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Bewegung und Ladung kleiner Teilchen im ionisierten elektrischen Feld.

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303
4. Rewegutqy u.nd Ladutig kle.lneia Tedlchen
ijti
dondslerten ekktrisch en PeZd;
eon
I?. u. Eauer.
Gelegentlich von Versuchen') iiber den EinfluS yon tfStrahlung auf die Bewegung ultramikroskopischer, in ein en1
luftgefiillten Kondensator schwebender Teilchen (Zigarettenraucb, Oltrapfchen usw.) wurde beobachtet, da6. diese Teilchen
viillig andere Beaeguogserscheinnngen zeigen, nenn der Xondensatorraum mit a-Strahlung erfiillt ist, als ohne diese.
Normalerweise (d. h. ohne a-Strahlung) zeigen solchc
'I'eilchen, wie bei den bekannten Versuchen von Ehr e n h a f't .
Millikan u. a., ohne elektrisches Feld neben starker Hrownscher Bewegung eine mehr oder neniger ausgepriigte Fallbewegung. Bei Einschalten eines elektriechen Feldes wird cler
Rewegungszustand eines Teiles der Teilchen nicht geandert
(ungeladene), wiihrend ein anderer Teil, je nach dem Sinne (ley
elektrischen Ladung der Teilchen, einen Geschwindigkeitszuwachs in der Richtung des elektrischen Feldes oder gegeii
diese erfahrt. Man sieht dabei deutlich, wie die offenbar teila
positiv, teils negativ geladenen Teilchen mit konstanter 0 rschwindigkeit aneinander vorbeischwebend der negativen bzw.
positiven Kondensatorplatte zueilen.
1st der Raum zwischen den Kondensatorplatten jedocfi
stark ionisiert, so Lndert sich das Bild volljg. Beim Einschalten
des elektrischen Feldes wandern die Teilchen nicht aneinander
vorbei, sondern es bildet sich ungefahr in der Mitte des Kondensators eine Grenzfiache aus und alles, was ober dieser
Grenzfliiche ist, wandert gegen die obere Kondensatorplatte,
1 ) Die urepriinglicbe Absicht war, den StoB und die Umladuug
durch dm a-Teiichen zu beobachten und so en Ehrenhafts ,,elekti*ischer
Wage" mit Hilfe der bekannten Ladung dee a-Teilchens gleichsain
,,elektrische Uewichtecdzu schaffen.
20*
F. v. Hazier.
304
alles, was unterhalb ist, gegen die untere Platte. Die Geschwindigkeit eines einzelnen Teilchens bleibt tangs seines
Weges nicht konstant, sondern wird mit abnehmender Entfernung von der Platte, auf welche das Teilchen zueilt, stets
groBer. Da die gleiche Erscheinung, wie ich annehme, auch
bei dem von Przibram') angegebenen Versuch zur Demonstration der Reichweite der u-Strahlen auftritt und m8glicherweise auch den Wanderungssinn kolloider Teilchen bei der
Elektrolyse beeinflu&, sei es mir gestattet, hierauf etwas naher
einzugeheu.
Als Ursache fiir das erwahnte Verhalten miissen wir die
durch das Anlegen des elektrischen Feldes gestbrte Ionenverteilung ansehen, die einerseits durch Ausbildung einer entgegengesetzt geladenen Ionenschicht an jeder Elektrode die
Feldstarke andert , andererseits die in dieser Schicht befindlichen ultramikroskopischen Teilchen durch Ionenadsorption
aufladet.
Urn Ionenverteilung und Verlauf der Feldstarke im Kondensator zu berechnen, schreiben wir 3:
1
dX
--4rre d x '
n, e c1 X + n3 e c, X = i ,
%--n
Q - a 7'1
q
d
= c1 ds (elX ) ,
- u n 1 n 2= -
c
- d( n , X ) .
dx
Dabei bedeuten n1 und n, die Ionendichten (Anzahl in
einem bestimmten Volumen, dividiert durch dieses Volumen)
der positiven bzw. negativen Ionen, e die Ladung des Elementarquantums (= -4,7 - 10-lo elst. E.), X die elektrische Kraft in
der x-Richtung, d. b. senkrecht zu den Kondensatorplatten; c,
und c2 die Beweglichkeiten der positiven bzw. negativen Ionen,
i die Stromdichte im Kondensator, p die Zahl der im cm3
pro Sekunde erzeugten Ionen jedes Vorzeichens und u den
Wiedervereinigungskoef6zienten.
