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Beitrge zur Kenntnis der Ionisation durch Rntgen- und Kathodenstrahlen.

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333
6. B e i t r a g e s u r K e m n t n i s der Ioninsation durch
Rontgen- und Kathodemnstrahlem;
v o n JuZizcs E e r w e g .
(Auszug aus der Wiirzburger Dissertation des Verfassers.)
I. A b s c h n i t t.
Abhiingigkeit der durch Rontgenstrahlen hervorgerufenen
Ionisation von der Temperatur.
Es ist bekannt, daB durch reine Temperaturerhohung ein
Gas nur sehr wenig ionisiert werden kann. Dies ist nachweisbar bis etwa 5004 einer Temperatur, bei der die schwache
Rotglut beginnt; oberhalb dieser Temperatur ist es sehr
schwierig, oder gar unmoglich, da man das Gas zur Messung
der Ionisation in GefaBe einschlieBen muB, und diese schon
bei Rotglut sehr vie1 Ionen abgeben.
Fig. 1.
Fur mich kam es darauf an, zu untersuchen, ob ein durch
Rontgenstrnhlen schon ionisiertes Gas sich ebenso verhalt,
2
s
--
Fig. 2.
I m GefaB B, dem eigentlichen MeBgefaB ( A diente als Luftbad) befanden sich isoliert durch die Glasrohren G eingefiihrt
die beiden Sonden .D und D . Die mit dem Elektrometer
verbundene Sonde B' war durch den Hartgummistopfen H
besonders isoliert. Infolge des schlechten Warmeleitungsvermogens des Olasrohres blieb selbst bei Temperaturen von
400 im GefaB B die Isolationsfahigkeit des Hartgummistopfens
Ionisation dumh Riintgen- und Kathodenstrahlen.
335
gut. Durch den Tubus T konnte ein Thermometer eingesenkt
und vor jeder Messung die Temperatur bestimmt werden.
P war ein aufgeschraubtes Aluminiumfenster , durch das die
Rontgenstrahlen in das GefaB B eintreten konnten. Die
Rijntgenrohre R befand sich samt dem Induktorium in einem
Zinkblechkasten 2. Um seitliche Strahlen abzuhalten , war
noch eine mit einem Loch versehene Bleiplatte P vor der
Rohre aufgestellt. B' lag mit seinem Quadrantenpaar zunachst an der Erde. Bei der Messung wurde die Erdleitung
durch den Kontakt G vom Beobachtungsplatze aus aufgehoben.
Ebenso konnte die Rontgenrbhre vom Beobachtungsplatze
aus befatigt werden.
Ausfihrung der Messungen.
Die Sonde B war bei allen Messungen durch eine Akkumulatorenbatterie konstant auf 70 Volt geladen. Es wurden
nun zunachst bei Zimmertemperatur Rontgenstrahlen durch
das Fenster P in das GefaB B geschickt. Nachdem sie 10 Sek.
gewirkt hatten und die Ionisation konstant geworden war,
wurde die Erdleitung in C aufgehoben und der Ausschlag gemessen, den das Elektrometer in 20 Sek. zeigte, wahrend die
Riintgenstrahlen weiter wirkten. Nun wurde das GefaB A
durch Bunsenbrenner erhitzt und die Luft in B auf eine bestimmte hohere Temperatur gebracht. Nachdem Konstanz
der Temperatur in B mittels des eingesenkten Thermometers festgestellt war, wurde dieselbe M'essung bei dieser
wiederholt.
Die Resultate sind in den folgenden Tabellen zusammengestellt.
T a b e l l e 1.
Kontrolle
Temperatur . . . .
Ausschlag in 20 Sek.
Temperatur
Ausschlag
Temperatur
Aussuhlag
. .
23
138
1000
112
24
142
. . . . . .
22 O
135
1000
105
23 O
127
. . . . . .
220
117
1000
89
23
110
. .
. . . . . .
. . . . . .
J. Herweg.
336
In dieser Tabelle ist das Harterwerden der Rontgenrohre
noch deutlich zu bemerken, doch ist durch die Kontrollzahlen
rechts dieser Ubelstand ziemlich ausgegIichen.
T a b e l l e 2.
-IControHe
Temperatur . . . .
Ausschlag in 20 Sek.
Temperatur
Ausschlag
Temperatur
Ausschlag
. .
. .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
200
86
209O
54
200
89
200
82
300 (I
42
220
85
84
80
404
30
840
66
Die an B angelegte Spannung war 70 Volt +, 70 Volt ergab gleiche Resultate.
Die Tabellen zeigen, da8 mit steigender Temperatur die
Ionisation abnimmt. Nun ist hierbei zu bedenken, da6 das
GefaB B nicht luftdicht verschlossen ist; die Djchte des Gases
nimmt also proportional der steigenden Tempera tur ab. Wie
nun R u t h e r f o r d gezeigt hat, ist die Starke der Ionisation
proportional der Dichte des Gases; die Dichte des Gases ist
aber umgekehrt proportional der absoluten Temperatur. Was
ergeben nun die Zahlen? Ich greife einige heraus. Bei 20°
ist die Ionisation gleich 86 Einheiten? bei 209O = 54. Der
= 1,6; der reziproke
Quotient der Ionisierungsstarken ist
Quotient der absoluten Temperatur 8%= 1,61.
Es verhalten sich also in diesem Falle die Ionisierungsstarken umgekehrt wie die absoluten Temperaturen oder direkt
wie die Dichten. Dasselbe Resultat ergeben die anderen
Zahlen.
Hiermit ist bewiesen, da8 die durch Rijntgenstrahlen
hervorgerufene Ionisation bis 400 O von der Temperatur unabhangig ist (abgesehen von der Dichteanderung des Gases),
zugleich folgt hieraus, dab eine rnerkliche Warmetonung die
Bildung der Ionen durch Rontgenstrahlen nicht begleitet.
Inzwischen hat Hr. Mc Clung meine Versuche bis etwa
250 O bestatigt.
+*
Ionisation d w c h Rontgen- zind liathodenstrahlen.
337
11. A b sc h n i t t.
Gleiohzeitige Ionisation durch Rontgenstrahlen und einen
gluhenden Draht.
Ein sehr hoch erhitztes Gas ist, wie schon erwahnt, sehr
weaiy ionisiert, bringt man aber einen auch nur schwach gliihenden Draht in das Gasinnere, so wachst die Ionisation sofort
ganz betrachtlich. Welche Rolle dabei das Metal1 spielt, ist
noch nicht aufgeklart, man spricht von einer katalytischen
Wirkung der Metalloberflache.
Der nachste Abschnitt behandelt die Frage, ob diese
Wirkung der gluhenden Metalloberflache sich andert, wenn
das Gas durch Rontgenstrahlen ionisiert wird.
B war ein Metallzylinder, der durch den Hartgummiklotz Pisoliert und mit dem einen Quadrnntenpaar des Elektro-
Fig. 3.
meters in derselben Weise verbunden war, wie im vorigen
Abschnitt die Sonde B’. Die Zuleitungen zum Elektrometer
waren bei allen Versnchen isoliert in geerdeten Metallrohren
gefuhrt, urn auf3ere Sttirungen fernzuhalten. I m Innern des
Zylinders B war der Platindraht G gespannt; er wurde einerseits durch die isolierte Klemme K gehalten, anderseits durch
das Aluminiumfenster B, das durch den Hartgummiring E
von dem Bleidiaphragma P isoliert war. Der Piatindraht war
samt seinen Zuleitungen und den Akkumulatoren H , die den
Strom lieferten, um ihn zum Gliihen zu bringen, gut isoliert,
so daB das ganze System mitteh der Batterie P auf 70Volt
+ oder - geladen werden konnte. A war ein geerdeter
J. Herweg.
338
Schutzmantel. Die Rontgenrohre befand sich bei allen Versuchen in dem schon erwahnten Blechkasten mit Bleischirm.
Ausfiihrung der Messungen.
Der Draht G wurde durch die Akkumulatoren H zum
Gliihen gebracht und zugleich auf 70 Volt geladen. Nachdem
er 10 Sek. gegliiht hatte, und die Ionisation in B konstant
geworden war, wurde die Erdleitung C aufgehoben und der
Ausschlag gemessen, den das Elektrometer in 20 Sek. gab.
