringere Ozonmengen (245 DU = Dobson Unit = 0,01 mm des Gases unter Normalbedingungen) als in der n√∂rdlichen Hemisph√§re (350 DU) zum gleichen Zeitpunkt. Entsprechend ist am √Ąquator auf Grund der geringeren Schichtdicke des Ozons die UV-Belastung h√∂her als in n√∂rdlichen Breiten. Die genannten Variablen erschweren daher eine genaue Vorhersage der durch Schadgase verursachten Destruktion der Ozonschicht. Unter der Voraussetzung, da√ü die Ozonschicht in ihrer Dicke reduziert wird, ist mit einer Intensit√§tszunahme der Strahlung im UV-B-Bereich und mit einer Verschiebung des UV-Spektrums zu k√ľrzeren Wellenl√§ngen zu rechnen. Beide √Ąnderungen f√ľhren zu einer Erh√∂hung der biologischen Wirksamkeit der Strahlung und damit zu einer ver√§nderten Strahlungssituation f√ľr alle exponierten Organismen - Menschen, Tiere und Pflanzen.



1.2.2 K√ľnstliche Strahlung



K√ľnstliche Strahlung wird au√üer zu Beleuchtungszwecken auch zur Pflanzenanzucht in Gew√§chsh√§usern und Pflanzenwuchsschr√§nken verwendet. Pflanzen wachsen besonders gut, wenn die k√ľnstlichen Strahlungsquellen gen√ľgend Energie im Absorptionsbereich der photosynthetischen Pigmente, also im roten und blauen Spektralbereich, emittieren. Auf Grund der verschiedenartigen spektralen Energieverteilung k√ľnstlicher Strahler kann die Wirkung auf Organismen unterschiedlich sein. In der Praxis werden Temperaturstrahler und Entladungslampen verwendet.



1.2.2.1 Temperaturstrahler



Die gebr√§uchlichste Lichtquelle in der h√§uslichen Praxis ist nach wie vor die Gl√ľhbirne. Sie ist ein Temperaturstrahler, bei dem ein Wolframfaden im Vakuum oder in einem inerten Gas wie Stickstoff, Argon oder Krypton durch elektrischen Strom zum Gl√ľhen gebracht wird. Wir haben gesehen, da√ü die spektrale Energieverteilung eines schwarzen K√∂rpers von der Temperatur abh√§ngig ist (Abb.1.3). Bei 2700¬į C, die im Wolframfaden einer Gl√ľhlampe herrschen (Schmelztemperatur 3380¬į C), werden neben dem sichtbaren Licht auch hohe Infrarotanteile emittiert. Bei photobiologischen Experimenten verwendet man daher Temperaturstrahler in der Regel zusammen mit w√§rmeabsorbierenden Filtern (KG-Gl√§ser, Schott) oder mit K√ľhlwasserk√ľvetten. Man kann das W√§rmeproblem auch durch dichroitische Filter l√∂sen, die das sichtbare Licht reflektieren, jedoch die infrarote Strahlung durchlassen (Kaltlichtspiegel, s. unten).

Seit 1959 werden Gl√ľhlampen hergestellt, in denen ein Wolfram-Halogen-Kreisproze√ü abl√§uft (z.B. Lampentyp Halo-Star, Osram, Abb. 2-4). Hierbei verbindet sich das verdampfte Wolfram mit Jod oder Brom zum Wolframjodid oder -bromid, welches durch Konvektion zum Wolframfilament zur√ľckkehrt und dort in Halogen und Wolfram aufspaltet, das an der Wendel abgeschieden wird. Diese Lampen haben eine h√∂here Lichtausbeute als normale Gl√ľhlampen, da sich kein Wolfram auf der Innenseite des Glask√∂rpers niederschl√§gt. Halogengl√ľhlampen werden zunehmend im gewerblichen Bereich f√ľr Beleuchtungszwecke eingesetzt.

Gl√ľhlampen haben gegen√ľber Gasentladungslampen den Vorteil, da√ü sie keine Z√ľndvorrichtung ben√∂tigen und daher schnell installiert werden k√∂nnen. Dar√ľber hinaus ist die Beleuchtungsst√§rke recht konstant. Einige f√ľr den Pflanzenbau gravierenden Nachteile bestehen in der geringen Lichtausbeute pro aufgewendeter Stromenergie, hohe Infrarotanteile und eine hohe Empfindlichkeit gegen√ľber schnellen Temperatur√§nderungen. Weiterhin kommt es bei Spannungs√§nderungen zu √Ąnderungen der spektralen Energieverteilung. Die Lebensdauer von Gl√ľhlampen ist relativ kurz. Einige dieser Nachteile werden in Gasentladungslampen, die nach anderen Prinzipien arbeiten, eliminiert.



1.2.2.2 Entladungslampen



In einer Entladungslampe flie√üt ein elektrischer Strom zwischen zwei Elektroden durch Metalld√§mpfe oder ein ionisiertes Gas. Die aus der Kathode emittierten Elektronen sto√üen mit den Metall- bzw. Gasatomen zusammen und heben deren Elektronen auf ein h√∂heres Energieniveau. Nach der Anregung kehren die Elektronen spontan in den Grundzustand zur√ľck und emittieren die Energiedifferenz als Strahlung. Ihre spektrale Energieverteilung wird durch die Art des Metalldampfes bzw. des Gases bestimmt sowie durch den Druck, der bei der Entladung im Lampenk√∂rper herrscht.