1) Karl Przibram, Wieu. Ber. 121. I1 A. 5. 221. 1912 und
Elster-aeitel-E'estschrift.
2) Vgl. J. J. Thoinson, Elektrizitatsdurchgang in Gasen, S. 65.
Bciue/luneq14. .Ladun.q Rbiner Teilchen i m ionisierteit elektr. FeW. 305
Setzen wir naherungsweise c1 = c, = c und
gungsstrom), so ergeben die obigen Gleichungen
ct
= 0 (Satti-
und
daraus erhalten wir durch Integration
5
(Index 0 fur die entsprechenden Werte an der in x = I?
betiidlichen Kondensatorplatte) und durch nochmalige Integratioii
c
oder da
xo2= Xd2
(Index d fur die entsprechenden Werte an der zweiten in .r
befindlichen Platte) ergibt sich
(EZ
= d
2.37 - = - 4 n e p d
0
und daher schliemich
(A)
x2
c
4neg
= -(39 - .c d )
+ ,Yo”
Setzen wir den hieraus abzuleitenden Ausdrnck fur X
in die Gleichung fur n, ein, SO erhalten wir
f/:
und aus den Ausgangsgleichungen
Die Gleichungen (A) bis (C) geben uns den Verlauf der
elektrischen Feldstarke, der Ionendichte und des aus der u11gleichen Ionenverteilung resultierenden Ladungsuberschusses
als Funktion der Entfernung von der einen Platte. Die elektrische Feldstarke hat ihren maximalen Wert X,, an deli
Kondensatorplatten (x = 0 and 5 = d) und nimmt gegen die
Mitte zu ab bis zum kleinsten Wert (Xmin)
in z = d/2, wo
-’
,y2 = XZmiu=
x
2
- n.52 d2.
6
3'. v. Hauer.
306
Die positiven Ionen sind vor der negativen Kondensatorplatte und die negativen Ionen Tor der anderen Platte stark
verdichtet, so da8 sich vor jeder Kondensatorplatte eine Ionenatmosphare mit einer Raumladung von entgegengesetztem Vorzeichen befindet. Die Dichtc dieser Raumladung ist durch
Gleichung (C) gegeben.
Denken wir uns nun in diesen Kondensatorraum ein kleines
Teilchen (etwa Zigarettenrauch) eingeftlihrt, so kann dieaes aus
verschiedenen Ursachen eine-n Bewegungsantrieb erfahren. Die
Influenz kann, da das elektrische Feld jetzt nicht homogen
ist, eine Bewegung zur naherstehenden Kondensatorplatte veranlassen oder es kinn das Teilchen infolge einer wahren
elektrischen Ladung gezwungen sein, dem Felde zu folgen.
Dime wahren elektrischen Ladungen mussen (abgesehen von
den schon bei der Erzeugung der Teilchen entstandenen
Ladungen, die ja zu andern schon eingangs beschriebenen
Bewegungen fiihren) der das Teilchen umgebenden Ionenatmosphiare entstammen. Es werden au8 diesen Ionen beiderlei
Vorzeichens gegen das Teilchen durch das elektrische Feld des
Kondensators gefiuhrt, und zwar, wenn das Teilchen nliher der
positiven Platte ist, mehr negatire Ionen als positive, da der
Raum zwischen dem Teilchen und der negativen Platte, aus
dem alle negativen Ionen zuin Teilchen wandern, gr6Ber ist,
als der zwischen der positiven Platte und clem Teilchen, aus
dem alle positiven Ionen gegen clas Teilchen gefithrt werden.
Es resultiert somit aus diesem Ionenstrome einc elektrischc
Aufladung dcs Teilchens, die das entgegengesetzte Vorzeiclieii
hat, wie die uahersteheude Kondensatorplatte und soniit cine
Anziehung gegen diese. Endlich konnen die lnolekularen StiiSe
der Warmebewegung oder, wenn man so sagen will, der Gasdryck Ionen gegen das Teilchen treiben, wobei dann das
Teilchen nattlirlich eine Ladung des gleichen Vorzeicltens wie die
umgebende Ionenatmosphiare erhdten muD, wornus ebenfalla
cine Anzieliung gegen die nlherstehende Plntte resultiert,
Urn nun diese verschiedenen Uraachen quantitativ eu iiberblicken, betrachten wir einen speziellen Fall, der ungefahr den
von mir realisierteii Versuchsbedinguugen entspricht; Wir setzen
iiamlich
eec
,
y
6,107,
I
il
= 0,l cm
Ueu*eyiin!y u. Laduny kleiner
l'eilcken im ioiLisierteii eleictr. EM. ;I( 1
und die an den Kondensator angelegte Potentialdifierenz glait 11
100 Volt (= 4 der absoluten Einheit). E4 ware cleninadi the.
elektrische Feldstarke im nichtionisierten Kondensator
10
X =abs. E.
