Kurzbeschreibungen von Begriffen der Feinoptischen Industrie

Kurzbeschreibungen von einigen Begriffen die in der Feinoptischen Industrie vorkommen können

Absorption,

besonders in den Naturwissenschaften und in der Technik häufig verwendeter Begriff für die Aufnahme von elektromagnetischen Strahlen oder radioaktiver Strahlung bzw. die Aufnahme von Gasen in Flüssigkeiten oder Festkörpern. Der Begriff Absorption darf nicht mit dem Begriff Adsorption verwechselt werden. Bei der Absorption elektromagnetischer Strahlen wird ein Teil der Strahlung in Wärmeenergie umgewandelt; nicht absorbierte Strahlen werden reflektiert und haben dann veränderte Eigenschaften. Beispielsweise werden nur bestimmte Wellenlängen des Sonnenlichtes, das auf einen Körper fällt, absorbiert. So erscheint ein Körper weiß, wenn die gesamte auf ihn fallende Strahlung bzw. der größte Teil davon reflektiert wird. Einen Körper, der jegliche auftreffende Strahlung absorbiert, nennt man Schwarzer Körper.

Bei der Absorption von radioaktiver Strahlung, z. B. harte Röntgen- und Gammastrahlung, wird die Energie der enthaltenen Photonen in eine andere Energieform oder sogar in Materie umgewandelt. So entsteht beispielsweise bei der so genannten Paarbildung (siehe Röntgenstrahlung) aus dem auf den Atomkern treffenden Photon ein Positron (Antiteilchen des Elektrons) und ein Elektron. Die Absorption von radioaktiven Strahlen kann auch den so genannten Photoeffekt auslösen.

In der Chemie bedeutet Absorption die Aufnahme eines Stoffes durch einen anderen. So kann beispielsweise Sauerstoff in Wasser absorbiert werden.

Adhäsion,
Anziehung zwischen den Oberflächen von zwei Körpern. Die beiden sich berührenden Oberflächen können verschiedene chemische Zusammensetzungen aufweisen. Adhäsion unterscheidet sich von Kohäsion, welche die Anziehung zwischen Teilen ein und desselben Körpers darstellt. Wenn z. B. eine Glasplatte in Wasser getaucht und wieder herausgehoben wird, haftet etwas Wasser am Glas (Adhäsion), der Rest hingegen wird in die Wassermasse zurückgezogen (Kohäsion).

Die Anziehungskraft hat ihre Ursache in elektromagnetischen Wechselwirkungen. Innerhalb der Moleküle der sich gegenüberstehenden Oberflächen herrschen Schwankungen in der Elektronenverteilung. Aus ihnen resultiert die Anziehungskraft. Entscheidender Faktor für die Stärke der Kraft ist die Entfernung zwischen den Molekülen der sich gegenüberstehenden Oberflächen. Eine Oberfläche, die dem bloßen Auge glatt erscheint, kann in Wirklichkeit so rau sein, dass ihre Moleküle nicht nahe genug an eine gegenüberliegende Oberfläche herankommen.

In Bezug auf den menschlichen Körper wird von Adhäsion gesprochen, wenn Gewebe oder Organe, die normalerweise getrennt sind, zusammenwachsen. Diese Abnormität kann nach Entzündungen oder beim Heilungsvorgang nach operativen Eingriffen auftreten.

Auge,

lichtempfindliches Sehorgan des Menschen und der Tiere. Die Augen der einzelnen Spezies sind sehr unterschiedlich aufgebaut: Das Spektrum reicht von einfachen Strukturen, die nur zwischen hell und dunkel unterscheiden können, bis zu den kompliziert gebauten Augen des Menschen und anderer Säuger, die sehr geringfügige Abweichungen von Formen, Farben, Helligkeit und Entfernung erkennen. Der eigentliche Sehvorgang läuft aber nicht in den Augen ab, sondern im Gehirn. Das Auge hat die Aufgabe, die elektromagnetischen Wellen des Lichtes in ein Muster von Nervenimpulsen umzuwandeln, die dann an das Gehirn weitergeleitet werden.

Das Auge des Menschen

Das gesamte Auge, oft auch Augapfel genannt, ist eine kugelförmige Struktur mit einem Durchmesser von etwa 2,5 Zentimetern und einer deutlichen Ausbuchtung auf der Vorderseite. Die äußere Hülle besteht aus drei Gewebeschichten: Ganz außen liegt die schützende Lederhaut (Sklera), die etwa fünf Sechstel der Oberfläche des Augapfels bedeckt. Auf der Vorderseite geht sie in die vorgewölbte, durchsichtige Hornhaut (Cornea) über. Die mittlere Schicht ist die Aderhaut (Choroidea), die von vielen Blutgefäßen durchzogen ist und die hinteren drei Fünftel des Augapfels umschließt. Sie setzt sich im Ziliarkörper und in der Regenbogenhaut (Iris) fort, die sich auf der Vorderseite des Auges befindet. Die innerste Schicht schließlich ist die lichtempfindliche Netzhaut (Retina).

Die Hornhaut ist eine widerstandsfähige, fünfschichtige Membran, durch die das Licht ins Innere des Auges gelangt. Die hinter der Hornhaut gelegene vordere Augenkammer ist mit dem Kammerwasser gefüllt, einer durchsichtigen, wässrigen Flüssigkeit. Den hinteren Abschluss der vorderen Augenkammer bildet die transparente Augenlinse, ein abgeflacht-kugeliges Gebilde aus zahlreichen in Schichten angeordneten durchsichtigen Fasern. Die Linse ist über Bänder mit einem Ringmuskel umgeben, dem Ziliarmuskel, der sich um die ganze Linse herumzieht und zusammen mit dem umgebenden Gewebe den Ziliarkörper bildet. Der Ziliarmuskel kann die Linse flacher oder kugelförmiger machen und so ihre Brennweite verändern.

Die farbige Regenbogenhaut (Iris), die zwischen Hornhaut und Linse liegt, hat in der Mitte eine runde Öffnung, die Pupille; ihre Größe wird von einem Muskel am Rand der Iris gesteuert. Durch Kontraktion oder Entspannung verkleinert oder vergrößert der Irismuskel die Pupille und sorgt so dafür, dass immer die richtige Lichtmenge ins Auge gelangt.

Hinter der Linse befindet sich die große hintere Augenkammer. Sie ist mit dem Glaskörper gefüllt, einer durchsichtigen, geleeartigen Substanz, die von der dünnen Membrana hyaloidea umgeben ist. Der Druck des Glaskörpers sorgt dafür, dass der Augapfel straff und fest bleibt.

Die Netzhaut ist eine kompliziert gebaute Schicht, die im Wesentlichen aus Nervenzellen besteht. An ihrer vorderen Oberfläche liegen lichtempfindliche Sinneszellen, und dahinter befindet sich eine pigmentierte Gewebeschicht. Die Sinneszellen sehen aus wie Stäbchen oder Zapfen, die wie die Streichhölzer in einer Schachtel dicht zusammengepackt sind. Genau gegenüber der Pupille liegt der gelbe Fleck (Macula lutea), in dessen Mitte sich die Fovea centralis befindet, der Bereich des schärfsten Sehens. In der Mitte der Fovea centralis besteht die lichtempfindliche Schicht ausschließlich aus zapfenförmigen Zellen. In den anderen Bereichen der Netzhaut liegen Zapfen- und Stäbchenzellen, wobei die Zahl der Zapfenzellen zum Rand des lichtempfindlichen Bereichs hin abnimmt. Ganz außen finden sich nur noch Stäbchenzellen.

Etwas unterhalb und seitlich von der Fovea centralis mündet der Sehnerv in die Netzhaut; hier gibt es einen kleinen runden Bereich ohne lichtempfindliche Zellen, der als Blinder Fleck bekannt ist.

Die Funktionsweise des Auges

Ganz allgemein ähneln die Augen aller Säuger einer einfachen Kamera: Die Linse wirft ein kopfstehendes Bild der Außenwelt auf die lichtempfindliche Netzhaut, die dem Film in der Kamera entspricht.

Das Scharfstellen des Bildes (also die Fokussierung) erfolgt, wie bereits erwähnt, durch Abflachung oder Verdickung der Linse – diesen Vorgang nennt man auch Akkomodation. Bei einem gesunden Auge ist zum Erkennen entfernter Gegenstände keine Akkomodation erforderlich: Die Linse ist durch ihre Haltebänder abgeflacht und wirft ein scharfes Bild dieser Gegenstände auf die Netzhaut. Je näher das betrachtete Objekt jedoch ist, desto stärker zieht sich der Ziliarmuskel zusammen – die Haltebänder erschlaffen, und die Linse rundet sich ab. Ein Kleinkind kann noch auf eine Entfernung von etwa sechs Zentimetern scharf sehen, aber mit zunehmendem Alter lässt die Elastizität der Linse nach, so dass die Grenze des scharfen Sehens mit 30 Jahren etwa bei 15 Zentimetern und mit 50 Jahren bei 40 Zentimetern liegt. In höherem Alter verlieren die meisten Menschen die Fähigkeit, ihre Augen auf Lese- oder Arbeitsdistanz zu akkomodieren. Diesen Mangel, Alterssichtigkeit genannt, kann man durch eine besondere Nahbrille mit konvexen Gläsern ausgleichen.

Weit- und Kurzsichtigkeit (Hyperopie und Myopie) entstehen durch Abweichungen im anatomischen Aufbau des Auges.

Wie bereits erwähnt, sieht das Auge wegen des neurologischen Aufbaus der Netzhaut im Bereich der Fovea centralis am schärfsten. Jede einzelne Zapfenzelle der Netzhaut ist nämlich mit anderen Nervenfasern verknüpft. Als Folge wird die Reizung jeder einzelnen Zelle weitergeleitet, und man kann auch kleine Einzelheiten unterscheiden. Die stäbchenförmigen Zellen dagegen sind gruppenweise mit den Nerven verknüpft, so dass sie nur auf die Reizung einer größeren Fläche reagieren. Deshalb sprechen die Stäbchen zwar auf sehr geringe Lichtmengen an, aber sie können Einzelheiten des Bildes nicht trennen. Diese Strukturunterschiede haben zur Folge, dass sich das Gesichtsfeld des Auges aus einem kleinen mittleren Bereich sehr scharfen Sehens und einem großen Außenbereich mit weniger scharfer Abbildung zusammensetzt. Dafür ist das Auge aber in diesem Außenbereich besonders lichtempfindlich: Schwach beleuchtete Gegenstände lassen sich nachts mit dem äußeren Teil der Netzhaut noch wahrnehmen, während sie für den inneren Teil unsichtbar sind.

Die Empfindlichkeit der Stäbchenzellen für das nächtliche Sehen entsteht durch ein Pigment namens Sehpurpur oder Rhodopsin, das in den Zellen gebildet wird. Damit es entstehen kann, ist Vitamin A erforderlich – ein Mangel an diesem Vitamin führt zur Nachtblindheit. Der Sehpurpur wird vom Licht ausgebleicht und muss in den Stäbchenzellen im Dunkeln neu gebildet werden. Deshalb kann man zunächst nichts sehen, wenn man aus dem Hellen in einen dunklen Raum kommt; erst nach einiger Zeit entsteht wieder das Pigment. Ist Rhodopsin vorhanden, sprechen die Augen noch auf sehr geringe Lichtmengen an, ein Zustand, den man als Dunkeladaptation bezeichnet.

In der Außenschicht der Netzhaut befindet sich ein bräunliches Pigment, das die Zapfenzellen vor Schäden durch zu starke Lichteinwirkung schützt. Fällt sehr helles Licht auf die Netzhaut, wandern Körner dieses braunen Pigments in die Zwischenräume zwischen den Zapfenzellen und schirmen sie ab; diesen Zustand nennt man Helladaptation.

Subjektiv bemerkt man nichts davon, dass das Gesichtsfeld aus einem mittleren Bereich des scharfen Sehens und einem äußeren Bereich mit zunehmender Unschärfe besteht. Das liegt daran, dass die Augen ständig in Bewegung sind, so dass immer andere Teile des Gesichtsfeldes in den Bereich der Fovea gelangen, wenn sich die Aufmerksamkeit erst auf diesen und dann auf jenen Gegenstand richtet. Für diese Bewegungen sind sechs kleine Muskeln verantwortlich, die den Augapfel nach oben, unten, rechts, links oder Zwischenpositionen drehen. Die Augenmuskeln arbeiten mit höchster Präzision: Nach einer Schätzung können sie die Augen so bewegen, dass sich der Blick auf nicht weniger als 100 000 verschiedene Punkte des Gesichtsfeldes richten kann. Außerdem arbeiten die Muskeln beider Augen zusammen: Das ist sehr wichtig, damit sich der Blick beider Augen auf den gleichen Punkt richtet und somit die Bilder zusammenfließen. Ist diese Übereinstimmung gestört oder gar nicht vorhanden, entstehen Doppelbilder. Von großer Bedeutung sind die Bewegungen der Augen und das Verschmelzen der Bilder für das räumliche Sehen und das Abschätzen von Größen und Entfernungen.

Schutzstrukturen

Dem Schutz der Augen dienen mehrere anatomische Strukturen, die selbst nicht zum Augapfel gehören. Am wichtigsten sind die Augenlider, zwei Hautfalten oben und unten am Auge. Sie können durch Muskeln geschlossen werden und bilden dann eine Schutzschicht gegen zu starkes Licht und mechanische Verletzungen. Die Wimpern, Reihen kurzer Haare an beiden Augenlidern, halten Staubteilchen und Insekten bei teilweise geschlossenen Augenlidern fern. Auf der Innenseite der Augenlider befindet sich die Bindehaut, eine dünne, gefaltete Schutzmembran, die sich über die sichtbare Lederhaut legt. An den äußeren Augenwinkeln liegt jeweils eine Tränendrüse, die den vorderen Teil des Augapfels mit ihrem salzigen Sekret feucht hält. Die Tränenflüssigkeit wird bei jedem Lidschlag über den Augapfel verteilt und spült kleine Staubteilchen und andere Fremdkörper weg. Normalerweise schließen sich die Augenlider beim Menschen etwa alle sechs Sekunden reflexartig, aber wenn Staub ins Auge gelangt, blinzelt man häufiger, und dabei wird mehr Tränenflüssigkeit gebildet. An den Lidrändern liegen die Meibom-Drüsen; sie produzieren ein fettähnliches Sekret, das Augenlider und Wimpern geschmeidig hält. Auch die Augenbrauen dienen dem Schutz der Augen: Sie nehmen Schweiß oder Regen auf und leiten ihn ab, damit keine Flüssigkeit in die Augen läuft. Den Hohlraum im Schädel, der das Auge aufnimmt, bezeichnet man als Augenhöhle; ihre Knochenränder, Stirn- und Wangenknochen schützen das Auge vor mechanischen Verletzungen durch Stöße oder Schläge.

Vergleichende Anatomie

Im Tierreich findet man die einfachsten Augen bei Coelenteraten (Hohltieren) und Ctenophoren (Rippenquallen); diese beiden Stämme umfassen die Quallen und ähnliche einfach gebaute Tiere. Ihre Lichtsinnesorgane, Platten- oder Flachaugen genannt, bestehen aus Gruppen von Pigmentzellen, die mit Sinneszellen verknüpft sind. Oft ist außerdem eine verdickte Hautschicht vorhanden, die als eine Art Linse dient. Ähnliche, häufig aber etwas komplizierter gebaute Augen findet man bei Würmern und Weichtieren.

Bei den höher entwickelten Augen, die echte Bilder wiedergeben können, unterscheidet man zwei Typen: das Einfach- und das Komplex- oder Facettenauge. Einfachaugen ähneln in ihrem Grundbauplan dem Auge des Menschen, wobei sich die Details aber bei den jeweiligen Tiergruppen unterscheiden. Die einfachsten Tiere, die solche Augen besitzen, sind manche große Quallenarten. Komplexaugen dagegen findet man ausschließlich bei den Gliederfüßern; sie bestehen aus vielen Einzelaugen (Facetten), jedes mit einer eigenen Linse, das ein eigenes Bild in einer Sinneszelle erzeugt. Insgesamt entsteht so eine Art Mosaikbild, das bei manchen Gliederfüßerarten noch weiter verfeinert ist.

Die Augen der Wirbeltiere ähneln im Wesentlichen denen des Menschen, allerdings mit einigen wichtigen Abweichungen. Bei nachtaktiven Tieren wie Katzen oder Eulen sind die Augen ausschließlich mit Stäbchenzellen ausgestattet, die außerdem empfindlicher und zahlreicher sind als beim Menschen. Das Auge eines Delphins enthält 7 000-mal so viele Stäbchenzellen wie das menschliche, so dass dieses Säugetier auch in recht großen Tiefen noch sehen kann. Bei den meisten Fischen ist die Hornhaut flach und die Linse kugelförmig: Nahe Gegenstände werden dadurch besonders gut abgebildet. Die Augen der Vögel sind von vorn nach hinten länglich und bilden deshalb weit entfernte Objekte auf der Netzhaut größer ab.

Augenerkrankungen

Augenerkrankungen kann man danach einteilen, welcher Teil des Auges betroffen ist.

Die häufigste Erkrankung der Augenlider ist das Gerstenkorn (Hordeolum), eine Infektion in den Haarwurzeln der Wimpern, die meist durch Staphylokokken hervorgerufen wird. Ähnliche Symptome verursacht eine Vereiterung der Meibom-Drüsen auf der Innenseite des Augenlides. Nach Verletzungen bilden sich manchmal Abszesse der Augenlider. Gelegentlich beobachtet man auch angeborene Fehlbildungen der Augenlider, beispielsweise das Kolobom, einen Spalt im Augenlid, und die Ptosis, das Herabhängen des Oberlides. Zu den erworbenen Störungen gehören das Symblepharon, eine Verwachsung zwischen Lidinnenseite und Augapfel, die häufig nach Verbrennungen auftritt, das Entropium, eine Einwärtsdrehung des Augenlides zur Hornhaut und das Ektropium, bei dem das Augenlid nach außen gekehrt ist. Entropium und Ektropium können durch Vernarbungen entstehen oder aber durch krampfartige Muskelkontraktionen bei chronischer Augenreizung. Auch mehrere Hautkrankheiten, beispielsweise Ekzeme und Akne, sowie gut- und bösartige Tumore können an den Augenlidern auftreten. Eine weitere häufige Augenerkrankung ist die Bindehautentzündung (Konjunktivitis), von der die Schleimhaut an der Innenseite der Augenlider und der Außenseite des Augapfels betroffen ist. Siehe Bindehautentzündung; Trachom.

Erkrankungen der Hornhaut sind meist eine Folge von Verletzungen; sie können zur Hornhauttrübung und damit zu Sehstörungen führen. Ein Ödem, d. h. eine Schwellung der Hornhaut, ist beispielsweise manchmal eine Begleiterscheinung des Glaukoms.

In der Aderhaut, der mittleren Schicht der Augapfelwand, liegen die meisten Blutgefäße des Auges. Sie ist häufig der Ort von Sekundärinfektionen nach Vergiftungen oder bakteriellen Erkrankungen wie Tuberkulose und Syphilis. Auch Krebs kann sich im Gewebe der Aderhaut entwickeln oder von anderen bösartigen Tumoren im Körper dorthin wandern. Von den gleichen Infektionen kann auch die Netzhaut betroffen sein, die unmittelbar unter der Aderhaut liegt. Die Ursachen der retrolentalen Fibroplasie dagegen, einer Krankheit früh geborener Säuglinge, die zur Netzhautablösung und teilweisen Erblindung führt, kennt man nicht; man weiß nur, dass sie mit Fehlbildungen der Blutgefäße zu tun hat. Netzhautablösung ist manchmal auch eine Folge einer Kataraktoperation. Die abgelöste Netzhaut kann man heute in vielen Fällen mit Laserstrahlen wieder an der Augenrückwand befestigen. Eine weitere Netzhauterkrankung, die Makuladegeneration, zieht den mittleren Teil der Netzhaut in Mitleidenschaft und ist bei älteren Menschen eine Hauptursache für den Verlust der Sehfähigkeit.

Die Nervenfasern aus der Netzhaut vereinigen sich im Sehnerv, der die Impulse zum Gehirn weiterleitet. Dem Blutkreislauf in der Netzhaut dienen jeweils eine zentrale Arterie und eine Vene, die im Sehnerv liegen. Die Hülle des Sehnervs steht mit den Hohlräumen der Gehirnflüssigkeit in Verbindung. Die Entzündung des ganzen Sehnervs oder seines im Auge gelegenen Abschnitts nennt man Neuritis nervi optici. Ist dagegen der Abschnitt hinter dem Auge entzündet, spricht man von einer Neuritis optica retrobulbaris. Wenn der Schädelinnendruck (beispielsweise durch einen Gehirntumor) ansteigt, kann die Stauungspapille auftreten, eine Schwellung des Sehnervs an der Stelle, wo er in den Augapfel eintritt.

Hornhauttransplantation

Das Hornhautgewebe Verstorbener kann man für Transplantationen nutzen. Manchmal lässt sich ein Verlust der Sehfähigkeit, der durch Trübung oder Vernarbung der Hornhaut entstanden ist, durch chirurgische Entfernung des betroffenen Hornhautbereichs rückgängig machen. Beim derzeitigen Stand der Technik kann man Hornhautgewebe nur 48 Stunden lang am Leben erhalten. Experimente mit dem Einfrieren von Hornhauttransplantaten geben aber Anlass zur Hoffnung, dass sich dieser Zeitraum bald auf einige Monate erweitern wird. Auch den Glaskörper, die gallertartige Flüssigkeit in der großen Augenkammer, kann man konservieren und zur Behandlung von Netzhautablösungen verwenden.

Beugung,
im allgemeinen Sinn ein Phänomen, durch das sich Wellen oder Teilchenstrahlen infolge Reflexion oder Brechung nicht geradlinig ausbreiten, sondern in bestimmter Weise abgelenkt werden. Ein einfaches Beispiel für diese physikalische Erscheinung ist die Beugung am Spalt bzw. an der Kante eines Gegenstandes. Anstatt sich geradlinig auszubreiten, weitet sich eine beliebige Welle aus, nachdem sie die Kante des Gegenstandes oder den schmalen Spalt passiert hat. Im Fall von Lichtwellen kommt es hinter dem Spalt (bzw. der Kante) zu einem Hell-Dunkel-Muster – diese Struktur entsteht durch konstruktive und destruktive Interferenz. Beugungserscheinungen werden umso stärker, je näher die Größenordnung der Wellenlänge beispielsweise in die Größenordnung der Spaltabmessung gelangt. Wesentlich komplizierter sind die Verhältnisse bei der Beugung an einem optischen Gitter (siehe Beugungsgitter). Dabei handelt es sich im Prinzip um mehrere Spaltöffnungen, die man nebeneinander stellt.

Beugungsphänomene schränken beispielsweise die brauchbare Auflösung von Mikroskopen oder Fernrohren ein. In gezielter Form setzt man Beugung in verschiedenen Analysemethoden ein.

Beugungsgitter,

optisches Hilfsmittel, das u. a. zur Bestimmung von verschiedenen Wellenlängen oder Farben dient, die in einem Lichtstrahl enthalten sein können. Ein Beugungsgitter besteht gewöhnlich aus einer reflektierenden Oberfläche, die mit vielen schmalen, parallel verlaufenden Spaltöffnungen versehen ist. Ein auftreffender Lichtstrahl wird an jedem Spalt in alle Richtungen gestreut oder reflektiert (siehe Reflexion). Die Lichtwellen verstärken sich in bestimmten Richtungen und heben sich in anderen Richtungen gegenseitig auf. Die Richtungen der Verstärkung und der Auslöschung sind für die einzelnen Wellenlängen verschieden (siehe Interferenz). Ähnliche Effekte kann man auch auf Schmetterlingsflügeln, Fischschuppen, CDs und Vinylschallplatten und anderen Oberflächen mit feinen Spaltöffnungen beobachten. Diesen physikalischen Erscheinungen liegt das Phänomen der Beugung zu Grunde.

Typische Beugungsgitter sind etwa acht bis zehn Zentimeter breit und haben etwa 6 000 Spaltöffnungen pro Zentimeter. Ein qualitativ hochwertiges Gitter ist schwer herzustellen. Die ersten groben Beugungsgitter wurden von dem deutschen Physiker Joseph von Fraunhofer hergestellt. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts stellte der amerikanische Physiker Henry Rowland sehr genaue Beugungsgitter her, die bis zu 8 000 Spaltöffnungen pro Zentimeter enthielten. Heute ist es möglich, mit Hilfe von Interferometern die Anzahl der Spaltöffnungen auf ungefähr 50 000 pro Zentimeter zu erhöhen. Als geeignetes Werkzeug dient dabei ein spezieller Laser. Beugungsgitter werden in verschiedenen Geräten eingesetzt, die man beispielsweise zu Analysezwecken nutzt (z. B. in Spektrometern für verschiedene Wellen- und Frequenzbereiche).

Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacture,
computerunterstützte Verfahren zur Entwicklung bzw. Herstellung von Produkten.

Systeme zur rechnerunterstützten Entwicklung (CAD: Computer-Aided Design) können zahlreiche, wenn nicht sogar alle Eigenschaften eines speziellen Produkts modellieren. Normalerweise bestehen diese Eigenschaften aus Größe, Gestalt und Form jeder Komponente. Diese werden als zwei- oder dreidimensionale Zeichnungen erstellt. Wenn diese Dimensionsdaten in das Computersystem eingegeben und dort gespeichert wurden, ist der Designer in der Lage, während des Produkt-Entwicklungsprozesses Entwurfsideen sehr leicht zu verändern und anzupassen. Außerdem können die kombinierten Ideen von mehreren Entwicklern ausgetauscht und integriert werden, da die Daten rasch über Computernetzwerke ausgetauscht werden können, so dass Entwickler und Techniker von verschiedenen Orten aus als Team zusammenarbeiten können. CAD-Systeme können zudem die Leistungsfähigkeit eines Produkts simulieren. Sie können testen, ob eine vorgeschlagene elektronische Schaltung so wie beabsichtigt funktioniert, oder ob eine Brücke die vorausgesagten Lasten auch wirklich trägt.

Wenn CAD-Systeme mit ebenfalls von Computern gesteuerten Fabrikationsanlagen verbunden werden, bilden sie ein integriertes CAD/CAM-System. CAM bietet gegenüber traditionellen Fertigungsanlagen bedeutende Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die Steuerung, Bedienungsfehler sind weitaus seltener. CAM-Anlagen steuern die Verarbeitungsschritte aufgrund von Reihen aus Zahlencodes, die in Computerdateien gespeichert sind. Diese Computer-Zahlensteuerung (CNC: Computer Numeric Control) beschreibt die Maschinenoperationen als Spezialcodes sowie geometrische Formen der Komponenten und bildet daraus spezielle Computerdateien ("Teilprogramme"). Die Entwicklung dieser Teilprogramme ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die heute größtenteils von spezialisierter Computersoftware übernommen wird, die die Verbindung zwischen CAD- und CAM-Systemen herstellt.

