Grundlagen der Schwarz-Weiß-Silberfotografie

von Jens Vogel (2010)


Die Belichtung des Filmmaterials

a. Modellvorstellung zum photochemischen Elementarprozess

Die genauen Abläufe bei der Belichtung sind bis heute noch nicht in allen Einzelheiten geklärt. Die unten dargestellten Modellvorstellungen versuchen die Vorgänge des Belichtungsprozesses verständlich und anschaulich zu erklären und wurden teilweise vereinfacht, trotzdem wurde auf wissenschaftliche Exaktheit geachtet.

Die klassische Silberfotografie beruht auf der Lichtempfindlichkeit der Silberhalogenide (Silberchlorid, Silberbromid und Silberjodid), chemische Verbindungen des Silbers mit den Halogenen Chlor,Brom oder Jod. Am häufigsten kommt das Silberbromid als lichtempfindliche Verbindung zum Einsatz. Durch Lichteinwirkung werden die Silberhalogenide in ihre Elemente zerlegt, also in elementares Silber und die Halogene. Elementares Silber ist in feinverteilter Form schwarz. Hierdurch wird die fotografische Schicht je nach Intensität der Lichteinwirkung an verschiedenen Stellen mehr oder weniger stark geschwärzt.

Das Filmmaterial besteht meistens aus Cellulose-Acetat (Acetylcellulose) oder auch Polyester als Trägermaterial. Auf diesen Träger wird eine dünne Schicht aus Gelatine aufgebracht, in die feinverteiltes Silberbromid als Suspension eingelagert ist. Silberbromid ist eine weiß-gelbe kristalline Substanz (Salz), welches aus einfach positiv geladenen Silber-Ionen und einfach negativ geladenen Bromid-Ionen besteht. Diese Ionen bilden in kristalliner Struktur ein sog. Ionengitter aus (Gitterstruktur), in dem dreidimensional in die drei Raumachsen abwechselnd positive und negative Ionen angeordnet sind. Die Silberbromid-Emulsion *(s.u.) stellt man her, indem man wässrige Lösungen von Silbernitrat und Kaliumbromid in eine Gelatine-Lösung einfließen lässt. In einer Fällungsreaktion bildet sich das schwer-lösliche Silberbromid. Die Bildung der feinen AgBr-Mikrokristalle erfolgt dabei direkt in der Gelatine-Lösung, und es wird so verhindert, dass sich größere Kristalle durch Koagulation zusammenballen können. Die Größe der Kristalle ist steuerbar, dies hat eine besondere Bedeutung für die Lichtempfindlichkeit der Emulsion.
* (In der Fotografie spricht man meistens von einer Emulsion, eine Bezeichnung, die historisch entstanden ist. Der Begriff ist aber streng genommen falsch, es handelt sich um eine Suspension).

Salze sind nie ideal kristallisiert (hypothetische "Idealkristalle"), sondern weisen immer, je nach Reinheit, mehr oder weniger viele Gitterstörstellen auf, d.h., es können z.B. im Gitter Leerstellen vorhanden sein oder freie Gitterplätze werden von gleich großen Fremdionen (z.B. durch Verunreinigungen) besetzt ("Realkristalle"). Hier bieten sich wegen ihrer Größe besonders die aus der Gelatine stammenden Selen- oder Sulfid-Ionen an. Die Sulfidionen sind im Gegensatz zu den Bromid-Ionen doppelt negativ geladen, erzeugen also einen negativen Ladungsüberschuss an dieser Stelle. Das bedeutet, dass in ihrer Umgebung positiv geladene Silberkationen aus dem AgBr-Gitter vermehrt angezogen werden.

In einer anderen Theorie verlassen einige Silberionen ihren Stammplatz, wandern durch den Kristall und verweilen dabei kurzzeitig auf Zwischengitterplätzen. Auch hierdurch ist die Idealstruktur des Kristalls gestört.

Diese Gitterstörstellen sind in der Silberbromid-Schicht erwünscht, sie begünstigen die Bildung der Belichtungskeime (s.u.).

Trifft nun ein Lichtquant (Photon) auf ein AgBr – Gitter (Photon mit der Energie hf ** - s.u.) , „schlägt“ es aus einem negativ geladenen Bromid-Ion ein Elektron heraus (Photoelektron):

Zurück bleibt ein ungeladenes Bromradikal (Bromatom), welches in die Gelatine abwandert und sich dort mit irgendwelchen anderen Atomen oder Molekülen verbindet (absättigt).

Das Photoelektron (negative Ladung) wandert nun durch das Gitter zu der Stelle, an der es durch die Gitterstörstelle zu einer Anhäufung von positiv geladenen Silberkationen gekommen ist. Hier reduziert das Elektron ein Kation zu einem Silberatom.

