Der erste wesentliche Fortschritt über die von Grotthuß geschaffene Theorie hinaus erfolgte erst ein halbes Jahrhundert später durch Hittorf547. Zwar war die Grotthuß noch beherrschende Vorstellung, daß lediglich die Metalle, zwischen denen sich der Elektrolyt befindet, der Sitz der elektromotorischen Kräfte seien, der Faradayschen Vorstellung gewichen. Nach ihm sind die Pole oder Elektroden nur die Türen, durch welche die Elektrizität zu der einer Zersetzung unterliegenden Substanz ein- bzw. austritt. Die chemische Zersetzung wird nach dieser Vorstellung nicht durch die Anziehung der Pole, sondern durch die Wirkung des Stromes auf den Elektrolyten veranlaßt. Dementsprechend sind die in der Nähe der Pole befindlichen Molekeln nicht etwa einer mit dem Abstande vom Pole abnehmenden Kraft unterworfen, sondern die auf jede zwischen den Polen oder Elektroden befindliche Molekel wirkenden Kräfte sind überall gleich groß. Im übrigen blieb die von Grotthuß herrührende, durch Abb. 56 noch einmal zur Darstellung gebrachte Vorstellung bestehen. Hittorf entfernte zunächst eine Schwierigkeit, welcher dieser Vorstellung anhaftet. Stellt b die Anordnung der Teilchen dar, nachdem die Abscheidung eines Atoms des Kations und eines Atoms des Anions stattgefunden hat, so müssen sämtliche Molekel erst wieder um den gleichen Betrag von 180° gedreht werden, damit sie zu den Polen wieder in dieselbe Lage kommen. Die Reihe b muß also zunächst in die Reihe c übergehen, wenn die zweite Zerlegung stattfinden soll.

Hittorf vermeidet diese Schwierigkeit, indem er548 auf den Vorgang das in Abb. 57 dargestellte Bild anwendet. Die Ionen befinden sich danach übereinander, und die Elektrolyse besteht darin, daß sich die beiden Reihen aneinander vorbeischieben.

Unvereinbar mit der Theorie von Grotthuß war die schon um 1840 gemachte Beobachtung, daß sich die Konzentration einer Salzlösung bei ihrer Elektrolyse nicht gleichmäßig durch die ganze Masse ändert. Zersetzt man z. B. Kupfervitriol, so tritt die Entfärbung am stärksten in der Nähe der Kathode auf. Hittorf befaßte sich mit einer sorgfältigen, messenden Untersuchung solcher Konzentrationsänderungen. Er erklärte sie durch die Annahme, daß die Ionen mit ungleicher Geschwindigkeit wandern. Da dieses Wandern schon durch die schwächsten Ströme veranlaßt wird, so nahm Hittorf im Widerspruch mit den damals herrschenden Vorstellungen an, daß die »Ionen eines Elektrolyten nicht in fester Weise zu Gesamtmolekülen verbunden sind«549.

Dagegen hatten die ersten elektrochemischen Theorien, z. B. die während des größten Teils des 19. Jahrhunderts geltende Theorie von Grotthuß, sich den Vorgang der Elektrolyse so vorgestellt, daß die Moleküle der Elektrolyten unter der Einwirkung der Elektrizität gespalten würden. Demgegenüber wies auch Clausius darauf hin (1857), daß schon der schwächste Strom imstande ist, eine Zerlegung des Elektrolyten zu bewirken, während doch zu einer Überwindung der chemischen Affinität die Stromstärke wahrscheinlich erst auf eine gewisse Größe angewachsen sein müßte. Clausius nahm daher an, daß die Moleküle des Elektrolyten stets in so lebhafter Bewegung seien, daß fortwährend Zerfall und Rückbildung stattfinde. Im Einklang damit stand die Tatsache, daß das Leitungsvermögen der Elektrolyte mit der Temperatur beträchtlich zunimmt. Zu der Vorstellung von Clausius neigte auch Helmholtz. Nach ihm sind die Zerfallsprodukte der Moleküle, die Ionen, mit bestimmten elektrischen Ladungen versehen, die ihnen ganz andere Eigenschaften verleihen, als sie dieselbe Substanz im unelektrischen Zustande besitzt.

Diese Erkenntnis ist auch das Wesentliche der von Arrhenius entwickelten Anschauung. Durch seine Untersuchungen über die galvanische Leitfähigkeit der Elektrolyte stellte er fest, daß ein elektrolytisch leitender Stoff aus einem die Elektrizität leitenden Teil besteht, der einen gewissen Bruchteil der Gesamtmenge des Elektrolyten ausmacht, während der Rest, den Arrhenius zunächst als den inaktiven Teil bezeichnete, die Elektrizität nicht leitet. Der leitende aktive Teil des Elektrolyten ist nach Arrhenius darauf zurückzuführen, daß, ähnlich wie bei der Dissoziation der Gase, beim Auflösen gewisser chemischer Verbindungen (vor allem der Salze, Säuren und Basen) ein teilweiser Zerfall der Molekel, eine elektrolytische Dissoziation, eintritt. Durch diese Annahme wurde nun auch das abweichende osmotische Verhalten erklärlich, das van't Hoff zur Einführung des Faktors i in die für den gelösten Zustand geltende Gleichung

VP = RT

veranlaßt hatte550.

Den Schlußstein fügte Arrhenius in diese Reihe der für die physikalische Chemie grundlegenden Untersuchungen, indem er den Faktor i aus den für die elektrische Leitfähigkeit gefundenen Werten berechnen und sie mit der Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen in Beziehung setzen lehrte.

16. Neuere Fortschritte der theoretischen und der angewandten Physik.

Die exakten Wissenschaften waren durch eine gewaltige Summe experimenteller und darauf gegründeter theoretischer Arbeit im Verlauf des 19. Jahrhunderts zu einem wohlgegliederten und wenigstens in seinen Fundamenten festgefügten Lehrgebäude gelangt. Der Ausbau im einzelnen wurde während der letzten Jahrzehnte in solchem Maße gefördert, daß an dieser Stelle nur einige der wichtigsten, neueren Errungenschaften, welche die Keime weiteren Fortschritts in sich bergen, berührt werden können. Wir wenden uns zunächst den ältesten Zweigen der Naturlehre, nämlich der Mechanik, der Akustik und der Optik zu. Eine bemerkenswerte Erweiterung erfuhr die Mechanik dadurch, daß Helmholtz die Sätze von Green551 auf das Problem der Wirbelbewegung und die Bildung von Strahlen in Flüssigkeiten ausdehnte. Die grundlegende Abhandlung erschien im Jahre 1858 unter dem Titel »Über Integrale der hydrodynamischen Gleichungen, welche den Wirbelbewegungen entsprechen«552. Mit der mathematischen Analyse der Bewegung der Flüssigkeiten hatten sich schon Euler, Bernoulli und Lagrange553 beschäftigt. Besonders der letztere hatte seine Untersuchung vom Standpunkte der später von Green und Gauß weiter ausgebauten Potentialtheorie angestellt und dabei eine Funktion eingeführt, die Helmholtz als das Geschwindigkeitspotential bezeichnete. Helmholtz untersuchte besonders die Fälle, bei denen kein Geschwindigkeitspotential besteht, z. B. die Drehung einer Flüssigkeit um eine Achse mit gleicher Winkelgeschwindigkeit aller Teilchen. Diese Untersuchung führte Helmholtz zur Entdeckung einer merkwürdigen Analogie zwischen der Wirbelbewegung einer Flüssigkeit und dem elektromagnetischen Verhalten elektrischer Ströme.

Von besonderem Interesse war der von Helmholtz nicht nur theoretisch, sondern auch experimentell554 geführte Nachweis der Existenz von Wirbelringen in Flüssigkeiten. An den Nachweis, daß solche in einer reibungslosen Flüssigkeit, z. B. im Äther, existierende Wirbel für alle Zeiten bestehen bleiben, knüpfte W. Thomson (Lord Kelvin) die Hypothese, daß die Atome solche Wirbelringe in dem als kontinuierliche Substanz gedachten Äther seien. Thomsons Wirbeltheorie zeigt immerhin trotz ihrer in hohem Grade hypothetischen Natur, daß sich die Vorstellung von der Kontinuität der Materie mit der atomistischen Auffassung unter Beseitigung der unvermittelten Fernwirkung vereinigen läßt.