CAD/CAM-Systeme ermöglichen Entwicklern außerdem das rasche Erarbeiten eines ersten Prototyps (möglicherweise auch in einer "virtuellen Wirklichkeit") und das Testen der Realisierbarkeit eines Projekts. Für Hersteller bieten sie nicht nur die Möglichkeit, komplizierte Produkte detailgetreu zu fertigen, sondern sie erlauben es auch, rasch und flexibel auf eine sich verändernde Nachfrage oder neuere Produktentwicklungen zu reagieren.

Drehmaschine,

Drehmaschinen können formen, bohren, schleifen und andere Bearbeitungen durchführen. Drehbänke sind die historischen Vorläufer von Drehmaschinen. Sie waren für die Bearbeitung von Holz geeignet und wurden bereits im Mittelalter verwendet. Man trieb sie über ein Pedal und eine damit verbundene Hebelmechanik an, ab dem 16. Jahrhundert auch durch Handkurbeln oder Wasserkraft, und stattete sie mit Haltevorrichtungen für die Schneidwerkzeuge aus. Zu Beginn der industriellen Revolution gab es bereits Drehmaschinen, mit denen sich Werkstücke aus Metall bearbeiten ließen. Die später entwickelten schweren Drehmaschinen ermöglichten die Herstellung von Präzisionsteilen, die Austauschbarkeit von Teilen und die Massenproduktion.

Ende des 18. Jahrhunderts baute der französische Erfinder Jacques des Vaucanson eine Industriedrehmaschine, bei der die Werkzeughalterung auf einem Schlitten montiert war. Dieser ließ sich mit Hilfe einer manuell betriebenen Spindel bewegen. Um 1797 entwickelten der britische Erfinder Henry Maudslay und der amerikanische Erfinder David Wilkinson fast gleichzeitig Vaucansons Erfindung weiter, indem sie den Schlitten über ein Getriebe mit der Spindel verbanden. Ihre Weiterentwicklung machte es möglich, das Werkzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen. 1821 erfand der amerikanische Maschinist Thomas Blanchard eine Drehmaschine, bei der ein Abtastrad einem Modell eines Gewehrschaftes folgte und das Schneidwerkzeug so steuerte, dass ein Teil produziert wurde, das mit dem Muster identisch war. Die Revolverdrehmaschine, die in den vierziger Jahren des 19. Jahrhunderts entwickelt wurde, besaß einen Revolvertisch, der gleichzeitig mehrere Werkzeuge trug. Bei einer Revolverdrehmaschine konnte das Werkzeug einfach gewechselt werden, indem man den runden Werkzeugträger drehte und verriegelte. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts folgten automatische Revolverdrehmaschinen, mit denen sich das Werkzeug

automatisch wechseln ließ. Moderne Drehmaschinen können so programmiert werden, dass sie die Arbeitsschritte, die Drehzahl der Spindel, Tiefe und Länge des Schnittes sowie die Art des Werkzeugs steuern und überwachen.

Werkzeugmaschine, die zur Bearbeitung von Metallen, Holz und anderen Stoffen verwendet wird. Bei der Bearbeitung wird das so genannte Werkstück schnell gegen ein feststehendes Schneidwerkzeug gedreht.
Glas (Kunst),
im allgemeinen Sinn Schmelzprodukte aus Quarzsand (Siliciumdioxid) mit anderen oxidischen Beimengungen. Im wissenschaftlichen Sinn versteht man unter Gläsern Feststoffe, die sich im amorphen (ohne einheitliche Struktur), nichtkristallinen Zustand befinden. Im Prinzip handelt es sich bei Glas um eine eingefrorene, unterkühlte Flüssigkeit oder Schmelze. Ist beispielsweise die Abkühlgeschwindigkeit bei einer Schmelze genügend groß, so lässt sich praktisch jede geschmolzene Substanz in den "Glaszustand" überführen. Daher zählen nicht nur Quarzsandprodukte zu den Gläsern. Auch Substanzen wie z. B. Acrylglas (u. a. Plexiglas) und Zellglas (aus Cellulose) gehören zu dieser Substanzgruppe. Glas findet sich auch in der Natur, in dem aus vulkanischer Tätigkeit stammenden Obsidian, und den geheimnisvollen Glasbrocken kosmischer Herkunft, die als Tektite bekannt sind. Durch Erhitzen kann Glas wieder verflüssigt werden. Glas ist in der Regel transparent, kann aber auch nur halb durchsichtig oder opak (undurchsichtig) sein. Durch besondere Stoffzusätze entsteht gefärbtes Glas.
Geschmolzenes Glas ist plastisch und durch die verschiedensten Techniken formbar. Erkaltetes Glas lässt sich schneiden. Bei niedrigen Temperaturen ist Glas spröde; wenn es zerspringt, erscheint auf der Oberfläche ein muschelartiges Bruchgefüge.

Glas wurde bereits vor 2000 v. Chr. erzeugt; die älteste bekannte Rezeptur stammt von 700 v. Chr., aber es gibt viele Anzeichen dafür, dass Glas und insbesondere Glasuren bereits viel früher hergestellt wurden.

Materialien und Techniken

Der Hauptbestandteil des herkömmlichen Glases ist Siliciumdioxid (Quarzsand). Je nach Anwendungsgebiet besteht Glas aus Gemischen von basischen Oxiden (wie z. B. Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Calcium-, Barium- oder Zinkoxid) und sauren Oxiden (z. B. Siliciumdioxid, Bortrioxid, Aluminiumtrioxid oder Diphosphorpentoxid).

Alkali-Kalk-Gläser

Natron-Kalk-Glas setzt sich aus Natriumoxid, Calciumoxid und Siliciumdioxid, Kali-Kalk-Glas aus Kaliumoxid, Calciumoxid und Siliciumdioxid zusammen. Das natriumhaltige Glas stellt im Prinzip das normale Gebrauchsglas dar. Hierzu zählen z. B. Fensterglas, Flaschen- und Spiegelglas. Kaliumhaltige Gläser sind im Gegensatz zu den Natron-Kalk-Gläsern schwerer schmelzbar. Kali-Kalk-Gläser verwendet man für besondere Zwecke wie z. B. Kronglas (optische Gläser). Darüber hinaus gibt es Gläser, die sowohl natrium- als auch kaliumhaltig sind. Zur technischen Herstellung dieser Gläser verwendet man Quarzsand, Natriumcarbonat (Soda) und/oder Kaliumcarbonat (Pottasche). Als Kalkkomponente (Calciumcarbonat) werden Kreide oder Marmor bzw. bei weniger feinen Gläsern Kalkspat oder Kalkstein eingesetzt. Beim Erhitzen bilden die Carbonate letztendlich das entsprechende Oxid und geben dabei Kohlendioxid ab. Zu einem geringen Anteil enthalten diese Gläser außerdem Aluminiumtrioxid und Magnesiumoxid.

Bleikristallglas

Feines Bleikristallglas wird aus Quarzsand, Kaliumcarbonat und Bleioxid (anstatt Kalk) hergestellt. Bleikristall ist schwer und weist eine starke Lichtbrechungsfähigkeit auf. Deshalb wird es beispielsweise für geschliffene Gebrauchs- und Luxusgegenstände eingesetzt.

Bor-Tonerde-Gläser

Bor-Tonerde-Glas enthält neben Siliciumdioxid und Alkalien als wichtigen Bestandteil noch Bor- und Aluminiumoxid. Da es sehr haltbar und gegen chemische Substanzen und Hitze äußerst widerstandsfähig ist, wird es u. a. für Kochgeschirr und Laborgeräte (z. B. Jenaer Glas) verwendet.

Farbe

Verunreinigungen in den Rohstoffen trüben das Glas. Um eine klare, farblose Masse zu erzielen, fügen die Glashersteller Mangandioxid bei; die durch Eisen im Sand hervorgerufene Grün- und Braunfärbung wird damit entfernt. Allgemein lässt sich Glas färben, indem man bestimmte Metalloxide in das Gemenge mischt. Außerdem lassen sich andere Farbstoffe in mikroskopisch feiner Form in der Glasmasse verteilen. Eine Trübung des Glases erreicht man mit Hilfe von Calciumphosphat, Zinndioxid und Kryolith. Aber auch die Nachbehandlung durch Schleifen oder Sandstrahlen bzw. durch Ätzen (mit Flusssäure) ist üblich.

Weitere Bestandteile

Schmelzmassen enthalten in der Regel einen bestimmten Anteil gemahlener Glasscherben, die aus Altglas gewonnen werden. Diese Beimischung fördert den Schmelzvorgang und die Homogenität des Glassatzes.

Physikalische Eigenschaften

Je nach Zusammensetzung kann Glas bereits bei einer Temperatur von 500 °C, aber auch erst bei 1 650 °C schmelzen. Die Zugfestigkeit, die normalerweise zwischen 280 und 560 Kilogramm pro Quadratzentimeter beträgt, kann bei speziell behandeltem Glas 7 000 Kilogramm pro Quadratzentimeter überschreiten. Die relative Dichte geht von 2 bis 8 bzw. von einem Wert, der unter dem von Aluminium liegt, bis zu der Dichte von üblichem Stahl. Ähnlich weit auseinanderliegende Werte gelten für die optischen und elektrischen Eigenschaften.

Mischen und Schmelzen

Nachdem die Rohstoffe sorgfältig vorbereitet sind, werden sie vermischt und in entsprechende Öfen eingetragen. So genannte Hafenöfen bestehen z. B. aus 16 großen Schmelzgefäßen aus Ton ("Glashäfen"), die etwa 400 bis 800 Kilogramm Rohmaterial fassen können. Noch größere Gefäße sind die so genannten Wannenöfen mit einem Fassungsvolumen bis zu 300 Tonnen und mehr. In diesen Schmelzbehältnissen werden die Mischungen zunächst bei Temperaturen bis zu 1 000 °C geschmolzen und anschließend bei Temperaturen bis 1 450 bzw. 1 550 °C geläutert (Beseitigung von Glaseinschlüssen oder Fehlern). Die Öfen werden mit Erdgas, Heizöl und/oder Strom beheizt. Das Rohmaterial wird laufend (kontinuierlich) durch eine Öffnung in den Ofen befördert. Im Gegenzug wird das geschmolzene und verfeinerte Glas am anderen Ende abgezogen. In langen Kühlöfen oder Kühlkammern kühlt die geschmolzene Masse auf die richtige Bearbeitungstemperatur ab und wird anschließend zu den Verarbeitungsmaschinen weitergeleitet.

Formgebung

Es gibt fünf grundlegende Verarbeitungsmethoden für Glas in plastischem Zustand: Gießen, Blasen, Ziehen und Walzen. Damit lässt sich eine unendliche Formenvielfalt erzielen. Die Formgebungstemperaturen liegen zwischen 1 200 und 900 °C.

Gießen

Bei dieser bereits im Altertum bekannten Technik wird das geschmolzene Glas in eine Form gegossen. In einem besonderen Verfahren wird die Glasschmelze auf Walzen gegossen und zu einem langen Band gewalzt, das man anschließend langsam abkühlen lässt. Bei so genanntem Drahtglas wird ein Drahtgeflecht vor dem Abkühlen in die Schmelze eingelegt. Walzen mit einer besonderen Prägung auf der Oberfläche dienen zur Erzeugung von Ornamentgläsern. Auf diese Art wurden z. B. auch Kirchenfenster hergestellt. Beim so genannten Schleuderverfahren gießt man die noch geschmolzene Mischung in eine sich schnell drehende Form und erhält so die gewünschte Gestalt. Dieses Verfahren dient zur Produktion von Hohlglasartikeln wie z. B. Fernsehbildröhren.

Glasblasen

Die revolutionäre Entdeckung, dass Glas aufgeblasen und in jede beliebige Form gebracht werden kann, wurde von den Phöniziern im 2. Jahrhundert v. Chr. gemacht. Die Glasbläserei verbreitete sich bald und blieb bis in das 19. Jahrhundert die wichtigste Technik zur Erzeugung von Glasgefäßen. Glasmacherpfeifen sind etwa 1,20 Meter lang und mit einem Mundstück versehen. Der Glasbläser nimmt mit dem Ende seiner Pfeife eine kleine Menge geschmolzenes Glas, den so genannten Glasposten, auf und wälzt ihn auf einer Holz- oder Metallplatte hin und her (Marbeln), um ihm die äußere Form zu geben und die Glasmasse etwas abkühlen zu lassen. Anschließend bläst er in die Pfeife und erweitert dadurch den Glasposten zu einer Blase, dem so genannten Külbel. Von da an kann er durch wiederholtes Erhitzen am Ofen, Blasen und Marbeln das Stück so lange bearbeiten, bis es die gewünschte Form und Stärke hat. Heutzutage nutzt man außerdem so genannte pneumatische Pfeifen, die mit Pressluft betrieben werden. Zur Herstellung von Hohlglasprodukten lässt sich das Glas auch in eine entsprechende Form blasen: Dabei gibt es die Möglichkeit, dem Posten mit einer Form ein Muster aufzudrücken, die Form dann zu entfernen und das Glas zur gewünschten Größe aufzublasen. Oder man bläst den Posten ganz in eine Form hinein, wodurch er deren Größe, Gestalt und Dekor erhält. Danach lassen sich weitere Posten anbringen, die zu Stielen, Henkeln und Füßen modelliert oder in anderer Weise weiterbearbeitet werden. Indem man eine bereits geformte Blase in flüssiges, anders gefärbtes Glas taucht, kann man sie "überfangen". "Eingeschlossenes" Glas erhält man, wenn ein Posten in eine oder mehrere Schichten verschiedenfarbiges Glas eingeführt und damit verbunden wird. Für abschließende Arbeiten und die Feuerpolitur am Ofen wird das Külbel auf der Seite, die der Pfeife gegenüberliegt, mit einem Metallstab, dem Hefteisen, verbunden und von der Pfeife abgenommen. Nach dem Abschlagen des Hefteisens bleibt eine Heftnarbe zurück, die später weggeschliffen oder poliert wird.

Ziehen

Flüssiges Glas kann direkt am Ofen zu den verschiedensten Objekten gezogen werden: zu Röhren, Platten, Fasern und Stäben, die denselben Durchmesser haben müssen. Röhren werden hergestellt, indem man eine zylindrische Masse halbflüssigen Glases zieht und gleichzeitig durch das Zentrum des Zylinders einen Luftstrom schickt.

Walzen

Tafel- und vor allem Spiegelglas wurden ursprünglich erzeugt, indem man die Glasschmelze auf eine glatte Oberfläche goss, das Rohprodukt glatt strich und anschließend polierte.

Abkühlvorgang

Nach dem Formen werden die Glasgegenstände kontrolliert gekühlt, um innere Spannungen auszugleichen, die durch das unterschiedlich schnelle Erkalten der verschiedenen Schichten des Glases entstehen (siehe Kühlen). Dazu wird das Glas in einem Ofen noch einmal erhitzt – diesmal auf eine Temperatur, die gerade so hoch ist, dass Spannungen abgebaut werden – und dann langsam abgekühlt. Spannungen können aber auch mit Absicht erzeugt werden, um das Glas widerstandsfähiger zu machen. Da Glas bricht, wenn die Zugbeanspruchung zu groß ist, komprimiert man die Oberfläche und vergrößert dadurch die Zugbeanspruchung, die das Material tolerieren kann. Mit dem so genannten Glastempern erreicht man die gewünschte Spannung der Oberfläche, indem man das Glas so weit erhitzt, bis es fast weich ist, und dann durch einen Luftstoß oder Eintauchen in Flüssigkeit schockartig abkühlt. Die Oberfläche wird sofort hart, und die nachfolgende Kontraktion der inneren Schichten, die langsamer abkühlen, zieht die Oberfläche zusammen. Mit dieser Methode lassen sich in dicken Glasplatten Dichten bis zu 2 460 Kilogramm pro Quadratzentimeter erzielen. Daneben sind chemische Methoden entwickelt worden: Die Zusammensetzung oder die Struktur der Glasoberfläche wird durch Ionenaustausch so verändert, dass die Dichte des Materials zunimmt. Damit lässt sich eine Zugfestigkeit von über 7 000 Kilogramm pro Quadratzentimeter erreichen.

Glaskunst

Ein Glasgegenstand kann auf vielfältige Weise verziert werden:

Beim Glasschliff werden in das Glas Facetten, Einkerbungen und Vertiefungen eingearbeitet. Die Arbeitsschritte sind: Markieren des Musters, Rohschliff, Nachbearbeitung, Polieren.

Beim Glasschnitt werden die Entwürfe mittels einer Diamantspitze, Metallnadel bzw. einem rotierenden Rädchen (meist aus Kupfer) eingeritzt.

Beim Ätzen wird mit Säure gearbeitet; die Oberfläche kann je nach Zusammensetzung der Säure rau oder matt ausfallen.

Beim Sandstrahlblasen werden feine Sandkörner, Flintsplit oder gemahlenes Eisen mit hoher Geschwindigkeit auf das Glas geblasen, um ein Muster mit matter Oberfläche zu erhalten.

Bei der Kaltmalerei werden Lack- oder Ölfarben auf das Glas aufgetragen.

Bei der Emailmalerei werden Emailfarben aufgetragen und anschließend bei relativ niedrigen Temperaturen eingebrannt, d. h. mit dem Untergrund verbunden.

Beim Vergolden wird Blattgold, Goldfarbe oder Goldstaub aufgetragen. Will man jedoch ein dauerhaftes Ergebnis, ist das Einbrennen bei niedriger Temperatur erforderlich.

Antikes Glas

Die ältesten Glasobjekte sind Perlen. Hohle Gefäße sind nicht vor 1500 v. Chr. nachgewiesen. Handwerker aus Asien haben wahrscheinlich die Glasherstellung in Ägypten begründet, wo die ersten Gefäße aus der Zeit von Thutmosis III. (1504-1450 v. Chr.) datieren. Die Glaserzeugung stand in Ägypten und Mesopotamien bis circa 1200 v. Chr. in Blüte, kam dann aber für mehrere Jahrhunderte ganz zum Erliegen. Im 9. Jahrhundert v. Chr. wurden Syrien und Mesopotamien die Zentren der Glaserzeugung, und von dort aus verbreitete sie sich über den gesamten Mittelmeerraum. In der hellenistischen Zeit übernahm wieder Ägypten mit seinen Glashütten in Alexandria eine führende Rolle. Die zukunftweisende Entdeckung der Glasbläserei wurde im 1. Jahrhundert v. Chr. an der phönizischen Küste gemacht.

Die ersten Techniken

Auch schon vor der Erfindung der Glasmacherpfeife konnte man Gegenstände aus farbigem Glas, ob durchscheinend oder opak, formen und verzieren. Es gab zum einen die Methode, das Objekt aus einem soliden Glasblock herauszuschneiden. Zum anderen übernahmen die Glasmacher von den Keramikern und Metallbearbeitern die Verwendung von Formen; aus der in eine Form gegossenen Glasmasse konnten Intarsien, Statuen und oben offene Gefäße wie Krüge und Schalen gefertigt werden. Daneben konnten vorgeformte Glasstäbe wieder erhitzt und in einer Form miteinander verschmolzen werden, um Bandglas zu erhalten. Die Mosaiktechnik ermöglichte Muster von großer Komplexität. Dabei wurden verschiedene Glasfäden und -bänder so zu einem Stab verschmolzen, dass sich aus dem Durchschnitt ein Muster ergab. Wenn man den Stab in Scheiben schnitt, konnte man diese in eine Form für ein Gefäß oder eine Schmuckplatte legen und durch Erhitzen fest miteinander verschmelzen. Goldbandgläser zeigten unregelmäßige Streifen verschiedenfarbigen Glases, wobei Blattgold in einen durchsichtigen Streifen eingebettet war.

Die meisten Glaserzeugnisse aus der vorrömischen Zeit wurden mit der Sandkerntechnik gefertigt. Dazu brachte man auf einen Metallstab eine Mischung aus Ton und Dung auf und formte ihn so, wie die inneren Wände des gewünschten Gefäßes beschaffen sein sollten. Dieser so genannte Sandkern wurde in einen Tiegel mit geschmolzenem Glas getaucht oder mit Glasfäden umwunden. Während des gesamten Prozesses erhitzte man das Werkstück und glättete die Oberfläche auf einem flachen Stein. Auffallende Federmuster, wie man sie von ägyptischem Glas der 18. und 19. Dynastie kennt, konnten aufgebracht werden, indem man verschiedenfarbige Glasfäden um das Objekt legte und kämmte. Henkel, Füße und der Hals wurden nachträglich angesetzt, und dann musste das Glas erkalten. Der letzte Arbeitsgang bestand darin, den Stab zu entfernen und das Kernmaterial herauszukratzen. Die Sandkerntechnik ließ sich nur für kleinere Gefäße, wie Väschen und Behälter für Kosmetika, anwenden. Spätere, ab dem 6. Jahrhundert v. Chr. erzeugte Gegenstände übernahmen die Formen der griechischen Keramik.
Das Glasblasen, eine weniger teure und zeitraubende Produktionsmethode, erreichte von Syrien aus Rom und verdrängte allmählich die alten Techniken. Damit war auch ein Geschmackswandel verbunden: Während die früheren Methoden Farbe und Muster hervorhoben, lenkte die Glasbläserei die Aufmerksamkeit auf das dünne, durchsichtige Glas. Zudem kam am Ende des 1. Jahrhunderts das farblose Glas in Mode. Das Glasblasen ermöglichte die Herstellung großer Stückzahlen und machte aus dem Luxusartikel ein alltägliches Material, das für Fensterscheiben, Trinkgefäße und Behälter aller Art verwendet wurde.

Die meisten bekannten dekorativen Techniken wurden von den Handwerkern der Römerzeit erfunden. Geblasenes Glas erhielt Gestalt und Muster in Teil- und Ganzformen; die Verwendung solcher Formen ermöglichte auch die Erzeugung von Flaschen in höherer Stückzahl. Manche der römischen Glasobjekte tragen ein aufwendiges Dekor. Einmal sind sie mit religiösen und historischen Szenen bemalt; dann wieder enthalten sie einen Entwurf aus Blattgold, der zwischen zwei durchsichtigen Schichten eingeschlossen ist. Die Glasmacher der Antike passten Techniken, die für die Steinbearbeitung entwickelt wurden, ihrem Material an und erzielten durch Schliff, Schnitt und Gravur Zierglas von beachtlicher Qualität. Kameenglas entstand, indem Schichten verschiedenfarbigen Glases verschmolzen und dann so ausgeschnitten wurden, dass kontrastierende Motive reliefartig zurückblieben. Das bekannteste Beispiel für römisches Kameenglas ist die Portlandvase (1. Jahrhundert n. Chr., Britisches Museum, London), die die Sage von Peleus und Thetis darstellt. Kunstvolle Effekte entstanden auf den Diatret- oder Netzgläsern. Dabei wurden große Teile der Oberfläche so weggeschnitten, dass ein kunstvolles Netz übrigblieb, das mit dem Gefäß im Innern nur durch dünne Stege verbunden blieb.

Europäisches Glas

Der Untergang des Römischen Reiches zog auch den Niedergang der Herstellung von Glas für den täglichen Gebrauch nach sich. Erst im Mittelalter konnte sich wieder eine nennenswerte Glasherstellung in Mitteleuropa etablieren.

Glas im Mittelalter

Die Glasmacher in Nordeuropa und Großbritannien stellten unter fränkischem Einfluss Gefäße für den täglichen Gebrauch her. Manche lassen neue, robustere Formen erkennen. Die Ausschmückung beschränkte sich auf einfache, mit einer Form aufgedrückte Muster, aufgeschmolzene gedrehte Fäden oder Bänder und Ornamente wie aufgelegte Glastropfen. Das meist grüne Glas enthielt als Schmelzmittel anfangs das Soda, das aus der Asche von Meerespflanzen gewonnen und wie in römischer Zeit aus dem Mittelmeerraum importiert worden war. Als jedoch im Spätmittelalter Soda kaum mehr erhältlich war, nahmen die Glasmacher der nördlichen Regionen die Holzasche aus ihren Öfen als Flussmittel für die Glasschmelze und erzeugten Pottascheglas. Da sich die Glashütten in den Wäldern befanden, die Brennstoff und Asche zur Verfügung stellten, nannte man dieses Glas auch Waldglas. Auf diese Weise wurde in kleineren europäischen Glashütten fast bis in die heutige Zeit einfaches Glas erzeugt.

Den Höhepunkt der Glasproduktion im Europa des Mittelalters bildeten, durch die Unterstützung der Kirche, das Mosaikglas im Mittelmeerraum und die aus farbigen Stücken Glas zusammengesetzten Kirchenfenster in den nördlicheren Regionen (siehe Mosaik; Glasmalerei). Mosaike wurden aus kleinen Glaswürfeln (tesserae) hergestellt. Die tesserae, die aus kompakten Glasbrocken geschnitten wurden, fielen manchmal sehr kunstvoll aus, vor allem wenn sie Gold- oder Silberblei-Intarsien aufwiesen. Über die Herstellung von Mosaikglas vor dem 14. Jahrhundert ist nur wenig bekannt.

Glasfenster in Kirchen werden zwar bereits in Dokumenten des 6. Jahrhunderts erwähnt, die ältesten erhaltenen Fenster stammen jedoch aus dem 11. Jahrhundert. Wahrscheinlich wurde das meiste Fensterglas für die mittelalterlichen Kathedralen von lothringischen und normannischen Glashütten geliefert. Das farbige oder überfangene Glas wurde in Stücke geschnitten, wie es der Entwurf erforderte, und Details wurden, häufig mit braungetöntem Email, aufgemalt. Dann passte man die Teile in Bleistreifen ein und setzte das vorgefertigte Fenster in einen Rahmen aus Eisen. Die Kunst der Glasmalerei verfiel in der Spätrenaissance, wurde aber im 19. Jahrhundert wieder zum Leben erweckt.

Von der Renaissance bis ins 18. Jahrhundert

Obwohl Glas in Venedig bereits ab dem 10. Jahrhundert erzeugt wurde, datieren die ältesten bekannten venezianischen Gläser aus dem 15. Jahrhundert. Die Glasindustrie, die sich auf der Insel Murano konzentrierte, beherrschte den europäischen Markt bis um 1700. Die größte Leistung Venedigs auf diesem Gebiet besteht in der Entwicklung eines sehr reinen Sodaglases von großer Streckbarkeit, das farblos und transparent war. Wegen seiner Ähnlichkeit mit Bergkristall nannte man es cristallo.
Die ersten Gegenstände aus cristallo besaßen einfache Formen und waren häufig mit Schmuckmotiven in Emailmalerei verziert. Daneben gab es auch farbiges und opakes Glas. Im späten 16. Jahrhundert wurden die Formen leichter und zarter. In Venedig entwickelte man auch Filigranglas, das vielfach nachgeahmt wurde. Mit opaken, weißen Fäden, die in das Glas eingeschlossen und zu komplizierten, feinen Mustern verdreht waren, erzielte man ein Glas, das Ähnlichkeit mit duftiger Spitze hatte. Um chinesisches Porzellan vorzutäuschen, wurden Gefäße aus opakweißem Glas geblasen und mit Emailfarbe bemalt. Sodaglas war besonders geeignet für den Diamantriss, bei dem ein Diamant in einem Halter wie ein Bleistift benützt wurde. In dieser Technik entwickelten die holländischen Kunsthandwerker des 17. Jahrhunderts eine besondere Fertigkeit. Sie stippten (klopften) mit dem Diamanten so auf die Glasoberfläche, dass aus unzähligen Punkten kunstvolle Bilder entstanden.

