   
|
| Online Forum Gebäudetechnik |
Startseite - GBT Forum - Chopper Licht , die intermittierende Belichtung
Chopper Licht , die intermittierende Belichtung
| Text |
Datum |
Benutzer |
Chopper Licht , die intermittierende Belichtung
Hallo,
suche Links über 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 für technische Wechselströme Verwendung finden. Anschließend erstreckt sich der Bereich der Niederfrequenzen (von etwa 20 Hz bis 20 KHz), die für die Nachrichtentechnik von Bedeutung sind. Damit entsprechen sie dem hörbaren Frequenzbereich der Schallwellen. Daran schließen sich Lang-, Mittel-, Kurz- und Ultrakurzwellen an, die für Radiosendungen verwendet werden. Fernsehsendungen und Radar benutzen noch höhere Frequenzen. Schwingungen mit Wellenlängen bis herunter in den Zentimeter- und Millimeterbereich lassen sich in elektronischen Schaltungen erzeugen, während Schwingungen mit noch kürzeren Wellenlängen ausschließlich auf den Schwingungen von Atomen und Molekülen beruhen. Bei der Betrachtung biologischer Systeme kommt dem Wellenlängenband zwischen 200 und 900 nm (etwa 1015 Hz) besondere Bedeutung zu. In diesen Ausschnitt des Spektrums fällt die sichtbare Strahlung (400 - 720 nm) (nach DIN 5031, Bl. 3 als 380 – 780 nm definiert), die von unserem Auge als Licht verschiedener Farbe empfunden wird. Darüber hinaus sind auch die längeren (Infrarot, IR) und kürzeren Wellenlängen (Ultraviolett, UV) von Interesse, da diese Strahlung von Organismen sowohl zur Energielieferung genutzt wird, als auch steuernde und schädigende Wirkungen haben kann. In der Optik hat es sich weitgehend eingebürgert, mit Wellenlängen zu rechnen, während 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 schließen sich blau, grün, gelb und orange an. Im langwelligen Bereich wird das sichtbare Spektrum durch rot, dunkelrot und tiefrot begrenzt. Ein Gemisch aller dieser Wellenlängen wird als Weißlicht bezeichnet. Das für das menschliche Auge unsichtbare Ultraviolett läßt 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 kürzeren Wellenlängen definiert man als UV-C (nach DIN 5031, Bl. 7: UV-A = 315 – 380, UV-B 280 - 315 nm, UV-C = 100 – 280 nm). Der höherfrequente Bereich des elektromagnetischen Spektrums ab etwa 1016 Hz wird von den Röntgenstrahlen, Gamma- und sekundären Höhenstrahlen eingenommen.
1.1.2 Die Wellennatur des Lichtes
Ch. Huygens veröffentlichte 1690 seine Wellentheorie in der Abhandlung "Traitè de la lumiere". Sie wurde später von A. Fresnel fortgeführt, der Licht als transversale Welle in einem schwingenden elastischen Medium betrachtet, das "Äther" genannt wurde. Heute wissen wir, daß longitudinale mechanische Wellen und Schallwellen an das Vorhandensein von Materie gebunden sind (auf dem atmosphärelosen Mond hört man nicht, was ein anderer sagt), während sich Licht auch im Vakuum des Weltraums ausbreitet. Natürlich 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, während die Schwingungsebene des elektrischen Vektors, Schwingungsebene genannt, darauf senkrecht steht. Elektromagnetische Felder entstehen durch Schwingungen von Atomen oder Molekülen, die keine kontinuierlichen Wellen abgeben, sondern kurze Wellenpakete, die aus mehreren Schwingungen bestehen. Da die Schwingungsebenen der von verschiedenen Molekülen ausgehenden Wellenzüge nicht parallel sind, ist Licht wie z.B. Sonnen- oder Lampenlicht ein Gemisch unterschiedlich polarisierter Wellenpakete. Außerdem unterscheiden sich die Wellenzüge durch ihre Phasenlage. Somit sind die Wellen nicht kohärent. (Kohärente Wellen gehen von Quellen gleicher Frequenz aus und schwingen mit unveränderlichem Phasenwinkel zueinander.) Strahlung einer Wellenlänge bezeichnet man als monochromatisch (einfarbig). Dieser Begriff wird allerdings im täglichen Laborgebrauch meist etwas weiter gefaßt und bezeichnet Strahlung mit einem engen Wellenlängenbereich (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 Bestrahlungsstärken, so beobachtet man eine statistische Folge von Einzelimpulsen, die sich nur durch das Auftreffen von distinkten Partikeln (Photonen) erklären läßt. Schon I. Newton hatte 1675 die Emissionstheorie vertreten, wonach Strahlung aus kleinen Teilchen besteht, die von einer Quelle emittiert werden und durchsichtige Körper durchdringen können. Somit müssen 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) begründet.
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 Wellenlänge ist, resultiert daraus die für uns im folgenden wichtige Folgerung, daß kurzwellige Strahlung energiereicher ist als langwellige, daß 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 Größen nach dem SI-Einheitensystem (Syste`me International d"Unite"s) verbindlich, in dem die Einheiten "Meter" [m] für die Länge, "Kilogramm" [kg] für die Masse, "Sekunde" [s] für die Zeit, "Ampere" [A] für die elektrische Stromstärke, "Kelvin" [K] für die thermodynamische Temperatur, "Candela" [cd] für die Lichtstärke und "Mol" [mol] für die Stoffmenge als Basiseinheiten eingeführt sind. Darüber hinaus gibt es eine Reihe abgeleiteter Einheiten.
Im folgenden sollen die für unsere Betrachtung wichtigen photophysikalischen Größen mit ihren Einheiten im SI-System dargestellt werden. Während die physikalischen Einheiten eindeutig sind, verwenden Photobiologen, Physiker und Lichttechniker unterschiedliche Bezeichnungen; die sich entsprechenden Termini werden nebeneinander aufgeführt. Um das Arbeiten mit englischsprachigen Texten zu erleichtern, werden die entsprechenden englischen Termini ebenfalls angegeben.