Ebenso wurde der Ausschlag gemessen, wenn G nicht gliihte,
dafiir a3er die Rontgenstrahlen die Ionisation bewirkten.
G war hierbei natiirlich auch auf 70 Volt geladen. SchlieBlich wurde der Susschlag gemessen , wenn beide Ionisatoren
gleichzeitig wirkten.
T a b e l l e 3.
Ausschllge in 20 Sek. bei
allein
+ Rijntgenstrahlen
185
Ob der Draht stark oder schwach gliihte, anderte nichts
am Resultat. Ein ganz schwach gliihender Draht gab folgende
Werte:
T a b e l l e 4.
Ausschlage in 20 Sek. bei
schwach gluhendem
Draht allein
1 mm
1
1
3
Die Zahlen zeigen eine einfuche Superposition der Ionisationen durch Routgenstrahlen und gliihenden Draht. Die
hatalytische Wirkung der gliihenden Metalloberflache ist dieselbe
in Rontgenluft, wie in nicht ionisierter.
Ionisation durch Riintgen- und Kathodenstrahlen.
339
III. A b s c h n i t t.
Einwirkung der Riintgen- und Kathodenstrahlen auf das
Eintreten der Glimmentladung.
Schon lange war die Einwirkung von ultraviolettem Licht
auf eine Funkenstrecke bekannt. Man wuBte, dal3 eine Funkenstrecke leichter anspricht, wenn man sie mit diesem Licht bestrahlt. Eingehender wurde diese Tatsache erst im Jahre 1900
von Swyngedauw und W a r b u r g untersucht. Swyngedauw
stand auf dem Standpunkte , daB die ultravioletten Strahlen
eine Herabsetzung des Funkenpotentials bewirkten, W a r b u r g
verneinte dies. Er vertrat fest die Ansicht, daB die Bestrahlung nur eine Aufhebung der Verzogerung, keine Herabsetzung
des Funkenpotentials zur Folge hatte. Es bezieht sich dies
auf die Versuche, bei denen das Potential zwischen den Kugeln
der Funkenstrecke langsam bis zum Funkenpotential erhoht
wurde. l) Die Spannuiig wurde bei den Versuchen von W a r b u r g
mittels eines B r a u n schen Elektrometers gemessen. Spater
hat S t a r k e die Warburgschen Versuche mit Rontgenstrahlen
wiederholt und ist zu demselben Resultat gekommen wie dieser.
Auch die Einwirkung der Rontgenstrahlen auf das Eintreten
der Glimmentladung in Geisslerschen Rohren war eine bekannte Tatsache. Quantitative Versuche existieren aber hieriiber,
soviel ich weil3, nicht, und die Frage, ob es sich bei diesen
Erscheinungen um eine Aufhebung der Verzogerung oder eine
Herabsetzung des Entladepotentials handelt, war zur Zeit noch
offen.
Im folgenden mochte ich nun einige Versuche beschreiben,
die mir dafiir zu sprechen scheinen, daB das Entladepotential
durch Rontgen- und Kathodenstrahlen wenigstens bei Glimmentladung herabgesetzt wird.
Ein Vergleich mit den W a r b urgschen Versuchen erscheint
aber nicht ohne weiteres zulassig, weil diese in Luft von gewohnlichem Druck vorgenommen wurden, und der Unterschied
zwischen Entladespannung und der Spannung bei stationarem
Strom klein ist.
1) E. Warburg, Ann. d. Phys. 5. p. 811. 1901.
J. Herweg.
340
Das EntladungsgefaB war eine groBe Luftpurnpenglocke G.
Ich wahlte ein derartiges GefaB, um von Wandladungen frei zii
sein. Die Elektroden, zwischen denen die Glimmentladung
auftrat, waren B' und B. Die Spannung lieferte ein Hochspannungsakkumulator H mit Unterabteilungen von 40 zu
40 Volt. Da mir diese Intervalle zu grofi waren, muBte ich
noch eine Vorrichtung haben, urn beliebige Spannungen schnlten
zu kbnnen. Dies leistete der Kupfersulfatwiderstand U. An
seinen beiden Enden lagen die Pole einer 70 Volt Batterje;
der verschiebbare Stab S gestattete nun, von 0 bis 70 Volt
der Hochspannungsbatterie zuzuschalten. Die Spannung an B'
wurde mittels des Kohlrauschschen Galvanometers K ge-
A
U
Fig. 4.
inessen, dem lo6 Ohm Widerstand vorgeschaltet war. Das
Galvanometer gab bis etwa 400 mm der Stromstarke proportionale Ausschlage. Ich eichte es vor jedem Versuche mit
70 Volt, urn von einer eventuellen langsamen h d e r u n g des
Graphitwiderstandes W unabhangig zu sein. Der Kupfersulfatwiderstand A war zwischengeschaltet, urn eine zu grofie Stromstarke bei der Glimmentladung zu vermeiden.
Erdleitungen waren bei diesen Versuchen vermieden ; als
Erde diente der Zinkkasten Z. Diese Anordnung halte ich
fur sehr praktisch, da einmal Kurzschliisse der Batterien vermieden werden, und zweitena elektrische Schwingungen fortfallen, die fast stets in den Erdleitungen eines Instituts vor-
lonisalion durch Kiin fgen- und .A-athodenstralLlcn.
341
kommen, in dem vie1 mit Induktorien gearbeitet wird. Die
Rbntgenrohre war wieder, wie bei den friiheren Versuchen, in
den Blechkasten Z eingeschlossen ; seitliche Strahlen wurden
durch den Bleischirm P abgehalten, so daB nur ein schmales
Bundel durch das mit Aluminium bedeckte Fenster im Luftpumpenteller T zwischen die Platten B und B' gelangen
konnte. Die Rontgenrohre, sowie ErhGhung der Spannung
konnte vom Beobachtungsplatze aus betatigt werden. Zum
Auspumpen des groBen Volums G (etwa 10 Liter) wurde eine
G e r y ksche Olpumpe verwendet. Sie erzielte in verhiiltnismaBig kurzer Zeit Vakua bis etwa l/lOOmmHg. Der Druck
in G konnte mittels eines Vakuummeters von M u l l e r - U r i
gemessen werden.
Ausfiihrung der Messungen.
Zunachst wurde die Glocke G bis zu einem gewissen Druck
evakuiert und dieser gemessen. Dann wurde die Spannung
in B' erh6ht und durch einen Vorversuch ermittelt, bei welcher
Spannung ungefahr die Glimmentladung eintrat. Nachdem
diese eingetreten, wurde die Spannung an B' unter die Minimalspannung erniedrigt, so daS die Glimmentladung aufhorte,
dann aber wieder gesteigert bis auf einige Volt unter der roh
bestimmten Entladespannung. Diese Spannung blieb dann
stets wahrend der Pausen zwischen den Messungen an B'
liegen. Zur genauen Bestimmung der Entladespannung wurde
dann das Potential an B' ganz langsam erhoht bis Glimmentladung eintrat. Das Eintreten der Glimmentladung konnte
ich bei der Ablesung der Spannung am Galvanometer zugleich
mit beobachten. Es sank namlich beim Einsetzen der Entladung das Potential in D so stark, daB das Galvanometer
einen stoBweisen Ruckgang um einige Zentimeter zeigte. Dndurch, daB an B' fortwahrend eine Spannung lag, die nur
wenige Volt kleiner war als die Entladespannung, wurde die
Hauptursache des Entladeverzuges, der Ionenmangel z wischen
den Elektroden, vermieden und die Entladespannung konn te
mit groBer Scharfe festgestellt werden.
Nachdem dies geschehen, wurden Rontgenstrahlen zwischen
die Elektroden geschickt. Gewohnlich lieB ich sie erst 20 Sek.
J. Herweg.
342
wirken und bestimmte dann die Entladespannung genau wie
friiher.
Die beiden nachsten Tabellen zeigen Messungen, die bei
einem Druck von ungefahr 0,4 mm Hg ausgefiihrt wurden.
Die Entladespannung ist verschieden, je nachdem man B’
+ oder - ladt. Dies erklart sich aus der Unsymmetrie der
Platt en.
T a b e l l e 5.
Spannung an B’ +.