Glashersteller in ganz Europa versuchten die Produktionsmethoden, Materialien und Dekore der Venezianer zu kopieren. Die Kenntnis davon verbreitete sich mit den Gläsern selbst, wie auch durch Antonio Neris Buch L’arte vetraria (1612) und die venezianischen Glasbläser. Ihnen war zwar verboten, aus Venedig abzuwandern und die Geheimnisse ihrer Kunst zu verraten, aber einige Glasmacher aus Murano verließen Italien und gründeten Glashütten in anderen Teilen Europas. In vielen Ländern wurde eine eigene façon de Venise ausgebildet. Der Einfluss Venedigs schwächte sich schließlich im 17. Jahrhundert ab, als in Deutschland und England neue Glasrezepturen entwickelt wurden.

Das deutsche Pottascheglas war dicker und härter als das cristallo und damit besser fürs Schnittdekor geeignet. Caspar Lehmann, der in der Werkstatt Kaiser Rudolfs II. in Prag arbeitete, hatte maßgeblichen Anteil an der Entwicklung des Glasschnittes im frühen 16. Jahrhundert. Glasschneider und Graveure in Nürnberg und Potsdam waren für ihre geschickt ausgeführten Entwürfe im Barockstil berühmt. Zur gleichen Zeit setzte man jedoch in den deutschen Glashütten die Tradition der Email- und Kaltmalerei fort.
Ein weiterer Fortschritt in der Glaskunst war die Erfindung des Bleioxidglases (um 1676) durch George Ravenscroft in England. Es war formbarer, glänzender und haltbarer als das zerbrechliche cristallo und galt im 18. Jahrhundert als das beste Glas. Englische Tafelgläser beherrschten den Markt in Europa und Übersee und wurden zum Vorbild für die Glasproduktion auf dem Kontinent. Als Neuerung brachte England in der Mitte des 18. Jahrhunderts Weingläser hervor, in deren Schäften Spiralen aus Luft oder opakem Email, die twists, eingeschlossen waren. Eines der hervorragendsten Erzeugnisse dieser Periode war der englische Kronleuchter mit seinen geschliffenen Glastropfen. Welche Möglichkeiten im Bleikristall stecken, das sich ja besonders für den Schnitt eignet, wird in klassizistischen Glaserzeugnissen (siehe Klassizismus) sichtbar.
Die Stilgeschichte des Glases im 19. Jahrhundert ist vom rapiden Fortschritt der Glastechnologie und der Wiederentdeckung und Aneignung alter Techniken gekennzeichnet.

Mechanisches Pressen, das in den USA erfunden wurde, war eine billige und schnelle Produktionsmethode, die die Bedeutung des Glases im Haus und in der Industrie erheblich steigerte. Vor 1850 erhielten die Gläser durch das Pressen komplizierte, spitzenähnliche Muster, die den ursprünglich unerwünschten milchigen Charakter des Glases, der durch den Kontakt mit der kälteren Pressform verursacht wurde, überdecken sollte. Schlichtere Entwürfe, die seit den vierziger Jahren des 19. Jahrhunderts beliebt und als Pressmusterglas bekannt waren, waren in großer Vielfalt auf dem Markt. Gleichzeitig litt die Nachfrage nach dem teureren geschnittenen und geschliffenen Glas unter dem Wettbewerbsdruck durch das Pressglas. Erst gegen 1880 erlangte es etwas von seiner früheren Beliebtheit zurück, als die ausgefeilten Muster entwickelt wurden, mit denen man technische Virtuosität bewies und die Lichtbrechungsfähigkeit von hochwertigem Glas ausschöpfte.

Seit dem späten 18. Jahrhundert wurden eine Reihe von römischen Glaserzeugungstechniken wiederbelebt und dem klassizistischen Stil angepasst. Glasmanufakturen auf dem Kontinent machten eine Art Verbundglas mit Blattgold, das Zwischengoldglas. Kameenähnliche Wirkungen wurden mit eingeschmolzenen Sulfiden – häufig in Form von Porträts erzielt, und Kameengravur und -schnitt wurden seit der Mitte des Jahrhunderts angewandt. Die besten Arbeiten stammen von der Firma Thomas Webb and Sons (gegründet 1837), einer Glashütte in Stourbridge in England. Briefbeschwerer, die seit etwa 1845 in Mode waren, zeigten häufig ein Millefiorimuster (tausend Blumen), das an antikes Mosaikglas erinnert. Die im späten 19. Jahrhundert beliebte Technik, Glas hellglänzend zu polieren und mit gravierten Ornamenten zu schmücken, entstand in Anlehnung an die Kristallglasarbeiten der Renaissance.

Böhmen war weiterhin führend auf dem Gebiet der mit dem Rädchen geschnittenen Dekors. Der Fortschritt in der Chemie ließ neue Arten von opakem, farbigem Glas wie das Lithyalin, entstehen, die Halbedelsteinen ähnelten. Dazu überzog man die Gefäße mit transparenten Glasuren und Lasuren. Parallel zu diesen Neuerungen kam es zu einer Renaissance der Glasmalerei.

Die Glasmacher entwickelten ab 1880 neue Stile für handwerklich bearbeitetes Glas. Dabei handelte es sich um dekorative und neuartige Formen, die als Reaktion auf die Massenproduktion entstanden. Zwischen 1890 und 1910 wurde in Deutschland und Frankreich Glaskunst im Jugendstil hergestellt. Louis Comfort Tiffany in den USA sowie Emile Gallé und die Firma Daum Frères (gegründet 1889) in Nancy waren die führenden Vertreter.

Nach dem 1. Weltkrieg entstand ein neues Interesse an Struktur und formalisierten Dekoren, wie an den Entwürfen René Laliques und Maurice Marinots zu erkennen ist. In den dreißiger Jahren begannen einige skandinavische (Oreforrs) und amerikanische Firmen, klares, farbloses, häufig auch geschliffenes Bleiglas auf den Markt zu bringen.

Islamisches und asiatisches Glas

Islamisches Glas

Die älteren islamischen Traditionen des geschnittenen Glases, wie sie die Sassaniden beherrschten, wurden von Kunsthandwerkern fortgeführt, die Gefäße, häufig mit Tiermotiven, in Hochschnitt verzierten. Sie stellten auch qualitativ hochwertiges, farbloses Glas mit feinen, mit Rädchen geschnittenen Mustern her. Die Einführung der eingebrannten Emailfarben und das Vergolden erweiterte die Palette der Dekorationen; Aleppo und Damaskus waren hierfür berühmt. Aus Ägypten kam die Entdeckung der Lüstermalerei, mit der schimmernde, metallische Effekte in Braun, Gelb und Rot auf Keramik und Glas aufgebracht wurden. Lampen für Moscheen, Schalen, Becher und Flaschen erhielten die geometrischen islamischen Muster. Ihre Formen und Dekors beeinflussten später auch die Glaswaren im Westen, besonders in Venedig und Spanien.

Indisches Glas

In Indien wurde Glas bereits im 5. Jahrhundert n. Chr. hergestellt, aber eine nennenswerte Glasproduktion entstand erst in der Mogulzeit und dann im 17. Jahrhundert. Zu den bevorzugten Gegenständen gehörten Gestelle für Wasserpfeifen, Spritzflaschen und Schüsseln, die oft vergoldet oder emailliert und mit floralen Mustern geschmückt waren. Im 18. Jahrhundert verkaufte die britische East India Company große Mengen englischen Glases nach Indien, das von indischen Kunsthandwerkern geschliffen wurde.

Ostasiatisches Glas

Chinesisches Glas mit einem sich wiederholenden Augenmuster wurde bei Ausgrabungen der Tschou-Dynastie (11. Jahrhundert bis 256 v. Chr.) entdeckt. Frühe Glasobjekte, die häufig aus eingeschmolzenem Importglas entstanden, waren klein und wurden wie Edelsteine geschnitten. Typisch für chinesisches Glas ist seine Behandlung als Imitat von Halbedelsteinen, aus dem man Schmuck und später auch Riechfläschchen herstellte. Aus der Zeit vor der Glashütte am Kaiserlichen Palast von Peking (1680) sind nur wenige Glasgefäße bekannt. Unter dem Einfluss der Jesuiten am Hof von Peking wurden geblasene Gefäße in verschiedenen westeuropäischen Stilrichtungen hergestellt. Im 18. und 19. Jahrhundert waren die Glaswaren jedoch vorwiegend im chinesischen Stil gefertigt, mit kräftigen Farben und geschnittenen oder emaillierten Dekoren. Die Chinesen erwiesen sich auch als Meister des Kameenschnittes. Charakteristisch für ihre Glasgefäße sind die schlichten, vom Porzellan beeinflussten Formen, die dicken, oft mehrfach überfangenen Wände und der wächserne Glanz.

Es gibt keine Hinweise, dass in Japan vor 2000 v. Chr. Glas erzeugt wurde. Von einigen Gefäßen, buddhistischen Reliquienfläschchen und Bestattungsurnen, nimmt man an, dass sie aus der Asuka und Narazeit (552-794) stammen. Die Glasherstellung kam anscheinend im 13. Jahrhundert ganz zum Erliegen und wurde erst gegen 1750 wieder belebt. (1629-1695),

Römisches Glas

Entwicklungen im 19. und 20. Jahrhundert

Huygens, Christiaan

niederländischer Astronom, Mathematiker, Physiker und Uhrenbauer. Huygens wurde in Den Haag geboren und studierte Jura und Mathematik. Bis zu seiner Berufung an die Académie des sciences in Paris im Jahr 1666 lebte er zurückgezogen als Privatgelehrter. Seine zahlreichen wissenschaftlichen Entdeckungen brachten ihm breite Anerkennung und Ehrungen unter den Wissenschaftlern des 17. Jahrhunderts ein. Zu seinen Entdeckungen gehören das später nach ihm benannte Prinzip, nach dem jeder Punkt auf einer sich vorwärts bewegenden Wellenfront selbst eine Quelle neuer Wellen ist (siehe Optik). Aus diesem Prinzip entwickelte er die Wellentheorie des Lichtes. 1655 fand Huygens eine neue Methode zum Schleifen und Polieren von Linsen. Die damit erhaltene bessere Trennschärfe ermöglichte ihm die Entdeckung des Saturn-Mondes und versetzte ihn in die Lage, die erste genaue Beschreibung der Ringe um den Saturn zu geben. Da für die Beobachtung des Sternhimmels ein exaktes Zeitmaß notwendig war, entwickelte Huygens die Pendeluhr (siehe Uhren). 1656 ersann er ein Fernrohr (siehe Teleskop), das heute seinen Namen trägt. In seinem Hauptwerk Horologium Oscillatorium (1673) bestimmte er die wahre Beziehung zwischen der Länge eines Pendels und der Dauer der Schwingung und entwickelte Theorien über die Zentrifugalkraft bei der Kreisbewegung. Diese halfen dem englischen Physiker Sir Isaac Newton, das Gravitationsgesetz zu formulieren. 1678 entdeckte Huygens die Polarisation des Lichtes durch Doppelbrechung in Calcit.

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Infrarotstrahlung

elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlängen etwas größer sind als die des sichtbaren roten Lichtes . Wellenlängen für Infrarotlicht liegen etwa zwischen 10-6 und 10-3 Metern. Infrarotstrahlung kann aufgrund ihrer Wärmewirkung nachgewiesen werden, z. B. mit einem Bolometer. Die Infrarotstrahlung wurde 1800 von dem Astronomen William Herschel entdeckt.

Mit Hilfe der Infrarotstrahlung lassen sich auch Bilder von sehr weit entfernten Gegenständen oder Objekten aufnehmen. So untersucht man beispielsweise in der Astronomie den infraroten Teil des Spektrums von Sternen und interstellaren Nebeln, die kaum sichtbares Licht emittieren.

So genannte Infrarotfilter lassen nur Infrarotstrahlung durch, andere Wellenlängen werden herausgefiltert. Diese optischen Geräte benötigt man für hoch präzise Infrarotaufnahmen. Für einfachere Infrarotaufnahmen genügen gewöhnliche Orange- oder Rotfilter, die blaues und violettes Licht absorbieren. Die Infrarotphotographie ist eine wichtige Untersuchungs- und Aufklärungsmethode in der medizinischen Diagnostik sowie in der Landwirtschaft und Industrie. Infrarotaufnahmen lassen krankhafte Veränderungen an Geweben und Organen erkennen, die im normalen Licht oder auf Röntgenbildern nicht erkennbar sind . Auch bei der Fernerkundung aus Flugzeugen oder Satelliten wird die Infrarotphotographie häufig eingesetzt. Damit kann man auf großen landwirtschaftlichen Nutzflächen den Bewuchs verfolgen oder etwa einen Schädlingsbefall erkennen. Auch Lagerstätten bestimmter Mineralien können mit dieser Methode aufgespürt werden .

In der Industrie ist die Infrarotspektroskopie ein immer wichtigeres Verfahren bei der Erforschung der Legierungen und, z. B. im Rahmen der Qualitätssicherung, bei der Materialprüfung an metallischen Werkstücken .

Für militärische Zwecke nutzt man Infrarotdetektoren in so genannten Wärmebildgeräten (Nachtsichtgerät). Die beobachteten Objekte werden durch diese Geräte in Form von Wärmebildern oder auch Thermogrammen dargestellt .

Interferenz

physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn sich zwei oder mehrere Wellen überlappen oder schneiden. Die Amplitude bzw. die Intensität der bei der Interferenz resultierenden Welle hängt von den Frequenzen, den Amplituden und den relativen Phasen (den relativen Lagen der Wellenberge und -täler) der interferierenden Wellen ab. Man spricht von konstruktiver Interferenz, wenn sich am betreffenden Punkt zwei Wellen treffen, die gleiche Frequenzen und gleiche Phasen haben. Das bedeutet, dass immer Wellenberge und -täler genau aufeinanderfallen. In diesem Fall verstärken sich die beiden Wellen, und die Amplitude der resultierenden Welle ist gleich der Summe der beiden Amplituden der ursprünglichen Wellen. Bei der destruktiven Interferenz zweier Wellen gleicher Frequenz treffen Wellenberge auf Wellentäler, so dass die Amplitude der resultierenden Welle gleich der Differenz der beiden Amplituden der ursprünglichen Wellen ist. Daher löschen die beiden Wellen einander teilweise aus. Die vollständige Auslöschung tritt ein, wenn die Amplituden der beiden ankommenden Wellen gleich sind. Kompliziertere Interferenzerscheinungen beobachtet man, wenn die ankommenden Wellen verschiedene Frequenzen haben und/oder wenn sie nicht vollkommen in Phase sind – d. h., die Wellenberge bzw. -täler treffen nicht genau aufeinander.

Das sichtbare Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen (siehe elektromagnetische Strahlung), die ebenfalls miteinander interferieren können. Eine Folge der Interferenz sind beispielsweise die Farben von Seifenblasen oder von dünnen Ölfilmen auf Wasser. Im weißen Licht liegen Wellen vieler unterschiedlicher Wellenlängen vor. Wenn Lichtwellen an der inneren Oberfläche einer Seifenblase reflektiert werden, dann interferieren sie mit Lichtwellen, die an der äußeren Oberfläche reflektiert werden. Je nach Wellenlänge interferieren einige der Wellen konstruktiv, andere dagegen destruktiv. Weil jede Wellenlänge einem bestimmten Farbton entspricht, werden infolge der Interferenz einige Farben verstärkt und andere ausgelöscht. Daher sieht man an der Seifenblase mehrere Farben, wobei das Phänomen auch von der Beobachtungsrichtung abhängt. Die Interferenz sichtbaren Lichtes nutzt man beispielsweise bei der Holographie und bei der Interferometrie (siehe Interferometer).

Interferenz gibt es nicht nur bei Lichtwellen, sondern bei allen Wellenarten. Funkwellen interferieren miteinander, wenn sie zum einen Teil direkt und zum anderen Teil nach der Reflexion an Gebäuden zur Empfangsantenne gelangen. Die Folge wäre dann ein gestörter Empfang. Die Interferenz von Schallwellen (Schall) muss u. a. beim Bau von Konzertsälen berücksichtigt werden, denn destruktive Interferenz kann an manchen Zuschauerplätzen bestimmte Wellenlängen bzw. Tonhöhen auslöschen.

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Interferometer

Gerät, mit dem die Interferenz (Überlagerung) von Lichtwellen für extrem genaue Messungen von Wellenlängen oder von kleinen Abständen ausgenutzt wird. Auch andere optische Phänomene lassen sich mit Hilfe von Interferometern untersuchen. Es gibt zwar unterschiedliche Arten von Interferometern, die Funktionsweise beruht jedoch immer auf dem gleichen Prinzip. Zwei oder mehrere Lichtstrahlen werden durch getrennte optische Wege geführt. Dies gelingt mit Spiegeln oder halbdurchlässigen Platten. Die Teilstrahlen werden am Wegende durch weitere Spiegel reflektiert und wieder vereinigt. Dabei liefern die vereinigten Lichtstrahlen ein Interferenzmuster (Interferenzstreifen oder -ringe). Bei einem Interferometertyp zum Vermessen von monochromatischem Licht (siehe Wellenausbreitung) kann ein Trennspiegel in einem der Strahlengänge in der Richtung des Lichtstrahles geringfügig verstellt werden. Diese Verschiebung und damit die Verlängerung oder Verkürzung des Lichtweges kann man genau messen. Verstellt man den Spiegel um eine halbe Wellenlänge, so werden im Interferenzmuster helle und dunkle Abschnitte vertauscht. Die Wellenlänge ermittelt man meist aus der Anzahl der Interferenzmusteränderungen bei einer größeren Verschiebung des Spiegels.

Anwendungen

Ist die Wellenlänge des Lichtes bekannt, so kann man geringe Änderungen des Lichtweges anhand der Veränderungen des Interferenzmusters bestimmen. Mit dieser Methode kontrolliert man z. B. die Oberflächenform von Teleskopspiegeln. Auch der Brechungsindex (die Brechzahl) von Substanzen lässt sich mit Interferometern ermitteln. Wenn das Licht nicht mehr durch Vakuum oder das Medium Luft, sondern durch die betreffende Substanz geführt wird, kommt es zu einer Verschiebung des Interferenzmusters. Aus dieser Verschiebung lässt sich dann der Brechungsindex der Substanz bestimmen. Das Prinzip des Interferometers wird weiterhin ausgenutzt, um den Durchmesser großer, relativ naher Sterne (z. B. des Beteigeuze) zu messen. Auch die Helligkeit an verschiedenen Stellen auf der Sternenoberfläche kann man mit Hilfe von Interferometern analysieren, denn diese erlauben auch Messungen bei sehr kleinen Winkeländerungen. Man spricht hier von Sterninterferometrie.

Das Prinzip des Interferometers nutzt man auch bei anderen Wellenlängenbereichen, so beispielsweise in der Radioastronomie.

Michelson-Experiment

Das im Verlauf der Entwicklung wohl bekannteste Interferometer ist das um 1887 von dem amerikanischen Physiker Albert Michelson konstruierte Gerät. Zusammen mit dem amerikanischen Chemiker Edward Morley führte Michelson ein berühmt gewordenes Experiment durch. Die beiden Wissenschaftler wollten dabei die absolute Geschwindigkeit der Erde in einer hypothetischen Substanz messen, dem so genannten Lichtäther. Dieser Äther galt nach der damaligen Annahme als Träger der Lichtwellen. Würde sich die Erde in einem ruhenden Äther bewegen, so hätten (relativ zur Erde) Lichtwellen mit einer Ausbreitungsrichtung parallel zur Erdbewegung eine andere Geschwindigkeit als Lichtwellen in einer dazu senkrechten Richtung. Beim Michelson-Experiment wird im Interferometer ein Lichtstrahl mit Hilfe einer Trennplatte (aus halbdurchlässigem Material) auf zwei aufeinander senkrecht stehende Wege 1 und 2 verteilt. Die Wege sind unterschiedlich lang, und am jeweiligen Ende befindet sich ein Reflexionsspiegel. Dort werden die Teilstrahlen reflektiert. Zuerst misst man Weg 1 in Bewegungsrichtung des Strahles aus der Lichtquelle. Anschließend wird die Apparatur um 90 Grad gedreht und der Weg 2 vermessen. Die Lage der Interferenzstreifen hängt von dem Zeitunterschied ab, den die Teilstrahlen von der Trennplatte zu den Spiegeln und wieder zurück benötigen. Wäre die Ätherhypothese richtig, so hätten die beiden Lichtstrahlen nach der Drehung der Apparatur ihre Rollen vertauschen müssen – der in der ersten Position schnellere Strahl würde langsamer und umgekehrt. Dadurch würde sich das Interferenzmuster verschieben. Michelson und Morley stellten aber keinerlei Verschiebung fest, und alle späteren Experimente bestätigten diesen Befund. Heute weiß man, dass sich elektromagnetische Wellen auch im Vakuum ausbreiten und keine Materie als Träger benötigen.

Kohäsion,

die Anziehung zwischen Molekülen, aufgrund der die Teilchen einer Substanz zusammenhalten. Von der Kohäsion zu unterscheiden ist die Adhäsion, die in der gegenseitigen Anziehung der Teilchen an den Oberflächen verschiedener Substanzen besteht. Die Kohäsionskräfte von Gasmolekülen sind daran zu erkennen, dass die Gase verflüssigt werden können. Beim Verflüssigen eines Gases kommen die Moleküle einander schließlich so nahe, dass die Anziehungskräfte stark genug werden, um den Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand zu bewirken.

Die Kohäsion bei Flüssigkeiten macht sich in deren Oberflächenspannung bemerkbar. Sie beruht auf folgendem Prinzip: Die Moleküle innerhalb der Flüssigkeit erfahren von allen Seiten gleich starke Anziehungskräfte durch ihre Nachbarmoleküle. Dagegen haben die Moleküle an der Oberfläche nur Nachbarn neben sich und in der Flüssigkeit, jedoch keine über sich. Daher wirkt auf sie eine resultierende Kraft in die Flüssigkeit hinein. Noch stärker werden die Kohäsionskräfte, wenn die Flüssigkeit abgekühlt wird und sich alle ihre Teilchen beim Gefrieren zu einer festen, engeren Anordnung zusammenfügen. Die Kohäsionskräfte in Festkörpern, also auch deren Härte, hängt u. a. von der räumlichen Verteilung ihrer Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen) ab. Die Kräfte können auch unterschiedlich geartet sein. Beispielsweise bilden viele organische Substanzen Molekülkristalle (Molekülgitter). Bei diesem Kristalltyp sind die Moleküle durch relativ schwache zwischenmolekulare Kräfte miteinander verbunden.

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Laser

Kurzbezeichnung für einen Lichtverstärker. Die Abkürzung Laser steht für den englischen Ausdruck light amplification by stimulated emission of radiation, also Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsfreisetzung. Laserlicht kann im Spektralbereich zwischen Infrarot- und Ultraviolettstrahlung erzeugt werden und ist monochromatisch (eine Spektrallinie) sowie kohärent – ein Lichtstrahlenbündel ist kohärent, wenn sich alle seine Wellen bzw. Photonen phasengleich ausbreiten (siehe Interferenz). Dies ist der Grund, weshalb sich Laserlicht mit extrem hoher Intensität, äußerst geringer Strahlaufspaltung und hoher Farbreinheit (Frequenzschärfe) erzeugen lässt. Maser sind Pendants der Laser im Bereich der Mikrowellen.

Funktionsprinzip

Das Grundprinzip von Lasern hat folgenden physikalischen Hintergrund: Atome, Ionen und Moleküle können in verschiedenen Energiezuständen vorkommen. Befindet sich beispielsweise ein Atom in einem angeregten Zustand (auf einem höheren Energieniveau), so kann es nach einer gewissen Zeitspanne in einen energetisch niedrigeren Zustand übergehen. Zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand können energetisch weitere Niveaus liegen. Der Übergang kann also auch stufenweise erfolgen, wobei das angeregte Atom die Anregungsenergie in Form von Photonen abgibt (spontane Emission). Jedes dieser Photonen ist seinerseits in der Lage andere Atome zur Strahlungsemission anzuregen, d. h. die spontan freigesetzten Photonen stimulieren andere Atome zur Aussendung weiterer Photonen (stimulierte Emission) und gehen aus diesem Prozess unverändert hervor. Sowohl die spontan emittierten, als auch die stimuliert freigesetzten Photonen stimmen in Energie, Ausbreitungsrichtung und Phase überein. Gemeinsam können beide Photonenarten noch mehr Atome zur Strahlungsemission anzuregen.

Laser nutzen zur Erzeugung von angeregten Atomen eine äußere Energiequelle. Beim so genannten optischen Pumpen (s. u.) bestrahlt man das Lasermaterial mit einer Wellenlänge und bringt auf diese Weise überdurchschnittlich viele Atome in den angeregten Zustand. Die eigentliche Verstärkung besteht nun darin, mit Hilfe der stimulierten Emission innerhalb eines Zeitabschnittes mehr Photonen zu erzeugen als zu vernichten (z. B. Vernichtung durch Absorption). Ein weiterer Aspekt ist die Besetzungsdichte mit Photonen, die bei den energetisch niedrigeren Zuständen natürlicherweise größer ist als bei energetisch höher gelegenen Niveaus. Um diese Verhältnisse umzukehren (dies bezeichnet man als Inversion) muss die externe Energiequelle so auf das Lasermedium einwirken, dass bestimmte höher gelegene Energiezustände bevorzugt besetzt werden. Als Folge dieses optischen Pumpens wächst die Photonenemission im Atomverband schließlich lawinenartig an. Diese Vorgänge laufen in der so genannten optischen Verstärkereinheit des Lasers ab.

Neben dem optischen Verstärker enthalten Laser zusätzlich einen so genannten Resonator. Dabei handelt es sich um ein System aus zwei parallelen Spiegeln, zwischen denen die Photonen hin- und hergeworfen werden und die Prozesse im Verstärker vervielfältigen. Der Spiegel auf der Seite des Laseraustritts ist zu einem gewissen Prozentsatz (meist 98 Prozent) lichtdurchlässig. Im Gegensatz dazu lässt der Spiegel auf der anderen Seite kein Licht durch.