Reduktion eines Silber-Kations durch Aufnahme eines Photoelektrons:

Mehrere Lichtquanten durch intensive Belichtung führen an dieser Stelle zur Bildung mehrerer Silberatome, die zusammen den sogenannten „Latentbildkeim“ (Belichtungskeim) bilden.

nAg ----> Ag(n)
Bildung mehratomiger Silber-Aggregate (Cluster); n =>4

Dort, wo viel Licht auftrifft, entstehen viele solcher Belichtungskeime. Dieser Keim ist wegen seiner geringen Größe ( mindestens 4 Atome !) natürlich noch unsichtbar; dieses nur durch Lichteinwirkung erzeugte physikalische Bild nennt man "latentes" Bild. Durch Zusammenschlusss mehrerer Silberatome zu einem größeren Atomverband (Cluster -Ag(n)) wird aus dem Belichtungskeim der sog. Entwicklungskeim. Der Belichtungsvorgang ist mit seiner Bildung abgeschlossen.

Die Lichtempfindlichkeit des Silberbromids nimmt mit zunehmender Kristallgröße zu. Bei lichtemfindlicheren Filmen verwendet man deshalb "grobkörnigere" Emulsionen .

Durch "Entwickeln" wird das "latente" Bild dann sichtbar gemacht.

b. Sensibilisierung der Silberbromid-Schicht

Siberbromid ist nicht im gesamten Spektralbereich des sichtbaren Lichtes (400 - 800 nm) empfindlich. Lediglich blaues, d.h. energiereiches Licht bis zu einer Wellenlänge von ca. 500 nm, ist in der Lage, die oben bechriebene fotochemische Reaktion auszulösen (gestrichelte Kurve im Diagramm rechts). Da aber auch der grüne und rote Bereich des Spektrums ( Lambda > 550 nm) bei einer Fotografie als Grauwerte dargestellt werden müssen, ist es notwendig, die fotografische Emulsion für diese Wellenlängenbereiche zu sensibilisieren (otho-chromatische Sensibilisierung auch für grünes Licht, pan-chromatische Sensibilisierung für rotes Licht, in der Summe dann für alle Wellenlängen des sichtbaren Spektrums). Dies gelingt durch Einlagerung von bestimmten Farbstoffen, die die Energie des grünen bzw. roten Lichtes absorbieren und den Elektronentransfer auf die Silberionen ermöglichen (gepunktete Kurve im Diagramm rechts).
Die durchgezogene Kurve gibt die Empfindlichkeit des menschlichen Auges wieder, man erkennt das Maximum im grünen Wellenlängenbereich. Eine weitere Sensibilisierung über den sichtbaren Bereich des Lichtes hinaus macht Siberbromid sogar für den Infrarotbereich empfindlich.

Die Sensibilisierung, also die Empfindlichkeit des Silberbromids für den gesamten Wellenbereich durch Einlagerung bestimmter Farbstoffe zu vergrößern, wurde von einem berühmten Namensvetter von Heinz Vogel (verwandtschaftliche Beziehungen sind nicht belegt !), Hermann Wilhelm Vogel (1834-1898) entdeckt. 1873 stellte er zum ersten Mal Filmmaterial mit orthochromatischer Sensibilisierung der Öffentlichkeit vor.



Silberbromid-Gitter

- jedes Silberion ist von 6 Bromidionen umgeben und jedes Bromid-Ion von 6 Silberionen

Die Notwendigkeit der Sensibilisierung ergibt sich natürlich nur für das Filmmaterial, da nur bei Belichtung des Films (bei der Aufnahme) alle Farben also alle Wellenlängen des sichtbaren Lichtes fotografisch als Grauwerte dargestellt werden müssen; die Emulsion des Fotopapiers braucht nicht sensibilisiert zu werden, da bei der Herstellung des positiven Bildes im Labor keine Farben übertragen werden. Dies ist auch der Grund, warum im Negativ-Labor absolute Dunkelheit herrschen muss, im Positiv-Labor aber grünes (oder rotes) Licht eingeschaltet sein darf.

** h ist die Planck´sche Wirkungskonstante; f ist die Frequenz des Lichtes; c ist die Lichtgeschwindigkeit; die Energie des Lichtes hängt ab von der Wellenlänge, blaues Licht mit kurzer Wellenlänge und hoher Frequenz ist "energiereich", das langwellige rote Licht ist bei niedriger Frequenz "energiearm". N(A) ist die Avogadro-Konstante, die Teilchenzahl pro Mol.

Für die Energie des Lichtes gilt dann:

bzw.

(bezogen auf 1 Mol "Teilchen"/Elektronen)

Mit dieser Gleichung lässt sich z.B. die Wellenlänge des Lichtes berechnen, die Licht mindestens besitzen muss, um die fotochemische Elementarreaktion für Silberbromid auszulösen.


Weiterführende Literatur (u.a.):
Folienserie des Fonds der chemischen Industrie (FCI) Heft 26 - Fotografie (1999)

Foto Vogel
77 Jahre Fotografie in Mönchengladbach

1919 - 1995

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