1.1.4.1 Strahlungsenergetische Größen
Wir betrachten eine punktförmige Strahlungsquelle, die eine bestimmte Zahl von Partikeln (Photonen) gleichmäßig 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 (abhängig von seiner Wellenlänge) besitzt, können wir diese Strahlung durch Q, die Strahlungsmenge (Strahlungsenergie = radiant energy), kennzeichnen, die in Joules [J] oder [W s] ausgedrückt 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 (Bogenlänge 2pr) die Strecke herausschneiden, die dem Radius entspricht. Da 360° dem Umfang 2pr entsprechen, ergibt sich für r ein Winkel von etwa 57,3°. Wenden wir diese Betrachtung analog auf den Raum an, so ist der Raumwinkel (solid angle) von 1 Steradiant [sr] der Öffnungswinkel eines Kegels von etwa 65,5°, der aus der Kugel mit dem Radius r eine Kugelfläche mit der Fläche 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 können. Bei der Vergrößerung von photographischen Negativen muß eine definierte Zahl von Lichtquanten auf das Photopapier fallen, um einen bestimmten Schwärzungsgrad hervorzurufen. Dabei ist es innerhalb gewisser Grenzen gleichgültig, ob die gleiche "Lichtmenge" in recht kurzer Zeit (offene Blende) oder in längerer Zeit (geschlossene Blende) auftrifft. Die Energie, die von einer Flächeneinheit eines Objektes während der Expositionszeit absorbiert wird, wird auch als Dosis in [J m-2] bezeichnet.
Natürlich können wir auch die Zahl der von einer Lichtquelle abgegebenen Photonen auf die Zeiteinheit beziehen. Damit erhält man den Photonenstrom (photon flow) A gemessen in der Einheit [mol s-1], bzw. für 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].
Für den Biologen ist es von größerer 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 für die Zahl der Photonen, die pro Zeiteinheit auf eine Fläche (z.B. auf ein Blatt) auftreffen. Dabei lassen wir für den Augenblick unberücksichtigt, daß nur ein Teil der Quanten absorbiert und wirksam wird. Die Photonenbestrahlungsstärke (= Photonenfluß = Photonenstromdichte, photon irradiance) gemessen in [mol s-1 m-2] entspricht einer Bestrahlungsstärke E (radiant flux density, oder wenn man es auf die Einstrahlung aus dem Raum bezieht (s. unten): Raumbestrahlungsstärke = energy fluence rate, energy flosan, (energy) irradiance), die in [W m-2] oder [J s-1 m-2] gemessen werden kann.
Die Quantenenergie hängt natürlich von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung ab. Daher benutzt man bei allen Formelzeichen den Index, um die spezifische Beziehung zur Wellenlänge zu kennzeichnen: Ql, Ml, Fl, Yl, El, Il. Zur Unterscheidung von den oben erklärten Bezeichnungen spricht man von der spektralen Strahlungsmenge, der spektralen Bestrahlungsstärke 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 Bestrahlungsstärken lassen sich in [mW m-2] oder [µW m-2] angeben bzw. auf [cm2] beziehen:
1 W m-2 = 1000 mW m-2 = 106 µW m-2 =100 µW cm-2.
Alle bekannten Wirkungen von Strahlung auf Organismen hängen nicht von der eingestrahlten Energie, sondern von der Zahl der absorbierten Quanten ab. Daher ist es sinnvoll, die Quantenmenge anzugeben. Ein Quant der Wellenlänge 666 nm hat eine Energie von 2,977 x 10-19 W s. Ein Mol Quanten dieser Wellenlänge hat somit eine Energie von 1,792 x 105 W s. Daher können wir die Bestrahlungsstärke von 1 W m-2 mit 5,578 µE m-2 s-1 angeben, die auf die Wellenlänge von 666 nm bezogen ist.
Bei der bisherigen Betrachtung der absorbierten Strahlung sind wir von paralleler und senkrecht einfallender Strahlung ausgegangen. Dieser Spezialfall trifft für viele experimentelle Bedingungen zu, jedoch sind die Bestrahlungsverhältnisse in der natürlichen Umgebung ungleich komplizierter. Durch multiple Streuung und Brechung ändern sich die optischen Verhältnisse so, daß Strahlung aus allen Richtungen des Raumes eintreffen kann. Ein flächiger Photorezeptor (z.B.: eine Blattoberseite) erhält also Strahlung aus einem halbkugeligen Raum. Die Gesamtstrahlung erhält man durch Integration über diese Hemisphäre (Cosinuskorrektur). Somit muß man unterscheiden, ob Strahlung senkrecht und parallel (Normalbestrahlung) oder aus einer Hemisphäre (Cosinusbestrahlung) oder aus dem gesamten Raum (Raumbestrahlung) einfällt. Entsprechend spricht man z.B. von Photonenbestrahlungsstärke für flächenbezogene Messungen und von Raum(photonen)bestrahlungsstärke 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 Größen mit dem Index e versehen, um sie von den visuellen Größen abzugrenzen. In der Photometrie werden die besonderen Absorptionseigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt. Das beschreibende System basiert darauf, welchen Helligkeitseindruck die Strahlung in unserem Auge hervorruft. Zur Abgrenzung erhalten alle Formelzeichen als visuelle Größe den Index v (Tab. 1.2). Die Augenempfindlichkeitskurve ist in Abb. 1.2 im linearen und logarithmischen Maßstab dargestellt. Die maximale spektrale Empfindlichkeit des helladaptierten Durchschnittsauges liegt bei 555 nm. Die Empfindlichkeit beträgt bei 470 nm und bei 650 nm nur noch etwa 10 %. Eine Strahlung von 400 nm oder 720 nm muß die 1000fache Stärke besitzen, um die gleiche Helligkeitsempfindung auszulösen wie eine Strahlung von 555 nm.