Geschichtliches

Bereits 1917 lieferte Albert Einstein eine der ersten theoretischen Abhandlungen, die sich mit dem Thema stimulierte Emission befassten. Den ersten experimentellen Nachweis für eine stimulierte Emission gelang 1928. Im Jahr 1958 beschrieben die Amerikaner Arthur Schawlow und Charles Hard Townes die Funktionsprinzipien des Lasers in ihrer Patentschrift. Das Patent wurde ihnen zwar zugewiesen, später aber von dem amerikanischen Physiker und Techniker Gordon Gould angefochten. Den ersten experimentellen Nachweis für den Lasereffekt brachte 1960 der amerikanische Physiker Theodore Maiman – er prägte den Begriff "Laser". Maiman nutzte als Lasermaterial einen Rubinkristall. Ein Jahr später baute der im Iran geborene amerikanische Physiker Ali Javan den ersten Helium-Neon-Gaslaser; 1966 schließlich konstruierte der amerikanische Physiker Peter Sorokin den ersten auf einem flüssigen Medium basierenden Laser. Es folgten verschiedene Laser auf Halbleiterbasis.

Lasertypen

Entsprechend dem jeweiligen Arbeitsmedium unterscheidet man grundsätzlich Festkörper-, Gas-, Halbleiter- und Flüssigkeitslaser.

Festkörperlaser

Die gebräuchlichsten Festkörperlasermedien sind Stäbe aus kristallinem Rubin oder Neodym enthaltenden Gläsern oder Kristall. Die Enden eines solchen Stabes sind als zwei parallele Flächen ausgeführt und mit einem hochreflektierenden nichtmetallischen Spiegelbelag versehen. Festkörperlaser bieten die höchste Leistungsausbeute. Sie werden üblicherweise in gepulster Betriebsart benutzt, um einen kurzzeitigen intensiven Lichtblitz zu erzeugen. Kurze Pulse in der zeitlichen Größenordnung von 12 × 10–15 Sekunden sind erreichbar und wichtig, um etwa physikalische oder biologische Ereignisse von kürzester Dauer untersuchen zu können. Das optische Pumpen geschieht mittels Xenon-Blitzröhren, Lichtbogen- oder Metalldampflampen. Die Frequenzbandbreite kann in den Infrarot- und Ultraviolettbereich erweitert werden, indem mit Hilfe geeigneter Kristalle die Ausgangsfrequenz des Lasers vervielfacht wird, Frequenzen im Röntgenbereich werden erzielt, indem man Yttrium mit Laserstrahlen beschießt.

Gaslaser

Das Lasermedium eines Gaslasers kann ein reines Gas, ein Gasgemisch oder Metalldampf sein und befindet sich zu diesem Zweck normalerweise in einem zylindrischen Gefäß aus Glas oder einem Quarzrohr. Die zwei Spiegel, die den Laserresonator bilden, sind außerhalb dieses Gefäßes angebracht. Gaslaser werden mit UV-Licht, Elektronenstrahlen, elektrischem Strom oder über chemische Reaktionen gepumpt. Der Helium-Neon-Laser ist bekannt für seine Frequenzstabilität, Farbreinheit und minimale Strahlaufweitung. Kohlendioxidlaser haben einen sehr hohen Wirkungsgrad und sind mithin die leistungsstärksten Laser für den Dauerbetrieb.

Halbleiterlaser

Halbleiterlaser sind in ihren Abmessungen die kompaktesten Laser und bestehen aus einem Verbund verschiedener Halbleiterschichten mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten. Der Resonator ist durch zwei reflektierende Bruchflächen auf den Bereich der Rekombinationszone beschränkt. Die hierzu am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien sind Galliumarsenid, Indiumphosphid und Galliumnitrid. Das Pumpen erledigt der über das Rekombinationsgebiet fließende elektrische Strom. Halbleiterlaser sind geeignet für den Dauerbetrieb und erreichen Wirkungsgrade über 50 Prozent. Es gibt theoretische Ansätze zu einer Methode, die es gestatten soll, die aufgewandte Energie noch wirksamer auszuschöpfen. Dabei sollen winzige Laser vertikal in Schaltkreisen so angeordnet werden, dass sie in einer Dichte von über einer Million pro Quadratzentimeter zu liegen kommen. Alltagsanwendungen von Halbleiterlasern sind z. B. CD-Spieler (siehe Tonaufnahme und -wiedergabe) und Laserdrucker.

Flüssigkeitslaser

Die häufigsten flüssigen Lasermedien sind anorganische Farbstoffe in einem Glasgefäß. Sie werden im Pulsbetrieb mit intensiven Blitzlampen oder im Dauerbetrieb mit einem Gaslaser gepumpt. Die Frequenz eines durchstimmbaren Farbstofflasers kann mit Hilfe eines im Resonatorraum befindlichen Glasprismas eingestellt werden.

Elektronenlaser

1977 gelang es, Laser zu kostruieren, die mit Strahlen freier Elektronen (die nicht an Atome gebunden sind) arbeiten. Ähnlich wie Farbstofflaser sind Elektronenlaser durchstimmbar. Sie wären möglicherweise auch dazu geeignet, hochenergetische Strahlung zu erzeugen (z. B. Synchrotronstrahlung).

Anwendungen des Lasers

Laser können für eine kaum überschaubare Fülle von Aufgaben eingesetzt werden. Sie sind zu unentbehrlichen Hilfsmitteln in Industrie, Forschung und Wissenschaft, auf dem Kommunikationssektor, in Medizin, Militärtechnologie und vielen Bereichen der Kunst geworden.

Laser in der Industrie

Die Strahlen sehr starker Laser können gebündelt und auf einen sehr kleinen Punkt mit enormer Leistungsdichte konzentriert werden. Dementsprechend kann mit derart gebündelten Strahlen ein bestimmtes Material präzise erhitzt, geschmolzen oder verdampft werden. So können Laser z. B. eingesetzt werden, um Löcher in Diamanten zu bohren, um Maschinenteile auszuformen, um Bauteile der Mikroelektronik abzustimmen, zur Wärmebehandlung von Halbleiterchips, zum Zuschneiden von Modeschnittmustern, zur synthetischen Herstellung neuartiger Materialien und für den Versuch, kontrollierte Kernfusion in Gang zu setzen (siehe Kernenergie). Die lichtintensiven Kurzzeitpulse, die mit Lasern erzeugt werden können, ermöglichen Hochgeschwindigkeitsphotographie mit Belichtungszeiten von weniger als einer billionstel Sekunde. Die in hohem Maß richtungstreuen Laserstrahlen werden auch zur Ausrichtung im Straßen- und Hochbau eingesetzt.

Man benutzt Laser auch, um Bewegungen der Erdkruste zu beobachten sowie für Aufgaben der Erdvermessung und des Vermessungswesens allgemein. Laser zählen zu den besten Instrumenten für die Bestimmung mancher Formen von Luftverschmutzung. Darüber hinaus dienen Laser der genauen Vermessung des Abstands von der Erde zum Mond und bei Versuchen zur Relativitätstheorie. Sehr schnelle lasergesteuerte Schalter für den Einsatz in Teilchenbeschleunigern werden gegenwärtig entwickelt, und man beherrscht bereits Methoden, eine kleine Anzahl von Atomen in einer Vakuumatmosphäre mit Laserstrahlen auf einer festen Position zu halten, um genauestmögliche Studien an ihren Spektren durchzuführen.

Laser in Forschung und Wissenschaft

Weil Laserlicht ein hohes Maß an Richtungstreue (geringe Strahlaufweitung) bietet und monochromatisch ist (also äußerst farbrein), können schon geringste von bestimmten Materialien verursachte Lichtstreuungseffekte oder minimale Frequenzverschiebungen ohne großen Aufwand nachgewiesen werden. Durch Messung solcher Veränderungen konnten Wissenschaftler erfolgreich molekulare Strukturen untersuchen. Mit dem Einsatz von Lasern war es möglich, die Lichtgeschwindigkeit mit einer zuvor unerreichten Genauigkeit zu bestimmen, chemische Reaktionen können mit ihrer Hilfe gezielt in Gang gesetzt werden, und das Vorhandensein von Spurenelementen in Analyseproben lässt sich genau feststellen. Siehe chemische Analyse; Photochemie

Laser in der Kommunikation

Laserlicht kann im Weltraum große Entfernungen durchlaufen, ohne in seiner Signalstärke nennenswert abgeschwächt zu werden. Aufgrund seiner hohen Frequenz kann Laserlicht beispielsweise das Tausendfache dessen an Fernsehprogrammen übertragen, was derzeit mit Mikrowellen möglich ist. Daher sind Laser ideale Kommunikationsmedien im Weltall. Zur irdischen Kommunikation über Telefone oder in Computersystemen wurden zur Übertragung von Laserlicht verlustarme optische Fasern entwickelt (siehe Faseroptik). Lasertechniken werden auch zur Informationsaufzeichnung mit hoher Speicherungsdichte benutzt. Zum Beispiel erleichtert die Lasertechnik das Aufzeichnen eines Hologramms, aus dem mit Hilfe eines Laserstrahles ein dreidimensionales Bild zurückgewonnen werden kann (siehe Holographie).

Laser in der Medizin

Intensive gebündelte Laserstrahlen können in Sekundenbruchteilen bestimmte Körpergewebe durchtrennen und ausbrennen, ohne das umliegende gesunde Gewebe zu beschädigen. Laser finden auch Einsatz zum Wiederanbringen der Retina bei Netzhautablösung, um Löcher in Knochen zu bohren und zum Veröden von Blutgefäßen. Für Labortests an kleinen biologischen Proben sind ebenfalls lasergestützte Methoden entwickelt worden.

Laser in der Militärtechnologie

Längst gehören Laserleitsysteme für Raketen, Flugzeuge und Satelliten zum Alltag der Militärtechnologie. US-Präsident Ronald Reagan beabsichtigte 1983 für das von ihm favorisierte Weltraum-Verteidigungssystem (siehe SDI) den Einsatz von Laserstrahlen gegen feindliche Raketen. Die Fähigkeit durchstimmbarer Farbstofflaser, gezielt ein Atom oder Molekül anzuregen, könnte neue Wege zur Isotopentrennung für die Herstellung von Nuklearwaffen eröffnen.

Sicherheit im Umgang mit Lasern

Weil das menschliche Auge Laserlicht aufnimmt wie anderes Licht auch, besteht wegen der hohen Lichtleistungskonzentration beim Laser immer die Gefahr von Augenschäden, insbesondere von Netzhautverletzungen. Daher sollte Laserlicht unter keinen Umständen in die Augen gelangen können, weder direkt noch als reflektiertes Licht. Nur besonders ausgebildetes Personal mit geeigneten Schutzbrillen darf mit Lasern hantieren.

Licht

im physikalischen Sinn eine Form der elektromagnetischen Strahlung. Licht besteht aus extrem schnellen Schwingungen eines elektromagnetischen Feldes in einem bestimmten Frequenzbereich. Bei sichtbarem Licht entstehen verschiedene Farben durch verschiedene Frequenzen. Sie reichen von etwa 4 × 1014 Schwingungen pro Sekunde für rotes Licht bis ungefähr 7,5 × 1014 Schwingungen pro Sekunde für blaues Licht. Die Wellenlängen für das sichtbare Spektrum reichen von ungefähr 40 millionstel Zentimeter (Violett) bis zu 75 millionstel Zentimeter (Rot). Höhere Frequenzen, denen kürzere Wellenlängen entsprechen, umfassen die ultraviolette Strahlung, und noch höhere Frequenzen findet man bei der Röntgenstrahlung. Niedrigere Frequenzen (also größere Wellenlängen) werden als infrarote Strahlung bezeichnet. Noch kleinere Frequenzen sind charakteristisch für Radiowellen.

Im allgemeinen Sinn versteht man unter Licht die Form von Strahlung, die man mit dem bloßen Auge wahrnehmen kann – also sichtbares Licht.

Wesen des Lichtes

Licht wird von einer Quelle in Form von Strahlen abgegeben und breitet sich auf seinem Weg immer weiter aus, wobei die Leuchtstärke pro Flächeneinheit mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Wenn Licht auf einen Körper trifft, wird es entweder absorbiert oder reflektiert. Nach der Reflexion an einer rauen Oberfläche wird das Licht in alle Richtungen gestreut. Einige Frequenzen werden stärker reflektiert als andere, was den Körpern ihre charakteristische Farbe verleiht. Weiße Oberflächen reflektieren alle Wellenlängen des Lichtes gleichermaßen, und schwarze Oberflächen absorbieren das Licht fast vollständig. Abbildende Reflexion erfordert hingegen eine sehr glatte Oberfläche wie z. B. einen Spiegel.

Das Wesen des Lichtes zu bestimmen war immer ein grundlegendes Problem der Physik gewesen. Isaac Newton beschrieb Licht als ein Aussenden von Teilchen. Im Gegensatz dazu entwickelte Christiaan Huygens die Theorie, dass sich Licht in Form einer Welle ausbreitet. Heute ist bekannt, dass Licht – wie jede andere elektromagnetische Strahlung auch – einen Doppelcharakter besitzt (Dualismus des Lichtes; Wellen- und Korpuskelmodell). Quantentheorie.

Bei einigen Experimenten verhält sich Licht wie eine Reihe von Teilchen und bei anderen Experimenten wie eine Welle. In den Situationen, in denen es sich in Wellenform bewegt, schwingt es im rechten Winkel zur Ausbreitungsrichtung. Daher kann Licht in zwei zueinander senkrechten Ebenen polarisiert werden (siehe Optik).

Geschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit wurde erstmals in einem Laborversuch von dem französischen Physiker Armand Hippolyte Fizeau gemessen (um 1850). Auch frühere astronomische Beobachtungen hatten ungefähr die richtige Geschwindigkeit ermitteln lassen (z. B. Ole Rømer, 1676). Heute ist die Lichtgeschwindigkeit sehr genau mit 299 792 458 Metern pro Sekunde im Vakuum bekannt. Man verwendet sie, um große Entfernungen anhand der Zeit zu messen, die ein Lichtimpuls oder Radiowellen für den Weg zu einem Ziel und zurück benötigen. Dies ist z. B. auch das Prinzip, nach dem Radar und Sonar funktionieren. Genaue Kenntnisse der Lichtgeschwindigkeit und der Wellenlänge von Licht erlauben auch genaue Messungen von Längen. Daher wird der Meter heute auch als die Länge des Weges definiert, den Licht im Vakuum in einer Zeit von 1/299 792 458 Sekunde zurücklegt. Die Geschwindigkeit von Licht in Luft ändert sich zusammen mit der Wellenlänge geringfügig. Durchschnittlich beträgt sie 3 Prozent weniger als im Vakuum, im Wasser ist sie um 25 Prozent geringer und in Glas um 33 Prozent.

Sonnenlicht wird z. B. von grünen Pflanzen für die Photosynthese benutzt. Licht übt auch eine wichtige Wirkung auf viele Chemikalien aus. Einige Chemikalien, die Silber enthalten, färben sich in der Gegenwart von anderen Chemikalien dunkel, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Diesen Vorgang nutzt man in der Photographie.

Lösungen,

in der Chemie homogenes Gemisch aus zwei oder mehreren Substanzen. Die Substanz, die in der größten Menge vorliegt, nennt man gewöhnlich das Lösungsmittel. Die in kleineren Mengen in der Lösung vorkommenden Substanzen nennt man Gelöstes. Das Gelöste kann entweder ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein. Das Lösungsmittel kann als Flüssigkeit oder als Feststoff vorliegen. Kohlensäurehaltiges Wasser ist ein Beispiel für eine Lösung in der Gas (Kohlendioxid) in einer Flüssigkeit (Wasser) gelöst wurde. Lösungen unterscheiden sich dadurch von Kolloiden und Suspensionen, dass die gelösten Teilchen einer Lösung wesentlich kleiner und gleichmäßiger in der Lösung verteilt sind, als es bei Kolloiden oder Suspensionen der Fall ist. Lösungen erscheinen unter dem Mikroskop als homogen, das Gelöste kann mittels Filtration nicht abgetrennt werden. Salze, Säuren und Basen dissoziieren, wenn sie in Wasser gelöst werden (siehe Säuren und Basen).

Manche Metalle lösen sich im flüssigen Zustand ineinander und verfestigen sich in dem vorliegenden Gemisch. Ist in diesem Gemisch die Zusammensetzung an allen Stellen gleich, so spricht man von einer festen Lösung.

Löslichkeit

Manche Flüssigkeiten, wie Wasser und Alkohol, können sich ineinander in jedem Verhältnis lösen. Löst man dagegen Zucker in Wasser auf, so wird sich ab einer bestimmten Menge kein Zucker mehr darin auflösen. Man sagt dann, die Lösung ist gesättigt. Die Löslichkeit einer Verbindung in einem bestimmten Lösungsmittel bei gegebener Temperatur und gegebenen Druck definiert man als die Maximalmenge dieser Verbindung, die in dem Lösungsmittel aufgelöst werden kann. Die Löslichkeit nimmt bei den meisten Substanzen mit steigender Temperatur des Lösungsmittels zu. Nur bei wenigen Substanzen, beispielsweise bei Gasen oder organischen Calciumsalzen, steigt die Löslichkeit bei Absenkung der Temperatur. Üblicherweise besitzen Moleküle, die den Molekülen des Lösungsmittels ähnlich sind, die größte Löslichkeit. Ein Beispiel dafür sind die ähnlichen Moleküle von Ethylalkohol (C2H5OH) und Wasser (HOH), die sich sehr gut ineinander lösen.

Physikalische Eigenschaften von Lösungen

Wenn man einen löslichen Stoff zu einem Lösungsmittel gibt, so sind einige Eigenschaften der entstehenden Lösung anders als die des Lösungsmittels. Im Normalfall steigt der Siedepunkt und sinkt der Gefrierpunkt mit wachsender Konzentration an gelöstem Stoff. Beispielsweise kann man das Einfrieren des Kühlwassers in einem Automotor verhindern, wenn man ein Frostschutzmittel, wie Ethylenglycol (HOCH2CH2OH) darin auflöst. Außerdem sinkt der Dampfdruck einer Lösung, wenn immer mehr Mengen eines Stoffes darin gelöst werden.

Eine andere wichtige Eigenschaft ist der osmotische Druck einer Lösung. Sind zwei Lösungen durch eine halbdurchlässige Membran (die die Lösungsmittelmoleküle passieren lässt, die Moleküle des Gelösten aber nicht) getrennt, so wandern die Lösungsmittelmoleküle der verdünnteren Lösung in die Lösung mit höherer Konzentration und verdünnen diese (siehe Osmose).

Lösungsmittel

Stoffe, mit denen man andere Stoffe auf physikalischem Weg in Lösung bringt. Allgemein versteht man unter Lösungsmitteln organische und anorganische Flüssigkeiten, die in der Lage sind, gasförmige, flüssige oder auch feste Substanzen zu lösen. Bei diesem Vorgang werden weder das Lösungsmittel noch der gelöste Stoff chemisch verändert. Bei anorganischen Lösungsmitteln kennt man protonenhaltige (z. B. Wasser, Salpetersäure, flüssiges Ammoniak), protonenfreie (z. B. flüssiges Schwefeldioxid), wässrige sowie nichtwässrige, polare und nichtpolare Lösungsmittel. In ähnlicher Weise lässt sich diese Einteilung auch auf organische Lösungsmittel übertragen. Zu den wichtigsten organischen Lösungsmitteln zählen z. B. Alkohole, Glykole (z. B. Glycerin), Ether, Ketone, Ester und Kohlenwasserstoffe. Aus wirtschaftlichen Gründen verwendet man häufig keine reinen Lösungsmittel, sondern Gemische, die die Lösungseigenschaften vereinen, wobei Ähnliches von Ähnlichem gelöst wird. So lösen sich beispielsweise etherische Öle in Alkohol und Benzin. Wasser (H¾OH) löst z. B. das chemisch ähnlich aufgebaute Methanol (CH3¾OH), Hexan (C6H12) löst Kohlenwasserstoffe (CnH2n+2) und Benzol (C6H6) löst Naphthalin (C10H8). Viele Lösungsmittel sind feuergefährlich, brennbar und zum Teil auch mehr oder weniger stark giftig. Die meisten von ihnen stellen deshalb so genannte Gefahrenstoffe dar und müssen daher mit entsprechenden Gefahrsymbolen gekennzeichnet werden.

Metalle
,
diejenigen chemischen Elemente, die alle oder die meisten der folgenden Eigenschaften aufweisen: Sie sind bei normalen Temperaturen fest; sie sind – außer in extrem dünnen Schichten– lichtundurchlässig; sie haben eine gute hohe Wärmeleitfähigkeit und sind auch gute elektrische Leiter; in poliertem Zustand glänzen sie und bilden im festen Zustand Kristalle. Metalle und Nichtmetalle werden im Periodensystem durch eine diagonal verlaufende Linie voneinander abgegrenzt. Links oberhalb von ihr stehen die Metalle und rechts unterhalb von ihr die Nichtmetalle. Auf der Diagonalen selbst stehen die so genannten Halbmetalle Bor, Silicium, Germanium, Arsen, Antimon, Tellur, Polonium und Astat. Sie haben sowohl metallische als auch nichtmetallische Eigenschaften. Zu den bekanntesten metallischen Elementen zählen folgende: Aluminium, Barium, Beryllium, Bismut, Cadmium, Calcium, Cer, Chrom, Cobalt, Kupfer, Gold, Iridium, Eisen, Blei, Lithium, Magnesium, Mangan, Quecksilber, Molybdän, Nickel, Osmium, Palladium, Platin, Kalium, Radium, Rhodium, Silber, Natrium, Tantal, Thallium, Thorium, Zinn, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium und Zink. Metallische Elemente können untereinander oder mit bestimmten anderen Elementen zu chemischen Verbindungen oder zu Lösungen oder zu innigen Vermischungen zusammentreten. Unter einer Legierung versteht man die Kombination eines Metalls mit einem (oder mehreren) anderen Metallen oder mit auch gewissen Nichtmetallen, wie z. B. Kohlenstoff. Die Verbindungen des Quecksilbers mit anderen Metallen nennt man Amalgame – sie zählen zu den intermetallischen Verbindungen.

Innerhalb der allgemeinen Grenzen variieren die Eigenschaften von Metallen beträchtlich. Die meisten Metalle sind gräulich gefärbt, Bismut dagegen rötlich, Kupfer rot und Gold gelb. Die Schmelzpunkte der Metalle liegen zwischen –39 °C beim Quecksilber und 3 410 °C beim Wolfram. Die höchste relative Dichte aller Metalle hat Iridium mit 22,4 und die geringste hat Lithium mit 0,53. Im Kristallverband oder auch Metallgitter findet der Zusammenhalt zwischen den Atomen durch Metallbindungen statt (siehe chemische Bindung; Kristall). Bei gewöhnlichen Temperaturen hat Bismut die niedrigste elektrische Leitfähigkeit aller metallischen Elemente – Silber hat die höchste. Bei sehr tiefen Temperaturen sind einige Metalle in der Lage, elektrischen Strom widerstandsfrei zu leiten (Supraleitfähigkeit; Tiefsttemperaturtechnik). Die elektrische Leitfähigkeit der meisten Metalle nimmt ab, wenn man sie mit anderen Metallen legiert. Beim Erwärmen dehnen sich alle Metalle aus, und beim Abkühlen kontrahieren sie sich. Bestimmte Legierungen, darunter einige von Platin und Iridium, haben extrem kleine thermische Ausdehnungskoeffizienten.
Metalle sind im Allgemeinen recht fest und widerstandsfähig gegen unterschiedlich geartete Belastungen. Von Metall zu Metall gibt es jedoch starke Variationen der Eigenschaften. Zu den interessanten Merkmalen der Metalle gehören die Härte (der Widerstand gegen Verformung und Abrieb), die Zugfestigkeit und die Bruchfestigkeit, die Elastizität (die Fähigkeit, nach einer Verformung die vorherige Gestalt wieder anzunehmen), die Formbarkeit durch Schmieden oder Hämmern, die Beständigkeit gegen Materialermüdung (also die Fähigkeit, ständig wiederkehrenden Belastungen zu widerstehen) und die Duktilität (die Formbarkeit, ohne dass ein Bruch eintritt). Siehe Werkstoffkunde und -technik. Einige Metalle und Legierungen kommen als magnetische Werkstoffe zum Einsatz.

Chemische Eigenschaften

Metalle haben in den meisten ihrer Verbindungen positive Oxidationsstufen. Das bedeutet, sie können Elektronen an die Atome der anderen Elemente abgeben. Dagegen haben typische Nichtmetalle wie Stickstoff, Schwefel oder Chlor in den meisten ihrer Verbindungen negative Oxidationsstufen. Nichtmetalle nehmen bei der Bindung Elektronen auf. Metalle sind in den meisten anorganischen Lösungsmitteln unlöslich und bilden mit den meisten Säuren Salze (siehe Säuren und Basen; chemische Reaktion).

Metalle haben im Allgemeinen niedrige Ionisierungspotentiale, d. h., sie reagieren leicht unter Verlust von Elektronen und bilden dabei Kationen (positive Ionen).

Elektronenstruktur

Bei den früheren Versuchen, die Elektronenkonfigurationen der Metalle zu erklären, sahen die Physiker in der hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit der Metalle einen Hinweis darauf, dass Metalle aus Atomen bestehen, die sich in einem homogenen "Gas" freier Elektronen befinden. Man glaubte, dass die elektrostatische Anziehung zwischen den positiven Atomrümpfen und den frei beweglichen Elektronen für die Bindungen zwischen den Atomen verantwortlich ist. Die freie Beweglichkeit der Elektronen war also die Erklärung für die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit der Metalle. Dagegen sprach u. a. die spezifische Wärmekapazität, die bei Metallen viel geringer ist, als nach dieser Theorie zu erwarten wäre.
1928 postulierte der deutsche Physiker Arnold Sommerfeld, dass die Elektronen in Metallen in einer Quantenanordnung vorliegen, bei der die ihnen zugänglichen niedrigen Energieniveaus praktisch voll besetzt sind (siehe Atom; Quantentheorie). Im gleichen Jahr verfeinerten der Physiker Felix Bloch sowie später der französische Physiker Léon Brillouin diese Vorstellung. Ihre Arbeiten führten zu dem heute allgemein akzeptierten Bändermodell, mit dem sich die Leitfähigkeit metallischer Festkörper deuten lassen.