Eine zweite, das Gebiet der Hydrodynamik betreffende Abhandlung veröffentlichte Helmholtz im Jahre 1868 unter dem Titel »Über diskontinuierliche Flüssigkeitsbewegungen«555. Helmholtz untersuchte darin unter anderem den Einfluß, den eine scharf ausgebildete Kante auf eine vorbeiströmende Flüssigkeit äußert, sowie den Fall, daß ein Flüssigkeitsstrahl aus einem weiten Raum in einen engen Kanal übergeht.

In naher Beziehung zu seinen hydrodynamischen stehen die von Helmholtz ausgeführten akustischen Untersuchungen. Die bedeutendste hierher gehörende Arbeit erschien im Jahre 1860 unter dem Titel »Theorie der Luftschwingungen in Röhren mit offenen Enden«556. Die ältere Theorie ging von der Annahme aus, daß die Luft in einer tönenden Pfeife in ebenen Schichten parallel der Achse hin und her schwinge. Für die von der Öffnung entfernteren Teile der Pfeife ist diese Annahme zulässig. Sie gilt aber um so weniger, je mehr man sich dem offenen Ende nähert. Mit ihrem Eintritt in den Außenraum müssen nämlich die ebenen Wellen in kugelförmige Wellen übergehen. Dieser Übergang erfolgt allmählich. Die mathematische Analyse des Problems gehört zu den interessantesten Anwendungen der Potentialtheorie und der besonders von Green auf dem Gebiete dieser Theorie entwickelten Sätze. Die gewonnenen Resultate ließen sich auch benutzen, um die Stärke der Resonanz und die Phasen der erregten Schwingungen zu ermitteln, wenn man die Pfeife durch außerhalb befindliche schwingende Körper, z. B. eine Stimmgabel, zum Mittönen bringt.

Eine zusammenfassende Darstellung dieses Gebietes auf Grund der eigenen Forschungen gab Helmholtz in seinem berühmten Werke »Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik«557. Das Buch war vor allem dadurch epochemachend, daß es den ersten Versuch darstellte, eine Anzahl bisher getrennter Grenzgebiete zu vereinigen, nämlich die physikalische Akustik, die physiologische Akustik, die Musikwissenschaft und die Ästhetik der Musik mit ihren vorzugsweise auf psychologischen Momenten beruhenden Beziehungen.

Neu war in der Darstellung von Helmholtz vor allem die Lehre von den Obertönen und der Klangfarbe, sowie die Einsicht in die Zerlegung, welche die Klänge durch das Ohr erfahren. Helmholtz geht von der bekannten Tatsache aus, daß ein und dieselbe Note, wenn man sie auf einem Klavier, einer Violine, einer Trompete usw. angibt, trotz gleicher Stärke und gleicher Tonhöhe, doch ihre besondere, dem betreffenden Instrumente eigentümliche Klangfarbe besitzt. Von der Weite und der Dauer der Schwingung konnte sie nicht abhängen. Es blieb also zu untersuchen, ob und wie die Klangfarbe durch die Form oder die Zusammensetzung der Schwingung bestimmt wird. Die Analyse der Gesamtempfindung, die man als Klang bezeichnet, führte Helmholtz zu der Erkenntnis, daß in dem Klang außer dem Grundton noch eine Anzahl höherer Töne enthalten sind, die Helmholtz harmonische Obertöne nannte. Bei angestrengter Aufmerksamkeit vermag das Ohr solche Obertöne aus der als Klang bezeichneten Gesamtempfindung herauszuhören. Besser gelingt dies mit einem besonderen, von Helmholtz zu diesem Zweck erfundenen, als Resonator bezeichneten Instrument. Es besteht (Abb. 58) aus einer gläsernen Hohlkugel oder Röhre mit zwei Öffnungen. Die Öffnung a hat scharf abgeschnittene Ränder. Die Öffnung b ist so geformt, daß sie leicht in das Ohr gesetzt werden kann. Geschieht dies, so hört man die meisten Töne, die in der Umgebung hervorgebracht werden, viel gedämpfter als sonst. Wird dagegen der Eigenton des Resonators in der Nähe angegeben, so »schmettert dieser mit gewaltiger Stärke in das Ohr hinein«558. Um die Klänge zu analysieren, schwache Töne neben stärkeren wahrzunehmen, Obertöne von dem Grundton zu unterscheiden usw. benutzte Helmholtz eine abgestimmte Reihe solcher Resonatoren. Auf die Einzelheiten dieser Untersuchung, die sich auf alle bekannteren Musikinstrumente und die menschliche Stimme erstreckte, kann hier nicht eingegangen werden.

Auch nach der rein physiologischen Seite hat Helmholtz die Theorie der Gehörempfindungen ganz wesentlich gefördert, indem er die Rolle des »Cortischen Organs« aufdeckte559. Durch die mikroskopisch-anatomische Erforschung des inneren Ohres war Corti560 auf die etwa 3000 Fasern in der Schnecke aufmerksam geworden, die mit den Fasern des Gehörnerven in Verbindung stehen. Diese elastischen Fasern, von denen man annimmt, daß jede einer bestimmten Schwingungszahl entspricht, werden durch Vermittlung des Trommelfells, der Gehörknöchelchen und der das innere Ohr erfüllenden Flüssigkeit in Mitschwingung versetzt und übertragen ihrerseits den Reiz auf die Endigungen des Gehörnervens. Die Empfindung verschieden hoher Töne wird nach Helmholtz durch die Cortischen Fasern vermittelt. Die Empfindung der Klangfarbe würde darauf beruhen, daß ein Klang außer den einem Grundtone entsprechenden Corti'schen Fasern noch eine Anzahl anderer in Bewegung setzt, also in mehreren Gruppen von Nervenfasern Empfindungen auslöst. Das Ohr verhält sich den zusammengesetzten Klängen gegenüber danach wie eine Anzahl von abgestimmten Resonatoren, und das Hören erscheint, physikalisch betrachtet, als ein besonderer Fall des Mittönens.

Auch die neuere Theorie des Sehens hat durch Helmholtz ihre Grundlagen erhalten. Sie wurden in einem nicht minder epochemachenden Werk, in dem Handbuch der physiologischen Optik, zusammenfassend dargestellt. Mit der Physiologie des Auges hat sich Helmholtz besonders eingehend beschäftigt, nachdem er 1850 bei Gelegenheit seiner Vorträge über die Sinnesorgane auf die Erfindung des Augenspiegels gekommen war, eines Instrumentes, das den Augenärzten eine neue Welt erschloß. Helmholtz schrieb über diese für die Physiologie wie für die Heilkunde gleich wichtige Erfindung: »Sie erforderte weiter keine Kenntnisse, als was ich auf dem Gymnasium von Optik gelernt hatte, so daß es mir jetzt lächerlich vorkommt, wie andere Leute und ich selbst so vernagelt sein konnten, sie nicht früher zu finden. Es handelt sich nämlich um eine Kombination von Gläsern, die es ermöglicht, den dunklen Hintergrund des Auges zu beleuchten und gleichzeitig alle Einzelheiten der Netzhaut genau zu sehen, sogar genauer als man die äußeren Teile des Auges ohne Vergrößerung sieht, weil die durchsichtigen Teile des Auges dabei die Stelle einer Lupe von 20maliger Vergrößerung vertreten. Man sieht die Blutgefäße auf das Zierlichste verzweigt, den Eintritt des Sehnerven in das Auge usw.«.

Auch auf den Gedanken, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Nervenreizung zu messen, ist Helmholtz gelegentlich der Vorbereitung zu den Vorlesungen gekommen, die er als Professor der Physiologie zu halten hatte. Aus diesem Grunde erklärte es Helmholtz für eine »sehr nützliche Nötigung, daß jeder Universitätslehrer alljährlich den ganzen Umfang seiner Wissenschaft vorzutragen« habe?