3
und es wird
$a
- P,i,
= __
" e 9 d2 ='2,104.
c
(Alles in abs. st. Einh. ausgedriickt.)
Die Uifferenz zwischen maximalem und niinimalem Wcrt i l t ' i
Fcldstarke ist also so klein, daB clas Feld praktisch docli ;II\
liomogcn aagesehen werden kann. Die Wirkung clieser geriilgcu
Inhomogenitat auf die Influenzladungen -kleinerer rl'eilt.li(~ii
(Radius r = lo-' bis
cm) ist zu vernachlassigcn; tlciiii
inan sieht leicht, cla6 diese Influenzladungen von der GriiBcriordnung r 2 X sind und, da ihr Abstand ungefahr gleich r u t i t l
seLr klein, ist die auf das Teilchen wegen der liiflueiiz :{ti\geiibte Xraft von der QrijBenordnung r9X - cl r;
d5
, N : ~ S ii:tcJi
Gleichung (A) zu Kriiften von 10-17 Dyn fuhrt, die gcgcn iIi(*
Schwerkraft schon zu vernachlassigen sind, dic bcolmditcti~ii
ICriiftc aber sind wesentlicli groUer als die auf die 'I'eilcli(*ti
wirkende Schwerkraft.
Wir haben cs demnrtch mit einer wahren Laduiig dr.;
Teilchens zu tun, wie dies auch durch einen weiter untcir : I I I
gegcbencn Versucli mit einem groSercn Probekorper lwstiit izt
wird Wir haben nun zu untersuchcn, inwieweit dieac I1;tiItiii::
(lurch den oben erwiihnten Ionenstrou liervorgerufen Eeiii I$:{ I I I I
-4uf das ungeladenc Teilchen (mit dem Radius r ) i t 1 tlcr Eii1f'ernung N miissen durch dns Feld d i e h e n eines Vorzeiclqeii',.
die in dem Zylinder wit der Grundflaclie r f L nuiid dcr Hoiit!
crzeugt werden, getrieben werden, also in der Sekuiide I .! .7 I
Ionen. Vom entgegengesetzten Yorzeichcn werdeii i r i t l c t
Sekunde r pz (d x)q Ionen gegeii cles Teilcheii getricbeii, ; i l \ l b
erhalt es pro Sekunde eine Ladung von r2 n (d - 2 .r) y l o ~ l c w .
d. h. mit unseren ZahIenwerten hoclistens 0,2 lonen pro Selirt~idc.
Dies reicht nicht hin, um die beobachteten Hewoguugserscheinungen zu erkliren, denn innerhalb einiger Sekundeu irtl
cin 'i'cilchcu clabci unter wachsonder Geschwindigkeit all c l i ~
I
11
-
F.7 ~ .flauer.
308
Platte bewegt; es mu8 also in dieser Zeit eine ganze Anzahl
von Ionenladungen iibernommen haben, was durch diesen Ionenstrom um so wt
bewirkt werden kann, als eine auf dem
Teilchen vorhanaene geringe Ladung bereits das Feld in der
nachsten Umgebung so deformiert, daS weitere Aufladung
durch Ausweichen des Ionenstromes verhindert wird (vgl. Fig. 1,
wobei jedoch der Dichte der Kraftlinien keine Bedeutung
zuliommt.)
Storoug des clektrischen Feldes urn eine Ladung von 70 c
(1 Sekt. = lo-' em).
Pig. 1.
Als weiterer Grund zur Ausbildung einer elektrischen
Ladung wurde der ZusamnienstoB mit Ionen infolge der
Warrnebewegung derselben genannt. Gleichung (C) ergibt
unmittelbar an der Platte einen UberschuB von 5,103 Ionen
(pro cm3) eines Vorzeichens nach Einsetzen der angegebenen
Zahlenwerte. Behandeln wir nun die Ionen wie gewijhnliche
Gasmolekel, so wird durch den StoS dieser Ionen gegen das
Teilchen, wenn N die Zahl der Gasmolekel im cm3, Y die Zahl
der. StoBe gegen ein cm2 der Wand bedeutet, in der Sekunde
die Ladung von 4 rS n v
% Ionen dem Teilchen mitgeteilt, daa
ist mit v = 1,6.