Niederdruck-Entladungslampen. Bereits 1929 wurde die erste Niederdruck-Entladungslampe mit Natriumdampf entwickelt und sp√§ter auch zur Stra√üenbeleuchtung eingesetzt. Bei einem Druck von wenigen Torr (1 Torr = 1,33 x 10-3 bar) emittiert das Natrium in den Spektrallinien bei 589,0 nm und 589,6 nm, also gelbes Licht. Bei der Quecksilberentladung entstehen im Niederdruck haupts√§chlich Resonanzlinien bei 184,9 nm und 253,7 nm, von denen nur die l√§ngerwellige Linie das Quarzglas des R√∂hrenk√∂rpers passieren kann. Quecksilber-Niederdrucklampen haben vor allem f√ľr Entkeimungszwecke praktische Bedeutung erlangt.

Prinzipiell geh√∂ren auch die Fluoreszenzstrahler zu den Entladungslampen. Dabei wird die kurzwellige UV-Strahlung der Hg-Entladung ausgenutzt, um den an der Innenwand des R√∂hrenk√∂rpers aufgebrachten Leuchtstoff (z.B. Phosphor) zur Fluoreszenzemission anzuregen (Abb. 1.5). Die emittierte Fluoreszenzstrahlung liegt je nach Art des Leuchtstoffes meist im sichtbaren Bereich. F√ľr die Anregung von Phosphor ergibt sich ein Kontinuum der Emissionsstrahlung im gelb-roten Bereich. Durch die Wahl entsprechender Leuchtstoffe kann die Strahlung auch in den UV-A- und UV-B-Bereich (z.B. Philips TL 40/12) verschoben sein. In der Regel werden jedoch bei normalen Leuchtstofflampen wegen der sch√§dlichen Hg-Excitationsstrahlung die R√∂hrenk√∂rper aus UV-undurchl√§ssigem Glas gefertigt. Die spektralen Energieverteilungen einiger Leuchtstofflampen sind in Abb. 1.6. dargestellt, wobei aus der Vielfalt der Lampen einige f√ľr die Pflanzenzucht besonders geeignete wie z.B. Fluora und Daylight ausgesucht wurden. Im Gegensatz zum Linienspektrum der Hg-Lampe weisen die in der Spektralphotometrie verwendeten Wasserstoff- bzw. Deuterium-Lampen ein Kontinuum im UV-Bereich auf (Abb. 1.6).



Hochdruck-Entladungslampen. Findet die Entladung von Metalld√§mpfen oder Gasen bei einem Druck zwischen etwa 10 und 20 bar statt, so spricht man von Hochdruck-Entladungslampen. Bei der Natriumdampf-Lampe sind bei hohem Druck die Resonanzlinien um 590 nm stark verbreitert. Bei Quecksilberdampf-Lampen wird die Ausbeute der Spektrallinie bei 254 nm zugunsten der Linien bei 366 nm, 546 nm und 588 nm stark verringert. Solche Strahler werden als hochintensive UV-A-Strahler in der Photochemotherapie von Hauterkrankungen (Psoriasis vulgaris = Schuppenflechte, Akne vulgaris usw.) sowie zur Hautbr√§unung eingesetzt. Durch Zus√§tze von Metallhalogeniden wie z. B. Zinnjodid erh√§lt man Viellinienstrahler, die ein ausgepr√§gtes Kontinuum im sichtbaren Spektralbereich besitzen. Metallhalogenlampen werden in Fernsehstudios und Sportstadien verwendet. Im Vergleich zu Gl√ľhlampen ist ihre Lichtausbeute um ein Vielfaches h√∂her.

Auch Edelgase lassen sich bei hohen Gastemperaturen durch Entladung zur Strahlungsemission bringen. Die Xenon-Hochdruckentladung f√ľhrt zu einem kontinuierlichem Spektrum, das dem Sonnenspektrum sehr √§hnlich ist. Handels√ľbliche Xenonlampen nehmen Leistungen bis zu 20 kW auf. F√ľr pflanzenphysiologische Experimente werden h√§ufig Xenon-H√∂chstdrucklampen von < 200 W bis 6 kW mit Wasser- oder Luftk√ľhlung benutzt (z. B. Lampentyp XBO, Fa. Osram, Abb.1.6).


Laser. In letzter Zeit werden in der Photobiologie und Photochemie Laser als Strahlungsquellen eingesetzt. Die Buchstaben des Akronyms LASER weisen auf die Lichtentstehung hin (light amplification by stimulated emission of radiation = Lichtverst√§rkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung). In Gaslasern werden Edelgasmolek√ľle angeregt und emittieren Photonen, die ihrerseits wiederum Molek√ľle anregen, so da√ü die Zahl identischer Photonen exponentiell anw√§chst. Ein Teil dieser Strahlung verl√§√üt den Laser durch einen halbdurchl√§ssigen Spiegel als hochintensiver, koh√§renter Strahl. In der Praxis werden zur Erzeugung monochromatischer Strahlung im sichtbaren Bereich z. B. Laser vom Helium-Neon-Typ ( = 632,8 nm) verwendet. Im UV-Bereich werden Laser mit Edelgashalogeniden eingesetzt, die Strahlung zwischen 193 nm (ArF) und 352 nm (XeF) aussenden.