Druck
in inm
0,36
Entladespannung in Volt
RSnt$z:rahlen
520
522
522
mit
Rontgenstrahlen
~
516
516
516
~
I
T a b e l l e 6.
Spannung an B‘
Druck
in mm
0,43
-.
Entladespannung in Volt
Ront&%ahlen
450
447
450
452
453
456
I
mit
RSntgenstrshlen
444
444
446
446
448
448
Die Zahlen zeigen eine Erniedrigung der Spannung um
etwa 5 Volt, also ungefahr 1 Proz.
Die niichste Tabelle gibt die Entladespannungen mit und
ohne Rontgenstrahlen bei verschiedenen Drucken. Es wurden
hier jedesmal drei Beobachtungen unter denselben Verhaltnissen gemacht:
Ionisation durch Rontgen- und Kathodenstrahlen.
343
T a b e l l e 7.
Erniedrigung
(Mittel)
0,93
0,70
0,48
0,31
0,16
520
501
500
504
550
519
502
500
503
551
520
503
498
508
549
1
510
495
491
496
546
511
495
495
600
545
511
499
495
501
544
9
7
6
6
5
Eine negative Spannung an B' zeigt keine wesentliche
Unterschiede.
Wie man aus den Zahlen sieht, liegt bei etwa 0,5mm Hg
ein Minimum der Entladespannung sowohl mit wie ohne Rantgenstrahlen. Dieses Minimum ist durch die Dimensionen der
Rohre bestimmt. Ferner ist zu bemerken, daB die Erniedrigung der Entladespannung mit dem Gasdruck abnimmt. Tragt
man Entladespannungen und Drucke als Ordinaten und Abszissen
in ein Koordinatensystem ein, so erhalt man die in Fig. 5
gezeichneten Kurven.
Fiir Versuche mit Kathodenstrahlen war der oben beschriebene Apparat nicht recht zu gebrauchen. Ich konstruierte
daher einen neuen (Figg. 6 a u. G b), der es ermoglichte, Rontgenund Kathodenstrahlr8hre ohne allzu groBe Schwierigkeiten miteinander zu vertauschen.
344
J. Herweg.
Er bestsnd aus einer etwa 10 cm im Durchmesser haltenden Glaskugel A, die innen versilbert war, um statische Laduiigen
zu vermeiden.
Die Elektroden R und E' waren mit Siegellack isoliert
eingekittet. Das Ansatzrohr G diente zum Evakuieren. Auf
einen seitlichen Tubus von 3 cm Durchmesser war die Metallkapsel B ebenfalls mit Siegellack aufgekittet.
B hatte in der Mitte eine 1 cm weite Offnung F. Bei
Versuchen mit Rontgenstrahlen wurde dns Fenster P durch
Fig. 6 a.
ein Aluminiumblech von etwa 0,l mm Starke geschlossen und
die Rontgenrohre wie friiher geschiitzt in dem Zinkblechkasten
nufgestellt. Bei Versuchen mit Kathodenstrahlen wurde das Aluminiumblech vom F e n s t e r P entfernt und die D e s Coudressche
Kathodenstrahlrohre direkt mit Marineleim luftdicht aufgekittet.
Das Fenster der Kathodenstrahlrohre hatte ungefahr eine Dicke
von 0,006 mm.
Den Aufbau rnit der Kathodenstrahlrohre zeigt Fig. 6 b.
Der zum Betriebe der D e s Coudresschen Rohre 22
dienende Teslatransformator befand sich auch in dem Zinkkasten 2. Die Metallkapsel B, die die Anode der Rohre bildet,
paBte'genau durch ein Loch in den Blechkasten Z. Auf diese
Weise waren elektrische Schwingungen von dem AuBenraum
vollstandig ferngehalten.
.Tonisation durch Rontyen- und Kathodenstrahlen.
345
Dieser neue Apparat lieferte nun zunachst vollkommen
negative Resultate ; eine Erniedrigung des Entladepotentials
war bei dieser Anordnung nicht mit Sicherheit festzustellen.
Ich erklare dieses Ergebnis folgendermaBen : Der Durchmesser der Elektroden E und 23’ war bei dem beschriebenen
Apparate klein; er betrug etwas uber 1 cm. Wie nun spatere
Fig. 6 b.
Versuche beweisen, ist die Erniedrigung des Entladepotentials
abhangig von der Anzahl der Ionen, die sekundar zwischen
den Elektroden E und
gebildet werden. Zwischen E und E‘
sind urn so weniger Ionen vorhanden, je kleiner die Elektroden
sind. I n unserem Falle sind so wenig dazwischen, daS eine
Erniedrigung nicht mehr nachzuweisen ist. Man erhiilt wieder
eine Erniedrigung des Potentials, wenn mail die Ionisation
betrachtlich steigert. Mit der Rhtgenrohre ist dies nicht zu
erreichen, wohl aber mit der Kathodenstrahlrohre und zwar
dadurch, daB man in das Aluminiumfenster ein feines Loch
bohrt ; die Ionisation, die man nun bekommt, betrkgt mindestens
Annalen der Physik. IV. Folge. 19.
23
J. Ilerweg.
346
das Hundertfache der fruheren. Dementsprechend ist jetzt
auch eine betrachhliche Erniedrigung des Potentials zu verzeichnen. Der Druck in der Kathodenstrahlrohre und der
Kugel A muB natiirlich bei diesen Messungen derselbe sein.
Die nachstehende Tabelle gibt die Erniedrigung bei einem
Druck von 0,4 mm.
T a b e l l e 8.
Druck
0,4
I
Entladespannung in Volt
671
673
673
538
530
534
Die Glimmentladung, die bei 417 Volt eintrat, war sehr
lichtschwach; es zeigte sich dann auch, dafi man es hier rnit
keiner selbstandigen Strijmung mehr zu tun hatte. Die Glimmentladung verschwand, sobald die Kathodenstrahlen unterbrochen wurden. Gerade dieser Punkt scheint mir ein Rauptmoment in der Beweisfuhrung, daB es sich bei all diesen Versuchen nicht um eine Aufhebung der Verzogerung, sondern
tatsachlich um eine Erniedrigung der Entladespannung handelt.
Wie schon erwahnt, war mit Rontgenstrahlen und den
von einem 0,006 mm dicken Aluminiumblattchen durchgelassenen
Kathodenstrahlen in dem oben beschriebenen Apparate eine
Erniedrigung der Entladespannung nicht nachzuweisen. Ich
habe auch schon eine Erklarung dieses negativen Resultates
versucht. Zum Beweis dieser Erklarung, und um vergleichende
Messungen mit Rontgen- und Kathodenstrahlen ausfuhren zu
konnen, konstruierte ich einen neuen Apparat mit gr6Beren
Ionisation drirch Riinigen- und Kuthodenstrahlen.
347
Elektroden (Fig. 7). Das zu evakuierende Gefa6 A war aus 2 mm
dickem Messingblech gefertigt. Es war geschlossen durch die
4 mm dicke Glasplatte G, um die Vorgange im Innern beobachten zii kijnnen. Die Elektrode B von etwa 5 cm Seitenlange, war isoliert durch das mit Siegellack eingekittete Glasrohr D eingefiihrt; als andere Elektrode diente die gegenuberliegende Wand des MessinggefaDes A. Der Abstand zwischen A
und B betrug etwa 3 cm.
Durch das Fenster F
G
konnten die Strahlen
7
zwischen die Elektroden
gelangen. Bei Versuchen
mit Rijntgenstrahlen war
P durch ein Aluminiumblech geschlossen , bei
den mit Kathodenstrahlen wurde die KathodenA
strahlrijhre direkt an
das offene Fenster F mit
Fig. 7.
Marineleim angekittet.
Ferner hatte ich noch eine Einrichtung getroffen, um die
durch die Strahlen bewirkten Ionisationen, der GrijBenordnung
nach wenigstens, vergleichen zu kijnnen. Zu diesem Zweck
wurde B mit einem E x n e r schen Elektrometer verbunden,
dieses auf eine bestilnmte Potentialdifferenz geladen und der
Ruckgang beobachtet, den das Instrument in einer gewissen
Zeit anzeigte, einmal, wenn Rijntgenstrahlen wirkten, das
andere Ma1 , wenn die Kathodenstrahlen einfielen. Da die
Kapazitat des Elektrometers sich z u klein erwies, wurde ein
passender Luftkondensator parallel geschaltet. Ich muB hier
gleich bemerken, da8 eine Vergleichung der beiden Ionisatoren
streng nicht mijglich ist; denn im Fall der Rijntgenstrahlen
bekommt man gleichviel negative und positive Ionen zwischen
den Elektroden, im Fall der Kathodenstrahlen hat man,
wenigstens bei niederen Drucken, einen UberschuB an negativen
Elektronen im Gase.