N = 2,lOl9 die Ladung von einem Ion
pro Sekunde. Dabei ist noch zu bedenken, daB eine bereits
vorhandene Ladung des Teilchens abstoBend wirkt, warend
andererseits die durch das Ion selbst auf dem Teilchen hervorgerufene Influenz es gegen das Teilchen treibt. Der erste
Meiner Teilchen im ionisierten elektr. Ye/(?. 309
B6
Urnsdie Aufladung nur wenig behindern, da
die gesam
"die niitig ist, um ein Ion (Ladung e) aut'
ein TeilchdEr Ladung von etwa 1 0 e zu bringen, nur
10 EZ
-Erg betriigt, also init r = loe4 cm gleich 2,10-14 ist.
wahrend die mittlere lebendige Kraft eines Gasmolekels bei
Zimmertemperatur etwa dreimal so groS ist. Dieser letztgenannte Grund kann demnach im Verein mit dem vorlier
genannten die Ladung mehrerer Ionen auf ein kleines Teilchen
bringen, und damit eine Bewegung desselben zur niiherstehenden
Kondensatorplatte verursachen.
Die experimentelle Beobachtung der erwiihnten Erscheiuuiig
wurde in folgender Weise durchgefuhrt. Auf einen Objekttrager wurden zwei etwa 1 mm dicke und 3 mm breite Messing-
m
I
1
I
a i
U
Fig. 2.
-.**eifen (A A') im Abstand von 1 mm aufgeklebt, rechts t l a v o i i
ein ebenso dickes Olasplattchen (G) und links eine Sclticht
Pizein, in der ein feines Kapillarrohrchen einen Luftzugang i i t
den so gebildeten Hohlraum ges!attete. Der Hohlraum \+urdc
noch durch ein daruber gelegtes eingefettetes Deckglascheir
geschloesen. Diese Kammer wurde nun vor das horizontal
stehende Mikroskop gebracht und von rechts durch das Qlasplattchen (G) mit dem konzentrierten Lichtkegel einer Bogenlampe beleuchtet. Blast man durch die Kapillare Tabaksrauch usw. ein, so beobachtet man in diesem Dunkelfeld (lie
Brownsche Bewegung der Teilchen und schaltet man :in .I .I'
eine Potentialdifferenz, so sieht man die Trennung der Teilcheii
in positiv und negativ geladene, wie sie von E h r e n h a f t untl
anderen beschrieben wurde. Nun wurden die durch die Messingplattchen gebildeten Teile der Kammerwande mit zwei Platiublechen (1 x 3 mm) tiberdeckt, auf denen ca. 14,10-'" g Po
niedergeschlagen war. Urn ungefahr die Starke der durch div
Po-Strahlung hervorgerufenen Ionisierung angeben zii kiinut.n,
310
F. v. lfaueri
wurde aagenommen, da6 in dem Volumi
.c
p] der
Bruchteil J Ionen erzeugt werde, wobr
samte von
dieser Po-Menge pro Sekunde erzeugte Ionenmenge und Y das
Volumen einer Kugel bedeutet, deren Radius gleich ist der
Reichweite der Po-Strahlung. (Der Fehler, der in dem Umstande liegt, da6 die Dichte der u-Strahlung rnit dem Quadrate
der Entfernung abnimmt, wird teilweise dadurch korrigiert, drt6
die Zahl der erzeugten Ionen langs des Strables m i t der Entfernung zunimmt.) So wurde die oben verwendete Zahl q berechnet. Durch das (nach unten weitere) Kapillarrohrchen
konnte leicht Tabaksqualm eingeblasen werden. Da man es
dabei aber mit einer schlecht definierten Substanz zu tun hat,
nahm ich auch Na-, Hg- und Oldampf; von diesen wurde ein
Tropfchen in einem in der Mitte erweiterten Glasrbhrchen
kraftig erwarmt und ihr Dampf dnrch die ausgezogene Spitze
des Glasrohrohens in die Kapillare geblasen. Ohne ac-Strahlung
waren die Oltropfchen fast alle ungeladen, bei Anwesenheit
der Ytrahlung aber zeigten alle genannten Substanzen das
gleiche Verhalten : Beim Einschalten des elektrischen Feldes
wurden alle Teilchen mit wachsender Geschwindigkeit gegen die
naherstehende Kondensatorplatte befordert (gegen A und A’).