Die SI-Einheit für die Lichtstärke (luminous intensity) Iv ist 1 Candela [cd]. Das ist die Strahlstärke, die ein schwarzer Strahler mit einer Fläche von 1,67 x 10-6 m2 bei der Temperatur des erstarrenden Platins (2045 K) senkrecht zu seiner Oberfläche abgibt. Davon leitet sich der Lichtstrom (luminous flux) Fv ab, gemessen in Lumen [lm], als Produkt von Lichtstärke und Raumwinkel. Multipliziert man den Lichtstrom mit der Zeit, erhält man die Lichtmenge (luminous energy) Qv [lm s].
Analog zur Photonendichte kann man die Lichtstärke auf die Fläche beziehen und als Leuchtdichte (luminance) Lv mit der Einheit [cd m-2] = [nit] definieren. Die Beleuchtungsstärke (illuminance) Ev ergibt sich, wenn der Lichtstrom von 1 lm auf eine Fläche von 1 m2 fällt; die abgeleitete SI-Einheit dafür ist das Lux [lx]. Damit ist die Beleuchtungsstärke in [lx] die visuelle Parallelgröße zur energetischen Größe Bestrahlungsstärke mit der Einheit [W m-2]. Die Belichtung Yv mit der Einheit [lx s] ergibt sich daraus, wenn man die Beleuchtungsstärke mit der Zeit multipliziert.
Für die visuellen Größen findet man eine Reihe nicht kohärenter Einheiten, die vermieden werden sollten. Neben der Candela (Neue Kerze) sind die Begriffe Hefnerkerze (HK) und Internationale Kerze (IK) gebräuchlich. Die Umrechnungsfaktoren sind
1 cd 0,981 IK = 1,107 HK.
Auch für die Leuchtdichte gibt es, besonders durch den Bezug auf andere Flächeneinheiten, 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 Fülle von Einheiten wie z.B. 1 Hsb = 0,903 sb = 0,886 Isb. Für die Beleuchtungsstärke 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 für Verwirrung, so daß man die Buchstaben I oder H zur näheren Kennzeichnung einsetzen muß: 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 Strahlungsäquivalent Km von 673 lm W-1, das für den Maximalwert des Tagessehens bei 555 nm gültig ist. Für andere Wellenlängen muß 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 Bestrahlungsstärke von 1 W m-2 erzeugt eine Beleuchtungsstärke von
Ev = 1 W m-2 x 673 lm W-1 x 0,4 = 1683 lx.
Wenn man statt monochromatischer Strahlung einen ganzen Wellenlängenbereich einstrahlt, muß man über alle Wellenlängen integrieren, wobei der für jede Wellenlänge spezifische Empfindlichkeitsfaktor berücksichtigt werden muß. Daher können je nach Wellenlängenzusammensetzung der Strahlung sehr unterschiedliche Werte auftreten. Wenn wir in einem gewissen Abstand von einer Glühbirne (mit einem Wolframfaden) ein "Weißlicht" mit einer Bestrahlungsstärke von 1 W m-2 messen, so entspricht das etwa 29,7 lx. Ein größerer 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 Beleuchtungsstärke von etwa 302 lx, während es eine Leuchtstoffröhre auf 826 lx bringt.
1.2 Strahlungsquellen
Das gesamte elektromagnetische Spektrum wird von der Sonne emittiert; jedoch erreicht nur ein Ausschnitt dessen die Erdoberfläche. Teilbereiche des sichtbaren Lichtes und der angrenzenden kurzwelligen und langwelligen, unsichtbaren Strahlung lassen sich auch mit künstlichen 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 Wellenlängenbereichen erfolgt, ist die Kenntnis der spektralen Verteilung der Strahlung insbesondere künstlicher Strahlungsquellen von großer Wichtigkeit.
Neben dem sichtbaren Licht ist jedoch auch die unsichtbare ultraviolette Strahlung biologisch äußerst wirksam, da eine Reihe von Biomolekülen, unter ihnen Nukleinsäuren und Proteine, in diesem Bereich eine hohe Absorption zeigen. Die energiereiche UV-Strahlung verursacht innerhalb der genetischen Informationsträger photochemische Umlagerungen, die zu genetischen Veränderungen, zu bleibenden Schäden oder zum Tod des Organismus führen können.
Sichtbare Strahlung und die benachbarten Bereiche werden durch unterschiedliche Prozesse emittiert:
Temperaturstrahlung Die Sonne und viele künstliche Strahlungsquellen wie Glüh- oder Photoblitzbirnen strahlen auf Grund einer thermischen Anregung. Elektrische Entladung in Metalldämpfen oder Gasen In diese Kategorie gehören Natrium- und Quecksilberdampflampen, sowie Wasserstoff- und Xenonlampen. Bei Leuchtstofflampen ist primär das gleiche Entladungsprinzip wirksam, hinzu kommt jedoch die Fluoreszenzanregung von Leuchtstoffen, die dann sekundär 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 Natürliche Strahlung
Die Erwärmung eines schwarzen Körpers auf ca. 500° C führt zu einer Temperaturstrahlung. Erhitzt man diesen Körper über 500° C, so sendet er neben Wärme auch sichtbares Licht aus. Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz und dem Wienschen Verschiebungsgesetz ist die spektrale Energieverteilung der Strahlung eines schwarzen Körpers durch dessen Temperatur definiert: je höher die Temperatur ist, um so höher ist das Emissionsmaximum und um so stärker die Emissionsverschiebung in den kurzwelligen Bereich.
Der Begriff des "schwarzen Körpers" ist irreführend: zwar sieht ein schwarzer Körper bei Raumtemperatur schwarz aus, weil er die gesamte auftreffende Strahlung absorbiert. Bei einer Temperatur von ca. 1000° C hingegen ist ein schwarzer Körper weißglühend und daher blendend hell. Schwarze Körper weisen nach dem Kirchhoffschen Gesetz ein größtmögliches Emissionsvermögen auf.
