Titel: Soleil's verbesserter Sacharimeter.
Autor: Becquerel, Alexandre Edmond
Fundstelle: 1848, Band 107, Nr. LXXXIV. (S. 343–351)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj107/ar107084

LXXXIV. Bericht über Soleil's verbesserten Saccharimeter (Zuckergehaltsmesser); der Société d'Encouragement erstattet von Ed. Becquerel.

Aus dem Bulletin de la Société d'Encouragement, Sept. 1847, S. 545.

Mit Abbildungen aus Tab. V.

Die chemische Analyse ist in vielen Fällen zu umständlich oder zu schwierig, als daß der Techniker mittelst derselben über die Güte mancher Substanzen schnell ein Urtheil abzugeben vermöchte; sind aber gewisse physische Eigenschaften dieser Substanzen leicht zu ermitteln, so liefern sie ihm einen sichern Anhaltspunkt zur Beurtheilung des Werthes der Handelsproducte. Im polarisirten Lichte nun besitzt man ein Agens, auf welches die Elementarbestandtheile gewisser Substanzen so einwirken, daß die hervorgerufenen einfachen Reactionen die Erkennung der chemischen Constitution dieser Substanzen möglich machen; wir sprechen hier von den zuerst von Hrn. Arago am Quarz beobachteten Erscheinungen, die dann von Hrn. Biot genauer studirt wurden. Es beziehen sich diese Erscheinungen auf die nachher so benannte Rotation (Drehung) der Polarisationsebene. Da Hr. Biot entdeckte, daß gewisse feste, flüssige und gasförmige Substanzen dieselben Eigenschaften besitzen wie der Quarz, und da die Drehung in einem und demselben Körper stets proportional ist der Quantität der im Wege des Lichtstrahls liegenden thätigen Partikelchen, so folgt daraus, daß man die Messung des Drehungswinkels benutzen kann, um die Quantität, und in manchen Fällen auch die Qualität der zu analysirenden Substanzen zu ermitteln. Unter den Materien welche das Vermögen besitzen, die Polarisationsebene zum Drehen zu bringen, zeichnen sich vorzüglich die verschiedenen Zuckerarten aus, deren Vorhandenseyn leicht nachgewiesen werden kann und welche, je nach ihrer Natur, eine Drehung bald zur Rechten, bald zur Linken geben. Um aber von dieser physischen Eigenschaft als Untersuchungsmittel in der Technik Gebrauch machen zu können, muß man Apparate anwenden, mittelst deren man die Rotation schnell und richtig finden kann, ohne daß derjenige, welcher die Versuche anstellt, große Kenntnisse in der Physik zu besitzen braucht.

Dieses war der Zweck, welchen sich der Optiker Soleil vorsetzte, als er den vorliegenden Apparat construirte. Wir haben uns auf die |344| Prüfung dieses Apparats als Meßapparat zu beschränken und uns zu überzeugen ob er als solcher allen Anforderungen entspricht.

Das Princip, welches Hrn. Soleil bei der Construction dieses Instrumentes leitete, findet in der Physik häufige Anwendung; es ist das Princip der Compensation (gegenseitigen Aufhebung). Um dasselbe in diesen Fällen anzuwenden, bringt man auf den Weg welchen das polarisirte Licht zu machen hat, den zu untersuchenden Körper und setzt dann zwischen diesen Körper und den Analysator eine andere thätige Substanz, welche in umgekehrtem Sinne wirkt und deren Dicke man so lange abändert, bis die Wirkungen sich aufheben; wenn letztere Substanz sich immer gleich bleibt, so kann man ihre Dicke als Maaß der Rotation nehmen. Statt also das Rotationsvermögen des zu analysirenden Körpers direct zu messen, compensirt man seine Wirkung durch diejenige einer andern, als Einheit angenommenen, thätigen Substanz; die von Hrn. Soleil dazu benutzte Substanz ist der Quarz. Die Compensation ist nur dann möglich, wenn der analysirte Körper und die Substanz, auf welche man alle Wirkungen bezieht, gleiche Zerstreuung haben; ist dieß nicht der Fall, so kann die Compensation nicht stattfinden; nun hat aber Hr. Biot bewiesen, daß die meisten Körper, insbesondere aber Quarz und Zucker, nahezu gleiches Zerstreuungsvermögen haben und einander ziemlich ausgleichen können. Es folgt hieraus, daß man bei Proben zu technischen Zwecken von dem Princip ausgehen kann: Zucker und Quarz haben gleiche Zerstreuung und bei geringen Dicken findet eine möglichst vollkommene Compensation statt.