Die an B angelegte Spannung war bei den folgenden Versuchen negativ, ebenso wurde das Elektrometer zur Messung
der Ionisation stets negativ geladen.
r"
~~
23+
348
J. Herweg.
Bei einem Druck von 'I2 mm Hg erhielt ich eine Erniedrigung von 3-4 Volt, bei 2 mm Hg eine solche von
12-14 Volt. Auch hier zeigt sich wieder die Abhangigkeit
der Einwirkung vom Druck.
Die Zahlen bei 2 mm Bruck mit den zugehorigen Ionisierungsstarken fur Rontgen- und Kathodenstrahlen sind in der
folgenden Tabelle aufgestellt. Die Ionisierungsstarken sind
ausgedriickt in Teilstrichen, um die das Elektrometer zuruckging, wenn die Strahlen 10 Sek. wirkten.
Die niedrigere Entladespannung in der unteren Tabelle
ist durch eine Anderung des Luftgemisches in dem nicht
ganz dichten Me8gefaB zu erklaren. Ehenso erklart sich das
Wachsen der Entladespannung in den einzelnen Kolonnen durch
diese Undichtigkeit und der damit verbundenen Zunahme des
Druckes. Der GrtiBenordnung nach stimmeii die Ionisierungsstarken und Spannungserniedrigungen uberein ; von weiteren
Ionisation durch Riintgen- nnd Kathodezstrahlen.
3 49
Versuchen in dieser Richtung habe ich ahgesehen, da eine
Vergleichung der Tonisationen durch Rantgen- und Kathodenstrahlen aus dem oben angefiihrten Grunde nicht moglich ist.
Zusammenfassung der Resultate dieses Abschnittes.
-
Sowohl Rontgen- als Kathodenstrahlen bewirken eine Herab
setzung der Entladespannung der Glimmentladung. Die Wirkung
der Strahlen ist abhangig vom Volurn zwischen den Elektroden
und vom Druck. Mit zunehmendem Volum und wachsendem
Druck wird die Wirkung groBer.
Theorie: Es liege zwischen zwei Elektroden in einem verdiinnten Gase eine Spannungsdifferenz, ohne da6 eine selbstandige
Stromung (Glimmentladung) zwischen ihnen iibergehe. Das
elektrische Feld hat dann eine ganz bestimmte statische Form,
die von den Dimensionen der Elektroden und der Entladerohre
abhangig ist. VergrijBert man die Potentialdifferenz , so tritt
Glimmentladung ein , wenn an der Entladeelektrode auf der
mittleren freien Weglhnge der Spannungsabfall gleich der
Ionisierungsspannung des positiven Ions ist. Bringt man nun,
solange das Feld noch statisch ist, also vor dem Eintreten
der Glimmentladung durch irgend einen fremden Ionisator
positive und negative Ionen zwischen die Elektroden, so wird
die Feldform je nach der Anzahl der vorhandenen Ionen geandert; das statische Feld geht mehr oder weniger in ein
dynamisches iiber. Zwischen den Eektroden findet infolge der
Ionisation eine Konzentration der elektrischen Kraftlinien statt,
der Spannungsabfall wird gr68er. Im letzteren Falle wird
also die Ionisierungsspannung des positiven Ions leichter erreicht und die Glimmentladung tritt bei einer niedrigeren
Potentialdifferenz zwischen den Elektroden ein.
Die Erniedrigung ist natiirlich urn so groBer, je mehr
Ionen man sekundar zwischen die Elektroden bringt. Theoretisch
mu8 es hiernach miiglich sein, durch sehr starke sekundare
Ionisation die Entladespannung bis zur Minimalspannnng herabzumindern. Praktisch habe ich dies anniihernd erreicht bei
dem Versuch mit der Kathodenstrahlrohre, deren Fenster
durchbohrt war. Hier war die Entladespannung ohne Kathodenstrahlen 561 Volt, mit Kathodenstrahlen 419 Volt und die
Minimalspannung etwa 380 Volt.
350
J. Berweg.
I V . A b s c h n i t t.
Versuche zur Klarung der Frage, ob bei der Ionisation durch
Rontgenstrahlen primlir Elektronen entstehen.
G ii 1 t i g k e i t s b e r e i c h d e s 0 h m s c h e n G e s e t z e a.
Uber die Ionisation eines Gases ist folgende' Hypothese
aufgestellt. Man denkt sich das neutrale Molekul aufgebaut
aus gleichviel positiven und negativen elektrischen Teilchen,
den Elektronen. Die Wirkung eines Ionisators sol1 nun darauf
beruhen , daB ein negatives Elektron vom neutralen Molekul
losgetrennt wird, dieses bleibt alsdann positiv zuriick. An das
freie Elektron lagern sich nun bei Atmospharendruck sofort
infolge wechselseitiger Anziehung ein oder mehrere neutrale
Molekule an und bilden so ein negatives Ion, das Ton derselben GroBenordnung ist wie das positive.
Viele Messungen, wie die uber den Sattigungsstrom, die
spezifischen Ionengeschwindigkeiten und die Diffusion der Ionen,
die bei Drucken von Atmospharendruck bis zu etwa 10 mm
gemacht sind, setzen dieselbe GroBenordnung der positiven
und negativen fonen voraus.
Dasselbe gilt fur das Ohmsche Gesetz.
Die folgenden Versuche bezwecken einen Beweis der
Hypothese zu erbringen und die Grenzen des Ohmschen Gesetzes, wenigstens angenahert, festzulegen.
A. Messung unselbstiindiger Strome in einem ionisierten Gase
bei niedrigen Druckcn.
Der Begriff der unselbstandigen Stromung ist j a bekannt,
ich will hier nur bemerken, daB ich als Ionisator, wie bei den
fruheren Versuchen, Rontgenstrahlen verwandte.
Der benutzte Apparat war eigentlich fur spatere Versuche konstruiert, lie6 sich aber fur diese Messungen sehr gut
verwenden.
Fig. 8 a gibt eine Vorder-, Pig. 8 b eine Seitenansicht.
D war cine Dose aus 2 mm dickem Messingblech von
5 cm Hohe und 10 cm Durchmesser. Durch das Ansatzrohr R
konnte das GefaB evakuiert werden. Die Elektrode d war
von quadratischer Form, die Seitenlange betrug 0,9 cm. Form
und GroBenverhaltnisse der Elektroden B und B' ergeben sich
Ionisation durch Rontgen- und Kathodenstrahlen.
35€
aus der Figur. Die drei Elektroden waren mittela Siegellack
isoliert und luftdicht eingekittet. In der einen ebenen Wand
d.es BlechgefaBes befand sich das Aluminiumfenster 3, durcb
das die Riintgenstrahlen einfallen konnten. Wichtig fiir die
Erklarung der gemessenen Zahlen ist der Umstand, daB das
Fenster P nicht ganz symmetrisch zwischen den Elektroden A
und B lag. Der Abstand zwischen A und der linken Seite
1
Y
J
Fig. 8 a.
Fig. 8 b.
des Fensters betrug 0,i' cm, zwischen B und der rechten Seite
1 em. Die fertige Dose war auf ein Holzbrett N aufgeschraubt.
Fur die Form und Anzahl der Elektroden waren spatere Versuehe, die mit dem Apparat angestellt werden sollten, bestimmend; fur die nachsten Messungen wurden B und B' miteinander verbunden, so daB sie eine Elektrode bildeten und
diese an ein Quadrantenpaar eines Dolezalekschen Elektrometers gelegt.
Ausfiihrung der Meseungea
D wurde bis zu einem bestimmten Druok evakuiert, A auf
ein bekanntes Potential geladen, wahrend die Elektrode B B'
zunachst mit seinem Quadrantenpaar an Erde lag. Nachdem
10 Sek. Ilijntgenstrahlen gewirkt, wurde die Erdleitung aufgehoben und der Ausschlag gemessen, der innerhalb 20 Sek.,
in denen die Strahlen weiter wirkten, sich ergab. Die Versuche wurden mit verschiedenen positiven und negativen
Spannungen an A ausgefuhrt, die gewonnenen Zahlen sind in
den folgenden beiden Tabellen zusammengestellt.