Die Sonne als natürliche 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 näherungsweise derjenigen eines schwarzen Körpers 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
Für das Strahlenklima auf der Erde ist jedoch nicht die extraterrestrische Solarstrahlung (Solarkonstante) von Bedeutung, sondern die Strahlung, die auf der Erdoberfläche ankommt. Sie wird als Globalstrahlung bezeichnet. Erhebliche Anteile der extraterrestrischen Strahlung werden beim Durchgang durch die Atmosphäre absorbiert (Tab. 1.3). Der kurzwellige Bereich unter 290 nm wird ebenso wie der langwellige Bereich oberhalb 3000 nm vollständig herausgefiltert. Bei wolkenlosem Himmel und einer Sonnenhöhe von 90° gelangen im UV-B-Bereich 33%, im UV-A-Bereich 72% und im sichtbaren Bereich 91% der extraterrestrischen Strahlung auf die Erde. Bei Bewölkung und bei niedrigen Sonnenständen 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 Flächeneinheit pro Zeiteinheit fallen. Außer durch selektive Absorption bestimmter Wellenlängenbereiche in der Atmosphäre besonders durch Ozon, Kohlendioxid und Wasser wird die Globalstrahlung durch diffuse Reflexion verändert. Hieran sind die Luftmoleküle selbst, die in den Wolken enthaltenen Wassertröpfchen und Eiskristalle (10-6 m bis 10-4 m Durchmesser), sowie das Aerosol (< 10-7 m Durchmesser), stark beteiligt, das sich hauptsächlich aus Staub, Rauch und Dämpfen zusammensetzt. Durch selektive Absorption und Reflexion wird die extraterrestrische Solarstrahlung je nach Sonnenhöhe bis zu 70% reduziert (Tab. 1.4).
Der Einfluß der Bewölkung auf die Globalstrahlung ist relativ groß. So wird bei voll bedecktem Himmel die Bestrahlungsstärke um bis zu 80% gegenüber Wolkenlosigkeit reduziert (Abb. 1.4). Hierbei ist der Anteil der diffus gestreuten Strahlung besonders hoch. Die spektrale Zusammensetzung der diffus gestreuten Strahlung ändert sich entsprechend dem Gesetz von Rayleigh. Danach ist der molekulare Streuungskoeffizient von kleinen Partikeln wie Luftmolekülen umgekehrt proportional zur 4. Potenz der Wellenlänge. Deshalb werden die blauen Anteile des Lichtes stärker reflektiert als die roten und der Himmel erscheint blau. Auch der Anteil der kurzwelligen UV-B-Strahlung ist im diffusen Licht relativ höher als im direkten Sonnenlicht. Da jedoch die diffuse Reflexion auch von der Länge des Weges abhängt, den das Licht durch die Atmosphäre zurücklegen muß, wird bei niedrigen Sonnenständen 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 außer durch den Sonnenstand auch von den atmosphärischen Zuständen der verschiedenen geographischen Zonen beeinflußt. Bei wolkenlosem Himmel liegt das Verhältnis zwischen direkter und diffuser Strahlung in den Tropen ganzjährig bei etwa 5:1. Diese Relation gilt in unseren Breiten nur im Sommer, im Winter geht das Verhältnis auf ca. 1,5:1 zurück. In Wüstengebieten ist wegen des geringen Bewölkungsgrades die mittlere Globalstrahlung mit 8,4 x 109 J m-2 pro Jahr am höchsten. Die mittleren Breiten Europas erhalten 4,2 x 109 Jm-2 pro Jahr.
Die auf die Erdoberfläche auftreffende Globalstrahlung wird durch den Untergrund absorbiert oder reflektiert. Der Reflexionsgrad hängt von der Beschaffenheit der Oberfläche ab. Weiße Oberflächen wie Eis- oder Schneedecken haben eine sehr hohe Reflexion. Das Verhältnis von reflektierter zu einfallender Strahlungsenergie wird als die Albedo bezeichnet und meistens in Prozent ausgedrückt. Glatte Oberflächen wie Wasser oder Beton haben Albedowerte zwischen 7% und 27% (Albedo-Quotient 0,07 bzw. 0,27). Für vegetationsbedeckte Flächen 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 Wärme umgewandelt. Auch im Boden hat die Absorption der Strahlung eine Erwärmung zur Folge; diese Wärme wird jedoch wieder in die Atmosphäre zurückgestrahlt. Auf Grund des Kohlendioxid- und Wasserdampfanteils wird die Erdstrahlung in der Atmosphäre teilweise erneut absorbiert und bleibt durch Gegenstrahlung im erdnahen Raum erhalten. Daher kann sich bei Veränderung der Kohlendioxid-Konzentration auch die Temperaturbilanz auf der Erde ändern. Dieser thermische Effekt (Glashaus-Effekt) ist neben der spektralen Zusammensetzung der Globalstrahlung für die Entwicklung der Vegetation von entscheidender Bedeutung.
Kohlendioxid und Wasserdampf wirken in der Atmosphäre als Absorbenten langwelliger Strahlung. Kohlendioxid absorbiert selektiv in verschiedenen Banden und Linien zwischen 2,3 und 3 µm, 4,2 und 4,4 µm sowie 12 und 16 µm. Wasserdampf weist Absorptionsbanden zwischen 2.5 und 8 µm auf und eine vollständige Absorption der IR-Strahlung oberhalb von 14 µm. Als Ursache für die starke Absorption der schädlichen UV-Strahlung unterhalb von 320 nm kommt in erster Linie die in der Stratosphäre in einer Höhe zwischen 20 km und 50 km liegende Ozonschicht (O3) in Betracht. Da die Ozonschicht auf Grund ihrer Filterfunktion für schädliche UV-Strahlung zur Erhaltung der biologischen Abläufe auf der Erde von entscheidender Bedeutung ist, sollen im folgenden die Zusammenhänge zwischen Ozonschicht und UV-Strahlung ausführlicher dargestellt werden.