Das Princip der Compensation ist sehr einfach, aber seine praktische Anwendung bot Schwierigkeiten dar, welche von Soleil durch seine Platte mit zwei Rotationen gehoben wurden, die den Gebrauch seines Apparats so leicht und bequem macht. Ehe ich die Vorzüge und Mängel dieses Instruments auseinandersetze, will ich es kurz beschreiben.

Man kann den Apparat als aus drei verschiedenen Theilen bestehend betrachten: 1) dem Polarisator; 2) der Röhre welche die zu analysirende Flüssigkeit enthält; 3) dem Analysator.

Der Polarisator besteht zunächst vorne aus einem gewöhnlichen doppelt-strahlenbrechenden Prisma aus isländischem Spath mit hinreichend großem Brechungswinkel; man entfernt es hinlänglich von dem am Vordertheil befindlichen Diaphragma (Blende), so daß ein einziges Bild, das außergewöhnliche fortbesteht, während das zweite außerhalb des Gesichtsfelds geworfen wird; dieses Prisma wird zum Theil achromatisirt durch ein Prisma aus Crownglas, dessen Hauptfunction ist, den |345| polarisirten Strahl in die Achse des Apparats zurückzuführen. Nach dem doppelt-strahlenbrechenden Prisma kömmt die Platte mit zwei Rotationen; sie besteht aus zwei Quarzplatten mit entgegengesetzter Drehung, welche so neben einander gesetzt sind, daß ihre Trennungsfläche vertical und parallel zur Achse des Apparats ist; sie ist auf den Seiten welche zu den in das Instrument dringenden Lichtstrahlen perpendiculär sind, vollkommen bearbeitet und hat genau 7,5 Millimeter oder die Hälfte, also 3,75 Millimeter Dicke. Da die Rotation eines Quarzblättchens von 1 Millimeter Dicke für den Mittlern gelben Strahl 24° beträgt, so kommen auf das Blättchen von 7,5 Millim. 180° Rotation, und auf dasjenige von 3,75 Millim. Dicke 90°; diese Rotation entspricht in beiden Fällen der violettartigen Farbe, der s. g. Durchgangsfarbe. Nach Soleil ist die Dicke von 3,75 Millim. die zweckmäßigste; doch gibt auch die von 7,5 Millim. sehr gute Resultate. Aehnliche Töne würde man durch Quarzdicken erhalten welche Multipla von 3,75 Mill. sind; dann wären die Töne aber mit Weiß gemengt und gäben weniger gute Resultate.

Nach dem Polarisator kömmt die Röhre welche die zu analysirende Substanz enthält; es ist dieß eine Röhre von sehr dickem Glas, in einem messingenen Cylinder befestigt; an den beiden Enden ist sie so abgeschliffen, daß zwei parallele Glasplatten genau anpassen.