1.3 Absorption und Wellenlängenselektion



Oben haben wir die Berechnungsgrundlagen aufgezeigt, mit denen man die auf eine Fl√§che pro Zeiteinheit auftreffende Strahlung bestimmen kann (Bestrahlungsst√§rke). Nat√ľrlich kann nur die Strahlung photochemisch wirksam werden, die von Materie absorbiert wird (Gesetz von Grotthuss und Draper, 1872).



1.3.1 Strahlenabsorption



Materie ist in subatomaren Partikeln konzentriert und nicht gleichm√§√üig verteilt. Daher liegt es nahe, da√ü nicht alle Photonen ein Elektron treffen, sondern da√ü ein bestimmter Prozentsatz der eingestrahlten Energie I0 das Objekt ungehindert passiert. Dieser Anteil It wird als transmittierte Strahlung bezeichnet; die Transmission t ist also ein Ma√ü f√ľr die Durchl√§ssigkeit eines Stoffes f√ľr eine bestimmte Strahlung.



Das Symbol t bezeichnet hier die auf 1 normierte Transmission und nicht die Lebensdauer angeregter Zustände. Im Englischen unterscheidet man zwischen linearer (transmission) und logarithmischer Darstellung (transmittance). Umgekehrt kann man auch die Absorption a als Maß der Undurchlässigkeit angeben.



In logarithmischer Darstellung benutzt man das Formelzeichen E (In der älteren Literatur auch als Extinktion bezeichnet).



Sowohl die Transmission als auch die Absorption sind von der Wellenl√§nge abh√§ngig. Deshalb beschreibt man die Absorptionseigenschaften einer Substanz durch ihr Absorptionsspektrum. Nat√ľrlich ist die Absorption E eines K√∂rpers abh√§ngig von seiner Schichtdicke d.

El = mld

wobei ml als Absorptionsmodul bezeichnet wird. Die Absorption von gelösten Substanzen ist proportional zu ihrer Konzentration c

ml = el c

Dabei wird die wellenlängenabhängige Materialkonstante als molarer Absorptionskoeffizient (Extinktionskoeffizient) bezeichnet. Durch Kombination der Gleichungen erhalten wir das Lambert-Beersche Gesetz.

El = el c d

Somit kann man bei gegebener Schichtdicke aus der Absorption bei einer Me√üwellenl√§nge die Konzentration eines gel√∂sten Stoffes berechnen. Der Absorptionskoeffizient f√ľr diese Wellenl√§nge l√§√üt sich in einer Tabelle nachschlagen.

Zweckm√§√üigerweise w√§hlt man eine Wellenl√§nge im Absorptionsmaximum der untersuchten Substanz. Der molare Absorptionskoeffizient f√ľr H√§moglobin betr√§gt bei 430 nm etwa 126. Wenn wir bei dieser Wellenl√§nge eine Schichtdicke von d = 1cm verwenden und dabei eine Absorption von 0,4 messen, ergibt sich eine Konzentration der H√§moglobinl√∂sung von



Abweichungen vom Lambert-Beerschen Gesetz treten durch Verunreinigungen der Substanzen, Assoziationen zwischen Molek√ľlen oder Wechselwirkungen zwischen gel√∂sten Substanzen und dem L√∂sungsmittel auf.

Bei unserer bisherigen Betrachtung haben wir den reflektierten Anteil der Strahlung Ir unber√ľcksichtigt gelassen. Bei jedem √úbergang zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex wird ein Teil der Strahlung reflektiert. Damit spaltet sich die eingestrahlte Gesamtintensit√§t I0 in einen transmittierten, einen absorbierten und einen reflektierten Anteil auf

I0 = It + Ia + Ir

Betrachten wir statt einer reinen L√∂sung eine tr√ľbe Suspension von Partikeln, so wird ein Teil des eingestrahlten Lichtes diffus in alle Richtungen des Raumes gestreut. Der Anteil an gestreuter Strahlung ist nicht konstant, sondern h√§ngt von der Wellenl√§nge ab. Nach dem Gesetz von Rayleigh (1899) ist die Intensit√§t der gestreuten Strahlung umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenl√§nge, vorausgesetzt, da√ü der Durchmesser der streuenden Partikel klein im Verh√§ltnis zur Wellenl√§nge ist. Somit ist der Anteil der gestreuten Strahlung im kurzwelligen Bereich bei weitem h√∂her als im langwelligen. Bei der Messung von Absorptionsspektren von Suspensionen mu√ü dieser Faktor ber√ľcksichtigt werden.



1.3.2 Quantenausbeute



Nat√ľrlich f√ľhren nicht alle absorbierten Quanten zu einer photochemischen Reaktion. Daher definieren wir eine Quantenausbeute F, die zwischen Null und Eins liegt.