Das Ozon in der Stratosphäre entsteht als Folgeprozeß der Sauerstoffspaltung durch kurzwellige UV-Strahlung. Durch langwelligere UV-Strahlung wird Ozon in einer langsameren Reaktion in Kombination mit atomarem Sauerstoff in zwei Moleküle Sauerstoff zerlegt:
O2 + hn (<200 nm) ® O + O
O + O2 + M ® O3 + M
O3 + hn (<300 nm) ® O2 + O
O + O3® 2 O2
M = Stickstoff als Stoßpartner
Auf Grund der UV-Absorption des stratosphärischen Ozons gelangt UV-Strahlung unterhalb von 285 nm praktisch nicht auf die Erdoberfläche. Die momentan herrschende UV-Strahlung kann sich aber im Lauf der kommenden Jahrzehnte erheblich ändern, wenn die vor kurzwelliger UV-Strahlung schützende Ozonschicht in ihrer Ausdehnung verringert wird. Diese Gefahr droht in erster Linie durch in die Stratosphäre transportierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe, die als Aerosoltreibgase in Spraydosen, als Schäumungs- und Kältemittel weltweit in großem Maße 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® ClO + O2
ClO + O ® Cl + O2
NO + O3® NO2 + O2
NO2 + O ® NO + O2
________________________
O + O3® 2 O2
Als weitere Faktoren, die eine Veränderung der Ozonschicht bewirken, kommen Durchmischung, Transport und Diffusion der Gase sowie rhythmische Änderungen der Sonnenfleckenaktivität und Temperaturschwankungen in der Stratosphäre in Betracht.
Der Ozongehalt ist auch stark von der geographischen Breite abhängig. Am Äquator findet man geringere Ozonmengen (245 DU = Dobson Unit = 0,01 mm des Gases unter Normalbedingungen) als in der nördlichen Hemisphäre (350 DU) zum gleichen Zeitpunkt. Entsprechend ist am Äquator auf Grund der geringeren Schichtdicke des Ozons die UV-Belastung höher als in nördlichen Breiten. Die genannten Variablen erschweren daher eine genaue Vorhersage der durch Schadgase verursachten Destruktion der Ozonschicht. Unter der Voraussetzung, daß die Ozonschicht in ihrer Dicke reduziert wird, ist mit einer Intensitätszunahme der Strahlung im UV-B-Bereich und mit einer Verschiebung des UV-Spektrums zu kürzeren Wellenlängen zu rechnen. Beide Änderungen führen zu einer Erhöhung der biologischen Wirksamkeit der Strahlung und damit zu einer veränderten Strahlungssituation für alle exponierten Organismen - Menschen, Tiere und Pflanzen.
1.2.2 Künstliche Strahlung
Künstliche Strahlung wird außer zu Beleuchtungszwecken auch zur Pflanzenanzucht in Gewächshäusern und Pflanzenwuchsschränken verwendet. Pflanzen wachsen besonders gut, wenn die künstlichen Strahlungsquellen genügend Energie im Absorptionsbereich der photosynthetischen Pigmente, also im roten und blauen Spektralbereich, emittieren. Auf Grund der verschiedenartigen spektralen Energieverteilung künstlicher Strahler kann die Wirkung auf Organismen unterschiedlich sein. In der Praxis werden Temperaturstrahler und Entladungslampen verwendet.
1.2.2.1 Temperaturstrahler
Die gebräuchlichste Lichtquelle in der häuslichen Praxis ist nach wie vor die Glühbirne. Sie ist ein Temperaturstrahler, bei dem ein Wolframfaden im Vakuum oder in einem inerten Gas wie Stickstoff, Argon oder Krypton durch elektrischen Strom zum Glühen gebracht wird. Wir haben gesehen, daß die spektrale Energieverteilung eines schwarzen Körpers von der Temperatur abhängig ist (Abb.1.3). Bei 2700° C, die im Wolframfaden einer Glühlampe herrschen (Schmelztemperatur 3380° C), werden neben dem sichtbaren Licht auch hohe Infrarotanteile emittiert. Bei photobiologischen Experimenten verwendet man daher Temperaturstrahler in der Regel zusammen mit wärmeabsorbierenden Filtern (KG-Gläser, Schott) oder mit Kühlwasserküvetten. Man kann das Wärmeproblem auch durch dichroitische Filter lösen, die das sichtbare Licht reflektieren, jedoch die infrarote Strahlung durchlassen (Kaltlichtspiegel, s. unten).
Seit 1959 werden Glühlampen hergestellt, in denen ein Wolfram-Halogen-Kreisprozeß abläuft (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 zurückkehrt und dort in Halogen und Wolfram aufspaltet, das an der Wendel abgeschieden wird. Diese Lampen haben eine höhere Lichtausbeute als normale Glühlampen, da sich kein Wolfram auf der Innenseite des Glaskörpers niederschlägt. Halogenglühlampen werden zunehmend im gewerblichen Bereich für Beleuchtungszwecke eingesetzt.
Glühlampen haben gegenüber Gasentladungslampen den Vorteil, daß sie keine Zündvorrichtung benötigen und daher schnell installiert werden können. Darüber hinaus ist die Beleuchtungsstärke recht konstant. Einige für den Pflanzenbau gravierenden Nachteile bestehen in der geringen Lichtausbeute pro aufgewendeter Stromenergie, hohe Infrarotanteile und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber schnellen Temperaturänderungen. Weiterhin kommt es bei Spannungsänderungen zu Änderungen der spektralen Energieverteilung. Die Lebensdauer von Glühlampen ist relativ kurz. Einige dieser Nachteile werden in Gasentladungslampen, die nach anderen Prinzipien arbeiten, eliminiert.
1.2.2.2 Entladungslampen
In einer Entladungslampe fließt ein elektrischer Strom zwischen zwei Elektroden durch Metalldämpfe oder ein ionisiertes Gas. Die aus der Kathode emittierten Elektronen stoßen mit den Metall- bzw. Gasatomen zusammen und heben deren Elektronen auf ein höheres Energieniveau. Nach der Anregung kehren die Elektronen spontan in den Grundzustand zurück 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 Lampenkörper herrscht.