Der dritte Theil des Apparats, der Analysator, besteht erstens aus dem Compensator von Quarz. Um denselben herzustellen, nimmt man eine Quarzplatte von ungefähr dem Maximum der Dicke, die man erhalten will, gleichviel ob mit einer Drehung nach Rechts oder nach Links, durchschneidet sie schief, so daß zwei gleichwinklige Prismen entstehen und bearbeitet diese Prismen durch gleichzeitiges Abschleifen ihrer Flächen; hierauf legt man diese beiden Prismen aufeinander und bildet durch ihre Vereinigung eine einzige Platte mit parallelen Flächen; mittelst eines gezahnten Stängchens kann man sie auf ihren schiefen Flächen verschieben; durch diese Bewegung wird also die Dicke der Compensationsplatte verändert, ohne daß ihre äußern Seiten aufhören parallel zu seyn. Vor diese beiden Prismen klebt man eine Platte von gleicher Dicke und entgegengesetzter Rotation, so daß bei normaler Stellung des Systems der zwei Prismen die Wirkungen sich compensiren und die Gesammtwirkung Null ist. Bewegt man aber die Zahnstange in der einen oder andern Richtung, so erhält das System der zwei Prismen oder die Rotationsplatte das Uebergewicht und der Compensator kann einen Ueberschuß von Rotation zur Rechten oder Linken geben, entsprechend einer Quarzdicke welche von Null bis zur Dicke der |346| beiden Prismen variiren kann. Man richtet es so ein, daß 1 Millim. Quarz einer horizontalen Linear-Bewegung des Compensators von ungefähr 25 Millim. entspricht, und da auf der Scala 1/4 Millim. leicht abgeschätzt werden kann, so läßt sich die Dicke des Quarzes bis auf 1/100 Millim. schätzen. Der Compensator wird so am Apparat befestigt, daß er vollkommen senkrecht zur Achse des Lichtstrahls ist, und zur Bequemlichkeit entspricht die Horizontal-Bewegung der Prismen zur Rechten oder Linken der Rotation in demselben Sinne, welche die Initialbuchstaben K, L anzeigen. Nach dem Compensator kömmt ein gewöhnliches doppelt-brechendes Prisma, welches das Bild vom Diaphragma des Polarisators abdoppelt und im Gesichtsfeld die zwei Bilder wahrzunehmen gestattet. Vor diesem Prisma befindet sich ein kleines Galiläi'sches Fernglas, um die Bilder in den Abstand ihrer deutlichen Erscheinung zu bringen, welcher der Platte mit zwei Drehungen entspricht.

Alle Theile des Apparats sind sehr sorgfältig zusammengefügt, weil der Compensator nur dann genaue Werthe angibt, wenn er immer perpendiculär zu dem in den Apparat dringenden Strahlenbüschel ist. Die Abweichungen, welche die Temperatur-Veränderungen in der Drehung des Quarzes vom Compensator verursachen könnten, sind für nichts anzuschlagen.

In der Hauptsache besteht also der Hergang darin, daß sich das Licht in dem ersten doppelt-brechenden Prisma polarisirt; wegen der Anordnung des Prisma's dringt aber nur ein einziger Lichtbüschel nach der Achse des Apparats hindurch; das so polarisirte Licht geht durch die Platte mit zwei Drehungen hindurch, sodann durch die auf seinem Wege befindliche mit Flüssigkeit gefüllte Röhre und wird alsdann, nachdem es durch den auf Null gestellten Compensator gegangen, in dem doppelt-brechenden Prisma des Analysators abgedoppelt. Da jedes Bild, welches dieses Prisma erzeugt, durch die Nebeneinanderstellung zweier theilweiser Bilder gebildet wird, die von den Platten mit entgegengesetzter Rotation herrühren, so wird, wenn die Substanz eine unwirksame ist, der Compensator auf Null steht und die Hauptquerschnitte des doppeltbrechenden Analysator- und des Polarisator-Prisma's parallel sind, dann die Farbe eines jeden (Bildes) eine gleichförmige seyn; wenn aber die Substanz eine wirksame ist, so wird sich ihre Wirkung jener von einem der Theile der Platte mit zweierlei Drehungen beifügen und der Wirkung des andern Theils entziehen, folglich verändern sich die Farben der einzelnen Bilder. Es geht daraus hervor, daß wenn man den Compensator in der einen oder andern Richtung, welche die entgegengesetzte von der Drehung der wirksamen Substanz ist, in Gang setzt, man bald |347| jedes Bild wieder zu derselben Farbe zurückführen wird und der Gang des Compensators wird die Quarzdicke repräsentiren, welche in der Rotation der wirksamen Substanz äquivalent ist. Die wesentlich neuen Theile des Apparats sind also die Platte mit zwei Drehungen und der Compensator auf welchem der Zuckergehalt der Auflösung gemessen wird.