Auf die Erfindung des Augenspiegels, dessen ursprüngliche Einrichtung die nebenstehende Abbildung 59 erläutert, folgte eine genaue Untersuchung des Problems der Akkommodation, mit dem sich schon dreihundert Jahre früher Kepler561 beschäftigt hatte. Der von Helmholtz zur Aufhellung des Problems gebaute Apparat, das Ophthalmometer, ließ erkennen, daß die Akkommodation, d. h. die Einstellung des Auges auf eine bestimmte Gegenstandsweite, darauf beruht, daß sich die Krümmung der vorderen, sowie der hinteren Linsenoberfläche ändert. Die Arbeit »Über die Akkommodation des Auges« erschien im Jahre 1855562. Ein Jahr später veröffentlichte Helmholtz den ersten Teil seines großen Handbuchs der physiologischen Optik, dessen Abfassung ihn bis zum Jahre 1866, also ein volles Jahrzehnt, beschäftigte. Es war ein Werk, in dem Helmholtz nach einem Ausspruch du Bois Reymonds den erwähnten Zweig der Physiologie »systematisch und literargeschichtlich in größter Vollständigkeit darstellte, von den mathematischen Anfangsgründen der theoretischen Optik bis zu den letzten erkenntnistheoretischen und ästhetischen Gesichtspunkten.« Nur »Die Lehre von den Tonempfindungen«, ein Werk, das Helmholtz 1862 veröffentlichte563, läßt sich der »Physiologischen Optik« an die Seite stellen. Das zuletzt genannte Werk beginnt mit einer genauen anatomischen Beschreibung des Sehorgans. Es folgt die Dioptrik des Auges. Dieser Teil enthält zunächst eine allgemeine Darstellung der Lichtbrechung in Systemen kugliger Flächen und knüpft daran die Untersuchung des Strahlenganges im Auge. In dem zweiten Abschnitt, der sich mit der Lehre von den Gesichtsempfindungen befaßt, entwickelt Helmholtz die in ihren Grundlagen von Young herrührende physiologische Farbenlehre. Nach der Young-Helmholtzschen Theorie gibt es im Auge drei Arten von Nervenfasern. Reizung der einen erzeugt die Empfindung des Rot, Reizung der zweiten die des Grün und Reizung der dritten Art die des Violett. Das Licht erregt diese drei Arten von Fasern je nach seiner Wellenlänge in verschiedener Stärke. Die rotempfindenden Fasern werden am stärksten von dem Lichte größter Wellenlänge erregt, die grünempfindenden von dem Lichte mittlerer Wellenlänge und die violettempfindenden von dem Lichte kleinster Wellenlänge. Jede Spektralfarbe erregt alle Arten von Fasern, indessen die einen stark und die anderen schwach. Stellt man sich über den in Abb. 60 dargestellten, horizontalen Linien die Spektralfarben in der natürlichen Reihenfolge von Rot (R) bis bis Violett (V) vor, so entsprechen die drei Kurven etwa den Erregungsstärken der drei Arten von Nervenfasern.

Auch um den Ausbau der Lehre von den Gesichtswahrnehmungen, eines Gebietes, das auf der Grenze zwischen Physiologie und Psychologie steht und mit dem sich der dritte Abschnitt des Werkes beschäftigt, hat sich Helmholtz große Verdienste erworben. Er entdeckte nicht nur zahlreiche neue Tatsachen, sondern knüpfte auch an das ganze, große Gebiet der Sinneswahrnehmungen die wichtigsten, erkenntnistheoretischen Betrachtungen an. Die Theorie, die Helmholtz verfocht, hat man als die empiristische bezeichnet. Sie entscheidet die Frage, wieweit die Vorstellungen mit den Objekten übereinstimmen, dahin, daß die Vorstellungen sowohl von der Natur des Wirkenden als auch von der Natur des wahrnehmenden Subjektes abhängen. Es hat daher keinen Sinn von einer anderen Wahrheit unserer Vorstellungen zu sprechen als von dieser gewissermaßen praktischen. Unsere Vorstellungen von den Dingen können nichts anderes sein als Zeichen für die Dinge, Zeichen, die wir zur Regelung unserer Bewegungen und Handlungen benutzen lernen. Ein anderer Vergleich zwischen den Vorstellungen und den Dingen ist nach Helmholtz nicht denkbar.

Während es sich für die älteren Zweige der Physik nur noch um einen Ausbau im einzelnen handelte, erfuhr die Elektrizitätslehre eine tiefergreifende Umgestaltung. Dies geschah vor allem dadurch, daß man mit elektrischen Oszillationen oder Wellen bekannt wurde. Die grundlegenden Untersuchungen auf diesem Gebiete rühren von Wheatstone und von Feddersen her. Wheatstone hatte beobachtet, daß die Entladung durch einen Funken nicht momentan erfolgt, sondern eine gewisse Zeit beansprucht. Seine Methode564 bestand darin, daß er den Funken in einem rasch sich drehenden Spiegel beobachtete und aus der Länge des Bildes und der Tourenzahl des Spiegels die Dauer der Lichterscheinung ermittelte. Rotierte der Spiegel nur langsam, so erschien der Funken als eine helle Linie. Je rascher der Spiegel sich bewegte, um so mehr wurde die Linie zu einem Lichtband ausgezogen. Bei 800 Umdrehungen in der Sekunde betrug die Breite dieses Lichtbandes z. B. 24 Grad. Daraus berechnete sich für diesen Fall die Dauer des Entladungsfunkens auf 0,000042 Sekunden.

Wheatstones spektroskopische Untersuchung des Entladungsfunkens ließ erkennen, daß die in seinem Spektrum auftretenden Linien von der chemischen Natur des positiv wie auch von derjenigen des negativ geladenem Körpers abhängen. Offenbar beweist dies, daß bei der Entladung von beiden Polkörpern glühende Teilchen mitgerissen werden565.

Wheatstones so einfacher und doch in ihren Ergebnissen so wunderbarer Methode, die Milliontel von Sekunden zu messen gestattet, bediente sich auch Feddersen. Er richtete sein Augenmerk indessen nicht nur auf die Breite, sondern auch auf die Beschaffenheit des Lichtbandes, das er nicht nur beobachtete, sondern auch, um möglichst einwandfreie Ergebnisse zu erhalten, photographisch festhielt. Eins der von Feddersen erhaltenen Bilder566 zeigt die nebenstehende Abbildung 61567. Sie läßt erkennen, daß der Funken aus einer Reihe von Teilentladungen besteht, die allmählich schwächer werden. Die Zeit, die zwischen einem Strommaximum und dem nächstfolgenden verfließt, ist eine konstante, solange sich die Umstände nicht ändern. Vergrößert man dagegen die Länge des Schließungsdrahtes, so wird auch das Intervall zwischen zwei Teilentladungen ein größeres. Die weitere Untersuchung ergab, daß die Entladung nicht etwa aus einem Strom besteht, der in einer Reihe gleichgerichteter Partialströme zerfällt. Der Vorgang ließ sich vielmehr nur als ein Hin- und Herfließen der Elektrizität, mit anderen Worten als ein oszillatorischer auffassen. Auf theoretischem Wege waren Kirchhoff568 und Helmholtz zu dem gleichen Ergebnis gelangt. Helmholtz hatte diese Ansicht im Jahre 1847 in seiner Schrift über die Erhaltung der Kraft entwickelt569. Danach ist die Entladung nicht als eine Bewegung der Elektrizität in einer Richtung vorzustellen, sondern als ein Hin- und Herschwanken in Oszillationen, die immer kleiner werden, bis die ganze lebendige Kraft durch die Widerstände vernichtet ist.