Nach dem Bändermodell nehmen von jedem Metallatom nur einige Valenzelektronen an der Bindung mit allen direkt benachbarten Atomen teil. Dadurch "gehören" die Elektronen in sehr hohem Maße allen betreffenden Atomen, d. h., sie werden zwischen ihnen geteilt. Dazu überlappen zwischen Nachbaratomen die Atomorbitale mit ähnlichen Energien. Die Überlappung zieht sich über den gesamten Metallverband hin, so dass sich die Orbitale nicht nur über einige Atomabstände, sondern über das ganze Gitter erstrecken. Jedes dieser Orbitale hat eine etwas andere Energie, weil die Atomorbitale, aus denen sie hervorgingen, zu Beginn nicht alle die gleiche Energie hatten. Die Anzahl der Orbitale ist ebenso groß wie die Anzahl der ursprünglichen Atomorbitale, wobei jedes von ihnen zwei Elektronen aufnehmen kann. Dabei werden sie in der Reihenfolge ansteigender Energie gefüllt, bis alle vorhandenen Elektronen untergebracht sind. Somit befindet sich stets eine bestimmte (enorm hohe) Zahl von Elektronen in dem so genannten Energieband. Jedes Band umfasst einen bestimmten Energiebereich, in dem die Energien seiner Elektronen liegen müssen. Bei einigen Metallen gibt es Lücken zwischen den Bändern, so dass bestimmte Energiebereiche für die Elektronen verboten sind. In einem Metall ist das Band mit den höchsten Energien nicht ganz gefüllt, so dass einige Elektronen elektrische oder thermische Energie aufnehmen können und dabei in etwas höhere Energieniveaus gelangen. Das ist die Erklärung der guten Leitfähigkeit der Metalle sowie ihrer niedrigen spezifischen Wärme; denn nur wenige Elektronen (die energiereichsten) können thermisch angeregt werden und dadurch in höhere Niveaus gelangen.

Physikalische Eigenschaften

Mikroskop

Gerät in unterschiedlichen Formen, zur Erzeugung vergrößerter Abbilder von sehr kleinen Gegenständen oder sehr kleinen Einzelheiten.

Lichtmikroskop

Mit Hilfe des Lichtmikroskops werden Gegenstände mit sichtbarem Licht vergrößert. Die einfachste Form des Lichtmikroskops (Optik) ist die bikonvexe Linse (Optik) mit kurzer Brennweite. Eine solche Linse kann einen Gegenstand bis zu 15fach vergrößern. Meist werden aber zusammengesetzte Mikroskope mit mehreren Linsen verwendet. Dadurch kann eine stärkere Vergrößerung erreicht werden als mit einer einzelnen Linse. Einige Lichtmikroskope können auf das 2 000fache und höher vergrößern.

Im Wesentlichen besteht ein zusammengesetztes Mikroskop aus zwei Linsensystemen, dem Objektiv und dem Okular. Beide sind an den gegenüberliegenden Enden eines geschlossenen Rohres (Tubus) angebracht. Die Linse des Objektivs besteht aus verschiedenen Linsenelementen. Sie erzeugen ein vergrößertes, reelles Abbild des zu untersuchenden Gegenstandes. Die Linsen eines Mikroskops sind so angeordnet, dass dieses vom Objektiv erzeugte reelle Bild im Brennpunkt des Okulars liegt. Der Betrachter sieht durch das Okular ein vergrößertes virtuelles Abbild des reellen Bildes. Die Gesamtvergrößerungsleistung eines Mikroskops wird durch die Brennweiten der beiden Linsensysteme bestimmt.

Neben dem Linsensystem gehören ein stabiles Stativ mit einem ebenen Objekttisch, auf dem das zu untersuchende Material festgehalten wird, sowie eine Einrichtung zur Scharfstellung des Bildes zu einem Lichtmikroskop. Proben, die mit dem Mikroskop untersucht werden, sind überwiegend lichtdurchlässig. Die Probe wird meist auf ein dünnes rechteckiges Glasplättchen (Objektträger) aufgebracht. Im Objekttisch befindet sich eine kleine Öffnung, durch die das Licht hindurchfällt. Unter dem Tisch ist entweder ein Spiegel angebracht, der Tageslicht auf bzw. durch die Probe reflektiert, oder eine gesonderte elektrische Lichtquelle, die die Probe beleuchtet.

Bei der Mikrophotographie, d. h. beim Photographieren durch das Mikroskop, wird eine Kamera direkt über dem Okular angebracht. Normalerweise hat diese Kamera keine Linse. Die Mikrophotographie darf nicht mit der Miniaturisierung von Bildern verwechselt werden. Letztere dient dazu, Bilder oder Dokumente zu verkleinern, damit sie platzsparend gelagert werden können.

In der Forschung verwendete Mikroskope sind meist mit zusätzlichen Einrichtungen ausgerüstet. Da das Abbild einer Probe sehr stark vergrößert ist und man es umgekehrt sieht, ist es äußerst schwierig, mit der Probe direkt umzugehen. Deshalb ist der Objekttisch eines in der Forschung eingesetzten Hochleistungsmikroskops durch Feinstellschrauben (Mikrometerschrauben) verstellbar. Bei einigen Mikroskopen kann der Objekttisch auch gedreht werden. Außerdem sind alle in der Forschung eingesetzten Mikroskope mit drei oder mehr Okularen auf einem drehbaren Kopf (Objektivrevolver) ausgerüstet. Dadurch kann bei Bedarf die Vergrößerungsleistung des Mikroskops verändert werden.

Lichtmikroskope für Spezialanwendungen

Eine Reihe von Mikroskopen wurde für Spezialanwendungen entwickelt. Eines davon ist das Stereomikroskop, das eigentlich aus zwei schwächeren Mikroskopen besteht, die über der Probe zusammengeführt werden. Mit diesem Gerät erhält man ein nicht seitenverkehrtes, dreidimensionales Bild.

Beim Ultraviolettmikroskop wird statt des sichtbaren Lichtes ultraviolettes Licht verwendet. Damit erreicht man entweder eine bessere Auflösung aufgrund der kürzeren Wellenlänge oder die Hervorhebung bestimmter Einzelheiten durch selektive Absorbtion bei unterschiedlichen Wellenlängen des ultravioletten Spektrums. Weil kürzere ultraviolette Strahlen Glas nicht durchdringen, besteht das optische System dieser Geräte im Normalfall aus Quarz, Fluorit oder mit Aluminium bedampften Spiegeln. Ultraviolettes Licht ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Deshalb wird das Bild durch Fluoreszenzwirkungen (siehe Lumineszenz), Photographie oder elektronische Abtastung sichtbar gemacht. Das Ultraviolettmikroskop wird in der medizinischen Forschung eingesetzt.

In der Gesteinskunde werden Polarisationsmikroskope eingesetzt, um die mineralischen Bestandteile von Eruptivgestein und Metamorphit zu bestimmen. Außerdem ermittelt man damit den quantitativen Gehalt der Mineralien in diesen Gesteinen. Dieser Mikroskoptyp enthält ein Nicol’sches Prisma oder eine andere Einrichtung zur Polarisierung des Lichtes (siehe Optik: Polarisation des Lichtes). Ein weiteres Nicol’sches Prisma oder anderer Analysator bestimmt die Polarisierung des Lichtes, nachdem es die Probe durchdrungen hat. Mit Hilfe eines drehbaren Tisches kann man bei der entsprechenden Einstellung die von der Probe verursachte Änderung der Polarisierung erkennen.

Beim Dunkelfeldmikroskop erfolgt die Beleuchtung der Probe in Form eines hohlen, sehr intensiven Lichtkegels. Das Sichtfeld des Objektivs liegt im dunklen Teil des Kegels und nimmt deshalb nur das von der Probe gestreute Licht auf. Daher erscheinen die leeren Teile der Probe als dunkler Hintergrund. Die zu untersuchenden Objekte leuchten dagegen hell. Diese Form der Beleuchtung eignet sich für durchsichtiges, ungefärbtes biologisches Material und für kleinste Objekte, die man bei normaler Beleuchtung unter dem Mikroskop nicht erkennen kann.

Beim Phasenkontrastmikroskop wird die Probe wie beim Dunkelfeldmikroskop mit einem hohlen Lichtkegel beleuchtet. Allerdings ist hier der Lichtkegel enger und reicht in das Sichtfeld des Okulars hinein. Im Objektiv befindet sich ein ringförmiges Plättchen (Phasenring), das einmal die Lichtintensität verringert und zum anderen eine Phasenverschiebung um ein Viertel der Wellenlänge verursacht. Durch diese Form der Beleuchtung werden kleinste Änderungen der Brechungszahl bei durchsichtigen Proben sichtbar. Phasenkontrastmikroskope eignen sich besonders gut zur Untersuchung von lebendem Gewebe und werden daher häufig in der Medizin und Biologie eingesetzt.

Mit Hilfe des Nahfeldmikroskops kann man sogar Einzelheiten erkennen, die etwas kleiner sind als die Wellenlänge des Lichtes. Ein Lichtstrahl wird durch ein sehr kleines Loch geleitet. Der Strahl wird dabei in einem Abstand, der der Hälfte des Lochdurchmessers entspricht, über die Probe geführt, bis man ein vollständiges Bild erhält.

Elektronenmikroskop

Die Vergrößerungsleistung eines Lichtmikroskops ist durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt. Bei einem Elektronenmikroskop werden Elektronen zur "Beleuchtung" des Gegenstandes eingesetzt. Bildlich gesprochen haben Elektronen wesentlich kleinere Wellenlängen als Licht. Deshalb können sie auch wesentlich kleinere Strukturen auflösen. Die kleinste Wellenlänge des sichtbaren Lichtes beträgt etwa 380 Nanometer (ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter). Die Wellenlänge der Elektronen, die man z. B. in der Elektronenmikroskopie verwendet, liegt meist bei fünf Nanometer.

Bestimmte Bauteile findet man in allen Elektronenmikroskopen. Sie haben einen Elektronenstrahler zur Erzeugung der Elektronen. Weil die in Lichtmikroskopen verwendeten herkömmlichen Linsen mit Elektronenstrahlen nicht funktionieren, lenken und fokussieren magnetische "Linsen" den Elektronenstrahl. Einen wichtigen Bestandteil des Elektronenmikroskops bildet das Vakuumsystem. Elektronen werden leicht von den Molekülen der Luft gestreut. Deshalb muss im Inneren eines Elektronenmikroskops ein Hochvakuum herrschen. Schließlich benötigt ein Elektronenmikroskop auch eine Vorrichtung zur Fixierung und Darstellung der mit den Elektronen erzeugten Bilder.

Man unterscheidet zwei Grundtypen von Elektronenmikroskopen: das Durchstrahlungselektronenmikroskop (Transmissionselektronenmikroskop, TEM) und das Rasterelektronenmikroskop (REM). Beim Durchstrahlungselektronenmikroskop wird ein Elektronenstrahl auf das zu vergrößernde Objekt gerichtet. Einige der Elektronen werden von der Probe absorbiert oder gestreut, andere durchdringen die Probe und erzeugen hinter ihr ein vergrößertes Abbild. Die Probe muss dabei äußerst dünn geschnitten sein. Normalerweise ist eine solche Probe nur einige Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dick. Zur Aufzeichnung des vergrößerten Abbilds wird hinter der Probe eine photographische Platte oder ein Leuchtschirm angebracht. Mit einem Durchstrahlungselektronenmikroskop kann man Gegenstände bis zum Einmillionenfachen vergrößern.

Ein Rasterelektronenmikroskop erzeugt ein vergrößertes Abbild der Oberfläche eines Gegenstandes. Bei diesem Verfahren muss die Probe nicht dünn geschnitten sein, sie braucht nur wenig oder gar keine Aufbereitung. Anders als ein Durchstrahlungselektronenmikroskop, das einen verhältnismäßig großen Teil der Probe auf einmal erfasst, tastet ein Rasterelektronenmikroskop die Oberfläche der Probe schrittweise ab. Ein stark gebündelter Elektronenstrahl bewegt sich ähnlich dem Elektronenstrahl, der beim Fernsehen das Bild auf den Schirm "schreibt", über die gesamte Probe. Die Elektronen des gebündelten Strahles können direkt von der Oberfläche der Probe gestreut werden oder die Emission (Abstrahlung) von Sekundärelektronen aus der Probenoberfläche bewirken. Diese gestreuten oder Sekundärelektronen werden in einem Kollektor gesammelt und von einem neben der Probe eingebauten elektronischen Zähler erfasst. Jeder abgetastete Punkt der Probe entspricht einem Pixel auf einem Fernsehbildschirm. Je mehr Elektronen der Zähler feststellt, desto heller wird das Pixel am Bildschirm. Während sich der Elektronenstrahl über die Probe bewegt, entsteht auf dem Bildschirm ein vollständiges Abbild der Probe. Rasterelektronenmikroskope erreichen eine 100 000fache und höhere Vergrößerung. Sie sind im Gegensatz zu Durchstrahlungselektronenmikroskopen und starken Lichtmikroskopen besonders dazu geeignet, die Oberfläche eines Gegenstandes realistisch und dreidimensional abzubilden.

Es wurden noch verschiedene andere Elektronenmikroskope entwickelt. Das Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop verbindet Durchstrahlungs- und Rasterelektronenmikroskop. Mit diesem Mikroskoptyp hat man sogar einzelne Atome bzw. Atomgruppen abbilden können. Ein Elektronenstrahl-Mikroanalysator ist ein Elektronenmikroskop, das mit einem Gerät für die Röntgenspektralanalyse ausgerüstet ist und die hochenergetischen Röntgenstrahlen untersuchen kann, die eine Probe aussendet, wenn sie mit Elektronen bestrahlt wird. Moleküle oder Atome lassen sich anhand der von ihnen ausgesandten Röntgenstrahlen identifizieren. Daher liefert ein Elektronenstrahl-Mikroanalysator nicht nur wie herkömmliche Elektronenmikroskope ein vergrößertes Abbild der Probe, sondern auch Informationen über ihre chemische Zusammensetzung.

Sondenrastermikroskope

Einige Mikroskope tasten die Oberfläche der Probe mit einer Sonde ab. Sie erzeugen ein dreidimensionales Abbild des Netzwerkes von Atomen und Molekülen. Die Sonde ist meistens eine äußerst feine Metallspitze, die im Abstand von nur wenigen Atomdurchmessern über die Probe gefahren wird. Nach einer 1996 publizierten Technik werden auch so genannte Graphit-Nanoröhren als Sonden eingesetzt – diese bestehen aus einem oder nur wenigen Graphitmolekülen. Je feiner die abtastende ("abklopfende") Sonde, desto feinere Konturen werden nach der datentechnischen Verarbeitung sichtbar.

Eine wichtige Ausführung dieser Rastermikroskope ist das Rastertunnelmikroskop. Es wurde bereits 1981 erfunden und basiert auf einer quantenphysikalischen Erscheinung, die als Tunneleffekt bezeichnet wird. Kurz angemerkt: Der Tunneleffekt beschreibt ein Teilchen in einem Energiebereich (hier Elektron), in dem es sich nach den Gesetzen der klassischen Physik nicht aufhalten darf– es durchdringt oder "durchtunnelt" diesen Bereich. Während die Sonde über die Probenoberfläche fährt, wird eine niedrige Spannung an Probe und Sonde angelegt. Da sich die Sonde sehr nahe an der Oberfläche der Probe befindet, treten die Elektronen an der Lücke über (durch den Tunneleffekt) und erzeugen einen Strom. Das Rastertunnelmikroskop nutzt diesen

Tunneleffekt zur Erzeugung dreidimensionaler Abbilder von Stoffen mit elektrischer Leitfähigkeit (Elektrizität). Die Stärke des erzeugten Stromes hängt vom Abstand zwischen Probe und Sonde ab. Nähert sich die Sonde der Oberfläche, wird der Strom stärker, entfernt sie sich, nimmt der Tunnelstrom ab. Der Abtastmechanismus des Mikroskops führt die Sonde über die Oberfläche der Probe und passt dabei den Abstand so an, dass die Stärke des Tunnelstromes immer gleich bleibt. Durch Aufzeichnen dieser kleinsten Anpassungsbewegungen erhält man ein Abbild der Oberflächenkonturen. Nach Abschluss der vielen Abtastbewegungen von einer Seite der Probe zur anderen errechnet dann ein hochleistungsfähiger Computer das genaue dreidimensionale Abbild der Oberfläche.

Das Rasterkraftmikroskop arbeitet ebenfalls mit der Abtastung durch eine Sonde. Allerdings spielt der Tunneleffekt hier keine Rolle, daher können auch nichtleitende Proben untersucht werden. Die Elektronen der Metallsonde werden von den Elektronenwolken der Atome innerhalb der Probe abgestoßen. Das Mikroskop passt den Abstand der Sonde zur Probenoberfläche ständig an. Dadurch ist die auf die Sonde wirkende Abstoßungskraft immer gleich groß. Die Bewegungen der Sonde werden mit einem Fühler aufgezeichnet und mit einem Computer zu einem dreidimensionalen Abbild der Probenoberfläche verarbeitet.

Newton, Sir Isaac

englischer Mathematiker und Physiker. Newton gilt als der Begründer der klassischen theoretischen Physik und damit der exakten Naturwissenschaften. Als einer der bedeutendsten Wissenschaftler der Neuzeit leistete er grundlegende Beiträge in vielen Wissenschaftsgebieten. Seine Entdeckungen und Theorien bildeten den Grundstock für ein naturwissenschaftliches Weltbild, das über zwei Jahrhunderte Gültigkeit hatte.

Mit der Fluxionsrechnung begründete Newton die heute als Infinitesimalrechnung bekannte Form der Mathematik (neben Gottfried Wilhelm Leibniz). Er beschäftigte sich mit Licht und Optik, formulierte die drei "Grundgesetze der Bewegung" und leitete daraus das universelle Gesetz der Gravitation ab (siehe Mechanik).

Newton wurde am 4. Januar 1643 in Woolsthorpe bei Grantham (Lincolnshire) geboren. Nach dem Besuch einer höheren Schule in Grantham studierte er ab 1661 am Trinity College der Universität von Cambridge.

1667 wurde Newton am Trinity College als minor fellow aufgenommen, 1668 erhielt er seinen Magistertitel. Newton beschäftigte sich vorwiegend mit den neueren Entwicklungen in der Mathematik und der Naturphilosophie. Bereits 1669 wurde er als Nachfolger seines früheren Lehrers I. Barrow Professor für Mathematik an der Universität von Cambridge.

Die Fluxionsmethode

Seine ersten grundlegenden Beiträge leistete Newton in der Mathematik. Er verallgemeinerte die Methoden, die man verwendete, um den Tangens als Kurven zu zeichnen und die von den Kurven überstrichene Fläche zu berechnen. Er erkannte, dass beide Vorgehensweisen umgekehrte Operationen waren. Newton vereinigte sie in der von ihm so benannten Fluxionsmethode und entwickelte im Herbst 1666 die heute als Infinitesimalrechnung bekannte Form der Mathematik als eine neue und leistungsfähige Methode, die die moderne Mathematik über das Niveau der griechischen Geometrie hob.

Obwohl Newton als deren Erfinder gilt, führte er die Infinitesimalrechnung nicht in die europäische Mathematik ein. 1675 entwickelte Leibniz unabhängig von Newtons Arbeit nahezu die gleiche Methode, die er Differentialrechnung nannte. Nachdem Leibniz bis zur Veröffentlichung der Newtonschen Infinitesimalrechnung (1704) als Begründer der Differentialrechnung galt, entbrannte in späteren Jahren zwischen Newton und Leibniz ein langanhaltender Prioritätsstreit. Heute gilt als erwiesen, dass die beiden Wissenschaftler ihre Theorien unabhängig voneinander entwickelten.

Optik

Optik war ein weiteres Gebiet, für das Newton schon frühzeitig Interesse zeigte. Bei dem Versuch, die Entstehung der Farben zu erklären, entdeckte er, dass das Sonnenlicht eine heterogene Verschmelzung verschiedener Strahlen ist, wobei jeder Strahl eine andere Farbe verkörpert. Er zeigte, dass infolge von Reflektionen und Brechungen das Bündel in seine Bestandteile aufgetrennt wird, und dadurch die einzelnen Farben entstehen. Newton veranschaulichte seine Theorie, indem er einen Strahl des Sonnenlichtes mit einem Prisma zerlegte und dadurch die einzelnen Farben nachwies.

1672 sandte Newton eine kurze Ausführung seiner Theorie an die Royal Society in London. Als sie in den Philosophical Transactions der Royal Society erschien, löste sie verschiedenartige Kritik aus. Eine ausführliche Erläuterung seiner Theorien folgte erst in seiner 1704 veröffentlichten Schrift Opticks.

Die Principia

Schon während seines Studiums hatte sich Newton mit der Lehre von der Mechanik befasst und grundlegende Ideen über die universelle Schwerkraft entwickelt. Diese Studien nahm er wieder auf, nachdem er im August 1684 mit dem Astronomen und Mathematiker Edmond Halley das Problem der Bahnbewegung erörtert hatte.

Während der darauf folgenden zweieinhalb Jahre begründete Newton mit der Formulierung der drei Bewegungssätze die neue Wissenschaft der Dynamik. Er wandte diese Gesetze auf die Keplerschen Gesetze der Bahnbewegung an (aufgestellt von dem Astronomen Johannes Kepler) und leitete das Gesetz der universellen Gravitation ab. Die Entdeckung der universellen Gravitation, nach der alle Körper im Weltraum und auf der Erde unter der Wirkung einer Kraft, der so genannten Schwerkraft stehen, brachten Newton den größten Ruhm ein. Seine Theorie veröffentlichte er in seinem 1687 erschienenen Hauptwerk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Dieses Werk stellte einen Wendepunkt in der Geschichte der Wissenschaft dar.

Das Erscheinen der Principia führte zu einer Auseinandersetzung zwischen Newton und dem Philosophen und Physiker Robert Hooke, der 1687 behauptete, Newton habe ihm die zentrale Idee des Buches gestohlen: dass sich Körper gegenseitig mit einer Kraft anziehen, die sich umgekehrt zum Quadrat ihres Abstandes verändert.

Im gleichen Jahr (1687) beteiligte sich Newton an der Leitung des Cambridger Widerstandes gegen die Bemühungen Jakobs II., die Universität in eine katholische Einrichtung umzuwandeln. Nach der Revolution von 1688, die Jakob aus England vertrieb, wählte die Universität Newton zu einem ihrer Vertreter im britischen Parlament. Die darauf folgenden Jahre waren mit starker Aktivität angefüllt, da Newton alle seine früheren Errungenschaften in eine endgültige schriftliche Form zu bringen versuchte. Im Sommer des Jahres 1693 zeigte Newton Symptome einer schweren emotionalen Störung. Er erlangte zwar seine Gesundheit wieder, doch seine kreative Zeit war vorüber.

Newtons Verbindungen zur neuen Regierung führten zu seiner Ernennung zum Aufseher und später zum Direktor der Königlichen Münze in London, wo er nach 1696 lebte. 1703 wählte ihn die Royal Society zum Präsidenten – ein Amt, das er für den Rest seines Lebens innehatte. Als Präsident verfügte er die sofortige Veröffentlichung der Beobachtungen des Astronomen John Flamsteed. Da Newton diese Arbeiten zur Vervollkommnung seiner Mondtheorie nutzen wollte, kam es zu einem erneuten Konflikt, diesmal mit Flamsteed.

Neben der naturwissenschaftlichen Forschung beschäftigte sich Newton mit Alchimie, Mystik und Theologie. Viele seiner Aufzeichnungen und Schriften sind – besonders in den späteren Jahren seiner Laufbahn – diesen Themen gewidmet.

Reflexion

physikalisches Phänomen, bei dem Wellen beim Auftreffen auf eine genügend glatte Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Medien (z. B. Luft und Wasser) zurückgeworfen werden. Die Reflexion, bei der sich die Richtung der reflektierten Wellenfront scharf abzeichnet, nennt man regelmäßige oder auch gerichtete Reflexion. Allgemein wird die Reflexion durch das Reflexionsgesetz bestimmt: Der einfallende und der reflektierte Strahl bilden mit der Senkrechten zur Spiegelebene (dem Lot) im Einfallspunkt den gleichen Winkel, wobei die beiden Strahlen in einer Ebene mit der Senkrechten liegen. Diese Winkel nennt man auch Einfallswinkel und Reflexionswinkel (Optik: Reflexion und Brechung). Raue Oberflächen können in viele Richtungen reflektieren – die resultierende Reflexion wird dabei als diffus bezeichnet.

Wenn Energie wie z. B. Licht oder Schall durch ein optisch dünneres Medium läuft und auf ein optisch dichteres Medium trifft, setzt gewöhnlich ein Teil der Energie seinen Weg weiter fort während der andere Teil an der Grenzfläche reflektiert wird.

Um eine Welle zu reflektieren, muss die Breite der reflektierenden Oberfläche größer sein als die halbe Wellenlänge der einfallenden Welle. Beispielsweise kann ein Pfahl, der aus dem Meer herausragt, kleine Wellen reflektieren, während lange Wellen um ihn herumlaufen. Schrille Geräusche, deren Wellenlänge sehr kurz ist, werden von einer dünnen Fensterscheibe reflektiert, während Geräusche mit größerer Wellenlänge durchgelassen werden. Kleine Staubteilchen in der Atmosphäre können nur die kürzerwelligen blauen Anteile des Sonnenlichts reflektieren.

Schleifen und Polieren
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Verfahren zum Formen und Glätten harter Materialien wie Metalle, Glas sowie Edelsteine und Halbedelsteine. Beim Polieren werden äußerst feine Schleifmittel eingesetzt, wie z. B. Polierrotkuchen, Polierschiefer, Schlämmkreide, Zinnasche und Schmirgelpulver. Das Poliermittel wird auf eine Tuch-, Filz- oder Lederscheibe aufgebracht. Eine besondere Art von Polierscheibe besteht aus weichem Gummi. Darin sind die Körner eines Poliermittels eingelagert.

Zwei besondere Endbearbeitungsverfahren in der Metallverarbeitung sind Honen (oder Ziehschleifen) und Läppen. Durch Honen verbessert man die Maßgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit bei Zylinderkopfbohrungen in der Autoindustrie oder bei Hydraulikzylindern und ähnlichen Teilen. Eine Honmaschine besteht aus vier feinkörnigen Schleifsteinen, die an einer ausziehbaren Vorrichtung befestigt sind. Diese Vorrichtung wird in dem Werkstück (z. B. ein Zylinder) langsam gedreht und führt gleichzeitig eine schwingende Bewegung aus. Es wird dabei so lange gegen die Innenseiten des Werkstückes gedrückt, bis die erwünschte Oberflächenqualität und der erforderliche Durchmesser erreicht sind. Beim Läppen reibt man eine Oberfläche mit einem Schleifmittel, das mit einem Schmiermittel wie Öl, Fett oder Alkohol gemischt ist. Dieses Verfahren wird meist mit einem Werkzeug ausgeführt, das der Form der zu bearbeitenden Oberfläche entspricht. Das Werkzeug wird mit einer dünnen Schicht des Schleifmittels besprüht. Dann werden die beiden Teile mit unregelmäßigen Strichen aneinander gerieben. Durch das Läppen werden weniger als 0,0025 Zentimeter des Materials abgetragen und sowohl die Maßgenauigkeit als auch die Oberflächenbeschaffenheit des fertigen Produkts verbessert.

Schleifen ist eigentlich ein spanendes Verfahren, bei dem jedes Korn, das mit dem Material in Berührung kommt, einen winzigen Span aus dem Material reißt. Schleifscheiben bestehen meist aus einem synthetischen Schleifmittel wie Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid (Tonerde), das mit einem keramischen oder Harzbindematerial gemischt ist. Je nach der bei der Schleifscheibe verwendeten Körnung kann man grob oder fein schleifen. Metall und Glas kann man spiegelblank schleifen und eine Maßgenauigkeit von 2,5 Mikrometer erreichen.