Um den Analysator auf Null zu stellen, bringt man zuerst den Compensator auf Null, und mittelst einer Führungsschraube kann man dem doppelt-brechenden Prisma des Analysators eine Rotationsbewegung um die Achse des Apparats in der einen oder andern Richtung geben, durch welche Bewegung die Gleichheit der Farbe in den beiden Theilen der Bilder leicht herbeigeführt wird.

Wenn der Apparat vom weißen Licht beleuchtet wird und die zu analysirende Substanz farblos ist, so ist die Farbe des einen Bildes Violett und die des andern Bildes die gelbe Ergänzungsfarbe; wenn man sich aber künstlichen Lichtes, z.B. einer Lampe bedient, so findet, weil das Zerstreuungs-Vermögen des Zuckers und des Quarzes ziemlich gleich ist, die Compensation doch noch statt; je homogener das Licht ist, desto geringer ist auch die Empfindlichkeit des Apparats, denn mittelst eines Strahles von einfacher Farbe gäbe der Gang des Compensators nicht mehr zu einer Verschiedenheit der Farbe in den Theilen der Bilder, wohl aber zu einer Verschiedenheit der Intensität Veranlassung. Es ist also vortheilhaft, mit dem weißen Licht zu operiren; doch gibt auch eine Lampe sehr gute Resultate, vorzüglich wenn man sich eines Quarzplättchens und eines Nicol'schen Prisma's bedient, wovon weiter unten die Rede ist.

Ein Hauptvortheil des neuen Saccharimeters besteht darin, daß man sich nur durch die Farbenveränderung zweier Theile eines und desselben Bildes leiten läßt, während man beim directen Messen der Rotation gar keinen Vergleichungspunkt hat und wenn die Farbe des beleuchtenden Lichts sich ändert, Correctionen vornehmen muß, welche dieser Untersuchung ihre Einfachheit benehmen.

Noch einen Vortheil gewährt der Apparat, daß er unabhängig ist von der Farbe der Flüssigkeit, mit welcher der Versuch angestellt wird; man setzt nämlich beständig eine merkliche Farbe dadurch wieder zusammen, daß man gefärbte Gläser vor den Polarisator bringt, oder besser, indem man am Vordertheil des Apparats ein Quarzplättchen und ein Nicol'sches Prisma anbringt. Dieser Zusatz ist von sehr großem Nutzen, indem man die verschiedenen Farben der Bilder durch Drehen des Nicol'schen Prisma's verändern und, wenn für eine Farbe die Compensation |348| hergestellt ist, untersuchen kann, ob dieß auch für alle andern der Fall ist. Wenn man so verfährt, so gelangt man, sowohl mit weißem Licht als mit demjenigen einer Lampe, an eine schmutzige Lilasfarbe eines der Bilder, welche außerordentlich empfindlich ist und durch die geringste Bewegung des Compensators in Grün oder in Roth übergeht.

Wir sagten oben, daß der Compensator ganz perpendiculär zur Achse des Apparats seyn muß; von welcher Wichtigkeit dieß sey, ist leicht einzusehen; der Quarz-Compensator hat nämlich die Eigenschaft, eine große Länge der Flüssigkeit durch eine sehr kleine Dicke des Quarzes zu compensiren; wäre er nicht vollkommen perpendiculär, so würde also der Gang des Apparats die Drehung der Flüssigkeit nicht genau angeben. Der Apparat Soleil's ist übrigens gut construirt; die Röhre, welche Flüssigkeit enthält, ist 200 Millimeter lang und der Compensator kann nur eine zwischen 0 und 2 Millimeter enthaltene Quarzdicke geben; in manchen Fällen dürften diese Dimensionen nicht die zweckmäßigsten seyn; doch können stets andere Röhren und andere Compensatoren an deren Stelle gesetzt werden.