J. Herwq.
392
T a b e l l e 12.
Druck 6 mm.
Spannung
(Volt)
+
Elektrometerausschlag
Spannung
(Volt)
-
Elektrometerausschlag
~
4
8
16
24
32
40
48
56
64
22
34
38
41
43
46
48
49
48
50
4
8
16
24
32
40
48
56
60
64
61
67
68
70
71
70
67
70
69
T a b e l l e 13.
Druck 0,grnm.
Spannung
(Volt)
2
10
20
30
40
60
80
100
120
1.10
+
Elektrometerausschlag
3
5
6
7
7
9
12
15
18
26
Spannung
(Volt)
2
10
20
30
40
60
80
100
120
140
200
250
-
Elektrometeraussohlsg
12
13
12
13
12
12
12
13
13
13
12
15
Ein Blick in die Tabellen zeigt, daB bei 6 mm Druck die
durch den Elektrometerausschlag gemessene Stromstirke bei
+Spannung an A stets kleiner ist als bei -Spannung. Dieselbe Erscheinung zeigt bei niedrigen Spannungen Tab. 13,
doch ist hier von 100 Volt + an die Stromstirke groBer als
bei -Spannung an A .
Das erste MeBresultat, die geringere Stromstarke bei
+Spannung an A la& sich berechnen aus den Gleichungen,
Ionisation durch Riintgen- und Kathodenstrahlen.
353
die J. J. T h o m s o n in seiner mathematischen Theorie der
Elektrizitiitsleitung durch ionisierte Gase l) aufgestellt hat. Es
handelt sich hier um den speziellen Fall, da6 eine Schicht
ionisierten Gases zwischen zwei Platten in einer Entfernung II
von der positiven und 1, von der negativen Platte liegt. Dieser
Fall liegt hier offenbar vor, wie ein Blick auf Fig. 8 a zeigt.
Die Breite der ionisierten Schicht ist durch die Breite des
Fensters P gegeben, die Abstande Zl und I, der Schicht von
den Platten betragt, wie schon gesagt, 0,7 bez. 1 cm.
Die Formel, die T h o m s o n in diesem Fall fur die Stromstarke findet. lautet
Hierin bedeutet 7 die Potentialdifferenz zwischen den
Platten, l1 die Entfernung der Schicht von der positiven und I,
von der negativen Platte, El und R, sind die entsprechenden
Geschwindigkeiten der positiven und negativen Ionen.
Dime Formel will ich nun dazu benutzen, urn einen Aufschluf3 uber die Geschwindigkeiten der beiden Ionenarten zu
bekommen. Nehmen wir zunachst an, die beiden Ionengeschwindigkeiten seien nicht sehr voneinander verschieden,
etwa so wie bei den gewohnlichen Luftionen.
Bestimmt man nun aus der Formel i einmal fur den Fall,
da6 A positive Spannung erhalt, also II = 0,7, I, = 1 ist und
dann fur den Fall, daB A negativ geladen, also Z1=l, Z,=O,7
ist, so findet man, wie die Formel ohne weiteres zeigt, i im
ersten Fall nur um einen geringen Bruchteil kleiner als im
zweiten. Meine Zahlen ergeben aber , wenigstens fur niedere
Spannungen eine 3-4 fach kleinere Stromstarke bei positiver
Spannung an A. Wir wollen nun annehmen, da6 die Geschwindigkeit 22, der negativen Teilchen sehr gro6 ist gegen
die der positiven.
In unserer Gleichung ist dann das Glied mit R, zu vernachlassigen und es bleibt
(2)
und
(3)
1)
J. J. T h o m s o n , ,,Conduction of Electricity through Gases" p. 76.
J. Herweg.
354
Diese Gleichung gilt fur den Fall, daB A positiv geladen ist.
F u r den anderen Fall gilt
(4)
Ans (3) und (4) folgt
2 - ~1;
‘
(5)
in
1;
~ - .
Setzen wir die Werte fur Z1 und le ein, so ergibt sich
Hiernach verhalt sich der Strom bei positiver Spannung
an d zu dem bei gleicher negativer annahernd wie 1 zu 3
und dieses Resultat stimmt ganz gut mit den ersten experimentellen Daten der Tabellen 12 und 13 iiberein.
DaB die Berechnung fiir die dann folgenden Zahlen nicht
mehr zutrifft, hat seinen Grund in der beschrankten Anwendbarkeit der Thomsonschen Formel. Dieselbe gilt namlich
nur fur den Fall, daB die Strome nicht gesattigt sind. Der
Umstand, dab mit hiiheren Spannungen nach Tab. 13 die Stromstarke groBer ist, wenn A positiv geladen ist, ist einfach zu
erkliiren. Die Elektroden d und B sind sehr verschieden groB.
Wir betrachten Tab. 13. Bei dem dort verwendeten Druck
von 0,9 mm Hg werden bei 100 Volt Spannungsdifferenz schon
neue Ionen durch IonenstoB gebildet. Die Anzahl der durch
StoB gebildeten Ionen ist aber abhangig von der GroBe der
negativen Elektrode. 1st A positiv, so ist die griiBere Elektrode B negativ, und die Anzahl der durch StoB gebildeten
Ionen ist groBer, als wenn die kleinere Elektrode A negativ
ist. Hiermit scheint mir die groBere Stromstarke, falls A
positiv ist, in dem Gebiete, wo IonenstoB stattfindet, erklart.
Die Berechnung aus der T h om son schen Formel spricht
nun dafur, daB man es bei diesen Versuchen mit negativen
Teilchen zu tun hat, deren Geschwindigkeit ganz betrachtlich
groBer ist als die der positiven.
Uber die GroBenordnung dieser negativen Teilchen konute
ich zunachst noch nichts Bestimrntes aussagen. Es war zwar
zu vermuten, daB es der anfangs erwahnten Hypothese nach
Elektronen seien, doch fehlte dafur ein Beweis.
Ionisation durch fr'oninfyen-und Kathodenstrahlen.
355
B. EinfluB eines Msgnetfeldes auf eine unselbstlndige Striimung im
ionisierten Gase.
Um iiber die Gri56enordnung der negativen Teilchen Aufschlu8 zu gewinnen, brachte ich die Blechdose derart zwischen
die Pole eines Elektromagneten, da8 die magnetischen Kraftlinien senkrecht zu den elektrischen standen. Bei einigen
orientierenden Messungen ergaben sich zunachst starke Storungen
durch die Einwirkungen des Magnetfeldes auf die Rbntgenrohre. Die Kathodenstrahlen in der Rontgenrohre wurden
abgelenkt, trafen die Antikathode nur teilweise oder gar nicht
mehr und die Wirkung der Strahlen horte auf. Diese Storungen
wurden durch eine quadratische Panzerplatte aus weichem
Eisen von 75 cm Seitenlange und 4 cm Dicke vermieden. I n
der Mitte hatte die Platte ein 2 cm weites Loch, das den
Rbntgenstrahlen den Durchschritt gestattete. Wie Messungen
der durch die Strahlen hervorgerufenen Ionisation zeigten, war
nun eine Beeinflussung nicht mehr zu konstatieren.
Der Aufbau ist aus Fig. 9 a und b zu ersehen.
a.
Fig. 9 a u. b.
3 ist der mit den Polschuhen C und C' versehene Elektrodie Metalldose.
magnet, P die eiserne Schutzplatte,
Der Polschuh C war fur die Rbntgenstrahlen durchbohrt.
Die GroBenverhaltnisse sind aus der Figur nach dem Gefa6 B
abzumessen, das 10 cm Durchmesser hatte.