Mit den im letzten Abschnitt beschriebenen physikalischen Vor√ľberlegungen wollen wir an einem praktischen Beispiel ermitteln, wie viele der eingestrahlten Lichtquanten f√ľr photochemische Prozesse wirksam werden. Wir wollen feststellen, welcher Anteil der von einem Projektor auf ein Blatt fallenden Strahlung f√ľr die Photosynthese nutzbar gemacht wird. Diese Aufgabe erscheint auf den ersten Blick einfacher als sie ist. Zun√§chst m√ľssen wir die Zahl der eingestrahlten Quanten kennen. Mit Hilfe einer Thermos√§ule (siehe unten) kann man die Bestrahlungsst√§rke messen, die von der Strahlungsquelle auf der Blattoberfl√§che ankommt. Kennt man die Fl√§che, kann man den auftreffenden Flu√ü berechnen. Nun wissen wir aber zum einen, da√ü die Energie eines Lichtquants von seiner Wellenl√§nge abh√§ngt (vgl. oben). Zum anderen k√∂nnen wir nicht erwarten, da√ü die Lichtquelle bei jeder Wellenl√§nge eine gleiche Zahl von Quanten oder die gleiche Energie abgibt. Die wellenl√§ngenabh√§ngige Energieverteilung einer Lichtquelle wird durch das Emissionsspektrum (vgl. oben) charakterisiert (Abb. 1.7). Dieses Spektrum l√§√üt sich ermitteln, indem man den in Frage kommenden Wellenl√§ngenbereich in schmale B√§nder zerlegt und die Bestrahlungsst√§rke in jedem Abschnitt mi√üt. Das Integral √ľber alle diese Bereiche liefert dann die Gesamtenergie. In neuerer Zeit l√§√üt sich diese Messung mit einem Spektroradiometer durchf√ľhren, das die Bestrahlungsst√§rke in Abh√§ngigkeit von der Wellenl√§nge darstellt. Da wir die Energie eines Lichtquants einer gegebenen Wellenl√§nge berechnen k√∂nnen (siehe oben), k√∂nnen wir aus dem Emissionsspektrum die Zahl der Quanten in jedem Wellenl√§ngenbereich bestimmen.

Neben der sichtbaren und photosynthetisch wirksamen Strahlung liefert die Lichtquelle einen größeren Anteil Infrarotstrahlung. Um die Wärmebelastung des Objektes zu verringern, schneiden wir die Infrarotstrahlung mit einem Wärmeabsorptionsfilter ab. Mathematisch gesehen erhalten wir aus dem Produkt von Emission der Lichtquelle und Transmission des Filters die Bestrahlungsstärke, die auf dem Blatt ankommt (Abb. 1.7).

Mit einem Spektralphotometer (siehe unten) l√§√üt sich der durch das Blatt transmittierte Anteil der Strahlung f√ľr jede Wellenl√§nge bestimmen und von der eingestrahlten Bestrahlungsst√§rke subtrahieren. Die reflektierte und gestreute Strahlung ist hingegen nur schwer zu bestimmen.

Solch eine Messung l√§√üt sich in einer Ulbricht-Kugel durchf√ľhren (Abb. 1.8). Das Blatt wird im Inneren einer innen mattierten, wei√üen Kugel angebracht und durch eine kleine √Ėffnung bestrahlt. Das transmittierte Licht wird durch den schwarzen Tr√§ger hinter dem Blatt m√∂glichst quantitativ absorbiert. Alles vom Blatt reflektierte Licht wird im Inneren der Kugel solange reflektiert, bis es auf der Photome√üzelle auftrifft. Durch Ver√§nderung der Wellenl√§nge kann man ein Reflexionsspektrum ermitteln, das man ebenfalls von dem auf das Blatt eingestrahlten Spektrum abziehen kann. Ein Fehler dieser Methode beruht darauf, da√ü bei multipler Reflexion ein Lichtquant, das beim ersten Auftreffen auf das Blatt gestreut wurde, beim zweiten Mal absorbiert werden kann und somit nicht vom Photoempf√§nger erfa√üt wird.



1.3.3 Aktionsspektren



Mit den oben beschriebenen Me√ümethoden haben wir die M√∂glichkeit, zumindest angen√§hert die Zahl der vom Objekt absorbierten Quanten bei jeder Wellenl√§nge zu ermitteln. Die n√§chste Frage ist, ob tats√§chlich alle absorbierten Quanten photosynthetisch wirksam werden. Es k√∂nnen ja photosynthetisch inaktive Pigmente Quanten absorbieren und in W√§rme umwandeln, und auch die Photosynthesepigmente arbeiten nicht mit 100%iger Effektivit√§t. Daher benutzt man den Begriff der relativen Quantenausbeute, der f√ľr jede Wellenl√§nge angibt, welcher Anteil der eingestrahlten Quanten nicht nur absorbiert, sondern auch photochemisch wirksam wird. Dazu bestimmt man f√ľr jede Wellenl√§nge die Abh√§ngigkeit der Reaktion (in unserem Beispiel die photosynthetische Sauerstoffproduktion des Blattes) von der Quantenflu√üdichte (Abb. 1.9). Die so erhaltenen Kurven haben meist sigmoide Gestalt: oberhalb eines Schwellenwertes S steigen die Kurven zun√§chst langsam, dann etwa linear an, um anschlie√üend in die S√§ttigung √ľberzugehen. Nun sucht man sich im linearen Anstieg einen beliebigen Reaktionswert (oft den 50% Wert) und bestimmt f√ľr jede Wellenl√§nge, welche Quantendichte n√∂tig ist, um diese Reaktion auszul√∂sen; der Reziprokwert ist die Quantenausbeute. Tr√§gt man die Quantenausbeute gegen die Wellenl√§nge ab, erh√§lt man das Aktionsspektrum (Wirkungsspektrum) der Reaktion (Abb. 1.10). Es kann Hinweise auf die beteiligten Photorezeptorpigmente geben, wenn man es mit dem Absorptionsspektrum der Pigmente vergleicht.