Ein Uebelstand welcher diesem neuen Instrument zum Vorwurf gemacht werden kann, ist, daß die in dem Analysator stattfindenden zahlreichen Reflexionen sehr viele Bilder erzeugen, welche zugleich mit den zwei Hauptbildern sich zeigen; allerdings sind sie sämmtlich viel weniger intensiv als das entsprechende Hauptbild; wenn man aber die Farbenveränderungen, z.B. des violetten Bildes untersucht, so verhindern das gelbe Hauptbild und die dasselbe begleitenden Nebenbilder die Netzhaut, ebenso empfindlich zu seyn, als wenn das gelbe Bild weggeblieben wäre. Um diesem Uebelstand zu begegnen, muß man sich von dem Ocular etwas zurückziehen und mittelst eines (am Ende einer Messingröhre, die an den Apparat gepaßt werden kann, angebrachten) Diaphragma's bloß auf das Bild sehen das die Farbenveränderungen geben muß.

Wir wollen nun die Empfindlichkeit des Apparats und seine Fehlergränzen untersuchen. Bei der Compensation kann man sich höchstens um 1/100 Millimeter Quarzdicke irren; verdoppeln wir diese Zahl, so hat man 2/100 Millimeter, was 1/2 Grad Drehung für den gelben Strahl entspricht; dieß ist die äußerste Gränze an welche man gelangt, wenn man die Rotation mit einem doppelt-brechenden Prisma mißt. Wenn die Zuckerlösungen röthlich sind, wird die Gränze niedriger.

Die Rotation von 1 Millimeter Quarz ist für das äußerste Roth ungefähr 15°, für das mittlere Gelb 24° und für das äußerste Violett |349| 47°; ferner wenden 27 Millimeter geschmolzen gedachten Candiszuckers in gleichem Grade die Polarisationsebene gegen Rechts, wie 1 Millim. in demselben Sinne rotirenden Quarzes. Wenn eine Auflösung von Candiszucker in Wasser 1/100 Gewichtstheil Zucker enthält, so würde eine 200 Millimeter lange, mit dieser Flüssigkeit gefüllte Röhre durch 0,063 Millimeter Quarz compensirt werden; da nun mittelst des Apparats 0,01 Millimeter Quarzdicke noch geschätzt werden kann, so folgt daß in der 200 Millim. langen Röhre ungefähr 0,0015 (15 Zehntausendstel) oder 1 1/2 Tausendstel des Zuckergewichts in der Auflösung noch meßbar sind.

Unsere Normalauflösungen bereiteten wir durch Auflösen krystallisirbaren Zuckers in Wasser, wozu nicht über 30 Gramme Zucker für 100 Cubikcentimeter Lösung, also 23 Gewichtsprocente derselben, angewandt wurden, weil der beinahe 2 Millimeter dicke Compensator nicht gestattete darüber hinauszugehen. Hierauf überzeugten wir uns durch Bestimmung der Zuckermenge vermittelst der Rotation und durch Vergleichen der erhaltenen Zahlen mit jenen der ursprünglichen Wägungen, daß sie nur um 2 ganze Decigramme von einander abweichen können, daß aber auch dieser Fehler, wenn man sehr sorgfältig verfährt und die Mittelzahlen nimmt, kleiner ausfällt. Operirt man mit 16–20 Gr. Zucker und einer 200 Millim. langen Röhre, so kann sich also ein Fehler von höchstens 1/100 des Zuckergewichts ergeben; bei kleinern Mengen kann der Fehler freilich größer ausfallen, er ließe sich aber durch Anwendung einer längern Röhre wieder ausgleichen.

Wir färbten Zuckerlösungen von bekanntem Gehalt mittelst eines sehr geringen Zusatzes von Chromsäure gelblich und erhielten unter Beobachtung der angegebenen Vorsichtsmaßregeln dasselbe Resultat wie mit den nämlichen aber ungefärbten Lösungen.