356
J. Ijerioey.
Bei den nachsten Messungen wurde wieder der Gesamtstrom untersucht, d. h. es wurden B und B' zusammen mit
einem Quadrantenpaar des Elektrometers verbunden. Im ubrigen
wurden die Messungen folgendermaBen ausgefiihrt :
Das Gefa6 B wurde bis zu einem gewissen Druck evakuiert,
A auf 50Volt + oder - geladen. Nun wurde wie oben, zun&chst ohne Magnetfeld der Elektrometerausschlag gemessen,
wenn die RGntgenstrahlen wirkten; hierauf erregte ich den
Magnet mit 12 Amp. und machte unter sonst unveranderten
Verhaltnissen nochmals eine Messung. Dieselben Messungen
wurden bei verschiedenen Drucken wiederholt. Das Magnetfeld betrug zwischen den Polschuhen bei 12 Amp. etwa
600 C.G.S.-Einheiten, wie ich mit einer Bifilarspule feststellte.
Trotz des gro6en Abstandes der Polschuhe, er betrug nahezu
6cm, war das Feld doch recht homogen. Dies wurde durch
die lamellare Zusammensetzung der Polschuhe erreicht.
Die folgende Tab. 14 zeigt die Resultate, die ich bei verschiedenen Drucken in der oben angegebenen Weise erhielt.
Ton 8 mm Druck an wurde der Elektrode BB' ein
Glimmerkondensator parallel geschaltet , da die Elektrometerausschlage eine fur die Ablesuug unbequeme GroBe annahmen.
W e die Kontrollzahlen zeigen, andert das Einsobalten der
Kapazitat am Resultat nichts.
Zunachst zeigen nun die nachstehenden Werte, daB ohne
Magnetfeld bei negativer Spannung an A die Stromstarke gro6er
ist als bei positiver. Diese Erscheinung habe ich schon oben
erklart, sie findet sich auch in der Tab. 12 und 13. Neu
sind hier die merkwurdigen Werte der Stromstarke bei wirkendem Magnetfeld. Bei l m m Druck ist der die Stromstarke
reprasentierende Elektrometerausschlag bei positiver Spannung
an A in 20 Sek. gleich 26 Skt., hei negativer Spannung in
derselben Zeit 0,5 Skt., also fast Null. Wie die Zahlen
zeigen, nimmt der Unterschied zwischen der Stromstarke bei
positiver und negativer Ladung von A mit zunehmendem Druck
ab, aber selbst bei 32mm Hg ist er noch deutlich wahrnehmbar. Ich habe friiher aie Erscheinungen der unselbstandigen
StrSmung bei niederen Drucken durch die Annahme positiver
und negativer Teilchen von verschiedener GrGBenordnung erklart; dieselbe Erklarung fuhrt auch hier zum Ziel.
Ionisation durch Riintyeiz- wid Kathodenstrahlen.
351
T a b e l l e 14.
-
Druck
in mm
Spannung
50Volt an L
Elektrometerausschlag
ohne Magnetfelc mit Magnetfeld
1
10
15
26
2
20
30
51
4
4
37
53
91
22
5
65
87
150
71
8
10
15
21
12
16
16
23
31
23
32
25
32
40
36
64
32
39
45
47
125
40
47
47
53
260
57
60
61
65
520
98
100
107
108
0,s
Mittels der Fig. 10 ist dies leicht zu zeigen. 1st durch
die RSntgenstrahlen das Gas zwischen den Elektroden A und B B'
ionisiert und liegt an A eine negative
Spannung, so wandern die negativen
Teilchen in der Richtung von A nach
B B', die positiven in umgekehrter.
Wirkt nun ein Magnetfeld, dessen
Kraftlinien senkrecht zu denen des
Fig. 10.
elektrischen Feldes stehen, SO werden
die Teilchen aus ihren Bahnen abgelenkt, doch ist diem
Ablenkung sehr gering, wenn wir die Teilchen von der
J. Herweg.
358
Groflenordnung der Atom- oder Molionen annehmen. Nehmen
wir dagegen an, daB die negativen Ionen von der GroOenordnung der Elektronen sind, so werden sie von dem angewandten Felde stark abgelenkt, sie gelangen teilweise nicht
mehr nach B B’, die Stromstarke mit Magnetfeld wird kleiner.
Liegt an A eine positive Spannung, so wandern die positiven
Iorien von A nach BB‘ und diese werden infolge ihrer
GrtiBe nur sehr wenig abgelenkt; das Nagnetfeld wirkt nicht
schwachend auf die Stromstarke ein. Die Tatsache, dafl in
diesem Falle die Stromstarke sogar grofler wird, werde ich
spater erklaren.
Ich setze nun voraus, daB die negativen Teilchen Elektronen sind und will an der Hand der Bewegungsgleichungen
des 0iegenden Elektrons unter Voraussetzung der bei meinen
Versuchen vorliegenden Anfangsbedingungen zeigen, daB die
aus ihnen zu berechnenden Resultate mit den beobachteten
ubereinstimmen.
Theorie.
Die allgemeinen Bewegungsgleichungen des Elektrons fur
die Ebene lauten:
Urn die Gleichungen auf eine integrierbare Form zu
bringen, wird d y f d t au5 (1) ausgerechnet, d 2 y l d t 2 gebildet,
und die beiden Werte in (2) eingesetzt. Die entstehende Differentialgleichung enthalt dann nur noch Differentialquotienten
von x nach t.
Es ist also:
&
_d _y_ - . m--d 2 x + -k d -x - _ _
(3)
d t - e@ dt2
8 dt
8 ’
(4)
d gy
m d3x
=
dt2
e @ d P
+
-Ic -d2 -x ~ .
In (2) eingesetzt:
-L @- - - Qe p 7 d x
m
Y
m
dt
Ionisation durch Riintgen- zind KathodensCrahlen.
359
geordnet :
Setzt man nun noch d x l d t = v , so wird
eine Differentialgleichung zweiter Ordnung mit zweitem Glied,
die nach der Methode der Variation der Konstanten zu integrieren ist. Das allgemeine Integral dieser Gleichung ist :
+
i
+
-
#
vz
Hierin bedeutet C die rechte Seite der Gleichung (7),
c1 und cz sind Integrationskonstanten, wahrend v1 und v2 die
partikularen Integrale der zu (7) gehorenden homogenen Differentialgleichung
c1 c1
c2
sind. 1st v = e L t ein Integral dieser Gleichung, so wird
(10)
und
[ "=-5
also
I 2,
=
-
(Q"kZ)=O
=- p
+ iy,
-k - i 5 $j= - p
m
rn
- i9,
-k
(1 1)
(:.I
i 1 2 + 2 mek h . +
+ t. -meQ
vl'= e ( - P + i d t ,
vz'=
e(-P-idt,
Es ist nun sowohl v,'+ v2' als auch vl'- v2' ein Integral.
Unter Anwendung der Moivreschen Formeln und Trennung
von reel und imaginar erhalt man:
vl = e-ptsin q t ,
112)
vz = e-Pt cos q t t
(d.a,=- p e - P t s i n q t q e - P t c o s p t ,
1
(13)
{ -f,",
z=-pe-ptcosqt+
+
Diese Werte sind in (8) einzusetzen.
qe-atsin q t .
360
J. Herweg.
Nach einer einfachen Zwischenrechnung erhalt man als
allgemeines Integral von (7)
1v=
(I4)
1
--c?q
y(p2 f
-
@I
+ c1 q + cz
v2 =
~
+-y2
+ c,e-Ptsinr/t
+ c,e-Pfcosqt.
GemaB v = d xld t ist diese Gleichung nochmals zu integrieren. Es wird schlieBlirh das allgemeine Integral
(15)
oder :
z = '%,
e- p
(16)
x=e
- k--
sin q f
I
+ ?I, e - P
-t
cos 7 t
+ p -,-'+ q z t + _I' ,
-
"
(%lsin$j$t+P12cosQGt
+ift+.f'.
Da die Gleichungen (1) und (2) in ganz gleicher Weise
gebildet sind, so erKalt man fur y &en Hhnlichen Wert,
namlich :
(17) y = e
- b-
t
( - g z S i n 5 7 ~ t + ? I l c o s 5 7 - eTI&
-t
1
+Bt+B'.
Die Konstnnten der Gleichungen (16) und (17) sind leicht
unter Zuhilfenahme von d x l d t und d y l d t auu8 den Anfangsbedingungen
dx dY 1 = 0, I = xo7 y = yo, -2-i
-27
- Vyo
zu bestimmen.
Es ergibt sich:
[
A' = x o
-%,7
B'= Yo
- 81,
7
Aus (16) und (17) ist nun die Bahngleichung zu bestimmen.