1.3.4 Filtertypen



Da die emittierte Strahlung einer Lichtquelle oft nicht den experimentellen Bed√ľrfnissen entspricht, wird sie in der Regel durch Zwischenschalten von Filtern modifiziert. Dabei wird die Quantenflu√üdichte im interessierenden Wellenl√§ngenbereich etwa gleichm√§√üig abgeschw√§cht, oder bestimmte Wellenl√§ngen werden selektiv unterdr√ľckt.



1.3.4.1 Wellenlängenneutrale Filter



In die erste Gruppe gehören die Neutralfilter. Um Strahlung in ihrer Intensität zu verringern, wird sowohl von der Absorption als auch von der Reflexion Gebrauch gemacht. Eine absolut wellenlängenunabhängige Abschwächung erhält man bei der Verwendung von Netzen oder Gittern, die nur einen gewissen Prozentanteil der Strahlung durchlassen, entsprechend dem Anteil der offenen Flächen. Nachteile dieser Methode sind, daß einerseits die Bestrahlungsstärke auf dem Objekt nicht immer uniform ist und man andererseits Netze zur Erreichung höherer Absorptionen nicht stapeln kann, da durch die ungleiche Überlagerung der Lochmuster sogenannte Moirémuster entstehen können und somit der Absorptionsgrad nicht vorhergesagt werden kann. Beide Nachteile werden bei der Verwendung von Neutralglasfiltern vermieden, die aus einer Schmelze von "grauen", also möglichst wellenlängenunabhängig absorbierenden Partikeln in Glas hergestellt werden. Schaltet man zwei Neutralglasfilter hintereinander, so absorbiert das zweite Filter einen gewissen Anteil der vom ersten Filter durchgelassenen Strahlung. Also ergibt sich die Gesamttransmission der Filterkombination aus dem Produkt der Einzeltransmissionen. Die Kombination eines 10% (= 0,1) und eines 25% (= 0,25) transmittierenden Filters beträgt also 2,5% (= 0,025).

Eine weitere M√∂glichkeit der breitbandigen Intensit√§tsabschw√§chung beruht auf dem Prinzip der Reflexion. Neutrale Reflexionsfilter bestehen aus teilweise lichtdurchl√§ssigen Metallschichten, die auf einen Glas- (oder Quarz)tr√§ger aufgedampft sind. Diese Schichten reflektieren einen Anteil der auftreffenden Strahlung und sind weitgehend wellenl√§ngenunabh√§ngig. Ein Nachteil liegt in ihren physikalischen Eigenschaften begr√ľndet: man kann sie wegen der multiplen Reflektion nicht beliebig stapeln, um dadurch die Strahlung st√§rker zu schw√§chen.



1.3.4.2 Wellenlängenselektive Filter



Im Gegensatz zu Neutralfiltern transmittieren Farbfilter nur bestimmte Wellenl√§ngenbereiche. Bevor moderne Glasfilter zur Verf√ľgung standen, benutzten Photophysiologen L√∂sungen von Mineralsalzen, wie Chrom- und Kupfersalzen, oder organischen Substanzen bzw. Suspensionen davon in Gelatine als Tr√§gersubstanz. Noch heute werden Kupfersulfatl√∂sungen verwendet, um den langwelligen Rotanteil und das Infrarot aus einer Strahlung zu entfernen. Aber auch Glas und andere "durchsichtige" Materialien transmittieren nur einen begrenzten Spektralbereich. Daher verwendet man Linsen und Prismen aus Quarz, wenn das Material UV-durchl√§ssig sein soll. Absorbierende Glasfilter lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Bandfilter und Kantenfilter. Bandfilter bestehen meist aus L√∂sungen einfacher oder komplexer Ionen wie Nickel-, Kobalt- oder Chromoxid in Glas. Diese Substanzen absorbieren und transmittieren in bestimmten breiten Wellenl√§ngenbereichen. Einige Beispiele f√ľr Bandfilter sind in Abb. 1.11 zusammengefa√üt. Bei Kantenfiltern hingegen beruht das Durchla√üverhalten auf der Gr√∂√üe eingeschmolzener submikroskopischer Partikel wie Schwefel, Gold oder Cadmiumsalzen. Der englische Name "cut off filter" beschreibt das optische Verhalten: von der auftreffenden Strahlung wird unterhalb einer relativ scharf definierten Kante die kurzwellige Strahlung abgeschnitten (Abb. 1.12). Die Filter sind nach der Wellenl√§nge bezeichnet, bei der sie 50% der Strahlung transmittieren. (Ein OG 515 ist ein Orange-Glas, das bei 515 nm 50 % transmittiert; Schott & Gen., Mainz). Die Transmissionskurven zeigen aber auch, da√ü Strahlung k√ľrzerer Wellenl√§ngen nicht v√∂llig abgeschnitten, sondern zunehmend reduziert wird. Daher ist es wichtig, den Transmissionsgrad bei jeder Wellenl√§nge zu kennen. Daneben gibt es auch die (deutlich teureren) Cut-on Filter, die genau das Gegenteil bewirken: Sie schneiden die langwellige Strahlung ab und transmittieren die kurzwellige. Allerdings machen sie auch bei weiter k√ľrzeren Wellenl√§ngen wieder zu (Abb. 1.13).