Schleifmaschinen sind Werkzeugmaschinen, die mit Präzisionsschleifscheiben und geeigneten Einrichtungen zum Halten, Positionieren, Drehen oder Vorbeiführen des Werkstückes ausgerüstet sind. Die Schleifscheibe ist an einer drehbaren, motorbetriebenen Spindel montiert. Schleifmaschinen werden normalerweise nach der Form des zu schleifenden Werkstückes, der Art, wie das Werkstück gehalten wird, und dem Aufbau der Maschine eingeteilt. Die vier Arten von Präzisionsschleifmaschinen sind die Rundschleifmaschine, die spitzenlose Schleifmaschine, die Innenschleifmaschine und die Flächen- oder Planschleifmaschine.

Mit Rundschleifmaschinen kann man runde Werkstücke schleifen, die an beiden Enden mit einer zentrierten Bohrung versehen wurden. Dadurch können sie zwischen zwei Spitzen gehalten und bearbeitet werden. Die Palette der so bearbeiteten Teile reicht von winzigen Ventilringen bis zu Walzen für Stahlwerke mit über 1,5 Meter Durchmesser und fast 100 Tonnen Gewicht.

Bei spitzenlosen Schleifmaschinen ist keine zentrierte Bohrung an den Enden des Werkstückes erforderlich. Das Werkstück wird stattdessen von einer Auflage und einer Regelscheibe gehalten, wobei die Regelscheibe die Drehung des Werkstückes bestimmt. Mit spitzenlosen Schleifmaschinen werden z. B. Bowlingkugeln, chirurgisches Nahtmaterial und konische Rollen für Rollenlager hergestellt.

Mit Innenschleifmaschinen bearbeitet man die innere Oberfläche von Zahnrädern, Lagerringen und ähnlichen Teilen. Die Schleifscheiben sind sehr klein und drehen sich mit hohen Geschwindigkeiten zwischen 15 000 und 200 000 Umdrehungen pro Minute. Das Werkstück dreht sich während der Bearbeitung langsam in der der Scheibe entgegengesetzten Richtung.

Flächen- oder Planschleifmaschinen dienen dem Schleifen flacher Oberflächen. Das Werkstück wird auf einen Tisch gelegt und durch Magnete oder andere Befestigungseinrichtungen gehalten. Die Schleifscheibe wird auf das Werkstück gesenkt, und der Tisch bewegt sich langsam hin und her oder dreht sich langsam.

Schleifmittel

Den Großteil der natürlich vorkommenden Schleifmittel bilden Mineralien wie Korund, Diamant, Schmirgel, Quarz und Sand. Auch Granat, Bimsstein und verschiedene Arten von Kieselerde (Diatomeenerde) werden zum Schleifen verwendet. Zu den älteren künstlich hergestellten Schleifmitteln gehören Polierrot, Stahlsplitter und Glaspulver. Seit 1891 stehen verschiedene synthetische Schleifmittel wie z. B. Carbide, Bormetalle und Nitride zur Verfügung. Sie sind fast so hart wie Diamant. Mit der heutigen Technik lassen sich sogar kohlenstoffbeschichtete Schleifmittel mit einer Oberfläche herstellen, die die Härte synthetischer Diamanten aufweist. Einige dieser Stoffe sind synthetisches Korund, Wolframcarbid (Hartmetall), Borcarbid und Siliciumcarbid (Carborund).

Spektroskopie

Spektrograph

In einem Spektrograph ist das Okular durch eine Kamera ersetzt. Farbphotographie ist für die Identifikation der Abbilder (Spektrallinien) nicht nötig. Ihre Wellenlängen können aus ihrer Position auf dem Film berechnet werden. Spektrographen setzt man im gesamten ultravioletten, im sichtbaren und darüber hinaus auch im infraroten Bereich bis 1 200 Nanometer ein. Das Verfahren in den extrem ultravioletten und infraroten Bereichen ist der Methode im Bereich des sichtbaren Lichtes ähnlich. Zwischen ihnen besteht lediglich der Unterschied, dass normales Glas für diese Strahlung nicht durchlässig ist. Bei der Ultraviolett- und Infrarot-Spektroskopie verwendet man deshalb Linsen und Prismen z. B. aus Quarz, Fluorit, Sylvin oder Steinsalz. Auch konkave Spiegel können Linsen ersetzen. Spezielle photographische Emulsionen finden Verwendung. Auf diese Weise kann das ultraviolette Spektrum bis zu Wellenlängen von weniger als 60 Nanometer und das infrarote Spektrum bis in Bereiche über 0,1 Millimeter untersucht werden.

Spektralphotometer

Mit einem Spektralphotometer misst man die Intensität eines besonderen Spektrums und vergleicht diese mit der Lichtintensität einer Standardstrahlungsquelle. Durch diesen Vergleich kann die Konzentration der Substanz ermittelt werden, die das Spektrum aussendet oder absorbiert. Spektralphotometer sind auch zur Untersuchung von Spektren im nicht sichtbaren Bereich geeignet. So genannte Bolometer sind besonders für Untersuchungen im Infrarotbereich geeignet. Für den ultravioletten Bereich verwendet man Photometer, in denen Photozellen als Sensoren dienen.

Beugungsgitter

Für spektroskopische Untersuchungen sehr gebräuchliche Geräte sind Gitterspektrometer. In diesen Apparaten wird das Licht nicht durch ein Prisma, sondern mit Hilfe eines Beugungsgitters gestreut. Das Beugungsgitter wurde von dem deutschen Physiker Joseph von Fraunhofer zu Beginn des 19. Jahrhunderts erfunden. Fraunhofer setzte seine Erfindung in selbst konstruierten Gitterspektralapparaten ein. In den heute üblichen Geräten besteht das Gitter häufig aus einer spiegelnden Metall- oder Glasoberfläche, auf der mit einem Diamant eine große Zahl paralleler Rillen eingeritzt worden sind. Ein gutes Gitter hat eine sehr hohe Streukraft und ermöglicht daher eine detailliertere Darstellung. Die Linien des Beugungsgitters können auf einem konkaven Spiegel abgebildet werden, so dass das Gitter auch der Fokussierung des Lichtes dient. Linsen sind daher in einem Gitterspektrometer überflüssig. Das Licht muss keine transparenten Substanzen durchlaufen. Deshalb eignet sich ein Beugungsgitter auch für Apparate, mit denen man den gesamten ultravioletten Bereich bis hinein in den Röntgenbereich spektroskopisch untersucht.

Spektralanalyse

Licht wird in winzigen Einheiten ausgestrahlt oder absorbiert. Diese Einheiten sind Photonen oder Quanten (Quantentheorie). Die Energie e eines einzelnen Photons ist direkt proportional zur Frequenz u und deshalb indirekt proportional zur Wellenlänge l. Die wird durch die einfache Formel

Sammelbegriff für unterschiedliche Analyseverfahren. Im Kern der Spektroskopie steht die Untersuchung elektromagnetischer Wellen (siehe Spektren). In erster Linie untersucht man die Wechselwirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit Materie. Die Spektroskopie beruht darauf, dass jedes chemische Element sein eigenes charakteristisches Spektrum besitzt. Diese Tatsache wurde 1859 von Gustav Robert Kirchhoff und Robert Wilhelm Bunsen erkannt. Sie entwickelten die moderne Form des Prismenspektroskops und verwendeten es für die chemische Analyse. Dieses Instrument, das einen von zwei grundlegenden Typen von Spektroskopen darstellt, besteht aus einem Spalt, der Licht von einer externen Quelle durchlässt. Außerdem enthält ein Prismenspektroskop eine Gruppe von Linsen, ein Prisma sowie ein Okular. Das zu analysierende Licht läuft durch eine Linse, die die Strahlen parallel ausrichtet, und anschließend durch das Prisma. Dann wird das Bild auf das Okular fokussiert. Man kann dabei eine Reihe von Abbildungen sehen. Jede erscheint in einer anderen Farbe, da das Licht durch das Prisma in seine Komponenten zerlegt wurde. Bunsen und Kirchhoff erkannten als Erste, dass charakteristische Farben des Lichtes von jedem Element abgestrahlt und absorbiert werden.
ausgedrückt, wobei der Proportionalitätsfaktor h das Planck’sche Wirkungsquantum ist und c die Lichtgeschwindigkeit. Die einzelnen Farben oder Wellenlängen (und damit auch Energien) der Lichtquanten, die von einem Atom oder einem Molekül abgestrahlt oder absorbiert werden, hängen in einer ziemlich komplizierten Art und Weise von seiner Struktur ab. Damit noch nicht genug. Farben sind außerdem von den möglichen periodischen Bewegungen (Schwingung) der Bestandteile eines Atoms oder Moleküls abhängig. Diese Struktur und diese periodischen Bewegungen bestimmen die Gesamtenergie des Atoms oder Moleküls. Der Atomkern stellt im Wesentlichen die Bestandteile eines Atoms. Er trägt allerdings nicht zur Abstrahlung und Absorption von Licht bei. Das Atom strahlt ein Lichtquantum einer bestimmten Farbe aus oder absorbiert es, wenn eines seiner Elektronen von einem Energieniveau in ein anderes wechselt. Die Bestandteile eines Moleküls sind die Kerne der verschiedenen Atome, die das Molekül bilden, sowie die Elektronen, die jeden Kern umgeben. Die Abstrahlung und die Absorption von Licht durch ein Molekül werden durch drei Vorgänge beeinflusst: erstens die möglichen Rotationsarten (Drehbewegungen), zweitens die möglichen Schwingungsarten seiner Atomkerne, also den Schwingungen zwischen zwei oder mehreren Atomschwerpunkten, und drittens die periodischen Bewegungen seiner Elektronen (Wechsel der Energieniveaus). Jedes Mal, wenn sich die Art der Schwingung oder der Rotation eines Moleküls ändert, ändern sich auch seine Bewegungen, und es wird Licht einer bestimmten Farbe absorbiert oder abgestrahlt. Elektronenbewegungen.

Dadurch hat man die Möglichkeit, Informationen über die Struktur des Atoms oder Moleküls und möglichen Arten der periodischen Bewegungen seiner Komponenten abzuleiten.

Kontinuierliches Spektrum

Die einfachste Form eines kontinuierlichen Spektrums lässt sich mit Hilfe eines glühenden Festkörpers, einer Flüssigkeit oder einem sehr dichten Gas erzeugen. Ein derartiges Spektrum enthält keine Linien, da es Licht in allen Wellenlängen aufweist, die kontinuierlich ineinander übergehen und (im sichtbaren Bereich) ein regenbogenartiges Muster bilden. Ein kontinuierliches Spektrum kann mit spektralphotometrischen Methoden analysiert werden. Im Fall eines Körpers mit idealer Abstrahlung, einem so genannten Schwarzen Körper, hängen die Intensitäten der Farben im Spektrum nur von der Temperatur ab. Zwei Gesetze, die sich auf die Energieverteilung in einem kontinuierlichen Spektrum beziehen, sind 1890 von dem deutschen Physiker Wilhelm Wien und den österreichischen Physikern Josef Stefan und Ludwig Boltzmann entdeckt worden. Das Stefan-Boltzman’sche Gesetz besagt, dass die Gesamtenergie, die pro Sekunde von einem Schwarzen Körper abgestrahlt wird, direkt proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur ist. Das Wien’sche Verschiebungsgesetz besagt, dass mit steigender Temperatur das Spektrum der Strahlung eines Schwarzen Körpers zu den höheren Frequenzen hin verschoben wird, und zwar direkt proportional zur absoluten Temperatur. Im Jahr 1900 entdeckte Max Planck das dritte und wichtigste Gesetz, das die Energieverteilung zwischen den verschiedenen von einem Schwarzen Körper abgestrahlten Wellenlängen beschreibt. Um ein Gesetz abzuleiten, das die Ergebnisse seiner Experimente interpretierte, argumentierte Planck, dass die thermodynamischen Eigenschaften der thermischen Strahlung, die von Materie abgegeben wird, ohne Berücksichtigung der Abstrahlungsmechanismen und ohne Berücksichtigung der Vermutungen über das Wesen der Atome gleich sein müssen. Diese Überlegungen führten auch zur Entwicklung der Quantentheorie.

Spektrallinien

Wenn man eine Substanz verdampft und weiter bis zur Abstrahlung von Licht erhitzt, herrscht scheinbar nur eine einzelne Farbe vor. Dies ist z. B. bei Natriumdampf (Gelb), Neon (Rot) und bei Quecksilberdampf (Blaugrün) der Fall. Das Spektrum besteht allerdings aus mehreren Linien spezifischer Wellenlängen, die durch Bereiche absoluter Dunkelheit voneinander getrennt sind. Im Fall von Natriumdampf wird das Gelb von zwei Linien mit der ungefähren Wellenlänge von 589,0 und 589,6 Nanometer erzeugt. Der Farbunterschied zwischen diesen beiden Linien ist für das menschliche Auge nicht erkennbar, von einem guten Spektroskop können die Linien jedoch problemlos getrennt werden. Diese beiden Linien heißen D2 und D1. Ihre Wellenlängen können genauer gemessen werden. Für die D2- Linie ergibt sich eine Wellenlänge von 588,9977 Nanometern. Noch genauere Messungen wurden von den Spektrallinien isotopisch reinen Quecksilbers gemacht. Ein hoch auflösender Spektrograph erzeugt ein Spektrum, in dem die Linien nur einen sehr kleinen Prozentsatz der Fläche einnehmen und der allergrößte Teil des Spektrums oft völlig leer bleibt.

Qbwohl sich die meiste Energie des Spektrums von Natriumdampf auf die beiden D-Linien konzentriert, gibt es im Spektrum noch zahlreiche andere schwache Linien. Bei höheren Temperaturen, wie z. B. im elektrischen Lichtbogen, oder unter den noch höheren Temperaturen und ionisierenden Bedingungen des elektrischen Funkens gibt es im Spektrum von Natrium eine große Anzahl von anderen Linien. Das erste Spektrum, das als zufriedenstellend erklärt wurde, war das des Wasserstoffatoms. Um 1880 entdeckte der Schweizer Mathematiker und Physiker Johann Jakob Balmer vier Linien der Wellenlängen 656,3, 486,1, 434,0 und 410,2 Nanometer im sichtbaren Spektrum des Wasserstoffatoms. Diese Linien werden jeweils als Ha, Hb, Hg und Hd bezeichnet (auch Balmerreihe). Balmer zeigte, dass diese vier Wellenlängen eine Reihe bilden und mit einer einfachen Formel beschrieben werden können:

In der Formel ist l die Wellenlänge und RH die so genannte Rydbergkonstante für Wasserstoff. Bei der Rydbergkonstante handelt es sich um eine stoffabhängige Naturkonstante (RH = 1,0974 × 107 pro Meter). In der Formel von Balmer steht m für die Zahlen 3, 4, 5 oder 6. Kurze Zeit später entdeckte der britische Astronom Sir William Huggins im ultravioletten Bereich eine Anzahl anderer Spektrallinien des Wasserstoffes, deren Wellenlängen sich mit der gleichen Formel bestimmen lassen, wobei m aufeinander folgende höhere Werte annimmt. Bei sehr hohen Werten von m liegen die Linien näher beisammen, bis sie schließlich beim Grenzwert von 364,6 Nanometern ineinander übergehen.

Die Arbeit von Niels Bohr

1913 veröffentlichte Niels Bohr seine berühmte Arbeit über den Atomaufbau. Darin war ein Konzept der Aussendung von Strahlung durch elektrisch geladene Teilchen enthalten, die sich in Umlaufbahnen innerhalb des Atoms befanden. Bohr führte ein Modell ein, das im Prinzip die Theorie über elektromagnetische Strahlung von James Clerk Maxwell mit der Quantentheorie von Planck verband. Mit Hilfe der Hybridtheorie leitete Bohr eine allgemeine Formel für die Strahlungsabgabe durch das Wasserstoffatom ab, die nicht nur die beobachteten Wellenlängen der Balmer’schen Linien lieferte (die oben genannte Balmer’sche Formel stellt einen Spezialfall der Bohr’schen Formel dar), sondern auch eine Reihe von Linien im ultravioletten und infraroten Bereich des Wasserstoffspektrums richtig vorhersagte. Bohr überlegte, wie ein Atom existieren kann, das aus einem positiv geladenen Proton und einem negativ geladenen Elektron besteht, wobei das Elektron das Proton umkreist. Die Erklärung hierfür lag nach Bohrs Annahmen in einer Basislänge, die für die stabilen Abmessungen des Atoms verantwortlich ist bzw. dafür sorgt, dass es nicht in sich zusammenfällt. Da Überlegungen zu den Abmessungen zeigen, dass eine solche Länge nicht aus der mathematischen Kombination der elektrischen Ladung e des Elektrons und der Masse m des Elektrons allein abgeleitet werden kann, argumentierte Bohr zugunsten der Einführung einer weiteren physikalischen Grundkonstante in der Atomphysik. In geeigneter Verbindung mit den Konstanten e und m sollte sie die erforderliche Länge liefern. Er fand heraus, dass sich die Planck’sche Konstante h für diesen Zweck gut eignete und schlug für die gesuchte Basislänge folgende mathematische Formel vor:

Da der Zahlenwert der Länge 10–8 Zentimeter beträgt, entspricht er dem so genannten Radius des Wasserstoffatoms. Dieser Wert wird auch als Radius der ersten Bohr’schen Bahn oder als Bohr’sche Bahn bezeichnet. Er benutzte ein revolutionäres und den klassischen Theorien widersprechendes Konzept: Eine physikalische Größe namens Aktion wird in unteilbare Einheiten von h eingeteilt. Das bedeutet, dass es keine Aktion geben kann, die kleiner ist als h. Bohr rechnete mit der Stabilität des Wasserstoffatoms, als er der so genannten Bohr’schen Umlaufbahn den Wert 1 Aktion zuwies. Er schloss somit die Möglichkeit irgendeiner kleineren Elektronenbahn aus, denn das stünde im Gegensatz zur Quantenhypothese. Bohr nahm weiter an, dass sich jede folgende höhere Elektronenbahn über dem Kern von der unmittelbar darunter liegenden um eine einzige Aktionseinheit h unterschied. Daher muss die Aktion der zweiten Elektronenbahn 2h, die Aktion der dritten Elektronenbahn 3h usw. sein. Demzufolge entspricht die Aktion der n-ten Elektronenbahn (wobei n eine ganze Zahl ist) nh. Der Radius der n-ten Bahn beträgt

Aus der klassischen Dynamik wusste Bohr, dass die Gesamtenergie, also die kinetische und die potentielle Energie eines Teilchens, das sich in einer kreisförmigen Umlaufbahn befindet, ein negatives Vorzeichen besitzt: Die negative potentielle Energie der Umlaufbahn ist größer als die positive kinetische Energie. Gleichzeitig ist die Gesamtenergie auch umgekehrt proportional zum Radius der Umlaufbahn. Er setzte daher die Energie des Elektrons in der n-ten Elektronenbahn gleich

wobei er den negativen Kehrwert des Radius mit e2/2 für die Dimensionierung multiplizierte. Wenn ein Elektron von einer Elektronenbahn mit der Zahl n in eine Bahn mit der Zahl k springt, ändert sich seine Energie um den Betrag

oder

Diese Änderung tritt in Form eines einzelnen Energiequantums oder Photons in Erscheinung, das entweder abgegeben oder aufgenommen wird. Wenn k größer als n ist, dann wird das Photon aufgenommen, wenn k kleiner als n ist, dann wird das Photon abgegeben.

So kommt man zur Bohr’schen Formel für den Kehrwert der Wellenlänge l des Photons, das abgegeben wird, wenn das Elektron von einer Bahn n zur niedrigeren Bahn k springt. Dazu setzt man das Negative der oben stehenden Formel gleich der Energie des Photons hc/l. Man erhält die Gleichung

Die Größe

wird nach dem schwedischen Physiker Robert Johannes Rydberg als Rydbergkonstante bezeichnet. Wenn k gleich 2 gesetzt wird, entspricht die Formel vollständig der Balmer’schen Formel, und man erhält alle Balmer’schen Linien, indem man dann n gleich 3, 4, 5 usw. (Übergänge von Elektronen von höheren Elektronenbahnen zur zweiten Bahn).

Wenn k gleich 1 gesetzt wird und n die Werte 2, 3, 4 usw. zugewiesen werden (Übergänge der Elektronen in die niedrigste Bahn), erhält man die so genannte Lyman-Serie der Spektrallinien, die im ultravioletten Bereich liegen. Andere Reihen von Linien, wie die Paschen-, die Brackett- und die Pfund-Serie, die im Infrarotbereich liegen, erhält man, indem man k gleich 3, 4 und 5 setzt und dann n alle größeren ganzzahligen Werte annehmen lässt.

Diese Reihen von Spektrallinien bilden das gesamte Spektrum des Wasserstoffatoms, die Bohr’sche Formel gibt jedoch nur die groben Züge des Spektrums wieder. Sorgfältige spektroskopische Untersuchungen zeigen, dass die tatsächlichen Linien eine feine Struktur aufweisen, die auf drei Ursachen beruht: auf der elliptischen Form der Elektronenbahnen, dem Spin des Elektrons und dem Spin des Protons. In der Praxis muss man auch alle magnetischen und elektrischen Störfelder berücksichtigen. Zusätzlich darf nicht außer Acht bleiben, dass Wasserstoff eine Mischung aus atomar-molekularem Wasserstoff und aus gewöhnlichen und schweren Isotopen des Wasserstoffes ist. Außerdem bewegen sich alle Teilchen ungeordnet, so dass zufallsbedingte Doppler-Effekte vorkommen können. All diese Erscheinungen nehmen Einfluss auf die Spektrallinien. Daher ist das beobachtete Spektrum einer Wasserstoffprobe wesentlich komplexer, als die Theorie vorhersagt.

Wenn weißes Licht durch ein Gas aus angeregten Wasserstoffatomen geschickt wird, dessen Elektronen das Proton auf der zweiten Bohr’schen Elektronenbahn umkreisen ( n = 2), dann absorbieren diese Photonen. Es werden allerdings nur diejenigen aus dem weißen Lichtes absorbiert, deren Wellenlängen nach der Bohr’schen Formel mit denen der Balmer’schen Linien übereinstimmen. Die Elektronen befinden sich anschließend auf höheren Bahnen. Eine Spektralanalyse des weißen Lichtes zeigt nach dem Durchgang durch das Gas dunkle Linien auf einem hellen Untergrund, die sich gerade dort befinden, wo man die hellen Balmer’schen Linien vorfinden würde. Dieses Spektrum wird als Absorptionsspektrum bezeichnet.

Die Erscheinungen der Fluoreszenz und der Phosphoreszenz (siehe Lumineszenz) beruhen auf der Aufnahme von Photonen einer bestimmten Wellenlänge, auf die die Abgabe eines Photons mit einer gleich großen bzw. einer größeren Wellenlänge folgt. Sowohl bei der Fluoreszenz als auch bei der Phosphoreszenz bringt das Photon aus der einfallenden Strahlung ein Elektron im Grundzustand auf einen energiereicheren Zustand. Das so angeregte Elektron fällt auf ein niedrigeres Energieniveau, allerdings nicht gleich zurück zum Grundzustand. Dabei gibt es ein Photon ab. Bei der Fluoreszenz folgen Aufnahme und Abgabe des Protons ziemlich schnell aufeinander, so dass die Fluoreszenz nur so lange dauert, wie Licht einfällt (10–10 bis 10–7 Sekunden). Bei der Phosphoreszenz hingegen läuft die Abgabe ziemlich langsam ab und läuft noch einige Zeit nach dem Ende des Lichteinfalls weiter (größer als 10–3 Sekunden).

Absorptionsspektren

Der größte Teil der Information über den Aufbau des Atoms stammt aus der Spektroskopie. Spektren von Molekülen sind ähnlich nützlich bei der Erforschung von Molekülen, was für die Chemie noch wichtiger ist als für die Physik. Die meisten Molekülspektren sind typische "Bandenspektren", d. h., das Spektrum besteht aus einer Reihe von hellen Banden, von denen jede aussieht wie ein Stück des kontinuierlichen Spektrums. Diese Stücke sind durch dunkle Stellen getrennt. Diese Banden sind nicht kontinuierlich, sondern bestehen aus vielen dicht nebeneinander liegenden Linien, die mit hoch auflösenden Spektroskopen getrennt werden können. Die Trennungen der Linien in jeder Reihe hängen davon ab, ob es sich um ein Rotations- oder ein Vibrationsspektrum handelt. Weil die Rotationsenergieniveaus durch geringe Energiemengen angeregt werden können und daher dicht beisammen liegen, sind die Linien in einem Rotationsband dicht gepackt und besitzen kaum Zwischenräume. Die Vibrationsniveaus liegen jedoch viel weiter auseinander, daher weisen die Linien in einem Vibrationsband größere Zwischenräume auf. Die Energieniveaus der Elektronen eines Moleküls können auch angeregt werden, und die Übergänge von Elektronen zwischen solchen Niveaus verursachen weit voneinander getrennte Linien im Molekülspektrum.

Neben den atomaren gibt es auch molekulare Absorptionsspektren. Man erhält sie, indem man kontinuierliche Strahlung durch eine aus Molekülen bestehende Flüssigkeit oder ein solches Gas leitet. Derartige Spektren werden bei der Erforschung von Molekülstrukturen am häufigsten verwendet.

Anwendungen der Spektralanalyse

Die beiden Hauptanwendungen der Spektralanalyse liegen in der Chemie und der Astrophysik.

Chemische Analyse

Das Spektrum eines bestimmten Elements ist absolut charakteristisch für dieses Element. Verschiedene Elemente verursachen jedoch manchmal ähnliche Spektrallinien, was Irrtümer und Fehlinterpretationen ermöglicht. Die Fraunhofer’sche C-Linie bei ungefähr 430,8 Nanometern z. B. wird von zwei verschiedenen Linien verursacht. Eine wird von Calcium mit einer Wellenlänge von 430,7749 Nanometern und die andere von Eisen mit einer Wellenlänge von 430,7914 Nanometern verursacht. Mit einem einfachen Spektroskop wäre es schwierig, diese beiden Linien zu unterscheiden. Die anderen Spektrallinien des Calciums unterscheiden sich jedoch sehr stark von den anderen Linien des Eisens. Daher erleichtert der Vergleich des ganzen Spektrums eines Elements mit einem bekannten Spektrum dessen Identifizierung. Wenn das Spektrum einer unbekannten Substanz durch eine geeignete Methode angeregt wird, reicht gewöhnlich eine Schnellanalyse mit einem Spektrographen aus, um das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein eines bestimmten Elements nachzuweisen. Absorptionsspektren werden häufig für den Nachweis von chemischen Verbindungen verwendet.