Es war:
Ionisation durch Rontgen- und Kathodenstrahlen.
361
Quadriert und anders geordnet :
I
-2e
- 2 k d t
8, 2lzsin.. . cos
... ,
addiert:
(20) [x - (A'+ A t)la+ [y - (B'+ B t)12= e
-2ket
~fl
(%;
+ 8;).
Zunachst wird die Reibungskraft k vernachlassigt. Ferner
sei nur ein elektrisches Feld in der z-Richtung vorhanden,
also gY= 0, und das Koordinatensystem werde so gelegt, da8
xo und yo verschwinden. Die Konstanten erhalten unter diesen
Voraussetzungen die folgenden Werte :
A = 0,
B=
A'=--2,
B=-
Ez
8 '
a,
Unter Beriicksichtigung der experimentellen Anordnung
laBt sich nun noch eine Vereinfachung vornehmen. Die Elektronen werden von den Rontgenstrahlen aus ihrem Neutralverbande losgelbst. Nun kann einmal der Impuls, den die
Strahlen dem Elektron erteilen, so groB sein, da8 es gerade
aus dem Neutralverbande gelost wird, aber keine Anfangsgeschwindigkeit besitzt.
Zweitens ist der Fall moglich, dab der Impuls das Elektron lost und ihm noch eine Anfangsgeschwindigkeit erteilt.
Diese Anfangsgeschwindigkeit ist nun aber durchschnittlich
sicher so klein, daB sie gegen 10"' zu vernachlassigen isf.
Berucksichtigen wir dies, so werden die Konstanten :
AMnlen der Phyeik. IV. Folge. 19.
24
362
(21)
J. Herweg.
i
1
= 0,
B=--
A = 0,
A'=--=B
-
eQ
*L
&
7
@*
8'
B'=O,
_!-@)a
172
und die Bahngleichung (20) geht uber in:
Dies ist die Gleichung eines Kreises , dessen Mittelpunkt
sich mit der gleichformigen Geschwindigkeit GX/@in der negativen y-Achse fortbewegt. Eine derartige Bahn heit3t bekanntlich eine Zykloide, und zwar liegt hier die gemeine Zykloide
vor, wie man aus der Gleichung ersehen kann. l) Die Berechnung der Bahngeschwindigkeit best,iitigt dies. Es folgt aus
(16) und (17) unter Rerucksichtigung von (21):
Die Bahngeschwindigkeit schwankt also zwischen 2 GX1sj
und 0 und dieses Durchlaufen der 0 ist j a ein Attribut der
gemeinen Zykloide.
An der Hand dieser Berechnungen sind nun die experimentellen Daten leicht zu erkliiren. Nehmen wir an, zwischen
den gleichen Elektroden A und B liege eine Potentialdifferenz,
und zwar sei A negativ geladen (Fig. 11).
Werden nun durch einen Ionisator zwischen ihnen Ionen
erzeugt, so wandern die positiven in der Richtung von R
nach A , die negativen den Kraftlinien folgend von A nach B.
1) E. Riecke, Ann. d. Phys. 4. p. 378. 1901.
Ionisation durch Rontgen- und Kathodenstrahlen.
363
Erregen wir jetzt ein magnetisches Feld senkrecht zu den
elektrischen Kraftlinien, so werden die negativen Teilchen, falls
es Elektronen sind, gema6 der obigen Gleichung abgelenkt.
,- -/,\]
4-t---
gB---.
B
A
Fig. 11.
Fig. 12.
Sie beschreiben dann von dem Punkte &us, an dem sie entstehen,
Bahnen, wie Fig. 12 zeigt; nach B gelangen keine mehr.
Etwas komplizierter ist die Bahn bei der Form der
Platten, die ich bei meinen Versuchen verwandte. Die Form
der Platten, sowie den Verlauf der Kraftlinien zeigt Fig. 13.
Wirkt kein Magnetfeld, so folgen die Elektronen auch hier
den Kraftlinien, bei erregtem Felde bewegen sie sich auf
Fig. 13.
Fig. 14.
Zykloiden, die uberall zu der Richtung der elektrischen Kraftlinien senkrecht stehen, die sich also um die Elektrode A
herumschlingen (Fig. 14). Es bleibt mir nun noch ubrig, nachzuweisen, dab die negativen Teilchen wirklich Elektronen sind.
Zu diesem Zweck will ich den Radius des rollenden Kreises
(Gleichung (22)) ausrechnen. Es ist
R=- &
L8'
rn
@%
war bei meinen Versuchen 50 Volt, also = 5 . 1 O9 C.G.S.,
elm fur Elektronen = 2. lo7, folglich
8 = 600 C.G.S. und es ist
R
d. h. etwa
- 0,7
5.109
= _____
2.107.313.104
. l o - 3 cm,
mm.
24*
364
J. Berwey.
Ich nehme nun an, die negativen Teilchen seien keine
Elektronen, sondern etwa von der Gr&e der elektrolytischen
Wasserstoffionen. F u r diese gilt
-m -- 9,5. l o 3
und R = 1,5 cm.
Da nun der Abstand A B nur etwa 2 cm betrug, so wurde
in dem Fall R = 1,5 cm die Zykloide, auf der das negative
Teilchen sich bewegt, stets die Elektrode B beriihren, eine
SchwlCchung des Stromes also nicht moglich sein.
Hiermit scheint mir bewiesen, daJ3 die negativen Teilchen
tatsachlich Elektronen sind.
Diese letztere Betrachtung gibt auch zugleich die Erklarung dafiir, daB bei positiver Spannung an A eine Schwachung
des Stromes nicht stattfindet.
J a noch mehr. Die Zahlen der Tab. 14 zeigen fur positive Spannung an A eine VergroBerung der Stromstarke bei
wirkendem Magnetfeld. Bei 1 mm Hg ist ohne Magnetfeld
die Stromstarke = 10, mit Feld = 20. Auch diese Erscheinung ist durch die merkwiirdige Bahn des Elektrons zu erklaren. Das fliegende Elektron hat bekanntlich vermoge seiner
kinetischen Energie die Eigenschaft, beim Auftreffen auf neutrale Molekule diese in Ionen zu zerspalten. Nun ist bei
meinen Versuchen ohne Magnetfeld der Weg, den das Elektron
zurucklegt , verhaltnismafiig kurz, es hat auf dieser Strecke
wenig Gelegenheit, durch AnstoB an neutrale Molekiile neue
Ionen zu bilden. Anders, wenn das magnetische Feld wirkt;
der Weg wird ganz betrachtlich langer, die Miiglichkeit, durch
Spaltung neutraler Molekiile Ionen zu bilden, wachst mit der
Weglange, die Stromstarke steigt. Natiirlich wird durch das
Magnetfeld nur bei positiver Spannung an A die Stromstarke
erhoht, denn bei negativer Spannung werden ja samtliche
Elektronen, a,uch die durch StoB neugebildeten, auf der oben
beschriebenen Zykloide abgelenkt und kiinuen nicht nach B
gelangen.
Zum SchluB dieses Abschnittes mijchte ich noch einige
Messungen mit den einzelnen Platten anfuhren, die zwar nichts
wesentlich Neues bieten, aber genauer wie die Messungen der
GesamtstromstBrke anzeigen , bis zu welchen Drucken noch
365
Ionisation durch Rontgen- und Kathodensbahlen.
freie Elektronen in groBer Zahl vorhanden sind. Anstatt wie
oben B und B’ (Fig. 8a) zusammen mit einem Quadrantenpaar des Elektrometers zu verbinden, wurde einmal B’ mit
dem Quadrantenpaar verbunden, wahrend B geerdet was, sodann wurden B und B’ vertauscht und wiederum gemessen,
d. h. es wurde einmal gemessen, was nach B gelangte, sodann
unter denselben Verhaltnissen nach B, ferner wurde das Magnetfeld no& umgekehrt und dieselben Messungen wiederholt.
Bei positiver Spannung an A erhielt B und B anniihernd
gleichviel und dies anderte sich nicht, wenn das Magnetfeld
kommutiert wurde. Bei negativer Spannung war, wie zu erwarten, ein betrachtlicher Unterschied zu bemerken. Die
Zahlen zeigt Tab. 15.
