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Von Julia Bloemer und Johannes-Geert Hagmann
Ein Jahrhundert ist es nun her, dass der Physiker und spätere Nobelpreisträger Niels Bohr (1885-1962) mit seinen Atommodellen eine Grundlage für die Entwicklung der Quantenphysik legte. Er fand die Erklärung für die Tatsache, dass die Emissionslinien des Wasserstoffspektrums einem bestimmten Muster folgen. Bis dahin konnte die Formel für die Lage der Spektrallinien der Elemente nur aus der Beobachtung abgeleitet werden. Welche instrumentellen Voraussetzungen waren für die vollständige Bestimmung der kurzwelligen Serien notwendig?
Das chemische Element mit dem einfachsten Aufbau ist Wasserstoff. Die Aufnahme seines Emissions- und Absorptionsspektrums, das aus Serien einzelner Wellenlängen besteht, bereitete Experimentatoren über 100 Jahre lang Kopfzerbrechen. Viele Linien in sichtbaren und unsichtbaren Teilen des elektromagnetischen Spektrums wurden im Verlaufe des 19. Jahrhunderts aufgezeichnet und kartiert. Lange schien es jedoch, dass es im kurzwelligen ultravioletten Bereich unterhalb der Grenze von 185 nm nichts mehr zu messen gäbe.
Die Erweiterung dieser Grenze gelang nicht etwa etablierten Spektroskopikern an den Universitäten, sondern einem heute weitgehend unbekannten Autodidakten. Viktor Schumann (1841-1913), ein gelernter Mechaniker, vermaß mit selbst entwickelten Instrumenten und Methoden erstmals die Spektren im ultravioletten Bereich zwischen 120-185 nm. Mit seiner Arbeit schuf Schumann entscheidende experimentelle Voraussetzungen, die es seinen Nachfolgern ermöglichten, die Spektralserien im ultravioletten Bereich zu vervollständigen.
Zu den Anfängen von Viktor Schumanns nebenberuflicher privater Labortätigkeit konnte man das Spektrum von Aluminium-Funken bis 185 nm aufnehmen, eine Erweiterung zu kleineren Wellenlängen schien zunächst nicht möglich. Schumann erforschte die Ursachen für die Begrenzung und entwarf technische Neuerungen, die ihm die Spektrenaufnahmen bis hinunter zu einer Wellenlänge von etwa 120 nm ermöglichten. Eine wesentlich Ursache lag in der Absorption der ultravioletten Strahlung unterhalb 185 nm durch verschiedene Medien: durch Luftmoleküle, durch das Quarz der Prismen und schließlich durch die Gelatine der photographischen Platten, die die Strahlung registrierten. Durch die Evakuierung seines Messapparates, die Entwicklung neuer photochemischer Emulsionen für die Platten sowie die Verwendung von Flußspatprismen (Calciumfluorid) konnte er diese Begrenzung aufheben.

Zwei der von Viktor Schumann entworfenen Vakuumspektrographen befinden sich in den Sammlungen des Deutschen Museums. Es handelt sich dabei um die erste im Jahr 1890 gebaute Apparatur und eine verbesserte Version um 1892, die zahlreiche Korrekturen aufgreift (siehe Fotos).

Durch äußerst feine mechanische Konstruktionen ermöglichte es der zweite Apparat, ohne Öffnung des Geräts – also ohne Zerstörung des Vakuums – die Messbedingungen zu variieren. Darüber hinaus konnten mehrere Spektren untereinander auf einer einzigen Platte aufgenommen werden, was eine enorme Zeitersparnis zur Folge hatte. Eine technische Besonderheit stellt der sogenannte „Spaltschlitten“ dar, eine Vorrichtung, mit der man nicht nur die Breite des Lichtspalts, sondern auch die Länge mit Hilfe von drei Mikrometerschrauben bis auf ein Tausendstel Millimeter genau einstellen konnte. 

Neben der Labortätigkeit führte Viktor Schumann einen regen Briefwechsel mit wichtigen Forschern im In- und Ausland. Besonders der Kontakt zu dem Amerikaner Theodore Lyman (1874-1954) erwies sich als sehr fruchtbar, da er erstmals Schumanns Arbeiten erfolgreich wiederholen und erweitern konnte. Die erste Serie des Wasserstoffspektrums trägt daher auch heute den Namen Lyman-Serie. Lyman pflegte einen engen Kontakt mit Schumann und schrieb über ihn in einem Nachruf aus dem Jahr 1914 in Würdigung seiner oft mühevollen Arbeit als Amateur in der Physik: “It has been said that genius consists in an illimitable power of taking pains. Schumann’s genius belonged to this character.“ Schumann starb vor 100 Jahren am 1. September 1913 in Leipzig, seine wissenschaftlichen Beiträge haben jedoch noch heute Bestand und bilden einen Mosaikstein der Vorgeschichte des Bohrschen Atommodells.
Julia Bloemer studiert zurzeit Physik mit Schwerpunkt Teilchenphysik an der TU München und absolvierte im August 2013 ein Praktikum in der Physikabteilung des Deutschen Museums. Mit der Untersuchung von Objekten, Archivalien, Schriften und Büchern der Bibliothek gewann sie erste Erfahrungen in der wissenschaftlichen Objektforschung.

Johannes-Geert Hagmann  ist Kurator für Physik, Geophysik und Geodäsie.


Autor/in

Johannes-Geert Hagmann

ist Kurator für Physik, Geophysik und Geodäsie. Als Referent für Museumkooperationen koordiniert der promovierte Physiker die nationale und internationale Vernetzung des Deutschen Museums mit anderen Einrichtungen. Zur Zeit arbeitet er unter anderem an einem neuen Konzept für die Physik-Ausstellungen und leitet ein DFG-Projekt zur Digitalisierung der Gründungssammlung des Deutschen Museums. Sein Tipp für einen Besuch im Deutschen Museum: Das erste Objekt (Inv.Nr. 1) in den Sammlungen des Deutschen Museums in der Abteilung Museumsgeschichte entdecken!