Spektren jenseits des ultravioletten Bereichs, also im Bereich der Röntgen- und der Gammastrahlen, ermittelt man mit Hilfe von geeigneten Ionisationsdetektoren. Spektren im Bereich der Gammastrahlen dienen der Analyse der Neutronenaktivierung. Bei dieser Technik wird eine Probe mit Neutronen bestrahlt. Dadurch wird die Probe radioaktiv und sendet Gammastrahlen aus. Man erzeugt also künstlich Radioaktivität und misst die für das gesuchte Isotop charakteristische Strahlung. Die Spektren dieser Gammastrahlen dienen dem Nachweis winziger Mengen chemischer Elemente in der Probe. Zusammen mit konventionelleren Arten der Spektroskopie ist diese Technik z. B. bei der Aufdeckung von Verbrechen von besonderem Nutzen.

Die Raman-Spektroskopie wird in der theoretischen Chemie häufig verwendet. Grundlage ist der so genannte Raman-Effekt, der 1928 von dem indischen Physiker Chandrasekhara Venkata Raman entdeckt wurde. Raman-Spektren entstehen, wenn unter bestimmten Bedingungen sichtbares oder ultraviolettes Licht zuerst absorbiert und dann mit einer niedrigeren Frequenz wieder abgestrahlt wird, nachdem es Moleküle zur Rotation oder zur Schwingung angeregt hat. Siehe Raman-Effekt.

Zwei magnetische Verfahren der Spektroskopie im Radiowellenbereich des Spektrums, unterhalb des Infrarotbereichs, sind hilfreich bei der Gewinnung chemischer Informationen über Moleküle und bei der Ermittlung ihres Aufbaus. Diese Verfahren sind die Nuklearmagnetische Resonanz (NMR: Nuclear Magnetic Resonance) und die paramagnetische Elektronenresonanz, die auch als Elektronenspinresonanz (ESR: Electron Spin Resonance) bezeichnet wird. Diese Verfahren beruhen auf der Tatsache, dass sich Elektronen und Protonen wie kleine Kreisel drehen. Diese Eigendrehung bezeichnet man als Spin. Um die Spins auszurichten, wird die Probe in ein Magnetfeld gebracht. Elektronen oder Protonen in der Probe kippen, kehren also ihre Rotationsachsen um, wenn man nun eine Radiowelle geeigneter Stärke einsetzt. Diese Umkehr der Rotationsachsen, die Stärke des Magnetfeldes und die Stärke der Radiowellen sind in ganz charakteristischer Weise mit der Molekülstruktur verbunden. Sie liefern letztendlich die gesuchten Informationen.

Astrophysikalische Anwendungen

Die Entfernung zwischen Spektroskop und Lichtquelle ist nicht begrenzt. Daher ermöglicht die Spektralanalyse des Sonnenlichtes eine genaue chemische Analyse der Bestandteile der Sonne (siehe Spektroheliograph). Die Fraunhofer-Linien wurden im frühen 19. Jahrhundert entdeckt und benannt. Sie stellen die Absorptionslinien im Spektrum der Sonne dar. Ferner wurde herausgefunden, dass die gleichen Linien auf der Erde erzeugt werden konnten. Das Element Helium wurde viele Jahre bevor es auf der Erde nachgewiesen wurde, auf der Sonne entdeckt und nach ihr benannt. Später lieferten spektroskopische Untersuchungen der Sonne stichhaltige indirekte Beweise für das Vorhandensein eines negativen Wasserstoffions. Spektroskopische Untersuchungen der Sterne liefern der Wissenschaft wertvolle theoretische Erkenntnisse, da die Sterne Laboratorien gleichen, in denen Bedingungen herrschen, die auf der Erde verwirklicht werden können. Es handelt sich dabei um extrem hohe Temperaturen und um extrem hohe oder um extrem niedrige Drücke. Gewisse Linien z. B., die in den Spektren von Sternennebeln vorkommen, wurden lange einem Element zugeschrieben, das als Nebulium bezeichnet wurde und das auf der Erde noch nicht nachgewiesen worden war. Heute ist bekannt, dass diese Linien von gewöhnlichen Elementen unter extremen Vakuumbedingungen erzeugt werden. Das Spektroskop eignet sich auch für die Untersuchung von Himmelskörpern im Sonnensystem. So hat z. B. die Spektralanalyse der Saturnringe gezeigt, dass diese großenteils aus gefrorenem Ammoniak bestehen. Die Kenntnis von der Zusammensetzung der Planetenatmosphären und ihrer Satelliten beruht zum größten Teil auf spektroskopischen Untersuchungen.

Eine Verschiebung der Lage von Spektrallinien ergibt sich immer dann, wenn sich die Strahlungsquelle auf den Beobachter zu, oder von ihm wegbewegt. Die Verschiebung bezüglich der Wellenlänge, die als Doppler-Effekt bezeichnet wird, liefert einen ziemlich genauen Wert für die relative Geschwindigkeit einer Strahlungsquelle. Wenn die Spektrallinien eines Sternes in Richtung Rot verschoben sind, bewegt sich dieser Stern von der Erde weg. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Stern von der Erde entfernt, kann aus dem Betrag der Rotverschiebung errechnet werden. Wenn sich ein Stern auf die Erde zubewegt, ist sein Spektrum in den violetten Bereich verschoben. Die Doppler-Verschiebungen, die in den Spektren von Galaxien beobachtet werden, weisen darauf hin, dass sich das Universum ausdehnt. Siehe Kosmologie.

Die Spektren einiger weit entfernter Sterne spalten einige Signale regelmäßig auf; die Dubletts (zwei zusammenhängende Linien) vereinigen sich dann wieder zu einfachen Linien. Diese Erscheinung beruht auf dem Vorliegen von zwei Sternen, die sich gegenseitig umkreisen und die so nahe zusammen sind, dass sie ein Teleskop als Einheit registriert. Wenn sich ein Stern auf die Erde zubewegt und der andere von ihr weg, sind die Linien des einen Sternes in den violetten und die des anderen Sternes in den roten Bereich verschoben (Aufspalten). Wenn sich beide Sterne quer zur Sichtlinie von der Erde bewegen, fallen die Linien der beiden Sterne zusammen.

Alle Moleküle eines Gases sind ständig in Bewegung, so dass sich zu jedem Zeitpunkt einige auf das Spektroskop zubewegen und andere von ihm entfernen. Daher sind die Wellenlängen einiger Photonen größer und anderer Photonen kleiner. Aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen sind alle Spektrallinien etwas breiter. Bei höheren Temperaturen erhöht sich auch die Durchschnittsgeschwindigkeit der Moleküle, und die Linien werden noch breiter. Daher ist es möglich, durch die Messung der Breite bestimmter Spektrallinien Rückschlüsse auf die Temperatur der Quelle wie z. B. der Sonne zu ziehen. In vielen Fällen ist das Innere einer Strahlenquelle heißer als das Äußere. Ein Emissionsspektrum mit breiteren Linien kommt dann aus dem Inneren, und im äußeren Bereich wird ein Absorptionsspektrum erzeugt. Da jedoch der äußere Bereich kälter ist, erzeugt er schmälere Linien, und das Ergebnis für jede Linie ist ein heller Bereich, der in der Mitte dunkel ist. Diese Erscheinung wird als Selbstumkehrung bezeichnet.

Mit dem Doppler-Effekt verwandt ist der Mößbauer-Effekt. Er wurde 1958 von Rudolf Ludwig Mößbauer entdeckt. In einem Experiment zum Mößbauer-Effekt wird die rückstoßfreie Aussendung von Gammastrahlen von einem Kern und seine Absorption durch einen zweiten, ähnlichen Kern gemessen. Damit eine Absorption stattfinden kann, muss das Energiespektrum der abgegebenen Gammastrahlen mit dem Spektrum möglicher Anregungsenergien beim Absorber weitgehend übereinstimmen. Die geringste Bewegungsänderung des Absorbers in Bezug zum Emitter bewirkt, dass sich die offensichtliche Energie der Gammastrahlen für den Absorber ändert. Durch eine Bewegung der Strahlenquelle oder des Absorbers können die Energien der Gammastrahlen sehr genau aussortiert werden. Diese Informationen sind bei Untersuchungen der elektronischen und magnetischen Felder von großer Bedeutung (siehe Weltraumforschung).

Hoch auflösende Spektroskopie wird in der Kernphysik verwendet, um den Einfluss von Kerngröße und -form auf die äußere Atomstruktur zu untersuchen. Außerdem spalten oder weiten sich Spektrallinien, wenn eine Lichtquelle in ein magnetisches oder elektrisches Feld gebracht wird, und liefern so wichtige Informationen über die Struktur der Lichtquelle oder über die Felder, die sonst nicht gewonnen werden können. Pieter Zeeman entdeckte 1896, dass die Spektrallinien geweitet oder sogar verdoppelt werden, wenn eine Strahlenquelle in ein Magnetfeld gebracht wird. Diese Erscheinung wurde Zeeman-Effekt genannt. Der so genannte Stark-Effekt wurde nach dem deutschen Physiker Johannes Stark benannt, dem es 1913 gelang, mit einem starken elektrischen Feld die Spektrallinien in mehrere Komponenten aufzuspalten.

Spektrum

im allgemeinen Sinn jede Intensitäts- oder Häufigkeitsverteilung von Bestandteilen eines Gemischs nach einer gemeinsamen Eigenschaft. In den Naturwissenschaften und in der Technik wird dieser Begriff überwiegend auf alle Arten von Strahlung bezogen. So versteht man unter diesem Aspekt unter einem Spektrum die Verteilung elektromagnetischer Wellen nach ihrer Frequenz oder Wellenlänge . Im klassischen Sinn bezeichnet man die Farbenfolge violett, blau, grün, gelb, orange und rot als Spektrum, die sich aus weißem Licht nach Durchgang durch ein Prisma erhalten lässt .

Allgemein kann elektromagnetische Strahlung mit Hilfe von Spektralapparaten zerlegt werden. Diese Geräte arbeiten nach zwei physikalisch-optischen Phänomenen: Brechung (auch optische Dispersion) und Interferenz bzw. Beugung. Das einfachste Grundelement dieser Instrumente ist das bereits erwähnte Prisma. Ein Gerät, mit dem sich ein Spektrum betrachten lässt, nennt man Spektroskop. In den heutzutage üblichen Spektroskopen zur qualitativen Beobachtung sind optische Zerlegung und Beobachtungsfunktion in einem Gerät vereint. Mit Hilfe des ebenfalls üblichen Spektralphotometers lassen sich Spektren registrieren und analysieren . Dies gelingt mit hochmoderner Elektronik und Feinmechanik – in den meisten handelsüblichen Geräten sind leistungsfähige Computer integriert.

Nach Wellenlänge geordnet (längste Wellenlänge zuerst) wird das gesamte elektromagnetische Spektrum folgendermaßen unterteilt – Überschneidungen der einzelnen Bereiche sind möglich:

technischer Wechselstrom (um 107 Meter)
tonfrequenter Wechselstrom (um 105 Meter)
Langwellen (30 Kilometer bis 600 Meter)
Mittelwellen (600 bis 200 Meter)
Kurzwellen (200 bis 10 Meter)
Ultrakurzwellen (10 bis 1 Meter)
kosmische Radiowellen und Mikrowellen (1 Meter bis 0,1 Millimeter)
Infrarotstrahlung (1,5 Millimeter bis 0,75 Mikrometer)
sichtbares Spektrum (0,8 bis 0,4 Mikrometer)
Ultraviolettstrahlung (400 bis 3 Nanometer)
Röntgenstrahlung (10–8 bis 10–15 Meter)
Gammastrahlung (10–10 bis 10–15 Meter)
sekundäre Höhenstrahlung (10–15 bis 10–17 Meter).

Je nach Entstehungsart des Wellengemischs unterscheidet man beispielsweise in Emissions- und Absorptionsspektrum. Ein Emissionsspektrum sendet beispielsweise Atome aus, die zur Emission von Strahlung anregt wurden. Im Gegensatz dazu entsteht ein Absorptionsspektrum durch Absorption ganz bestimmter Wellenlängen bzw. Frequenzen. In diesem Fall absorbieren die Atome aus einem kontinuierlichen Spektrum praktisch die Wellenlängen, die sie bei Anregung auch selbst emittieren würden. Ein ausgewähltes Beispiel für ein Absorptionsspektrum sind die Fraunhofer-Linien im Sonnenspektrum. Emissions- und Absorptionsspektren können in Form von Linien- oder Bandenspektren (meist bei Moleküle) bzw. auch als kontinuierliche Spektren auftreten.

Im heutigen Sprachgebrauch findet der Begriff Spektrum auf jede geordnete Reihung Anwendung, die als Zerlegung einer komplizierten Erscheinung entstanden ist. Ein komplexes Schallereignis, etwa ein Geräusch, kann in ein so genanntes Audiospektrum zerlegt und als Summe einzelner Elementartöne von unterschiedlicher Tonhöhe und -intensität dargestellt werden. Analog dazu kann man eine vielschichtige Mischung chemischer Elemente oder Isotope mit verschiedenen Atomargewichten trennen und die Elemente nach ihren atomaren Gewichten in eine geordnete Reihenfolge bringen, die man Massenspektrum nennt .

Spiegel

optisches Gerät, meist aus Glas, mit polierter Oberfläche. Im Prinzip erzeugt ein Spiegel durch Reflexion von Lichtstrahlen ein optisches Bild .

Spiegel aus poliertem Silber, Kupfer und polierter Bronze werden schon in der Bibel erwähnt und waren in der Antike bei Ägyptern, Griechen und Römern gebräuchlich. Die ersten Glasspiegel wurden im Mittelalter etwa seit dem 13. Jahrhundert in Nürnberg und Venedig angefertigt.

Ursprünglich wurde beim Herstellen eines Spiegels eine Glasscheibe mit so genanntem Spiegelamalgam beschichtet, also mit einer Legierung aus Quecksilber (77 Prozent) und Zinn (23 Prozent). Dazu wurden auf das Glas dünne Zinnfolien gelegt, glattgestrichen und mit Quecksilber übergossen. Dann legte man ein Wolltuch darüber und ließ es, mit Eisengewichten beschwert, ungefähr einen Tag lang darauf liegen. Danach kippte man die Scheibe und ließ das überschüssige Quecksilber ablaufen. Nun war eine glänzende Grenzfläche zwischen Glas und Spiegelamalgam entstanden. Den ersten Versuch, Glas mit Hilfe einer Silberlösung zu beschichten (chemische Versilberung), unternahm im Jahre 1836 der deutsche Chemiker Justus von Liebig. Das Verfahren beruht auf der Reduktion von Silbersalz zu metallischem Silber. Wenn man Spiegel nach diesem Prinzip herstellt, wird zunächst die Glasplatte auf die richtige Größe zurechtgeschnitten und alle Unebenheiten mit Polierrot abgeschmirgelt. Anschließend reinigt man das Glas sorgfältig und fügt eine reduzierende Lösung (z. B. Glucose, Fructose, Galaktose) hinzu. Dann wird die Glasplatte in eine gusseiserne Mulde gelegt, mit Filz bedeckt und mit Hilfe von Wasserdampf warm gehalten. Dabei lässt man eine mit Ammoniakwasser versetzte Silbernitratlösung durch den Filz sickern, wobei das Ganze etwa eine Stunde lang ruhig stehenbleibt. Unterdessen vollzieht sich die Reduktion des Silbernitrats zu metallischem Silber. Das Silber bildet allmählich eine glänzende Schicht auf dem Glas. Häufig folgt dieser Prozedur noch ein so genanntes Verkupfern. Die empfindlichen Metallschichten werden mit Speziallacken gegen Beschädigungen geschützt. Spiegel für spezielle Anwendungen erhält man durch Aufdampfen von Aluminiumdampf im Hochvakuum.

Außer ihrer Anwendung im Alltag werden Spiegel bei vielen in der Naturwissenschaft benötigten Instrumenten eingesetzt, so in Mikroskopen oder in Teleskopen.

Teleskop

Geschichte

Ultraviolettstrahlung

elektromagnetische Strahlung, die Wellenlängen im Bereich von 400 Nanometer (violettes Licht) bis 15 Nanometer (Röntgenstrahlen) aufweist. Ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters. Künstliche Ultraviolettstrahlung lässt sich z. B. durch Lichtbogenlampen erzeugen. Natürliche Ultraviolettstrahlung wird hauptsächlich von der Sonne verursacht.

Besonders bei kleinen Wellenlängen kann Ultraviolettstrahlung für Lebewesen gefährlich sein. Ultraviolettstrahlung mit Wellenlängen unter 300 Nanometer wird für die Sterilisierung von Oberflächen verwendet. Sie tötet Bakterien und Viren ab. Beim Menschen kann Ultraviolettstrahlung mit Wellenlängen unter 310 Nanometer Sonnenbrand verursachen. Eine längere Einwirkung über viele Jahre kann Hautkrebs verursachen.

Die Erdatmosphäre schützt Lebewesen vor der Ultraviolettstrahlung der Sonne. Wenn die gesamte Ultraviolettstrahlung der Sonne die Erdoberfläche erreichen könnte, würde wahrscheinlich das meiste Leben auf der Erde zerstört werden. Zum Glück absorbiert die Ozonschicht der Atmosphäre fast die gesamte kurzwellige Ultraviolettstrahlung und einen großen Teil der langwelligen Ultraviolettstrahlung. Dennoch ist Ultraviolettstrahlung nicht nur schädlich; ein großer Teil des Vitamin D, das Menschen und Tiere benötigen, entsteht, wenn ultraviolette Strahlen auf die Haut treffen.

Wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt sind, verhalten sich viele Substanzen anders, als wenn sie sichtbarem Licht ausgesetzt sind. Zum Beispiel werden bestimmte Mineralien, Farbstoffe, Vitamine, natürliche Öle und andere Produkte fluoreszierend, wenn sie Ultraviolettstrahlung ausgesetzt sind – d. h., sie scheinen zu glühen. Moleküle in den Substanzen absorbieren das unsichtbare ultraviolette Licht und werden dadurch energiereicher. Anschließend geben sie ihre überschüssige Energie ab, indem sie sichtbares Licht abstrahlen. Siehe Lumineszenz. Gewöhnliches Fensterglas ist für einen großen Teil der ultravioletten Strahlen undurchlässig. Das gilt besonders für UV-Strahlen mit kurzen Wellenlängen. Es gibt auch ein Spezialglas, das für längere ultraviolette Wellen durchlässig ist. Quarz ist für den gesamten natürlich vorkommenden UV-Bereich transparent.

Ultraviolettastronomie wird seit den frühen sechziger Jahren mit Hilfe von Sonden an Bord von künstlichen Satelliten durchgeführt und liefert Daten von sternähnlichen Himmelskörpern, die man von der Erdoberfläche aus nicht erhalten kann. Ein Beispiel für einen solchen Satelliten ist der International Ultraviolet Explorer, der 1978 gestartet wurde.

Welle

Begriff für einen sich räumlich ausbreitenden Vorgang (z. B. eine Schwingung), bei dem Energie transportiert wird. In der Physik versteht man unter dem Begriff "Welle" ebenfalls die einmalige bzw. periodisch wiederkehrende Störung von Teilchen eines Mediums oder die Störung physikalischer Felder – diese Felder können sich dabei in dem Medium oder auch im Vakuum befinden. So benötigen beispielsweise mechanische Wellen (z. B. Erdbebenwellen) ein Medium, während sich elektromagnetische Wellen (siehe elektromagnetische Strahlung, z. B. Licht) auch im Vakuum ausbreiten können.

Wellenarten

Die einfachste Welle ist die so genannte Sinuswelle oder auch harmonische Welle. Bei ihr wiederholt sich die Auslenkung aus der Ruhelage räumlich und zeitlich in periodischen Abständen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen ist immer endlich. Man unterscheidet je nach Schwingungsrichtung in zwei Wellenarten: Longitudinal- und Transversalwellen. Wenn sich eine Welle aus nacheinander folgenden verdichteten und verdünnten Bereichen zusammensetzt (Schwingungs- und Ausbreitungsrichtung sind parallel zueinander), so spricht man von einer Längs- oder Longitudinalwelle. Stehen Schwingungs- und Ausbreitungsrichtung senkrecht aufeinander, so bezeichnet man diese Welle als Quer- bzw. Transversalwelle. Schallwellen sind z. B. longitudinale Wellen, während Wasser- oder Meereswellen Beispiele für transversale Wellen darstellen. Elektromagnetische Wellen können nur als transversale Wellen auftreten. Bei ihnen schwingen praktisch elektrische und magnetische Feldstärke (siehe Elektrizität; Magnetismus) innerhalb des felderfüllten Raumes, wobei die Felder bzw. die Feldvektoren senkrecht aufeinander stehen (siehe Optik).

Merkmale

Wellen entstehen durch Wechselwirkungen in schwingfähigen Systemen. Ausgangspunkt einer Welle ist das Wellenzentrum. Von hier breiten sich die Wellen zu allen Seiten hin aus. Die Wellenfläche oder -front bilden die Punkte des Raumes, die sich im gleichen Schwingungszustand befinden – man sagt, sie schwingen in Phase. Stellen die Wellenflächen dabei Ebenen, konzentrische Kugeln oder Zylinder dar, so spricht man von ebenen Wellen (Planwellen), Kugelwellen oder Zylinderwellen. Als Wellennormale bezeichnet man die Senkrechten auf den Wellenflächen.

Wellen werden üblicherweise durch die Wellenlänge (l),l), Frequenz ( Ausbreitungsgeschwindigkeit (c) und durch die Amplitude (A) bestimmt. Die Wellenlänge u),l ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Punkten einer Welle, die in Phase schwingen – also zu ein und derselben Zeit den gleichen Schwingungszustand besitzen. Die Wellenzahl 1/l ist der Kehrwert der Wellenlänge. Diese Zahl beschreibt praktisch die Anzahl ganzer Wellen pro Längeneinheit. Die Frequenz u gibt die Anzahl der in gleicher Phase befindlichen Wellenflächen pro Sekunde an. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Welle vom Wellenzentrum aus in einem Medium bzw. im Vakuum fortpflanzt. So beträgt beispielsweise die Schallgeschwindigkeit bei Normaldruck (1 bar) und einer Temperatur von 0 °C in Luft 331 Meter pro Sekunde (siehe Schall). Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum liegt etwa bei 300 000 Kilometern pro Sekunde (siehe Licht). Unter dem Begriff Amplitude A (auch Schwingungsbauch) versteht man die Schwingungsweite, also den maximal erreichten Abstand von der Mittellage. Dabei bezeichnet man die Bereiche positiver Auslenkung als Wellenberge, die Stellen negativer Auslenkung sind die Wellentäler. Weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit auch die Geschwindigkeit wiedergibt, mit der sich bestimmte Schwingungsphasen ausbreiten, bezeichnet man sie auch als Phasengeschwindigkeit. Wellenzahl (1/

Pflanzt sich eine Welle durch ein Medium fort, geht die von ihr transportierte Energie durch Absorption an das Medium verloren. In diesem Falle spricht man von einer Dämpfung, die praktisch immer dann auftritt, wenn Wellen sich in Medien ausbreiten. Bei so genannten stehenden Wellen liegen die entsprechenden Amplituden immer auf der gleichen räumlichen Position. Fortschreitende Wellen entstehen, wenn sich z. B. zwei ebene Sinuswellen überlagern, die die gleiche Amplitude und Frequenz, aber entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung besitzen. Bei allen Wellenarten lassen sich physikalische Phänomene, wie z. B. Beugung, Brechung, Reflexion, Polarisation oder Interferenz beobachten .

Werkzeugmaschinen

fest installierte Arbeitsmaschinen mit Kraftantrieb, mit denen man Werkstücke aus festen Materialien (z. B. Metall) zu verschiedenen Produkten verarbeitet. Die Formgebung erfolgt, indem mit Hilfe eines auf der Maschine angebrachten Werkzeugs Material vom Werkstück abgetragen oder es in die gewünschte Form gepresst wird. Entscheidend bei der Fertigung sind die gegenseitige Führung von Werkstück und Werkzeug, sowie die Geschwindigkeit und die Richtung, mit der beide während der Bearbeitung zueinander bewegt werden. Werkzeugmaschinen bilden die Grundlage der modernen Industrie und werden zur Herstellung von Maschinen- oder Werkzeugteilen eingesetzt.

Es gibt verschiedene Arten von Werkzeugmaschinen, wobei man nach den Fertigungsverfahren in umformende, in trennende und in fügende Maschinen unterscheidet. Mit spanenden Werkzeugmaschinen formt man beispielsweise Werkstücke, indem das überschüssige Material in Form von Spänen abgetragen wird. Bei Pressen gibt es eine Reihe unterschiedlicher Formungsverfahren, darunter Schubverformung, Pressen und Ziehen (Dehnen). Neuartige Werkzeugmaschinen verwenden Strahlungs-, elektrische, chemische und Schallenergie, überhitzte Gase und hochenergetische Teilchenstrahlen zur Bearbeitung von ungewöhnlichen Materialien und Legierungen.

Geschichte

Die Geschichte der modernen Werkzeugmaschinen begann etwa 1775, als der englische Erfinder John Wilkinson eine Horizontalbohrmaschine für die Bearbeitung der Innenflächen von zylindrischen Teilen baute. Etwa 1794 entwickelte Henry Maudslay die erste Leitspindeldrehbank. Später beschleunigte Joseph Whitworth die weitere Verbreitung der Werkzeugmaschinen von Wilkinson und Maudslay dadurch, dass er 1830 Messinstrumente erfand, mit denen man auf einen Millionstel Zoll genau messen konnte. Seine Arbeit war deshalb so wertvoll, weil für die spätere Massenproduktion von Geräten mit austauschbaren Teilen genaue Messverfahren unerlässlich waren.

Die frühesten Versuche, austauschbare Teile herzustellen, fanden fast gleichzeitig in Europa und den USA statt. Für diese Versuche wurden in erster Linie Koordinatenfeilanlagen eingesetzt, mit denen man per Hand Teile mit im Wesentlichen identischen Abmessungen herstellen konnte. Das erste tatsächliche Massenproduktionsverfahren geht aber auf den amerikanischen Erfinder Eli Whitney zurück, der 1798 einen Regierungsauftrag zur Produktion von 10 000 Armeegewehren, deren Teile austauschbar sein mussten, erhielt.

Während des 19. Jahrhunderts erreichte man mit gewöhnlichen Werkzeugmaschinen wie Drehmaschinen, Stoßmaschinen, Hobelmaschinen, Schleifmaschinen und Sägen sowie mit Fräs-, Räum- und Bohrmaschinen bereits eine vergleichsweise hohe Maßgenauigkeit. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden größere Werkzeugmaschinen gebaut und zudem ihre Genauigkeit erhöht. Nach 1920 spezialisierte sich der Anwendungsbereich einzelner Werkzeugmaschinen. Von 1930 bis 1950 baute man leistungsfähigere und stabilere Werkzeugmaschinen, um den inzwischen verfügbaren verbesserten Schneidstoffen Rechnung zu tragen. Diese spezialisierten Werkzeugmaschinen ermöglichten eine sehr kostengünstige Herstellung normierter Teile. Allerdings waren diese Maschinen wenig anpassungsfähig, und sie konnten nicht auf die Produktion verschiedenartiger Teile oder auf geänderte Normen umgestellt werden. Daher wurden in den vergangenen drei Jahrzehnten Werkzeugmaschinen entwickelt, die äußerst flexibel und genau sind und an eine Steuerung mittels Computer angepasst wurden. Dadurch können auch komplex gestaltete Produkte kostengünstig hergestellt werden. Solche Maschinen sind inzwischen überall in Gebrauch.