Um die Dauer einer Oszillation zu bestimmen, ermittelte Feddersen die Ausdehnung des Streifenbandes (Abb. 61) und dividierte sie durch die Zahl der Streifen. So ergab sich beispielsweise bei der Entladung einer Batterie von zehn Leydener Flaschen die Dauer einer Oszillation zu 0,00000304 Sekunden. Die Oszillationsdauer wurde bedeutend vergrößert, als Feddersen die Entladung durch einen längeren Schließungsbogen vor sich gehen ließ. Wählte er als solchen z. B. einen Draht von

Der weitere Ausbau des durch Feddersen erschlossenen Gebietes der elektrischen Oszillationen erfolgte seit dem Jahre 1887 durch Hertz570. Hertz stellte sich die Aufgabe, die von Maxwell auf den Versuchen und Anschauungen Faradays aufgebaute Theorie durch weitere Versuche auf ihre Zulässigkeit zu prüfen. Nach der Faraday-Maxwellschen Theorie beruhen die elektrischen und magnetischen Vorgänge nicht auf einer unmittelbaren, den Raum überspringenden Fernkraft. Wir müssen diese Vorgänge vielmehr als die Folge einer Wirkung ansehen, die sich in einem Medium von Punkt zu Punkt fortpflanzt. Zur Prüfung dieser Theorie erschien Hertz nichts geeigneter als die Untersuchung, ob und wie sich die von Feddersen entdeckten elektrischen Schwingungen durch den Raum fortpflanzen. Dazu dienten ihm zwei Mittel. Zunächst rief er durch Anwendung eines geeigneten Induktionsapparates Schwingungen hervor, die etwa hundertmal so rasch wie diejenigen Feddersens erfolgten. Setzt man voraus, daß diese Schwingungen sich, wie Maxwells Theorie es forderte, mit der Geschwindigkeit des Lichtes wellenartig ausbreiten, dann mußte die Wellenlänge um so kleiner werden, je größer man die Schwingungszahl machte571. Das zweite Mittel, das Hertz für seine Zwecke schuf, war ein Instrument, mit dem er das Feld in der Umgebung des die Oszillationen veranlassenden Induktionsapparates absuchte. Dies von ihm als elektrischer Resonator bezeichnete Instrument ist nichts weiter als ein rechteckig gebogener, an einer Stelle (M) unterbrochener Draht. Abbildung 62 zeigt uns die von Hertz benutzte Versuchsanordnung. Dem induzierenden Strom gab er die Gestalt einer geraden Linie. Ihre Enden wurden durch die Konduktoren C und C' gebildet. Das Rechteck abcd ist der Resonator. Der Nachweis der elektrischen Kräfte im Raum geschah mit Hilfe der feinen Funken, die unter gewissen Bedingungen an der Unterbrechungsstelle M des Resonators auftreten, wenn bei B eine oszillierende Entladung des primären Systems stattfindet.

Wie Hertz die Dimensionen seines Resonators gestaltete, um ihn sozusagen auf das primäre System abzustimmen, wie er ferner die Stellung und die Entfernung des Resonators in bezug auf den die Induktionswirkung erzeugenden Apparat abänderte, kann hier nicht im einzelnen dargelegt werden. Das erste Ergebnis war, daß Hertz elektrische Wellen nachzuweisen vermochte und stehende elektrische Wellen, ganz nach Analogie der akustischen und der optischen Erscheinungen, durch Reflexion hervorrufen konnte. Aus der Länge der Wellen und der Zahl der Oszillationen ergab sich die Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung zu 300000 Kilometern in der Sekunde, ein Nachweis, durch den die von Maxwell angenommene Identität der optischen und der elektromagnetischen Strahlung eine wesentliche Stütze erhielt. Für jene Identität sprach auch der Umstand, daß Hertz mit den von ihm erzeugten Strahlen elektrischer Kraft sämtliche elementaren Versuche anstellen konnte, die man mit dem Lichte und mit der strahlenden Wärme auszuführen gelernt hatte572. Der Nachweis der elektrischen Kräfte im Raum geschah auch hier mit Hilfe der feinen Funken, die bei den oszillierenden Entladungen des primären Systems in dem sekundären Leiter (dem Resonator) auftreten. Um die elektrischen Strahlen zu konzentrieren, bediente sich Hertz eines Hohlspiegels von der Form eines parabolischen Zylinders. Die Ausbreitung der Strahlen fand in der Richtung der optischen Achse statt. Die Strahlen ließen sich in einem zweiten Spiegel auffangen und im Brennpunkt durch den sekundären Leiter nachweisen. (Abb. 63.)

Brachte Hertz in die Verbindungslinie der Spiegel senkrecht zur Richtung der Strahlen einen Schirm aus Stanniol oder aus Zinkblech, so erloschen die sekundären Funken. Daß für die elektrischen Strahlen das in der Optik seit alters bekannte Reflexionsgesetz gilt, war schon durch die erfolgreiche Anwendung der Hohlspiegel dargetan. Durch seitliche Aufstellung des erwähnten Metallschirms wurde das Reflexionsgesetz für die Strahlen elektrischer Kraft noch besonders nachgewiesen. Die Versuchsanordnung ist durch Abbildung 64 ohne weiteres ersichtlich.

Zum Nachweise der Brechung der elektrischen Strahlen bediente sich Hertz eines etwa 12 Zentner schweren, aus Pech hergestellten Prismas. Daß die Strahlen in Transversalschwingungen bestehen und im optischen Sinne geradlinig polarisiert sind, wurde dadurch nachgewiesen, daß man bei gekreuzter Stellung der Spiegel keine Funken im sekundären Leiter erhielt. Dasselbe erreichte Hertz durch Einschieben eines Drahtgitters, das in einer bestimmten Stellung die Strahlen ungehindert hindurchließ, um 90 Grad gedreht, sie aber zum Verschwinden brachte.

Aus allem ging hervor, daß es berechtigt schien, die Strahlen elektrischer Kraft als Lichtstrahlen von großer Wellenlänge zu bezeichnen. Daher durfte Hertz nach Abschluß seiner Versuche ausrufen573: »Die Verbindung zwischen Licht und Elektrizität, welche die Theorie ahnte, vermutete, voraussah, ist hergestellt. Von dem Punkte, den wir erreicht haben, eröffnet sich ein weiter Ausblick in beide Gebiete. Die Herrschaft der Optik beschränkt sich nicht mehr auf Ätherwellen, welche kleine Bruchteile des Millimeters messen, sie gewinnt Wellen, deren Längen nach Dezimetern, Metern, Kilometern rechnen. Und trotz dieser Vergrößerung erscheint sie uns, von hier gesehen, nur als ein kleines Anhängsel am Gebiete der Elektrizität.«

Mit dem Bekanntwerden der Versuche von Hertz trat das schon lange bestehende Problem der Telegraphie ohne Draht wieder in den Vordergrund. Eine teilweise Lösung hatte dieses Problem schon 1838 dadurch gefunden, daß Steinheil vorschlug, beim elektromagnetischen Telegraphen für die Rückleitung die Erde zu verwenden und auf diese Weise die Hälfte der Drahtleitung zu ersparen. Andere, weniger erfolgreiche Bemühungen liefen darauf hinaus, an Stelle des Drahtes natürliche oder künstliche Wasserläufe zu benutzen. Auch auf den Gedanken, die elektrische Induktion zu verwenden und die Induktionsvorgänge durch oszillierende Ströme zu verstärken, ist man schon vor Hertz gekommen. Hertz selbst soll sich übrigens während der wenigen Jahre, die ihm nach seiner großen Entdeckung noch beschieden waren, dem Gedanken gegenüber, daß sie sich praktisch verwerten lasse, ablehnend verhalten haben.

Dennoch hat es sich alsbald gezeigt, daß durch die Hertzschen Versuche das Problem in ein neues, Aussicht auf die besten Erfolge darbietendes Stadium gekommen war. Seit dem Jahre 1890 sehen wir eine große Zahl von Physikern und Elektroingenieuren bemüht, die Funkentelegraphie durch den Bau geeigneter Induktionsapparate, ihre Verbindung mit besonderen Sendern, welche die elektrische Energie in den Raum hinausführen, und vor allem durch die Erfindung höchst empfindlicher Empfänger den Bedürfnissen der Praxis anzupassen. Der Erfolg war ein überraschender und die Vielseitigkeit in der Ausführung des Gedankens und in der Anwendung so groß, daß hier nicht näher darauf eingegangen werden kann. Das erste brauchbare System erzielte im Jahre 1896 Marconi, indem er den von Righi verbesserten Oszillator als Sender und an Stelle des Hertzschen Resonators die Branlysche Röhre574 als Empfänger benutzte.