H√§ufig werden schmalbandige Filter ben√∂tigt, die Strahlung in einem engen Wellenl√§ngenband von wenigen nm transmittieren und die Strahlung au√üerhalb dieses Bereiches unterdr√ľcken sollen. Diese Forderung wird von Interferenzlinienfiltern erf√ľllt. Diese Filter arbeiten wie ein Fabry-Perot-Interferometer: sie bestehen aus mehreren, alternierenden, durchsichtigen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex. Diese Schichten werden im Vakuum auf einen durchsichtigen Tr√§ger aufgebracht und bestehen zum Beispiel aus ZnS (hoher Brechungsindex) und Na3AlF6 (niedriger Brechungsindex). Die Dicke der Schichten betr√§gt ein Viertel der maximal transmittierten Wellenl√§nge.

Ein Strahl I0, der senkrecht zu den aufgebrachten Schichten durch das Filter f√§llt (Abb. 1.14), wird an der Oberfl√§che F2 teilweise transmittiert (t1) und teilweise reflektiert (t2). (Auch hier bezeichnet t die auf 1 normierte Transmision). Ein Anteil von t2 wird an F1 erneut reflektiert und zum Teil durch F2 transmittiert (t3). Der zweimal reflektierte Strahl t3 hat eine um 2a l√§ngere Strecke zur√ľckgelegt und interferiert mit t1. Wenn 2a = n/2l, l√∂schen sich die beiden Strahlen aus und wenn 2a = n l, verst√§rken sich die Strahlen. Hierbei tritt das Problem der Maxima h√∂herer Ordnung auf: Ein Interferenzfilter mit einer nominalen Transmissionswellenl√§nge von 350 nm transmittiert auch bei 700 nm einen nicht zu vernachl√§ssigenden Anteil. Die Maxima h√∂herer Ordnung werden durch zus√§tzliche Farbfilter unterdr√ľckt. Um die Wellenl√§ngenselektion sch√§rfer zu machen, werden meist mehrere Filter mit je einem Abstand von l /2 der maximal transmittierten Wellenl√§nge hintereinander geschaltet.

Fällt der Strahl in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel auf die Schichten, wird die Strecke 2a größer und damit verschiebt sich die maximal transmittierte Wellenlänge zum kurzwelligen Bereich



wobei w die bei einem Winkel transmittierte Wellenlänge, s die bei senkrechter Einstrahlung transmittierte Wellenlänge und n der Brechungsindex der Schicht ist. Dieses Phänomen kann man sich zunutze machen, um die Wellenlänge maximaler Transmission durch Verkanten des Filters um bis zu etwa 10 nm zum Kurzwelligen zu verschieben, ohne dabei die Form der Durchlaßkurve wesentlich zu verändern. Größere Verschiebungen sind nicht möglich, ohne den maximalen Transmissionsgrad zu verringern.




Warum wird die Wellenl√§nge beim Kippen von Interferenzfiltern k√ľrzer?







y = r sin a

x = r cos a = 1 ->



= =

d = + cos 2a = (1 + cos 2a)



Da√ü die Wellenl√§nge beim Kippen wirklich k√ľrzer wird, l√§√üt sich mit einem einfachen BASIC Programm nachweisen

5 PI=3.1415926

10 FOR I=0 TO 45 STEP 5

20 PRINT "Bei i = ";i;"ist d =";sqr(1+(tan(I*2*PI/360))^2)*(1+COS(2*I*2*PI/360))

30 NEXT I

Ok

Bei i = 0 ist d = 2

Bei i = 5 ist d = 1.992389

Bei i = 10 ist d = 1.969616

Bei i = 15 ist d = 1.931852

Bei i = 20 ist d = 1.879385

Bei i = 25 ist d = 1.812616

Bei i = 30 ist d = 1.732051

Bei i = 35 ist d = 1.638304

Bei i = 40 ist d = 1.532089

Bei i = 45 ist d = 1.414214

Ok

Die optischen Eigenschaften von transmittierenden Filtern lassen sich mit Hilfe einiger Parameter beschreiben (Abb. 1.15). Den Transmissionsgrad bei der maximal transmittierenden Wellenl√§nge lmax bezeichnet man als tmax. Er liegt bei handels√ľblichen Interferenzlinienfiltern bei 10 - 20 nm. Die Halbwertsbreite bezeichnet die Bandbreite bei 50% der maximalen Transmission. Ebenso kann man eine Bandbreite f√ľr 10% oder 1% angeben. Doppel-Interferenzfilter erreichen Halbwertsbreiten von etwa 5 nm, jedoch wird die schm√§lere Durchla√ükurve durch eine geringere maximale Transmission (10%) erkauft. Weiterhin ist die Transmission bei Wellenl√§ngen au√üerhalb des transmittierten Bandes von Interesse. Wir wollen ein Aktionsspektrum eines Blaulichteffektes messen und kontrollieren die Wirksamkeit von Rotlicht bei Einstrahlung durch ein Interferenzfilter mit maximaler Transmission bei 650 nm und einer Blaulichttransmission von 0,001. Dann erzielt man bei dem Rotfilter die gleiche Reaktion, wenn man eine 1000mal so hohe Quantenflu√üdichte verwendet wie bei dem blauen Filter. Dieser Effekt ist nat√ľrlich nicht auf die Stahlungsperzeption eines rotempfindlichen Photorezeptors zur√ľckzuf√ľhren, sondern auf die Blaudurchl√§ssigkeit des Rotfilters.