Kurz, der Saccharimeter von Soleil ist bei nicht schwieriger Behandlung sehr empfindlich, so daß auch Personen die mit physikalischen Versuchen nicht vertraut sind, das Rotations-Vermögen sogar etwas gefärbter Zuckerlösungen mit hinlänglicher Genauigkeit messen können.

Beschreibung des Saccharimeters.

Die Abbildungen welche der früheren Beschreibung dieses Instruments (im polytechn. Journ. Bd. CIV S. 284) beigegeben waren, enthielten die den Compensator und das Prisma in Bewegung setzenden Mechanismen etc. nicht. Jetzt, wo das Instrument seine letzten Vervollkommungen erhalten hat, wollen wir diese Lücke ergänzen.

|350|

Fig. 1 das mit allen seinen Stücken versehene und auf sein Gestell gesetzte Instrument.

Fig. 2 dasselbe von oben gesehen.

Fig. 3 Längendurchschnitt in der Richtung der Röhrenachse, auf der Linie AB Fig. 2.

Fig. 4 Querdurchschnitt auf der Linie CD Fig. 1.

Fig. 5 Horizontaldurchschnitt auf der Linie EF, Fig. 4, vom Gelenk des Instruments auf seinen Fuß.

Fig. 6 System von Zahnrädern womit das Prisma umgedreht wird.

Fig. 7 Verticaldurchschnitt auf der Linie GH, Fig. 3, des Knopfs welcher den Compensator in Bewegung setzt.

Fig. 8 Horizontaldurchschnitt desselben und der Quarzprismen.

Fig. 9 Durchschnitt und Vorderansicht des den Analysator enthaltenden Fernglases.

Fig. 10 Ring des Analysators.

Fig. 11 Polarisirendes Prisma.

Fig. 12 doppelt-strahlenbrechendes Prisma, Analysator genannt.

Fig. 13 Violett gefärbte Scheibe.

Fig. 14 Gelb gefärbte Scheibe.

Fig. 15 halb blaue, halb rothe Scheibe.

Fig. 16 halb orangegelbe, halb grüne Scheibe.

Dieselben Buchstaben bezeichnen in allen Figuren dieselben Gegenstände.

a Gestell (Fuß) des Instruments; b Gelenk, auf welchem es in verschiedenem Grade geneigt werden kann; c Flügelmutter die man fest anzieht, um das Instrument auf seinem Bewegungscentrum unbeweglich zu machen; d Schraube womit seine Drehung um den Fuß a aufgehalten wird; e Beschläg des Instruments; f Röhre von dickem Glas, welche in dem Cylinder g steckt und die Zuckerflüssigkeit enthält; h Drahtfeder im Innern der Röhre i, um die Röhre j festzuhalten; k Analysator aus einem doppelt-strahlenbrechenden Prisma bestehend; l Knopf, um die Bewegung des Fernglases m aufzuhalten; n Auszug und Ocular; o Compensator, aus zwei länglichen Quarzprismen bestehend, welche sich mit Scheitel und Basis einander gegenüber befinden, p Beschlag des Compensators; q graduirte Scala; r Nonius; s Knopf, dessen Achse mit einem Getriebe t versehen ist, welches in eine Zahnstange u eingreifend und in eine andere ähnliche Zahnstange, die der Nonius trägt, die graduirte Scala und den Nonius des Compensators in entgegengesetztem Sinne verschiebt; v doppelt-brechendes Prisma, Polarisator genannt; x Platte mit doppelter Rotation; y Nicol'sches |351| Prisma; z Oeffnung in gewissem Abstand vom Polarisator; a' Knopf mit einer horizontalen Stange, die ein gezahntes Rad b' trägt, welches in ein anderes Rad c' eingreift, um das Fernglas d' drehen zu können; e' Knopf, mittelst dessen man die Röhre i in ihre Dille zurückgehen macht, wenn man die Röhre g herausziehen will; f' Quarzplättchen, senkrecht zur Achse des Instruments, hinter dem Prisma y angebracht; g' Führungsschraube, um dem Analysator eine rotirende Bewegung um die Achse des Apparats zu geben.

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