Schon vor Branlys Erfindung hatte man beobachtet, daß metallischer Staub unter der Einwirkung von Induktionsströmen leitfähig wird. Branly schloß 1890 den Metallstaub in eine Glasröhre ein, in die er zwei Drähte treten ließ. Er zeigte, daß dies System unter der Einwirkung der Hertzschen Wellen eine bedeutende Leitfähigkeit erhält, die durch eine leichte Erschütterung wieder aufgehoben wird. Die Wirkung des Senders auf die Branlysche Röhre besteht darin, daß jeder von dem Sender ausgehende Impuls die Röhre befähigt, einen elektrischen Strom zu schließen und dadurch beispielsweise ein Läutewerk in Tätigkeit zu setzen. Gleichzeitig erschüttert der Klöpfel dieses Läutewerks die Röhre und befähigt sie durch Vernichtung der Leitfähigkeit zur Aufnahme eines neuen Zeichens.

Durch mannigfache Abänderungen des in seinem Wesen immer noch rätselhaften Aufnahmeapparats, sowie des Senders und der Nebeneinrichtungen ist es gelungen, eine abgestimmte Funkentelegraphie zu schaffen und eine Verständigung auf Entfernungen von mehreren tausend Kilometern herbeizuführen, unbemannte Boote und Luftschiffe zu lenken575, Geschütze abzufeuern, kurz Dinge zu leisten, die man vor wenigen Jahrzehnten noch ins Reich der Träume verwiesen haben würde.

Erwähnt sei unter den neuesten Aufnahmeapparaten (Detektoren) der elektrolytische Wellenanzeiger. In diesem Apparat ändert sich die Polarisation sofort, wenn durch die eintreffenden Schwingungen der schwächste Strom induziert wird. Ein anderer Apparat beruht auf der äußerst geringen Wärmewirkung, welche die ankommenden Wellen hervorzurufen vermögen. Man ist auch mit Erfolg dazu übergegangen, die Antennen, die eine Höhe von mehreren hundert Metern erreichten, durch liegende Drähte (sogenannte Erdantennen) zu ersetzen. Auf diese Weise ließ sich eine Ausdehnung der Antennen erreichen, wie sie sich durch den Bau hoher Türme nicht ermöglichen läßt. Für die Sendeapparate benutzt man hochfrequente, elektrische Wechselströme in Verbindung mit dem 1906 von M. Wien erfundenen Löschfunkensender576.

Um die Fortbildung der neuen, durch Faraday geschaffenen theoretischen Vorstellungen hat sich besonders Maxwell577 verdient gemacht. Vor Faraday hatte man angenommen, daß die Wirkungen des Magneten und des elektrischen Stromes unvermittelte Fernwirkungen seien. Die Annahme einer durch keinen mechanischen Vorgang vermittelten Wirkung in die Ferne hatte man auch der Gravitationstheorie zugrunde gelegt, obgleich Newton sich durchaus nicht etwa entschieden für eine solche »actio in distans« ausgesprochen hatte. Während des 18. Jahrhunderts galt die unvermittelte Fernwirkung nicht nur für die Gravitation; sie wurde von Coulomb, der die Analogie zwischen der Gravitationswirkung und der Wirkung der elektrischen und magnetischen Kräfte erkannte, auch auf letztere ausgedehnt. Auch Weber, der in seinem Gesetz die elektrostatischen mit den elektromagnetischen und den Induktionserscheinungen zusammenfaßte, war in der im 18. Jahrhundert herrschenden Anschauung befangen geblieben. Erst durch Faraday trat hierin ein Wandel ein, dem sich die neuere Physik nur widerstrebend und ganz allmählich angepaßt hat.

Nach Faraday handelt es sich bei den schon vor ihm bekannten elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Vorgängen, sowie bei der von ihm entdeckten Induktion stets um eine Wirkung, die sich durch die Luft oder irgend eine andere isolierende Substanz (das Diëlektrikum) von Teilchen zu Teilchen fortpflanzt. Dies war Faraday schon deshalb wahrscheinlich, weil sich eine scharfe Grenze zwischen Leitern und Nichtleitern gar nicht angeben läßt. Er nahm daher in dem Diëlektrikum einen Spannungszustand an, den er als den elektrotonischen bezeichnete. Um diesen Zustand genauer zu charakterisieren, bediente sich Faraday als eines Hilfsmittels imaginärer Kurven, die er Kraftlinien nannte. In der Richtung der Kraftlinie, beziehungsweise für jeden ihrer Punkte in der Richtung der Tangente, wirkt ein Zug, quer zu den Kraftlinien ein Druck. Dieser Vorstellung entsprechen beispielsweise die magnetischen Kurven oder Kraftlinien, in denen sich Eisenfeilspäne unter dem Einfluß eines Magneten anordnen.

Die magnetischen Kraftlinien sind die Bahnen, in denen sich ein freier magnetischer Pol in einem magnetischen Felde bewegen würde. Das Auseinanderweichen der Kraftlinien zeigt eine Abnahme, das Konvergieren eine Zunahme der Kraft an.

An die Stelle dieses reingeometrischen Modells der Kräfte, dessen sich Faraday bediente, setzte Maxwell ein anderes, das aber lediglich als eine Analogie und nicht etwa als eine Erklärung oder auch nur als Versuch einer Erklärung aufgefaßt werden darf. Unter einer physikalischen Analogie versteht Maxwell eine teilweise Ähnlichkeit zwischen den Gesetzen zweier Erscheinungsgebiete. Eine solche Ähnlichkeit setzt uns in die Lage, die Erscheinungen des einen Gebietes durch diejenigen des anderen zu erläutern. Eine derartige Analogie besteht beispielsweise zwischen manchen Erscheinungen, die der elektrische Strom darbietet, und dem Verhalten einer strömenden Flüssigkeit. Maxwell bediente sich eines hydrodynamischen Modells zur Erläuterung der Wirkungen des elektrischen und des magnetischen Feldes. Er setzte an die Stelle der Kraftlinien Röhren von veränderlichem Querschnitt, in denen er sich eine nicht zusammendrückbare Flüssigkeit strömend dachte. Da die Geschwindigkeit einer solchen Flüssigkeit sich umgekehrt wie der Querschnitt der Röhre verhält, so läßt es sich einrichten, daß die Strömung an jeder Stelle durch ihre Geschwindigkeit die Größe und durch ihre Richtung gleichzeitig auch die Richtung der Kraft darstellt. Die von Maxwell gedachten Röhren füllen das magnetische oder das elektrische Feld so vollständig aus, daß keine Zwischenräume übrig bleiben. Die Röhrenwände reduzieren sich auf mathematische Flächen, welche die Bewegung einer den ganzen Raum erfüllenden Flüssigkeit bestimmen. Auf diese Weise vermochte es Maxwell, die Wirkungen von Magneten und elektrischen Strömen darzustellen und in mathematische Formeln zu kleiden, ohne damit irgend eine Annahme über das eigentliche Wesen des Magnetismus oder der Elektrizität gemacht zu haben.

Aus Maxwells Theorie ergab sich als eine der wichtigsten Folgerungen, daß sich die elektromagnetische Wirkung mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die mit der durch Fizeau ermittelten Geschwindigkeit des Lichtes nahezu übereinstimmt. Fizeau hatte für letztere 195600 englische Meilen in der Sekunde gemessen. Maxwells Berechnung ergab für die elektromagnetischen Wellen eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit von 193000 englischen Meilen in der Sekunde. Es ließ sich daher der Gedanke kaum zurückweisen, daß das Licht aus Schwingungen desselben Mediums besteht, in dem sich auch die elektrischen und die magnetischen Vorgänge abspielen. Eine wichtige experimentelle Bestätigung dieser elektromagnetischen Theorie des Lichtes brachte Hertz, indem er für die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektrischen Wellen denselben Wert fand, den Fizeau für das Licht ermittelt hatte578.