Niederdruck-Entladungslampen. Bereits 1929 wurde die erste Niederdruck-Entladungslampe mit Natriumdampf entwickelt und später auch zur Straßenbeleuchtung 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 hauptsächlich Resonanzlinien bei 184,9 nm und 253,7 nm, von denen nur die längerwellige Linie das Quarzglas des Röhrenkörpers passieren kann. Quecksilber-Niederdrucklampen haben vor allem für Entkeimungszwecke praktische Bedeutung erlangt.
Prinzipiell gehören auch die Fluoreszenzstrahler zu den Entladungslampen. Dabei wird die kurzwellige UV-Strahlung der Hg-Entladung ausgenutzt, um den an der Innenwand des Röhrenkörpers aufgebrachten Leuchtstoff (z.B. Phosphor) zur Fluoreszenzemission anzuregen (Abb. 1.5). Die emittierte Fluoreszenzstrahlung liegt je nach Art des Leuchtstoffes meist im sichtbaren Bereich. Für 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 schädlichen Hg-Excitationsstrahlung die Röhrenkörper aus UV-undurchlässigem Glas gefertigt. Die spektralen Energieverteilungen einiger Leuchtstofflampen sind in Abb. 1.6. dargestellt, wobei aus der Vielfalt der Lampen einige für 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 Metalldämpfen 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 Hautbräunung eingesetzt. Durch Zusätze von Metallhalogeniden wie z. B. Zinnjodid erhält man Viellinienstrahler, die ein ausgeprägtes Kontinuum im sichtbaren Spektralbereich besitzen. Metallhalogenlampen werden in Fernsehstudios und Sportstadien verwendet. Im Vergleich zu Glühlampen ist ihre Lichtausbeute um ein Vielfaches höher.
Auch Edelgase lassen sich bei hohen Gastemperaturen durch Entladung zur Strahlungsemission bringen. Die Xenon-Hochdruckentladung führt zu einem kontinuierlichem Spektrum, das dem Sonnenspektrum sehr ähnlich ist. Handelsübliche Xenonlampen nehmen Leistungen bis zu 20 kW auf. Für pflanzenphysiologische Experimente werden häufig Xenon-Höchstdrucklampen von < 200 W bis 6 kW mit Wasser- oder Luftkühlung 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 = Lichtverstärkung durch stimulierte Aussendung von Strahlung). In Gaslasern werden Edelgasmoleküle angeregt und emittieren Photonen, die ihrerseits wiederum Moleküle anregen, so daß die Zahl identischer Photonen exponentiell anwächst. Ein Teil dieser Strahlung verläßt den Laser durch einen halbdurchlässigen Spiegel als hochintensiver, kohärenter 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 Fläche pro Zeiteinheit auftreffende Strahlung bestimmen kann (Bestrahlungsstärke). Natürlich 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 gleichmäßig verteilt. Daher liegt es nahe, daß nicht alle Photonen ein Elektron treffen, sondern daß 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 Maß für die Durchlässigkeit eines Stoffes für 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 Wellenlänge abhängig. Deshalb beschreibt man die Absorptionseigenschaften einer Substanz durch ihr Absorptionsspektrum. Natürlich ist die Absorption E eines Körpers abhängig 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 Meßwellenlänge die Konzentration eines gelösten Stoffes berechnen. Der Absorptionskoeffizient für diese Wellenlänge läßt sich in einer Tabelle nachschlagen.
Zweckmäßigerweise wählt man eine Wellenlänge im Absorptionsmaximum der untersuchten Substanz. Der molare Absorptionskoeffizient für Hämoglobin beträgt bei 430 nm etwa 126. Wenn wir bei dieser Wellenlänge eine Schichtdicke von d = 1cm verwenden und dabei eine Absorption von 0,4 messen, ergibt sich eine Konzentration der Hämoglobinlösung von
Abweichungen vom Lambert-Beerschen Gesetz treten durch Verunreinigungen der Substanzen, Assoziationen zwischen Molekülen oder Wechselwirkungen zwischen gelösten Substanzen und dem Lösungsmittel auf.
Bei unserer bisherigen Betrachtung haben wir den reflektierten Anteil der Strahlung Ir unberücksichtigt gelassen. Bei jedem Übergang zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex wird ein Teil der Strahlung reflektiert. Damit spaltet sich die eingestrahlte Gesamtintensität I0 in einen transmittierten, einen absorbierten und einen reflektierten Anteil auf
I0 = It + Ia + Ir
Betrachten wir statt einer reinen Lösung eine trübe 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 hängt von der Wellenlänge ab. Nach dem Gesetz von Rayleigh (1899) ist die Intensität der gestreuten Strahlung umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge, vorausgesetzt, daß der Durchmesser der streuenden Partikel klein im Verhältnis zur Wellenlänge ist. Somit ist der Anteil der gestreuten Strahlung im kurzwelligen Bereich bei weitem höher als im langwelligen. Bei der Messung von Absorptionsspektren von Suspensionen muß dieser Faktor berücksichtigt werden.