1.3.4.3 Polarisationsfilter



Oben haben wir besprochen, daß Strahlen, die von einer Lichtquelle ausgehen, aus Wellen unterschiedlicher Orientierung zusammengesetzt sind. Linear polarisiertes Licht hingegen schwingt in einer Ebene. Durch eine Reihe von Materialien kann man aus dem Gemisch unterschiedlich orientierter Wellen eine Schwingungsebene vorzugsweise herausfiltern (Abb. 1.16). Polarisiertes Licht entsteht bei der Refexion oder beim Durchgang durch doppelbrechende Substanzen wie Kalkspat. Auch manche Prismenkombinationen erzeugen polarisiertes Licht. Am einfachsten läßt sich linear polarisierte Strahlung mit Hilfe von hochpolymeren Kolloidfilmen erzielen, die mechanisch in einer Richtung gereckt sind. Zwei hintereinander geschaltete Polarisationsfilter transmittieren Strahlung nur dann, wenn die Polarisationsebenen etwa parallel zueinander stehen. Mit zunehmender Verdrehung gegeneinander wird die Strahlung mehr und mehr abgeschwächt, so daß bei gekreuzten Polarisatoren fast völlige Absorption eintritt. Dieses Verfahren kann man zur kontinuierlichen Abschwächung von Strahlung verwenden, vorausgesetzt, daß die Polarisierung der erzeugten Strahlung nicht stört.

Eine Sonderform polarisierter Strahlung ist zirkulär polarisiert. Man kann diese Art der Polarisation erzeugen, indem man zwei linear polarisierte Wellen, die senkrecht aufeinander stehen und außerdem eine Phasendifferenz gegeneinander haben, miteinander interferieren läßt. Der Vektor dieser Welle läuft dann auf einer Schraubenlinie um die optische Achse. Durch Verringerung der Amplitude einer der beiden Wellen erzielt man elliptisch polarisiertes Licht (Abb. 1.17). Also kann man die lineare Polarisation als einen Extremfall der elliptischen Polarisation ansehen, bei der eine der beiden Wellen eine Amplitude von Null hat.



1.3.5 Monochromatoren



Eine weitere M√∂glichkeit zur Erzeugung monochromatischer Strahlung beruht auf der Zerlegung von Wei√ülicht in seine spektralen Bestandteile. Das kann mit Hilfe eines Prismas geschehen, indem schmale Wellenl√§ngenbereiche aus dem aufgespaltenen Spektrum ausgeblendet werden. Solche optischen Instrumente bezeichnet man als Monochromatoren. H√§ufiger jedoch werden Gitter eingesetzt, um das eingestrahlte Wei√ülicht durch Beugung in sein Spektrum aufzuspalten (Abb. 1.18). Die Gitter (Abb. 1.19) in modernen Monochromatoren werden entweder ge√§tzt oder holographisch erzeugt, was eine hohe Gitterkonstante erm√∂glicht und den Streulichtanteil verringert. Sie befinden sich auf einer konkaven Oberfl√§che, die entweder sph√§risch oder bei besseren Instrumenten toroidal gekr√ľmmt ist. Auch bei Monochromatoren tritt wie bei Interferenzfiltern das Problem der Strahlung h√∂herer Ordnung auf.

Die Strahlung f√§llt √ľber einen Eingangsspalt E auf einen Spiegel S1, der sie auf das Gitter G lenkt. Das aufgespaltene Spektrum gelangt √ľber S2 durch den Ausgangsspalt A. Je nach Weite des Spaltes verl√§√üt ein mehr oder weniger breites Wellenl√§ngenband den Monochromator. Die Wellenl√§ngenselektion erfolgt durch √Ąnderung des Anstellwinkels vom Gitter oder eines der Spiegel √ľber ein Getriebe; die selektierte Wellenl√§nge kann auf einer Skala abgelesen werden.

Wenn eine noch schärfere Wellenlängenselektion benötigt wird, kann man den Ausgangsstrahl des ersten Monochromators durch einen zweiten fallen lassen. Der Strahlengang eines solchen Doppelmonochromators ist in Abb. 1.20 zu erkennen.

Monochromatoren haben gegen√ľber Interferenzlinienfiltern die Vorteile, da√ü sie erstens fast die gesamte eingestrahlte Energie eines Wellenl√§ngenbereiches transmittieren, da die Gitter mit einer hochreflektierenden Metallschicht √ľberzogen sind, zweitens ist die Wellenl√§nge √ľber einen weiten Bereich einstellbar und drittens ist die Resttransmission au√üerhalb des gew√§hlten Bereiches sehr gering und beruht lediglich auf dem Streulicht im Inneren des Monochromators.