Auf eine enge Beziehung zwischen den optischen und den elektromagnetischen Erscheinungen war schon Faraday aufmerksam geworden, als er die Drehung der Polarisationsebene unter dem Einfluß eines Elektromagneten entdeckte579. Eine weitere Beziehung wurde im Jahre 1896 durch Zeeman580 nachgewiesen. Als er eine mit Natrium gefärbte Flamme zwischen die Pole eines Elektromagneten brachte und ihr Licht mit dem Spektroskop untersuchte, nahm er eine Verbreiterung der Natriumlinien wahr. Wandte man starke Elektromagnete an, so wurden die Spektrallinien gespalten. Die merkwürdige, Zeeman-Effekt genannte Erscheinung erwies sich als abhängig von der Lage des Lichtstrahles zum magnetischen Kraftfelde. Zeemans Entdeckung ist für die heute herrschende Theorie von Lorentz von derselben Bedeutung wie die Hertzschen Versuche für diejenige Maxwells. Nach Lorentz beruhen die elektrischen Erscheinungen auf der Bewegung elektrisch geladener Teilchen, der Elektronen. Auf ihre Schwingungen ist auch das Licht zurückzuführen. In einem magnetischen Felde wirken auf die Elektronen beschleunigende und verzögernde Kräfte, aus denen sich die von Zeeman entdeckte Erscheinung erklären und in Übereinstimmung mit dem experimentellen Ergebnis berechnen läßt.

Die Theorie der galvanischen Elemente hat vor allem Helmholtz während der siebziger und der achtziger Jahre des 19. Jahrhunderts durch eine Reihe von Arbeiten gefördert. Sie wurden neuerdings unter dem Titel »Abhandlungen zur Thermodynamik chemischer Vorgänge« wieder herausgegeben581.

Die erste dieser Arbeiten erschien im Jahre 1877. Sie handelt über galvanische Ströme, verursacht durch Konzentrationsänderungen. Helmholtz hatte sich bereits in seiner epochemachenden Schrift über die Erhaltung der Kraft mit der Frage beschäftigt, ob sich die chemische Energie vollständig in elektrische Energie umwandeln läßt. Unter der Voraussetzung, daß dies der Fall ist, hatte er die elektromotorische Kraft einer galvanischen Kette berechnet. In der Arbeit vom Jahre 1877 wandte Helmholtz die beiden Hauptsätze der mechanischen Wärmetheorie auf das Problem des Energieumsatzes in der galvanischen Kette an. Als Beispiel wählte er die Konzentrationskette. Bei einer solchen wird der Strom ausschließlich durch Änderungen in der Konzentration einer Lösung geliefert. Bei der von Helmholtz untersuchten Konzentrationskette tauchen Kupferstäbe in zwei miteinander in Verbindung stehende Gefäße. Befinden sich in diesen Kupfervitriollösungen von verschiedener Konzentration, so erhält man an den Kupferstäben eine Potentialdifferenz. Werden die Stäbe durch einen metallischen Leiter verbunden, so bewegt sich ein elektrischer Strom von dem in die konzentriertere Lösung eintauchenden Metall zu dem Metallstabe, der sich in der verdünnteren Lösung befindet. Dabei löst sich in der weniger konzentrierten Lösung Kupfer auf, während es sich in der konzentrierteren niederschlägt. Die Quelle des Stromes ist also einzig in dem Ausgleich der Konzentrationen zu suchen. Die Energie, die sich durch den Ausgleich der Konzentrationen gewinnen läßt, wurde berechnet, und es ließ sich zeigen, daß diese Energie der Arbeit der elektromotorischen Kraft gleich ist.

Im weiteren Verlaufe seiner Untersuchung wurde Helmholtz zu einer Gegenüberstellung des Begriffes der »freien Energie« zu dem Begriff »gebundene Energie« geführt. Unter der freien Energie versteht Helmholtz die ohne Rest ineinander verwandelbaren Arbeitsäquivalente der Naturkräfte. Der Wärmevorrat, von dem sich stets nur ein Bruchteil in andere Energieformen verwandeln läßt, wird als gebundene Energie bezeichnet. So gibt es galvanische Elemente, in denen die freie Energie vollkommen in elektrische Energie verwandelt wird, also kein Anteil der Energie als Wärme auftritt. Die von einem Elemente gelieferte elektrische Energie kann sogar größer sein, als dem in dem Element enthaltenen Vorrat an freier Energie entspricht. Damit ist das Gesetz von der Erhaltung der Energie indessen nicht etwa durchbrochen, sondern das Mehr an Energie wird in diesem Falle aus der Umgebung aufgenommen. Die Stromerzeugung ist dann nicht mit einer Erwärmung oder mit einem Konstantbleiben der Temperatur, sondern mit einer Abkühlung verbunden.

17. Die Naturwissenschaften und die moderne Kultur.

Dem gewaltigen Aufschwung, der sich auf dem Gebiete der Naturwissenschaften seit dem Beginn des 19. Jahrhunderts vollzog, entsprach neben der wachsenden Einsicht in den Zusammenhang der Erscheinungen ein sich stetig vergrößernder Einfluß auf den gesamten Kulturzustand unseres Zeitalters. Auf die Frage: »Wozu nützt das?« lautete Faradays Antwort: »Bemüht Euch, es nutzbringend zu machen!« Den aus einer rein wissenschaftlichen Tätigkeit entspringenden Entdeckungen des Forschers sind die Erfindungen meist auf dem Fuße gefolgt. So entwickelte sich auf dem Boden der Naturlehre die moderne Technik. Wohlstand und Behaglichkeit erzeugend, schuf sie wiederum die Mittel zur Förderung exakter Arbeiten und zur Verbreitung einer in immer tiefere Schichten der Bevölkerung eindringenden naturwissenschaftlichen Bildung. Auch diese Seite, die uns die Entwicklung der Naturwissenschaften zeigt, läßt sich nicht annähernd in ihrem ganzen Umfange, sondern nur in einigen besonders wichtigen Erscheinungen betrachten.

In den Anfang des 19. Jahrhunderts fallen die ersten Schritte zur Begründung des chemischen Großgewerbes. Sein Haupterzeugnis, die Schwefelsäure, welche den technischen Ausgangspunkt für viele Industriezweige bildet, stellte man schon seit der Mitte des 18. Jahrhunderts in größerem Maße her. Ein zweckmäßiges Verfahren konnte jedoch erst Platz greifen, nachdem Gay-Lussac und Glover die nach ihnen benannten, zur Wiedergewinnung der niederen Oxyde des Stickstoffs dienenden Türme eingeführt hatten. Durch die fabrikmäßige Darstellung der Schwefelsäure wurde auch die lange angestrebte Gewinnung der Soda aus Kochsalz ermöglicht. Im Jahre 1791 gründete der Franzose Leblanc die erste Sodafabrik und rief damit eine neue Industrie ins Leben, die besonders in England emporblühte und als wichtiges Nebenprodukt die Salzsäure lieferte582. Die Verbilligung der zuletzt genannten Säure hatte wiederum zur Folge, daß sich das Gebiet der so wichtigen Chlorpräparate erschloß, von denen das Kaliumchlorat den Anlaß zur Erfindung des ersten chemischen Feuerzeuges bot. Letzteres bestand darin, daß Holzstücke, die mit einem Gemisch von Kaliumchlorat und Schwefel versehen waren, durch Eintauchen in Schwefelsäure zur Entzündung gebracht wurden. Die Erforschung des Platins und seiner Verbindungen führte zu einer zweiten Zündvorrichtung, über welche Döbereiner mit folgenden Worten berichtet583: »Läßt man Wasserstoff durch ein Röhrchen auf staubförmiges Platin strömen, so daß der Strom des Gases sich vor der Berührung des Platins mit atmosphärischer Luft mischt, so wird der Staub fast augenblicklich glühend und bleibt dies, so lange der Wasserstoff ausströmt. Ist der Gasstrom stark, so wird der Wasserstoff entzündet. Dieser Versuch ist höchst überraschend und setzt jeden in Erstaunen. Ich habe diese Beobachtung bereits zur Darstellung eines neuen Feuerzeuges benutzt und werde sie noch zu weit wichtigeren Zwecken verwenden.« So interessant diese Arten der Feuererzeugung selbst noch heute sind, sie vermochten doch den um 1830 aufkommenden Zündhölzchen gegenüber nicht Stand zu halten. Für die letzteren bildeten der nach dem Verfahren von Scheele dargestellte gewöhnliche Phosphor, sowie die ungiftige, von Schrötter bereitete rote Abart dieses Elementes den technischen Ausgangspunkt584.