1.3.2 Quantenausbeute
Natürlich führen 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 Vorüberlegungen wollen wir an einem praktischen Beispiel ermitteln, wie viele der eingestrahlten Lichtquanten für photochemische Prozesse wirksam werden. Wir wollen feststellen, welcher Anteil der von einem Projektor auf ein Blatt fallenden Strahlung für die Photosynthese nutzbar gemacht wird. Diese Aufgabe erscheint auf den ersten Blick einfacher als sie ist. Zunächst müssen wir die Zahl der eingestrahlten Quanten kennen. Mit Hilfe einer Thermosäule (siehe unten) kann man die Bestrahlungsstärke messen, die von der Strahlungsquelle auf der Blattoberfläche ankommt. Kennt man die Fläche, kann man den auftreffenden Fluß berechnen. Nun wissen wir aber zum einen, daß die Energie eines Lichtquants von seiner Wellenlänge abhängt (vgl. oben). Zum anderen können wir nicht erwarten, daß die Lichtquelle bei jeder Wellenlänge eine gleiche Zahl von Quanten oder die gleiche Energie abgibt. Die wellenlängenabhängige Energieverteilung einer Lichtquelle wird durch das Emissionsspektrum (vgl. oben) charakterisiert (Abb. 1.7). Dieses Spektrum läßt sich ermitteln, indem man den in Frage kommenden Wellenlängenbereich in schmale Bänder zerlegt und die Bestrahlungsstärke in jedem Abschnitt mißt. Das Integral über alle diese Bereiche liefert dann die Gesamtenergie. In neuerer Zeit läßt sich diese Messung mit einem Spektroradiometer durchführen, das die Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge darstellt. Da wir die Energie eines Lichtquants einer gegebenen Wellenlänge berechnen können (siehe oben), können wir aus dem Emissionsspektrum die Zahl der Quanten in jedem Wellenlängenbereich 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) läßt sich der durch das Blatt transmittierte Anteil der Strahlung für jede Wellenlänge bestimmen und von der eingestrahlten Bestrahlungsstärke subtrahieren. Die reflektierte und gestreute Strahlung ist hingegen nur schwer zu bestimmen.
Solch eine Messung läßt sich in einer Ulbricht-Kugel durchführen (Abb. 1.8). Das Blatt wird im Inneren einer innen mattierten, weißen Kugel angebracht und durch eine kleine Öffnung bestrahlt. Das transmittierte Licht wird durch den schwarzen Träger hinter dem Blatt möglichst quantitativ absorbiert. Alles vom Blatt reflektierte Licht wird im Inneren der Kugel solange reflektiert, bis es auf der Photomeßzelle auftrifft. Durch Veränderung der Wellenlänge kann man ein Reflexionsspektrum ermitteln, das man ebenfalls von dem auf das Blatt eingestrahlten Spektrum abziehen kann. Ein Fehler dieser Methode beruht darauf, daß bei multipler Reflexion ein Lichtquant, das beim ersten Auftreffen auf das Blatt gestreut wurde, beim zweiten Mal absorbiert werden kann und somit nicht vom Photoempfänger erfaßt wird.
1.3.3 Aktionsspektren
Mit den oben beschriebenen Meßmethoden haben wir die Möglichkeit, zumindest angenähert die Zahl der vom Objekt absorbierten Quanten bei jeder Wellenlänge zu ermitteln. Die nächste Frage ist, ob tatsächlich alle absorbierten Quanten photosynthetisch wirksam werden. Es können ja photosynthetisch inaktive Pigmente Quanten absorbieren und in Wärme umwandeln, und auch die Photosynthesepigmente arbeiten nicht mit 100%iger Effektivität. Daher benutzt man den Begriff der relativen Quantenausbeute, der für jede Wellenlänge angibt, welcher Anteil der eingestrahlten Quanten nicht nur absorbiert, sondern auch photochemisch wirksam wird. Dazu bestimmt man für jede Wellenlänge die Abhängigkeit der Reaktion (in unserem Beispiel die photosynthetische Sauerstoffproduktion des Blattes) von der Quantenflußdichte (Abb. 1.9). Die so erhaltenen Kurven haben meist sigmoide Gestalt: oberhalb eines Schwellenwertes S steigen die Kurven zunächst langsam, dann etwa linear an, um anschließend in die Sättigung überzugehen. Nun sucht man sich im linearen Anstieg einen beliebigen Reaktionswert (oft den 50% Wert) und bestimmt für jede Wellenlänge, welche Quantendichte nötig ist, um diese Reaktion auszulösen; der Reziprokwert ist die Quantenausbeute. Trägt man die Quantenausbeute gegen die Wellenlänge ab, erhält 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 Bedürfnissen entspricht, wird sie in der Regel durch Zwischenschalten von Filtern modifiziert. Dabei wird die Quantenflußdichte im interessierenden Wellenlängenbereich etwa gleichmäßig abgeschwächt, oder bestimmte Wellenlängen werden selektiv unterdrückt.
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 Möglichkeit der breitbandigen Intensitätsabschwächung beruht auf dem Prinzip der Reflexion. Neutrale Reflexionsfilter bestehen aus teilweise lichtdurchlässigen Metallschichten, die auf einen Glas- (oder Quarz)träger aufgedampft sind. Diese Schichten reflektieren einen Anteil der auftreffenden Strahlung und sind weitgehend wellenlängenunabhängig. Ein Nachteil liegt in ihren physikalischen Eigenschaften begründet: man kann sie wegen der multiplen Reflektion nicht beliebig stapeln, um dadurch die Strahlung stärker zu schwächen.
1.3.4.2 Wellenlängenselektive Filter
Im Gegensatz zu Neutralfiltern transmittieren Farbfilter nur bestimmte Wellenlängenbereiche. Bevor moderne Glasfilter zur Verfügung standen, benutzten Photophysiologen Lösungen von Mineralsalzen, wie Chrom- und Kupfersalzen, oder organischen Substanzen bzw. Suspensionen davon in Gelatine als Trägersubstanz. Noch heute werden Kupfersulfatlösungen 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-durchlässig sein soll. Absorbierende Glasfilter lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Bandfilter und Kantenfilter. Bandfilter bestehen meist aus Lösungen einfacher oder komplexer Ionen wie Nickel-, Kobalt- oder Chromoxid in Glas. Diese Substanzen absorbieren und transmittieren in bestimmten breiten Wellenlängenbereichen. Einige Beispiele für Bandfilter sind in Abb. 1.11 zusammengefaßt. Bei Kantenfiltern hingegen beruht das Durchlaßverhalten auf der Größe 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 Wellenlänge 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, daß Strahlung kürzerer Wellenlängen nicht völlig abgeschnitten, sondern zunehmend reduziert wird. Daher ist es wichtig, den Transmissionsgrad bei jeder Wellenlänge 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 kürzeren Wellenlängen wieder zu (Abb. 1.13).