Ich habe die Platten mit I und I1 bezeichnet, das Magnetfeld der einen Richtung mit +, das entgegengesetzte mit -.
Das Magnetfeld hatte bei diesen Messungen nicht ganz
900 C.G.S.; doch genugt eine weit geringere Stiirke.
T a b e l l e 15.
Spannung 50 Volt
Druck in D
mm
l6
64
128
-.
II
Elektrometerausschlag
~
Platte
Mit Ma
Ohne Feld
+
32
6
30
3
I
I1
80
50
74
13
I
12
7
12
2
18
19
18
6
I
I1
22
27
19
12
I
It
29
25
30
~
{
{
{
22
3
I\
366
J. Herweg.
Zunachst ist auch hier wieder die starke Schwlchung des
Stromes durch das Magnetfeld zu sehen. Bei 4 mm Druck
bekommt I ohne Feld 32, mit Feld 6 etc. Sodann wird noch
ein Unterschied durch die Richtung des Feldes hervorgerufen.
Bei hlagnetfeld + bekommt I 6, I1 3, wird das Feld kommutiert, so erhalt I1 mehr als I. Diese
Erscheinung ist sofort auch durch
die verschiedene Richtung der Bahn
in den beiden Fallen zu erklaren.
I n einem Falle ist die Richtung
der Zykloide die des Pfeiles der
Fig. 15a. Es entsteht a.n I eine Anb haufung von Elektronen.
Im anderen Falle lauft die ZyL
kloide entgegengesetzt.
Fig. 15b. I1 bekommt mehr.
I
Ich
miichte jetzt kurz die Resultate
dieses
Abschnittes zusammenFig. 1 5 a u. b.
fassen :
Durch Rontgenstrahlen werden in einem Gase Elektronen
erzeugt. Sicher nachgewiesen ist dieser Qorgang, wie Tab. 15
zeigt, bis mindestens 64 mm. Ferner ist aus der Tab. 15 zu
ersehen, daE mit zunehmendem Druck der Unterschied zwischen
den Platten I und I1 immer geringer wird. Dies spricht
dafur, daB die von den Rontgenstrahlen zunachst abgespaltenen
Elektronen sich an neutrale Molekiile anlagern und dadurch
weniger ablenkbar werden. Zweifellos ist bei Atmospharendruck der Vorgang derselbe. SchlieEIich gibt Tab. 15 auch
AufschluB iiber die Giiltigkeitsgrenzen des 0 h m schen Gesetzes. Sie zeigt, daB das Ohmsche Gesetz bei 64mm sicher
nicht mehr gilt; doch geht man auch nicht zu weit, wenn
man dss Ohmsche Gesetz unterhalb 100 mm fur ungiiltig
erklart.
Ich mochte nun noch eine Vermutung aussprechen, auf
die mich diese Versuche gebracht haben. Es sind von verschiedenen Seiten bei Atmospharendruck und geringen Verdiinnungen Messungen iiber die spezifischen Ionengeschwindigkeiten gemacht worden. Es wurde stets die negative griiBer
gefunden als die positive. Ich vermute nun, daB dieser Unter-
7
E
+iJ&y---+$ Ij-==,
Ionisation durch Rontgen- und Kathodenstrahlen.
367
schied hervorgerufen wird durch eine kleine Anzahl freier
Elektronen, die infolge ihrer grogen Geschwindigkeit, die Geschwindigkeit der Molionen grSBer erscheinen lassen.
V. A b s c h n i t t .
Experimentelle Daretellung der Zykloidenbahnen von
Elektronen.
Um die Zykloidenbahn eines Elektrons im magnetischen
und elektrischen Felde dem Auge sichtbar zu machen, braucht
man ein Kathodenstrahlhiindel, wie es von einer guten Kathodenstrahlrohre geliefert wird. Dieses Bundel la6t man in das
elektrische und magnetische Feld eintreten und erhalt dann
eine Bahn, die durch einen Fluoreszenzschirm zu verfolgen ist.
Zu bedenken ist bei der Verwendung des Kathodenstrahlbundels, da8 die Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen nicht
mehr zu vernachlassigen ist. Die Reibung kann man dagegeu
durch genugende Hohe des Vakuums beliebig klein machen.
Wir haben also zur Aufstellung der Bahngleichung folgende
Anfangsbedingungen :
K
=0, @ , S O ,
GY= 0, v z o z O , vy, = oy
.zo = 0,
yo = O .
Unter Berucksichtigung von (18) gibt dies die Konstanten:
A=O,
und (20) geht uber in:
B=
0.z
--
8 '
368
J. Herweg.
Dies ist ebenfalls die Gleichung einer Zykloide
von nebenstehender Form.
Es kommt nun darauf an, handliche Werte fur
den Radius zu bekommen. Nimmt man fur v% etwa loQ
an, fur 8 102, so wird
Sorgt man nun dafur, daB Erneinige tausend Volt wird,
so hat der Kreis einen Radius von etwa 11/, cm und die
Zykloide gut beobachtbare Dimensionen.
Die benutzte Rohre zeigt Fig. 16.
Fig. 16.
Ionisation durch Rontgen- und Kathodenstrahlen.
369
B war die Kathodenstrahlrohre. Die Kathodenstrahlen
gelangteii von X aus durch das eingeschmolzene Platinrohrchen A ,
das als Anode diente, in die Beobachtungsrohre B'. Die Bahn
der Strahlen war vor der Beobachtungsrohre durch die Eisenzylinder E und E vollkommen magnetisch geschutzt. Das
elektrische Feld wurde zwischen den 15 mm breiten Messingelektroden G und G' erzeugt. Die Spannung lieferte eine
durch Elektromotor angetriebene Influenzmaschine, die durch
einen Holzwiderstand kurzgeschlossen war. So konnte man
leicht genugend konstante Felder von 1-10000 Volt zwischen G
und G' erzeugen. Das Vakuum muate naturlich hierbei in B'
sehr hoch sein. Um ein Aluminiumfenster zu vermeiden, wurde
dss Volumen von B sehr grog genommen, so daB trotz des
sehr hohen Vakuum genugend Kathodenstrahlea entstanden.
Die Spannung fur die Kathodenstrahlrijhre wurde einem Induktorium entnommen. Zur Beobachtung dee Kathodenstrahlbundels diente der mit Zinksulfid bestrichene Schirm S, der
im Rohre P auf Quecksilber schwimmend verschiebbar war.
Die Figur ist so zu betrachten, daS das Rohr P senkrecht
nach unten fuhrt. Die Rohre B' befand sich zwischen den
Polschuhen eines grogen Elektromagneten derart , da6 die
magnetischen Kraftlinien zu den elektrischen senkrecht standen.
Liei3 man Kathodenstrahlen durch A nach B' austreten und
das magnetische und elektrische Feld in
der notwendigen Richtung und Starke
wirken, so war folgendes zu beobachten.
Befand sich der Schirm S ganz oben unter
dem Eisenzylinder E , so zeigte sich ein
abgelenkter Kathodenstrahlfleck auf dem
linken Rande des Schirmes. Wurde der
Schirm gesenkt, so wanderte der Fleck
nach rechts, bis etwa zur Mitte, verFig. 17.
schwand d a m , tauchte aber bei weiterem
Senken am linken Rande wieder auf,
um wieder zur Mitte zu wandern. Die
nebenstehende Fig. 17 zeigt, wie diese Erscheinung zustande
kommt.
I n der Stellung a erscheint der Fleck links, wird der
Schirm gesenkt, so wandert der Fleck nach rechts bis zur
P
370
J. Herweg. Ionisation
etc.
Stellung b , darauf verschwindet er, um links wieder zu erscheinen. Im ubrigen bleibt der Fleck nicht ganz scharf; er
verbreitert sich offenbar infolge der Inhomogenitat des elektrischen Feldes, die bei dem hohen Vakuum noch durch Wandladungen unterstutzt wird.
Vorliegende Arbeit wurde auf Veranlassung des Hrn. Prof.
Dr. W i e n im physikalischen Institut der Universitat Wurzburg
ausgefuhrt. Auch an dieser Stelle mochte ich Hrn. Prof. W i e n
fur die Anregung und das Interesse, das er stets meiner Arbeit entgegenbrachte, meinen. herzlichsten Dank aussprechen.
(Eingegangen 13. Dezember 1905.)
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