Neben der Schwefelsäure und der Salzsäure kam nach der Erschließung der Salpeterlager Südamerikas auch die Salpetersäure in immer größeren Mengen in den Handel. Das Studium dieser Säure in ihrem Verhalten zu den organischen Verbindungen führte um die Mitte des 19. Jahrhunderts zur Erfindung der heutigen Explosivstoffe. So stellte Schönbein, der sich besonders durch die Erforschung des Ozons einen Namen gemacht hat585, im Jahre 1846 die Schießbaumwolle her. Bald darauf erhielt man durch die Einwirkung der Salpetersäure auf das von Scheele aus den Fetten abgeschiedene Glyzerin das furchtbarste Sprengmittel, das Nitroglyzerin586, dessen Gefährlichkeit später Nobel dadurch herabminderte, daß er es durch Zumischen von Kieselgur in Dynamit umwandelte.

Als im Beginn des 19. Jahrhunderts der Dampf zu einem allgemeinen Betriebsmittel wurde, begann gleichfalls von England aus die Leuchtgasindustrie sich zu verbreiten587. Diese Industrie erfüllte nicht nur ihre eigentliche Aufgabe, indem sie Wohnungen und Straßen mit einem Licht versah, das alle bisherigen Beleuchtungsarten übertraf, sondern sie rief auch durch die Fülle ihrer Nebenerzeugnisse neue Gewerbe, ja sogar einen neuen Zweig der chemischen Wissenschaft ins Leben. In dem wässerigen Produkt der Destillation der Steinkohle erhielt man nämlich eine Quelle für das Ammoniak und die Ammonsalze, während aus dem Studium der zahllosen, in dem Teer befindlichen Stoffe die Chemie der aromatischen Verbindungen erwuchs. Das wichtigste Glied in der Reihe dieser Verbindungen war durch einen sonderbaren Zufall in die Hände Faradays gelangt, der sich im Beginn seiner wissenschaftlichen Laufbahn vorzugsweise mit chemischen Untersuchungen beschäftigte. Während der zwanziger Jahre des 19. Jahrhunderts gab es noch keine ausgedehnten Leitungen, sondern das Gas wurde den Verbrauchern in verdichtetem Zustande in die Wohnungen geliefert. Dabei stellte sich heraus, daß die Leuchtkraft schnell abnahm. Als Faraday mit der Untersuchung dieser Erscheinung betraut wurde, fand er, daß sich aus dem Gase ein flüssiger Körper abscheidet, dessen Dampf die Leuchtkraft bedingt. Dieselbe, aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehende Substanz wurde einige Jahre später aus der Benzoësäure dargestellt588 und Benzol genannt.

Mit der Tatsache, daß sich aus Steinkohlen ein brennbares Gas entwickeln läßt, waren schon Hales589 und Becher590 bekannt. Auf den Gedanken, diese Entdeckung praktisch zu verwerten, kam zuerst der Engländer William Murdoch. Er war es, der 1792 den ersten dahin zielenden Versuch in einer Fabrik in Staffordshire machte. Erst im Jahre 1808 hat Murdoch über die Erfahrungen, die er mit der Gasbeleuchtung gemacht hatte, in den Philosophical Transactions berichtet: »An account of the application of the gas from coal to economical purposes«.

Wie sich auf den geschilderten Grundlagen in steter Verbindung mit der Wissenschaft die chemische Industrie zu ihrer heutigen Bedeutung entwickelte, kann hier nur in einigen Strichen angedeutet werden.

Dasjenige Erzeugnis der chemischen Industrie, das zu weiterer Verarbeitung in allen ihren Zweigen Verwendung findet, ist die Schwefelsäure. Die Weltproduktion an diesem Material beläuft sich heute auf mehr als 5 Millionen Tonnen591. Bis vor wenigen Jahrzehnten erfolgte die Gewinnung der Schwefelsäure ausschließlich durch den von John Roebuck im Jahre 1746 erfundenen Bleikammerprozeß592. Zu diesem Verfahren gesellte sich der 1875 von Clemens Winkler erfundene Kontaktprozeß. Er beruht auf dem Verhalten des fein verteilten Platins, das wir bei der Erwähnung der Döbereinerschen Zündvorrichtung593 mit den Worten des Erfinders ausführlicher geschildert haben. Winkler leitete ein Gemenge von Schwefeldioxyd und Luft über erhitztes feinverteiltes Platin. Durch die katalytische oder Kontaktwirkung des letzteren vereinigt sich das Schwefeldioxyd mit dem Sauerstoff der Luft zu Schwefeltrioxyd (Schwefelsäureanhydrid), das sich mit Wasser zu Schwefelsäure (H₂SO₄) verbindet.

Mit Hilfe des Kontaktverfahrens hat man auch die Gewinnung des Chlors aus der Salzsäure vereinfacht. Als Katalysatoren dienen Salze, die sich an dem chemischen Umsatz ebensowenig beteiligen wie das feinverteilte Platin. Theoretisch läßt sich daher mit Hilfe derartiger Kontaktkörper eine unbegrenzte Menge der mit ihnen in Berührung kommenden Substanzen umsetzen. Um nach der von Deacon seit 1870 eingeführten Methode das Chlor aus der Salzsäure zu gewinnen, leitet man ein Gemisch von Salzsäuregas und Luft über poröse mit Kupfersalzen getränkte Massen, die nahezu auf Rotglut erhitzt werden. Der Umsatz erfolgt nach der Gleichung 2HCl + O = H₂O + 2Cl. Dem Deaconprozeß trat neuerdings die elektrolytische Gewinnung von Chlor als ebenbürtig an die Seite. Das Chlor, das nicht nur zum Bleichen, sondern auch zur Herstellung vieler Chlorverbindungen, in immer größerem Maße Verwendung findet, wird elektrolytisch aus den Lösungen von Chlornatrium oder Chlorkalium dargestellt. Bei diesem Vorgang entwickelt sich das Chlor an der positiven Elektrode, während man an der Kathode Natronlauge oder Kalilauge und eine dem Chlor äquivalente Menge Wasserstoff erhält. Daß hier Wasserstoff als billiges Nebenprodukt abfällt, hat wesentlich zu einer weitgehenden Verwendung dieses durch Leichtigkeit und hohen Heizwert ausgezeichneten Gases beigetragen.

Auch das älteste, zur fabrikmäßigen Darstellung der Soda ins Leben gerufene Verfahren Leblancs ist in der Neuzeit nahezu durch den Solvayprozeß verdrängt worden594. Leblanc setzte Kochsalz mit Schwefelsäure in Salzsäure und Natriumsulfat um. Das gewonnene Sulfat ergab beim Zusammenschmelzen mit Kalkstein und Kohle Soda595. Die Schwefelsäure ging bei diesem Prozeß völlig verloren. Die Bemühungen waren deshalb zunächst darauf gerichtet, den Schwefel aus den Rückständen der Leblancfabriken als solchen oder in Form von Verbindungen zurückzugewinnen. Soda ohne die Verwendung von Schwefelsäure herzustellen, gelang zuerst um 1840. Man leitete Kohlendioxyd und Ammoniak in eine Kochsalzlösung und verwandelte das so entstandene, primäre Natriumkarbonat durch Erhitzen in sekundäres Salz (Soda)596. Technisch brauchbar wurde das Ammoniaksodaverfahren erst, als es Solvay (1863) gelang, das an der Bildung des Salmiaks beteiligte Ammoniak, sowie das beim Erhitzen des primären Salzes freiwerdende Kohlendioxyd stets wieder in den Prozeß einzuführen.