Herkömmliche Werkzeugmaschinen

Zu den Grundtypen der Werkzeugmaschine gehören Drehmaschine, Stoßmaschine, Hobelmaschine und Fräsmaschine. Außerdem gibt es noch Bohr- und Räummaschinen, Schleifmaschinen, Sägemaschinen und eine Reihe von Maschinen zur spanlosen Formgebung bei Metallen.

Drehmaschine

Der Vorläufer der Drehmaschine ist die Drehbank. Sie zählt zu den ältesten Werkzeugmaschinen. Bei der heutzutage üblichen Drehmaschine wird das Werkstück in die Spanneinrichtung der Arbeitsspindel eingespannt und gedreht. Anschließend bearbeitet ein Schneidwerkzeug das sich drehende Werkstück spanend und bringt es so in die gewünschte Form. Bei modernen Drehmaschinen befinden sich gleich mehrere unterschiedliche Schneidwerkzeuge in so genannten Revolverköpfen. In Zug- oder Leitspindeldrehmaschinen lässt sich das Werkzeug während des Arbeitsvorganges parallel oder quer zur Drehachse manuell oder auch automatisch (Drehautomaten) bewegen. Dadurch kann man runde oder konische Teile erzeugen oder Gewinde schneiden. Mit einer entsprechenden Zusatzausrüstung lassen sich auch ebene Flächen wie bei einer Fräsmaschine herstellen oder die Aussparungen in Werkstücken vergrößern.

Stoßmaschine

Mit Hilfe von Stoßmaschinen lassen sich Werkstücke in waagerechter und in senkrechter Richtung spanend bearbeiten. So genannte Waagerechtmaschinen (früher: Kurzhobler, Shapingmaschine) dienen meist zur Bearbeitung von Außenflächen kleiner Werkstücke, während für Innenflächen vor allem Senkrechtmaschinen zum Einsatz kommen. Bei der Fertigung bewegt sich das Werkzeug über das fest eingespannte Werkstück. Geschnitten wird nur in einer Richtung (Arbeitshub), dann kehrt das Werkzeug zu seiner Ausgangsposition zurück, wird ein wenig zur Seite versetzt und schneidet erst wieder beim nächsten Hub. Die Stoßmaschine arbeitet mit einem einschneidigen Werkzeug (Stoßmeißel) und ist für die Werkzeugmacherei und den Formenbau sowie in Werkstätten ein wichtiges Hilfsmittel.

Hobelmaschine

Die Hobelmaschine dient zur Außenflächenbearbeitung langer und großer Werkstücke in waagerechter Richtung. Im Gegensatz zur Stoßmaschine, wo sich ein bewegliches Werkzeug gegen ein feststehendes Werkstück bewegt, wird hier umgekehrt das Werkstück an einem fest installierten Werkzeug (Hobelmeißel) vorbeibewegt. Nach jedem Arbeitsspiel, das aus einem Arbeits- und einem Leerhub besteht, wird das Werkstück seitlich verschoben. Man kann an den Werkzeughaltevorrichtungen einer Hobelmaschine auch mehrere Werkzeuge gleichzeitig montieren. Dadurch sind mehrere Schneidvorgänge gleichzeitig möglich.

Fräsmaschine

Fräsmaschinen setzt man zur Herstellung von ebenen oder gekrümmten Flächen ein. Bei einer Fräsmaschine wird das Werkstück gegen ein rundes Werkzeug, den Fräser, geführt. Man kennt verschiedene Typen von Fräsern, wie z. B. spitz gezahnte oder so genannte Messerköpfe. Bei einer Konsolfräsmaschine wird das Werkstück gegen das Werkzeug bewegt. Im Gegensatz dazu erfolgt die Vorschubbewegung bei einer Bettfräsmaschine vom Werkzeug. Für die verschiedenen Bewegungsrichtungen hat man verschiedene Fräsmaschinen entwickelt. In Waagerechtfräsmaschinen werden waagerechte und längsgerichtete Bewegungen realisiert, während Senkrechtfräsmaschinen vertikale Bewegungen von Werkzeugen oder Werkstücken ermöglichen. In so genannten Rundfräsmaschinen sind Bauelemente enthalten, die Rundvorschubbewegungen zulassen. Mit diesen Fräsmaschinen kann man zylindrische Flächen erzeugen.

Bohrmaschinen

Mit Bohrmaschinen kann man Bohrungen in Werkstücken herstellen (Bohren ins volle) oder bereits bestehende Bohrungen nach bestimmten Vorgaben ändern – z. B. durch Aufbohren oder mit Gewindeschneider in ein Kernloch ein Innengewinde schneiden.

Bohrmaschinen gibt es in unterschiedlichen Größen und für unterschiedliche Aufgaben. Die Palette reicht von tragbaren Bohrmaschinen bis zu Schwenk- oder Radialbohrmaschinen, Bohrmaschinen mit Revolverkopf, Bohrautomaten sowie Tisch-, Säulen- und Ständerbohrmaschinen.

Schleifmaschinen

Sägen

Bei den allgemein verbreiteten kraftbetriebenen Sägen unterscheidet man nach der Art der beim Schneiden ausgeführten Bewegung drei Arten: Bügel- und Gattersägen (mit einer Hin- und Herbewegung), Kreissägen und Bandsägen. In der Regel bestehen sie aus einem Rahmen, einer Spannvorrichtung zum Einspannen des Werkstückes, einer Vorschub- oder Zustelleinrichtung und dem Sägeblatt.

Schneidwerkzeuge und -flüssigkeiten

Da bei spangebenden Verfahren hohe Beanspruchungen, hohe Reibungskräfte und erhebliche Wärmeentwicklung in eng begrenzten Bereichen auftreten, müssen Materialien für Schneidwerkzeuge bei hohen Temperaturen sowohl Festigkeit als auch Zähigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit aufweisen. Diesen Anforderungen entsprechen in unterschiedlichem Maß Materialien für Schneidwerkzeuge wie unlegierter Werkzeugstahl (mit 0,5 bis 1,5 Prozent Kohlenstoffgehalt), Schnellarbeitsstahl (Stahllegierungen, die Wolfram, Molybdän, Vanadium und Chrom enthalten), Hartmetall (Wolframcarbid) und Diamant sowie neuartige Werkstoffe wie Keramik und Carbidkeramik.

Bei vielen spangebenden Verfahren werden Flüssigkeiten zur Kühlung und Schmierung eingesetzt. Kühlung erhöht die Lebensdauer der Werkzeuge, Schmierung verringert die Reibung und damit die Wärmeentwicklung und die für einen Schneidvorgang erforderliche Energie. Als Schneidflüssigkeiten werden Lösungen auf Wasserbasis, chemisch inaktive Öle und synthetische Flüssigkeiten verwendet.

Pressen

Mit einer Presse wird ein Werkstück spanlos geformt, d. h. ohne dass Material abgetragen wird. Eine Presse besteht aus einem Rahmen, der als Unterlage für den Presstisch dient, einem Stößel oder Pressschlitten, einer Energiequelle und einer Einrichtung, die den Stößel auf den Presstisch oder im rechten Winkel zum Presstisch bewegt. Die Presse ist mit einem Ober- und einem Unterwerkzeug (Gesenk und Matrize) zum Umformen, Stanzen oder Scherschneiden von Werkstücken ausgerüstet. Produktionsverfahren mit Pressen sind sehr schnell, da ein Arbeitsgang nur so lange dauert wie ein Schlag des Stößels.

Neuartige Werkzeugmaschinen

Zu den neuartigen Werkzeugmaschinen gehören Maschinen zur Plasma-, Laser-, Funkenerosions-, elektrochemischen, Ultraschall- und Elektronenstrahlbearbeitung. Diese Maschinen wurden in erster Linie zur Bearbeitung der in der Schwerindustrie und in der Raumfahrt eingesetzten, extrem harten Legierungen und zum Ätzen der äußerst dünnen Materialien für elektronische Geräte wie Mikroprozessoren entwickelt.

Plasmabearbeitung

Bei der Plasmabearbeitung wird ein sehr heißer Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit dazu eingesetzt, den Werkstoff zu schmelzen und abzutragen. Dieses Verfahren wird in der Regel bei Materialien verwendet, die sich mit anderen Verfahren nur schwer bearbeiten lassen, beispielsweise Edelstähle und Aluminiumlegierungen.

Laserbearbeitung

Elektroerosive Bearbeitung

Die elektroerosive Bearbeitung (EDM) oder Funkenerosion trägt mittels elektrischer Energie Metall berührungsfrei von einem Werkstück ab. Zwischen dem Werkstück und der Spitze des Werkzeuges fließt ein pulsierender hochfrequenter Strom, der Funkenentladungen verursacht. Dadurch verdampfen kleinste Teile des Werkstückes. Da keine Schnittkraft auftritt, können feine und schwierige Formgebungsarbeiten an dünnen Werkstücken vorgenommen werden. Mit diesem Verfahren lassen sich mit keinem herkömmlichen Bearbeitungsverfahren erreichbare Formen herstellen.

Elektrochemische Bearbeitung

Auch bei der elektrochemischen Bearbeitung wird elektrische Energie zum Abtragen von Material eingesetzt. In einer Elektrolysezelle wird das Werkzeug als Kathode und das Werkstück als Anode geschaltet. Ein Strom mit hoher Stromstärke und niedriger Spannung dient dazu, das Metall zu lösen und vom Werkstück zu entfernen. Dieses Verfahren eignet sich für eine Vielzahl von Arbeiten, darunter Ätzen, Markieren, Bohren und Fräsen.

Ultraschallbearbeitung

Die Ultraschallbearbeitung erzeugt mit hochfrequenten Schwingungen und geringer Amplitude Löcher und andere Vertiefungen. Ein verhältnismäßig weiches Werkzeug in der jeweils gewünschten Form, wird in Schwingung versetzt und an das Werkstück gehalten. Dabei fließt zwischen Werkstück und Werkzeug ein Gemisch aus Wasser und einem feinen Schleifmittel. Die Reibung der Schleifmittelteilchen trägt allmählich Material vom Werkstück ab. Mit diesem Verfahren können Materialien wie gehärteter Stahl, Karbide, Rubine, Quarz, Diamanten und Glas leicht bearbeitet werden.

Elektronenstrahlbearbeitung

Bei der Elektronenstrahlbearbeitung werden Elektronen auf nahezu drei Viertel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dieser Vorgang findet in einem Vakuum statt, um die Streuung der Elektronen durch die Gasmoleküle der Atmosphäre zu verringern. Der Elektronenstrahl wird auf einen genau begrenzten Bereich des Werkstückes gelenkt. Beim Auftreffen wandelt sich die kinetische Energie der Elektronen in Wärmeenergie um. Dabei schmilzt und verdampft das zu entfernende Material, es entstehen Löcher oder Schnitte. Elektronenstrahlanlagen werden häufig in der Elektronikindustrie beim Ätzen der Schaltkreise von Mikroprozessoren eingesetzt.

Zeichnen, technisches

Verfahren zur Darstellung von Topographie, technischen Anlagen (siehe Technik), Gebäuden und Maschinenteilen durch standardisierte Zeichnungen. Technisches Zeichnen spielt eine wichtige Rolle in der Technik und der Produktion. Hier dienen technische Zeichnungen als Vorlagen für die Fertigung von beispielsweise technischen Gütern. Technisches Zeichnen findet u. a. auch in der Architektur und Geologie Anwendung.

Der eigentliche Zweck einer technischen Zeichnung liegt darin, die genauen Formen und Größen eines Körpers darzustellen. Eine normale perspektivische Zeichnung vermittelt keine Informationen über versteckte Details eines Körpers und ist nicht maßstabsgetreu. Normiertes technisches Zeichnen verwendet zwei oder mehr Projektionen, um feste Körper darzustellen (siehe Geometrie). Diese einzelnen Projektionen sind Ansichten oder Pläne eines Körpers, aber für sich allein nicht vollständig. Nur alle Projektionen als eine Einheit geben jede Dimension und jede Einzelheit eines Körpers wieder.

Die Hauptansicht oder -projektion einer technischen Zeichnung ist die Vorderansicht bzw. der Aufriss, der gewöhnlich die Seite des Körpers zeigt, die die größten Abmessungen hat. Über dem Aufriss zeichnet der technische Zeichner den Plan, der den Körper von oben betrachtet darstellt. Wenn diese beiden Ansichten nicht ausreichen, werden weitere Ansichten angefertigt: eine Seitenansicht bzw. seitlicher Aufriss, Hilfsansichten, die von einem bestimmten Gesichtspunkt außerhalb des Körpers ausgehen und dazu bestimmt sind, äußere Details zu zeigen, und Schnittansichten bzw. Schnitte, die den Körper zur Darstellung innerer Details zeigen. Jede Linie in einer technischen Zeichnung stellt eine Begrenzung oder das Aufeinandertreffen zweier Oberflächen dar. Durchgezogene Linien stellen sichtbare Begrenzungen und sichtbar aufeinander treffende Oberflächen dar, unterbrochene Linien stellen verborgene dar. Die Zeichnung gibt die genauen Abmessungen aller Linien an, die für die exakte Definition des Körpers nötig sind.

Eine ganze Reihe spezieller Normen werden in technischen Zeichnungen, die Topographie, Architektur und andere Bereiche betreffen, angewendet, um die Informationen darzustellen, die der Benutzer der Zeichnung benötigt. Bei topographischen Zeichnungen werden spezielle Zeichen verwendet, um Geländearten, Erhebungen und Vertiefungen darzustellen (siehe Landkarte). In der Architektur und im technischen Zeichnen werden zur Darstellung verschiedener Arten von Materialien unterschiedliche Linien, Schattierungen und Schraffuren verwendet. Wenn es möglich ist, stellt man das abzubildende Objekt in Originalgröße dar. Konstruktionszeichnungen, die Details von Maschinen darstellen, geben das Objekt jedoch häufig in einem bestimmten, vergrößerten Maßstab wieder. Im Gegensatz dazu zeigen Landkarten und Zeichnungen großer technischer Anlagen das Objekt in verkleinertem Maßstab. Das Verhältnis der Vergrößerung oder Verkleinerung einer Zeichnung wird als ihr Maßstab bezeichnet. Dieser ist immer auf der Zeichnung vermerkt.

Heute werden die meisten technischen Zeichnungen mit Hilfe von Computern angefertigt. Technische Zeichnungen, die mit einem Computer erstellt werden, können leichter geändert werden als Zeichnungen auf Papier. Außerdem steigern Computer die Effizienz von Entwurf und Produktion. Wenn z. B. die Spezifikationen eines kleinen Teiles einer größeren Maschine im Computer geändert werden, kann der Computer berechnen, wie die Änderung den Rest der Maschine beeinflusst, bevor die Maschine tatsächlich gebaut wird.
, Die Laserbearbeitung erfolgt durch genaues Führen eines Laserstrahles zur Verdampfung überschüssigen Materials. Das Verfahren ist besonders zur Herstellung präzise positionierter Löcher geeignet. Man kann damit Löcher in spröden Metallen und Keramik sowie in sehr dünnen Materialien herstellen, ohne das Werkstück zu deformieren. Mit einer Laseranlage können auch äußerst feine Drähte verschweißt werden. Schleifen nennt man das Abtragen von Metall mit einer sich drehenden Schleifscheibe. Eine Schleifscheibe besteht aus einer großen Zahl von sehr kleinen, gebundenen Körnern eines Schleifmittels. Jedes einzelne Körnchen fungiert als ein winziges Schneidwerkzeug. Durch Schleifen erreicht man eine äußerst glatte und maßgenaue Oberfläche. Da die Scheibe bei jedem Vorbeiführen nur sehr geringe Mengen Material abträgt, muss die Scheibe einer Schleifmaschine äußerst genau gesteuert werden. Der Druck der Schleifscheibe auf das Werkstück kann sehr gering gehalten werden, so dass man auch zerbrechliche Teile bearbeiten kann, was mit anderen herkömmlichen Geräten nicht möglich ist. ,,,
Das Teleskop wurde in Holland erfunden. Sein Erfinder steht nicht genau fest, jedoch wird die Erfindung dem holländischen Brillenmacher Hans Lippershey zugeschrieben. Als Jahr wird 1608 genannt. Im Jahr 1609 ist die erste Ausstellung eines Teleskops durch Galileo Galilei belegt. Johannes Kepler entdeckte das Prinzip des astronomischen Fernrohrs mit zwei konvexen Linsen. Linsenfernrohre nennt man auch Refraktoren. Keplers Idee wurde beim Bau eines Teleskops durch den deutschen Jesuiten und Astronomen Christoph Scheiner 1630 angewendet. Die so genannte sphärische Aberration brachte allerdings gewisse Schwierigkeiten mit sich: Astronomische Fernrohre hatten eine beachtliche Länge – einige bis zu 61 Meter (siehe Optik).

Die Erfindung des achromatischen Objektivs 1757 durch den britischen Optiker John Dollond und die Qualitätsentwicklung des optischen Hartglases (1754) erlaubten bald den Bau von besseren Refraktoren. Die Linsen, die Dolland herstellte, hatten jedoch nur einen Durchmesser von 7,5 bis zehn Zentimetern. Dadurch hatten alle diese Teleskope geringe Abmessungen, und ihr Auflösungsvermögen für weiter entfernte Himmelsobjekte war bescheiden. Verfahren zur Herstellung von großen Scheiben aus optischem Glas wurden im späten 18. Jahrhundert entdeckt. In diesem Zusammenhang leistete der Schweizer Optiker Pierre Louis Guinand bedeutende Beiträge. Er arbeitete später mit Joseph von Fraunhofer zusammen. Guinands Entdeckung ermöglichte die Herstellung von Teleskopen bis 25 Zentimeter Durchmesser.

Der nächste erfolgreiche Hersteller von Teleskoplinsen war der amerikanische Linsenschleifer und Astronom Alvan Clark, der im Lauf seiner Arbeit zum angesehensten Linsenschleifer von Teleskoplinsen wurde. Mit seinem Sohn Alvan Graham Clark stellte er nicht nur Linsen für die führenden amerikanischen Observatorien her, sondern auch für verschiedene europäische Einrichtungen.

Das Spiegelteleskop (Reflektor) verwendet einen konkaven Spiegel zur Erzeugung des Bildes. Reflektoren sind in vielen Varianten gebaut worden. Mit diesem Teleskoptyp machten die Himmelsforscher viele der wichtigsten astronomischen Entdeckungen. Im frühen 17. Jahrhundert benutzte der italienische Jesuit Niccolo Zucchi als Erster ein Okular für die Betrachtung der Abbildung, die ein konkaver Spiegel erzeugte. Der schottische Mathematiker James Gregory beschrieb 1663 als Erster ein Teleskop, das einen Spiegel enthielt. Der englische Mathematiker und Physiker Isaac Newton baute 1668 das erste Spiegelteleskop. Beim Spiegelteleskop muss das von einem konkaven Spiegel reflektierte Licht in eine geeignete Beobachtungsposition seitlich oder unterhalb des Instruments gebracht werden – andernfalls behindern das Okular und der Kopf des Beobachters erheblich den Lichteinfall. Gregory beseitigte dieses Problem, indem er einen zweiten konkaven Spiegel einfügte, der die Strahlen in das Okular reflektierte. Henry Draper, einer der wenigen frühen amerikanischen Astronomen, die ein Spiegelteleskop bauten, verwendete mit Erfolg ein total reflektierendes Prisma anstelle des ebenen Spiegels.

Der französische Arzt und Astronom Giovanni D. Cassegrain erfand um 1672 ein Teleskop, das anstelle des konkaven Spiegels einen konvexen verwendete. Der englische Astronom Sir William Herschel kippte den Spiegel in seinem Teleskop und platzierte das Okular so, dass es den einfallenden Strahl nicht blockierte. Herschels Spiegel hatten einen Durchmesser von 122 Zentimetern, und das Teleskop war 12,2 Meter lang. Die Spiegel der Teleskope waren gewöhnlich aus Spiegelmetall, einer Mischung aus Kupfer und Zinn. Dies änderte sich, als der Chemiker Justus von Liebig ein Verfahren zur Aufbringung einer Silberschicht auf eine Glasoberfläche entdeckte. Von da ab verwendete man versilberte Spiegel. Sie vereinfachten den Bau des Spiegels, und eine Neubeschichtung war jederzeit ohne Veränderung der Form möglich. Später wurde die Versilberung durch die länger haltbare Aluminiumbeschichtung abgelöst.

1931 erfand der Optiker Bernhard Schmidt an der Sternwarte Hamburg ein kombiniertes Teleskop mit Linse und Spiegel. Das Teleskop von Schmidt besitzt eine dünne Linse an einem Ende und einen konkaven Spiegel mit einer Korrekturplatte am gegenüberliegenden Ende. Das größte Schmidt-Teleskop mit einer 134 Zentimeter großen Linse und einem 200 Zentimeter großen Spiegel steht im Karl-Schwarzschild-Observatorium in Tautenberg.

Das zur Zeit größte Spiegelteleskop der Welt ist das Keck-Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 982 Zentimetern. Es befindet sich im Mauna-Kea-Observatorium auf Hawaii. Die Liste der Spiegelteleskope mit mehr als 250 Zentimeter Durchmesser umfasst u. a. folgende Exemplare: das 610-Zentimeter-Teleskop im Astrophysikalischen Observatorium bei Selintschukskaja in Russland, das 508-Zentimeter-Teleskop im Palomar-Observatorium in Kalifornien, das 420-Zentimeter-Teleskop am Observatorium am Roque de los Muchachos in Las Palmas auf den Kanarischen Inseln, das 400-Zentimeter-Teleskop am Cerro-Tololo-Inter-American-Observatorium bei La Serena in Chile, das 390-Zentimeter-Teleskop am Englisch-Australischen Observatorium bei Coonabarabran in Australien, das 380-Zentimeter-Teleskop am Kitt-Peak-Nationalobservatorium bei Tucson in Arizona und das 380-Zentimeter-Teleskop am Mauna Kea. Ein berühmtes historisches Teleskop in Amerika ist das 254-Zentimeter-Hooker-Teleskop am Mount-Wilson-Observatorium in Pasadena (Kalifornien). Es war von 1985 bis 1992 stillgelegt. Die Gründe dafür waren finanzielle Engpässe, neue technologische Entwicklungen und das Bestreben, die Bedienung zu vereinfachen.

Das Keck-Teleskop verkörpert in seiner Bauweise eine wichtige Innovation. Die Oberfläche des Spiegels besteht aus 36 sechseckigen Segmenten, von denen jedes Einzelne mit drei Antriebskolben positioniert werden kann. Eine Steuerelektronik koordiniert die Segmente. Die Segmentierung verringert nicht nur das Gewicht des Teleskops, es erleichtert auch ganz erheblich das Polieren des riesigen Spiegels. Auf dem Mauna Kea hat ein zweites Teleskop, Keck II, 1996 seinen Betrieb aufgenommen.

Eine weitere bedeutende Innovation beim Bau von Teleskopen ist das Mehrfachspiegelteleskop. Das erste Teleskop dieser Art wurde 1979 auf dem Mount Hopkins, südlich von Tucson (Arizona), fertig gestellt (Whipple-Observatorium). Das Mehrfachspiegelteleskop verwendet eine Anordnung von sechs 183 Zentimeter großen Spiegeln (die durch einen einzigen 650 Zentimeter großen Spiegel ersetzt werden sollen), um die Lichtstärke eines einzelnen 450 Zentimeter großen Spiegels zu erreichen.

Bei der Beobachtung des Himmels mit Teleskopen verursacht die Erdatmosphäre Verzerrungen. Das Hubble-Weltraumteleskop besitzt den Vorteil, dass es sich über der Erdatmosphäre befindet. Nach dem Start im Jahr 1990 gab es zunächst mehrere mechanische und elektronische Probleme. Die Reparatur erfolgte im Dezember 1993. Sogar vor seiner Reparatur lieferte das Weltraumteleskop jedoch schon einige Bilder, die besser waren als die Bilder von Teleskopen auf der Erde.

Radioteleskope

Das VLA, das Very Large Array (Radioteleskop), befindet sich etwa 80 Kilometer westlich von Socorro in New Mexico. Dort sind 27 bewegliche und steuerbare Antennen mit Durchmessern von 25 Metern in Form eines 21 Kilometer großen Y aufgestellt. Durch die Verbindung der Signale aller 27 Antennen erzielt das VLA eine viel höhere Auflösung als irgendeine einzelne Antenne. Das Very Long Baseline Array (VLBA) besteht aus einer Anordnung von zehn Antennen. Die Anlage ist auf verschiedene Plätze verteilt (von Hawaii über Nordamerika bis zu den Jungferninseln). Das 1993 fertig gestellte VLBA arbeitet nach den gleichen Prinzipien wie das VLA: Die Verbindung der Signale der zehn Antennen erzeugt Bilder mit hoher Auflösung.

Das größte bewegliche Radioteleskop mit einem Durchmesser von 100 Metern befindet sich am Effelsberg (Max-Planck-Institut für Radioastronomie). Das größte Radioteleskop wird von der Cornell-Universität betrieben. Es handelt sich dabei um ein stationäres Gerät, das in eine natürliche, schüsselartige Vertiefung in den Bergen in der Nähe von Arecibo auf Puerto Rico hineingebaut wurde. (siehe Arecibo-Radioobservatorium). Der Empfänger im Brennpunkt des Teleskops ist an drei Stahlpfeilern über dem Spiegel aufgehängt. Das Teleskop, das einen Durchmesser von 305 Metern hat, wurde 1963 fertig gestellt. Siehe Radioastronomie; Radarastronomie.

, Gerät, das ein vergrößertes Bild eines weit entfernten Gegenstands erzeugt., , ,
, Mittel zum Abschleifen oder Polieren eines Gegenstands durch mechanisches Abtragen seiner Oberfläche. Schleifmittel sind in der Regel sehr harte Substanzen. Einige verwendet man in Form von Pulvern. Andere sind gröber und werden in größeren Stücken verwendet. Die Stücke haben an ihren Bruchrändern scharfe Schneidkanten. Die Form eines Gegenstands stellt man zunächst mit einem groben Schleifmittel her. Das Polieren erfolgt dann mit einem feinen Schleifmittel. Bei fast allen Schleifvorgängen ist der zu schleifende Gegenstand meist weicher als das Schleifmittel. (auch Spiegelung), (1642-1727),,
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