Um aucb noch den experimentellen Beweis zu fuhren, da6
in einem ionisierten elektrischen Feld suspendierte Teilchen
eine wahre elektrische Ladung erhalten, bediente ich mich
folgender Anordnung: In einem Glasrohrchen von 20 cm Liinge
war an einem Kokonfaden ein Kliimpchen Klebmachs aufgehangt; zu beiden Seiten desselben waren innerhalb des
Rohrchens zwei Blechstreifen, die rnit den Polen einer Akkumulatorenbatterie (130 Volt) verbunden werden konnten. Unterhalb des Glasrohrchena wurde ein Ra-Praparat gelegt (dasselbe
war mit einem Deckglaschen zugedeckt, so da6 hier keine aStrahlen, sondern nur @- und y-Strahlen airkten); auf der Vorderseite des Rohrchens war ein Fensterchen (ein Deckglaschen)
augebracht , durch welches mit einem schwach vergrbderndem
Mikroskop die Ablenkungen des Kokonfadens, d. h. des Wachskliimpchens beobachtet aerden konnten. Durch Ein- und Ausd
schalten des elektrischen Feldes bzw. der Strahlung war es
leicht mbglicb, sich zu iiberzeugen, daB dieses grobe Teilchen
sich qualitativ gleich verhalt, wie die kleinen und daB die
Ursache hiervon eine wahre Ladung ist, die auch nach I h t fernung des Ra auf dem Teilchen bleibt, aber rasch verschiwindet, wenn die Ra-Strahlung ohne Gegenwart des elektrischen Feldes ionisiert. Die Aufladung des Teilchcns giug
hier ganz allmahlich vor sich, die positive langsamer als die
negative. In dieser Weise sollen die Versuche noch weiter fortgesetzt werden.
Zum Schlusse sei noch darauf liingewiesen, daB die Geschriebene Erscheinung eine Fehlerquelle bei Potentialmess~~itgen
i n ionisierten Oasraumen mit hilfe von Sonden darstellt. Die
Voraussetzung bei diesen Messungen ist , daB die eingefiihl-te
Sonde, abgesehen von der durcli ihre Ausdehnuog hervorgerufenen Sttirung. das Potential der Stelle, an der sie sic11
befiudet, annimmt, so wie es vor Ehfuhrung der Sonde war.
Eine isolierte Sonde miiBte dies natiirlich ohne Laclungsaufnahme tun, die Elektrizitatsaufnahme ist nur niitig, weiiii niit
cler Sonde noch andere Korper (Elektrometerblattchen, Zuleitung) verbunden sind und daher ebenfalls auf das Poteiitial
der Sonde gebracht werden miissen. Nimmt aber, wie aiis
obigem hervorgeht, auch eine isolierte Sonde Ladung auf, 50
hat sie nicht das Potential, dae an der betreffenden Stelle Tor
ihrer Einfuhrung herrschte, und ein mit ihr verbundener
EIektrometer ebensowenig.
Zueammenfaeaung.
In einem ionisierten elektrischen Feld suspendierte Tcilchen nehmen aus der iie umgebenden Ionenatmosphare ciiic
elektrische Ladung auf, deren Vorzeichen durch die Lage cles
Teilchens im Feld bestimmt ist. Die Ursache hiervon diirf'tc
in der Hauptsache in der Ausbildung von einseitig geladeiieii
Ionenschichten durch die Wirkung des Feldes und der Adsorption bzw. Entladung dieser Ionen an dem suspendierteii
Teilchen bestehen. Um neben der Warmebewegung und der
elektrostatischen Anziehung der Ionen gegen das durch di(b
Ladung des Ions influenzierte Teilchen noch andere besonderc
Adsorptionskrafte anzunehmen, lie@ hierbei keine Sotwencligkeit vor.
312 Il: v. lluuer. Bewepng und &dung
Rk
t
Teilclien
tistc.
Die gleiche Emcheinung lie@ dem P r zi b r am schen, Kondeneatqr zur Demonstration d0r Reichweite der a-Strahlen
zugrunde. Sie muS ferner die Ladung suspendierter Teilchen
in E’liissigkeiten beeinflussen und ist wohl die Ursache, daU
manche Kolloide bei der Elektrolyse nach beiden Elektroden
wandern; sie mnB bei der Ladung sehr groSer Ionen in Luft
mitepielen und Potentialmessungen in ionisierten Feldern staren.
F r e i b u r g im. Uechtland, September 1919.
(Eiogegangen 9. September 1919.)
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