Ein Teil der im Großbetriebe erzeugten anorganischen Verbindungen wird von der in den letzten Jahrzehnten zu ungeahnter Blüte gelangten organisch-chemischen Industrie aufgenommen und weiter verarbeitet. Neben den anorganischen Verbindungen, vor allem den Mineralsäuren, besteht ihr Rohmaterial aus dem zuerst kaum der Beachtung gewürdigten Teer der Gasfabriken und Kokereien. Es war im Jahre 1856, als es Perkin, einem Schüler des damals in England wirkenden A. W. Hofmann597 gelang, aus dem Teer den ersten Farbstoff darzustellen. Heute liefert der Teer der chemischen Industrie vier ihrer wichtigsten technischen Ausgangspunkte. Es sind dies das Benzol, das Naphthalin, das Anthrazen und die Karbolsäure. Sie sind neben vielen anderen Gemengteilen in dem Teer enthalten und werden durch fraktionierte Destillation daraus gewonnen.

Die erste Reihe technisch wertvoller Produkte entwickelte sich aus dem Benzol (C₆H₆) als Muttersubstanz. Durch die Einwirkung von Salpetersäure wurde es in Nitrobenzol (C₆H₅NO₂) übergeführt. Bei der Reduktion entstand aus dem Nitrobenzol das Anilin (C₆H₅NH₂). Aus dem Anilin hatte Perkin den ersten Teerfarbstoff hergestellt. Einige Jahre später (1859) wurde aus Anilin ein besonderes Aufsehen erregender, roter Farbstoff gewonnen, den man als Fuchsin bezeichnete. Daran reihte sich das Anilinviolett (Hofmann, 1863), das Methylgrün, das Anilinblau, das schon gelbe Auramin usw.

Wohl auf keinem anderen Gebiete ist der technische Fortschritt so eng mit der wissenschaftlichen Forschung verknüpft gewesen wie auf dem Gebiete der organisch-technischen Chemie. Die neueren Theorien von der atomistischen Konstitution der chemischen Verbindungen leiteten nicht nur den Forscher bei seinen rein wissenschaftlichen Experimenten, sie waren für den nach neuen Fabrikationsweisen suchenden Chemiker nicht minder wichtig. Ein Leitstern ist vor allem die von Kekulé aufgestellte Theorie über die Konstitution des Benzols gewesen. Wir haben sie, sowie ihre Ausdehnung auf das Naphthalin und ähnliche organische Verbindungen an anderer Stelle schon besprochen598. Den ersten Teerfarbstoffen hafteten noch viele Mängel an. Ihr größter war, daß sie sehr rasch im Lichte verblaßten. Auf der Suche nach lichtechten Farbstoffen wandte man sich als Ausgangspunkt dem Naphthalin zu. Aus diesem in dem Teer in größter Menge enthaltenen Rohmaterial gelang es Grieß im Jahre 1869 den ersten Azofarbstoff herzustellen und damit ein neues, wichtiges Gebiet der Teerfarbenfabrikation zu erschließen.

Nach den geschilderten Erfolgen steckte sich die organisch-technische Chemie die Aufgabe, die natürlichen, dem Tier- und Pflanzenreiche entstammenden Farbstoffe herzustellen. Die erste Synthese eines natürlichen Farbstoffs gelang im Jahre 1869 den Deutschen Liebermann und Graebe. Vom Anthrazen ausgehend, stellten sie das Alizarin, den wirksamen Bestandteil der Krapppflanze, synthetisch dar, und zwar viel reiner und billiger als ihn die Pflanze liefert. Die Folge war, daß der in vielen Gegenden blühende Krappbau binnen kurzem ganz einging und die bisher für ihn benutzten Flächen anderen Kulturzwecken dienstbar gemacht werden konnten.

An die Darstellung des Alizarins reihte sich diejenige des Indigos. Die Geschichte dieses »Königs der Farbstoffe« ist von einem ganz besonderen Interesse. Schon im Altertum war der Indigo wegen der schönen, lichtechten, blauen Farbe, die er der Wolle und den Pflanzenfasern verleiht, sehr geschätzt. Er war lange eins der wichtigsten Erzeugnisse Indiens, wo man ihn aus einigen Indigoferaarten darstellte. Eine Zeitlang wurde er auch aus der in Europa wachsenden Waidpflanze (Isatis tinctoria) gewonnen. Die synthetische Darstellung des Indigos gelang Baeyer gegen Ende der siebziger Jahre des 19. Jahrhunderts. Es dauerte noch etwa 20 Jahre, bis man nach vieler Mühe und nach Aufwendung von Summen, die sich auf Millionen beziffern, den Indigo zu einem Preise darstellen konnte, der ihn zum Wettbewerb mit dem Naturprodukt befähigte (1897). Wie groß die wirtschaftlichen Folgen dieser einen Synthese waren, läßt sich aus folgenden Daten ermessen. Der Handel mit natürlichem Indigo, dessen Wert sich gegen 1890 auf nahezu 100 Millionen Mark im Jahre bezifferte, hörte nach und nach fast auf. Während Deutschland 1890 etwa 12000 Doppelzentner Indigo vom Ausland beziehen mußte, exportierte es im Jahre 1910 für mehr als 40 Millionen Mark an diesem einen, von seiner Industrie erzeugten Farbstoff. Selbst in den asiatischen Ländern wird heute mit dem in Deutschland erzeugten, künstlichen Indigo gefärbt.

Auch auf dem Gebiete der pharmazeutischen Produkte und der Riechstoffe hat die organische Chemie bedeutende Erfolge aufzuweisen. Zu den ersten Heilmitteln, die man synthetisch, und zwar von der Karbolsäure aus, darstellen lernte, gehört die Salizylsäure599. Unter ihren Derivaten wird die Azetylsalizylsäure (Aspirin) als Heilmittel besonders geschätzt. In hohem Grade gefördert wurde die Fabrikation pharmazeutischer Produkte, nachdem es der Wissenschaft gelungen war, in den Bau der unter dem Namen der Alkaloide bekannten Pflanzengifte einzudringen und sie durch Synthese darzustellen600.

Selbst des jüngsten Zweiges der wissenschaftlichen Chemie, der Kolloidchemie, hat sich die Technik unserer Tage bemächtigt. Der bemerkenswerteste Erfolg auf dem Gebiete der Kolloidchemie ist die Synthese des Kautschuks. Vergegenwärtigt man sich, daß es zwei Jahrzehnte dauerte, bis der synthetische Indigo den natürlichen aus dem Felde geschlagen hatte, so darf man hoffen, daß auch dem synthetischen Kautschuk ein ähnlicher Erfolg beschieden sein wird. In wirtschaftlicher Hinsicht würde dieser Erfolg ganz ohne Beispiel sein, da der Marktwert des heutigen Weltbedarfs an Kautschuk sich auf etwa eine Milliarde Mark beziffert.

Wie auf chemischer so entwickelten sich auch auf physikalischer Grundlage wichtige Zweige der modernen Technik. Schon in den ersten Jahrzehnten des 19. Jahrhunderts zeigte es sich, daß die aus rein theoretischem Interesse unternommenen Forschungen auf dem Gebiete der Elektrizitätslehre eine Fülle von nützlichen Anwendungen im Gefolge haben sollten. So knüpft sich an die Namen Gauß und Weber die Erinnerung an den ersten elektromagnetischen Telegraphen. »Ich weiß nicht«, schrieb Gauß am 8. November des Jahres 1833 an den Astronomen Olbers, »ob ich Ihnen schon über eine großartige Vorrichtung berichtete, die wir gemacht haben. Wir haben eine galvanische Kette zwischen der Sternwarte und dem physikalischen Kabinett über die Häuser hinweggezogen. Die ganze Drahtlänge wird etwa 8000 Fuß betragen. An den beiden Enden ist sie mit einem Multiplikator verbunden. Ich habe eine einfache Vorrichtung ausgedacht, wodurch ich augenblicklich den Weg des Stromes umkehren kann; ich nenne sie Kommutator. Wir haben sie bereits zu telegraphischen Versuchen benutzt, die mit ganzen Worten und einfachen Sätzen sehr gut gelungen sind. Ich bin überzeugt, daß auf diese Weise auf einen Schlag von Göttingen nach Hannover oder von Hannover nach Bremen telegraphiert werden kann.«