1.4 Strahlungsmessung



Strahlungsmessung basiert - unabh√§ngig, ob im visuellen oder energetischen System gemessen wird - auf einer Vergleichsbetrachtung. Im einfachsten Fall vergleicht ein "Standardbeobachter" (dessen spektrale Empfindlichkeitskurve mit der von der C.I.E.1951 in Stockholm normierten Vl-Kurve √ľbereinstimmt) die Helligkeit einer Standardlichtquelle mit der einer zu messenden Lichtquelle. Durch Ver√§nderung des Abstandes der Me√ülichtquelle vom Beobachter, bei konstantem Abstand zur Standardlichtquelle, werden beide Lichtquellen auf den gleichen visuellen Eindruck eingestellt. Nun kann man aus der Gesetzm√§√üigkeit, da√ü die Beleuchtungsst√§rke mit dem Quadrat der Entfernung f√§llt, die Beleuchtungsst√§rke der Me√ülichtquelle bestimmen.

Solche Standardlichtquellen stehen z.B. in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig zur Verf√ľgung. Dagegen werden sekund√§re Standardquellen und davon abgeleitete Arbeitsstandardquellen kalibriert.



1.4.1 Selektive Strahlungsempfänger



Moderne optoelektronische Strahlungsempfänger kann man als Bauelemente definieren, die unter dem Einfluß von auftreffenden Photonen ihre elektrischen Eigenschaften (Strom, Spannung, Widerstand oder Leitwert) ändern. Da wir an einer Linearität zwischen Bestrahlungsstärke und elektrischem Effekt interessiert sind, können wir im Folgenden solche Bauelemente ausklammern, die bei Erreichen einer bestimmten Schwelle ihre Eigenschaften sprunghaft ändern, wie Photothyristoren oder Photo-Schmitt-Trigger. Nach der Wirkungsweise der Strahlungsumsetzung in elektrische Größen lassen sich Meßelemente in solche einteilen, die mit dem äußeren und solche, die mit dem inneren Photoeffekt arbeiten.



1.4.1.1 √Ąu√üerer Photoeffekt



Der äußere Photoeffekt ist dadurch charakterisiert, daß bei Einstrahlung von Quanten Elektronen aus einem leitenden Material in das umgebende Vakuum oder Edelgas abgegeben werden (Einstein, 1905). Alle Systeme mit äußerem Photoeffekt werden als Röhren hergestellt; hierhin gehören Photozellen und Photomultiplier, sowie einige Fernsehkameraröhren.

Eine Photozelle besteht aus einer Kathode und einer Anode im Inneren einer evakuierten oder mit Gas gef√ľllten R√∂hre (Abb. 1.21). Die Strahlung f√§llt durch eine √Ėffnung in der metallischen Beschichtung auf die Kathode, die dabei Elektronen emittiert. Eine extern angelegte Spannung beschleunigt die Elektronen in Richtung auf die Anode, so da√ü ein me√übarer Photostrom entsteht, der in gewissen Grenzen proportional zur Quantenflu√üdichte ist. In gasgef√ľllten Photozellen kollidieren die Elektronen mit den Gasmolek√ľlen, die ihrerseits Elektronen abgeben, so da√ü sich der Elektronenstrom vervielfacht. Alle Photozellen zeigen einen Dunkelstrom, der zum einen auf dem endlichen Isolationswiderstand zwischen Kathode und Anode beruht und zum anderen auf Elektronen, die die Kathode unter Raumtemperaturbedingungen verlassen. Bei der Messung sollte der durch Lichteinfall induzierte Photostrom mindestens 100 mal so hoch sein, wie der Dunkelstrom, damit der Me√üfehler klein bleibt.

Jede Photozelle zeigt eine charakteristische spektrale Empfindlichkeit. Kathoden aus Metallen wie Kupfer, Gold oder
12 Dec 2004
20:01:25
K.Leichter
Chopper Licht , die intermittierende Belichtung Gewächshaus

Viel Erfolg Gruss Lacher

"Chopper-Light" Reduces Energy Costs of Micropropagation (From the November, 1998 issue of Agricell Report) At Berlin‚Äôs Humboldt University, I. Pinker has used intermittent lighting of shoot cultures to reduce the energy costs of micropropagation. Taking advantage of recent technology that makes it possible to switch florescent light tubes on and off for periods of microseconds, Pinker compared long-day (16 hours light, 8 hours darkness) lighting under continuous light with long day lighting under intermittent ‚Äúchopper light‚ÄĚ (100 msec light, 100 msec darkness or 20 msec light, 20 msec darkness) conditions for growth and multiplication of Prunus gladulosa, P. cerasifera, Amelanchier lamarckii and Tilia cordata.Pinker reported at the IHC that the best results were achieved with ‚Äúchopper light‚ÄĚ at a frequency of 100 msec light/100 msec darkness. At a light intensity of 80 micromol/m2/s, the growth rate was much better in ‚Äúchopper light‚ÄĚ than in continuous light in all cultures except for P. glandulosa. At a light intensity of 50 mmol/m2/s, however, no differences were observed between the continuous and intermittent lighting except for a decreased multiplication rate in P. glandulosa.

It appears that intermittent ‚Äúchopper light‚ÄĚ can be used for micropropagation of at least some species, without diminishing the multiplication rate and with an increase in growth rate. For further information: I. Pinker, Inst. of Hort., Humboldt Univ. Berlin, Wendenschloss Str. 254, 12557 Berlin, Germany.


http://bbs.bianca.com/mforums/b/bud/

http://www.usda.gov/da/smallbus/20ars.htm




12 Dec 2004
20:02:28
K. Lacher

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