Häufig werden schmalbandige Filter benötigt, die Strahlung in einem engen Wellenlängenband von wenigen nm transmittieren und die Strahlung außerhalb dieses Bereiches unterdrücken sollen. Diese Forderung wird von Interferenzlinienfiltern erfüllt. 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 Träger aufgebracht und bestehen zum Beispiel aus ZnS (hoher Brechungsindex) und Na3AlF6 (niedriger Brechungsindex). Die Dicke der Schichten beträgt ein Viertel der maximal transmittierten Wellenlänge.
Ein Strahl I0, der senkrecht zu den aufgebrachten Schichten durch das Filter fällt (Abb. 1.14), wird an der Oberfläche 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 längere Strecke zurückgelegt und interferiert mit t1. Wenn 2a = n/2l, löschen sich die beiden Strahlen aus und wenn 2a = n l, verstärken sich die Strahlen. Hierbei tritt das Problem der Maxima höherer Ordnung auf: Ein Interferenzfilter mit einer nominalen Transmissionswellenlänge von 350 nm transmittiert auch bei 700 nm einen nicht zu vernachlässigenden Anteil. Die Maxima höherer Ordnung werden durch zusätzliche Farbfilter unterdrückt. Um die Wellenlängenselektion schärfer zu machen, werden meist mehrere Filter mit je einem Abstand von l /2 der maximal transmittierten Wellenlänge 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 Wellenlänge beim Kippen von Interferenzfiltern kürzer?
y = r sin a
x = r cos a = 1 ->
= =
d = + cos 2a = (1 + cos 2a)
Daß die Wellenlänge beim Kippen wirklich kürzer wird, läßt 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 Wellenlänge lmax bezeichnet man als tmax. Er liegt bei handelsüblichen Interferenzlinienfiltern bei 10 - 20 nm. Die Halbwertsbreite bezeichnet die Bandbreite bei 50% der maximalen Transmission. Ebenso kann man eine Bandbreite für 10% oder 1% angeben. Doppel-Interferenzfilter erreichen Halbwertsbreiten von etwa 5 nm, jedoch wird die schmälere Durchlaßkurve durch eine geringere maximale Transmission (10%) erkauft. Weiterhin ist die Transmission bei Wellenlängen außerhalb 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 Quantenflußdichte verwendet wie bei dem blauen Filter. Dieser Effekt ist natürlich nicht auf die Stahlungsperzeption eines rotempfindlichen Photorezeptors zurückzuführen, sondern auf die Blaudurchlässigkeit 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 Möglichkeit zur Erzeugung monochromatischer Strahlung beruht auf der Zerlegung von Weißlicht in seine spektralen Bestandteile. Das kann mit Hilfe eines Prismas geschehen, indem schmale Wellenlängenbereiche aus dem aufgespaltenen Spektrum ausgeblendet werden. Solche optischen Instrumente bezeichnet man als Monochromatoren. Häufiger jedoch werden Gitter eingesetzt, um das eingestrahlte Weißlicht durch Beugung in sein Spektrum aufzuspalten (Abb. 1.18). Die Gitter (Abb. 1.19) in modernen Monochromatoren werden entweder geätzt oder holographisch erzeugt, was eine hohe Gitterkonstante ermöglicht und den Streulichtanteil verringert. Sie befinden sich auf einer konkaven Oberfläche, die entweder sphärisch oder bei besseren Instrumenten toroidal gekrümmt ist. Auch bei Monochromatoren tritt wie bei Interferenzfiltern das Problem der Strahlung höherer Ordnung auf.
Die Strahlung fällt über einen Eingangsspalt E auf einen Spiegel S1, der sie auf das Gitter G lenkt. Das aufgespaltene Spektrum gelangt über S2 durch den Ausgangsspalt A. Je nach Weite des Spaltes verläßt ein mehr oder weniger breites Wellenlängenband den Monochromator. Die Wellenlängenselektion erfolgt durch Änderung des Anstellwinkels vom Gitter oder eines der Spiegel über ein Getriebe; die selektierte Wellenlänge 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 gegenüber Interferenzlinienfiltern die Vorteile, daß sie erstens fast die gesamte eingestrahlte Energie eines Wellenlängenbereiches transmittieren, da die Gitter mit einer hochreflektierenden Metallschicht überzogen sind, zweitens ist die Wellenlänge über einen weiten Bereich einstellbar und drittens ist die Resttransmission außerhalb des gewählten Bereiches sehr gering und beruht lediglich auf dem Streulicht im Inneren des Monochromators.
1.4 Strahlungsmessung
Strahlungsmessung basiert - unabhängig, 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 übereinstimmt) die Helligkeit einer Standardlichtquelle mit der einer zu messenden Lichtquelle. Durch Veränderung des Abstandes der Meßlichtquelle vom Beobachter, bei konstantem Abstand zur Standardlichtquelle, werden beide Lichtquellen auf den gleichen visuellen Eindruck eingestellt. Nun kann man aus der Gesetzmäßigkeit, daß die Beleuchtungsstärke mit dem Quadrat der Entfernung fällt, die Beleuchtungsstärke der Meßlichtquelle bestimmen.
Solche Standardlichtquellen stehen z.B. in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig zur Verfügung. Dagegen werden sekundäre 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 Äußerer 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 gefüllten Röhre (Abb. 1.21). Die Strahlung fällt durch eine Öffnung in der metallischen Beschichtung auf die Kathode, die dabei Elektronen emittiert. Eine extern angelegte Spannung beschleunigt die Elektronen in Richtung auf die Anode, so daß ein meßbarer Photostrom entsteht, der in gewissen Grenzen proportional zur Quantenflußdichte ist. In gasgefüllten Photozellen kollidieren die Elektronen mit den Gasmolekülen, die ihrerseits Elektronen abgeben, so daß 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 Meßfehler 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’s 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 “chopper light” (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 “chopper light” 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 “chopper light” 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 “chopper light” 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 |
Auf diesen Beitrag anworten
|
|
|
|
