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Das Verhalten von Stoffen verschiedener Ordnungszahl gegenber der Hessschen Ultra--Strahlung und die Eigenaktivitt der Elemente.

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413
5. Das Verhaltem vow Stoffen verschiedener
Ordnungsxaht gegemfiber d e r H e s s s c h e n Ultray-Strahlung umd dBe Eigenaktivitat d e r Etemernte;
vow G. Hoffmann
Die folgende Darstellung stellt einen zusammenfassenden
Auszug aus einer an anderer Stelle l) erscheinenden ausfuhrlichen Publikation dar, auf die fur alle Einzelheiten verwiesen
sei. Jener Schrift sind auch Registrierkurven und Beispiele
von Versuchsprotokollen beigefugt.
Die Absorptionsmessung z, in dicken Bleipanzerungen hatte
ergeben, daB eine geringe Menge einer sehr schwer absorbierbaren Strahlung vorhanden war. Aus dem gemessenen Inten.
sitatsabfall laDt sich aber kein Absorptionskoeffizient fur diese
harte Strahlung berechnen, weil die Intensitat selber unbekannt
bleibt. Die zur Verfiigung stehcnden Bleimassen reichten auch
nicht anniihernd zu einer vollstandigen Absorption aus, um
aus der GroBe des ubrig bleibenden Reststromes auf die GroBe
der der Apparatur zugeordneten Eigenionisation J , schlieBen
zu konnen. J,, bleibt also als verfugbare Konstante, und es
1kBt sich innerhalb gewisser Grenzen zu jedem Wert J , ein
zugehoriger Wert JH, Ionisation der Hessschen Strahlung, und
ein Absorptionskoeffizient pE berechnen, so daB dem experimentell bestimmten Intensitatsabfall entsprechende Zahlenwerte
resultieren. Ich schlug in der letzten Arbeit den Weg ein,
daB ich den von K o l h 6 r s t e r s ) angegebenen Absorptionscm-l auf Blei im Verhaltnis der
koeffizienten pK0 = 2,2
Dichte umrechnete zu ppb = 0,0247 cm-I
Verlangt man, daB
die Strahlung diese Absorbierbarkeit besitzt, so kann man umgekehrt dann den Resteffekt und die Intensitat berechnen
.
.
1) Schriften der KBnigsberger Gelehrten-Gesellschaft
2) G.Hoffmann, Ann. d. Phys. 80. 779. 1926.
3) W . K o l h o r s t e r , Ztschr. f. Phys. 36. 147. 1926.
414
G. Hofmann
und gelangt fur die Intensitat zu dem Wert 0,29 I
(Ionenlccm sec, Luft von Normaldruck) fur die Hesssche Strahlung im Freien im Meeresniveau. Diesem SchluBverfahren liegt
einmal die Umrechnung nach dem Dichtegesetz zugrunde, es
werden also Erfahrungen ubertragen, die sich auf dem Gebiet
der y-Strahlen bewahrt haben, ferner die Annahme, daB es
sich bei der Hessschen Strahlung urn eine Strahlung mit ungefahr konstantem Absorptionsvermogen handele, wozu die
Angabe von K o l h o r s t e r (a. a. O.), daB die Strahlung ,,zwischen
0 und 9300 m mit nahezu dem gleichen Absorptionskoeffizienten
auftritt", Berechtigung gab.
Die Unterschiede zwischen den Resultaten der Bleimessungen und den sonstigen Intensitatsangaben der Hohenstrahlung blieben so auffallig, dab weitere Messungen dringend
erschienen. Es war die Annahme zu prufen, daB die Intensitat der Hohenstrahlung in einem streuenden Medium (Luft,
Wasser) wesentlich gro8er war als in einem nicht sireuenden
Medium (Blei), die zuerst von M i l l i k a n zur Erklarung des
Unterschiedes von Blei- und Wassermessungen ausgesprochen
ist'); und ferner war zu untersuchen, ob der obige Satz von
E o l h or s t e r nicht dahin zu berichtigen sei, da8 die Absorbierbarkeit der Strahlung mit tieferem Eindringen geringer werde,
so daB harteste Strahlungskomponenten schlieBlich iibrig
bleiben, wie das auch schon M i l l i k a n aus seinen Messungen
schliebt. Beide Annahmen, die gleichzeitig zutreffen konnen,
wirken in der Richtung, da6 ein ZusammenschluB der verschiedenen Ergebnisse erfolgen kann.
Die Wirksamkeit verschiedener Stoffe wird in dieser
Arbeit untersucht; fur die Prufung der Existenz sehr barter
Strahlungskomponenten ist eine neue transportable Apparatur
ausgebildet, mit der gemeinsam mit Dr. E. S t e i n k e Messungen
durchgefuhrt werden, die noch nicht abgeschlossen sind, die
aber die Existenz von Strnhlungen noch grijI3erer Harte, als
bisher angenommen, sehr wahrscheinlich machen. Eine kurze
Vornotiz ist dariiber in den ,,Naturwissenschaften" 2, erschienen.
-~
1) R. M i l l i k a n , Proc. Nat. Acad. 12. 48. 1926; Ann. d. Phys. 79.
572.1926; F. V. Hess,Phys. Ztschr. 27. 159. 1926; G. Hoffmann,Phys.
Ztschr. 27. 291. 1926.
2) G. H o f f m a n n , Naturwissenschaften 14. 1004. 1926.
Das TerhaEten von Stoffen vemchiedener Ordnunprahl usw. 4 15
I. Theoretisoher Teil
1. Absorption und Streuung
Qeht eine kurzwellige Strahlung von der Wellenlange 1
durch Materie, so findet eine Streuung statt unter Veranderung
der Wellenlange (ComptonprozeB),hierzu tritt wahre Absorption,
(Photoelektrischer ProzeB). Fur den StreuprozeB scheinen alle
Elektronen der Hiille eines Atoms gleich berechtigt zu sein.
Es lassen sich wenigstens mit A h m a d l ) die Ergebnisse an
harten y-Strahlen mit dieser einfachen Annahme deuten. Die
Streuung pro Atom ist der Elektronenzahl im Atom, also der
Ordnungszahl Z, proportional. Eventuell im Kern vorhandene
Elektronen spielen bei y-Strahlenzerstreuung hiernach keine
Rolle. Wenn wir im folgenden die Annahme machen, da8 die
Hesssche Strahlung den Charakter einer Ultra-y-Strahlung besitzt, so bleibt es diskutabel, ob auch fur diese wesentlioh
hartere Strahlung der Kern unangreifbar bleibt. Es liegen
aber bisher keine hierfiir sprechenden Tatsachen vor.
Die Streuung pro Elektron ist nach der klassischen Theorie
eine konstante (go). C o m p t o n setzt einen von der Wellenlange abhangigen Faktor hinzu:
A
1
o-=cr,, wo oc = ist,
1
(1)
1 f a
und A die Wellenltinge des Comptoneffektes; A = 0,0242 A.-E.
= 24,2
X-E.
und erhalt so eine mit abnehmender Wellenlange nach Null
konvergierende Streuung.
Fur die wahre Absorption pro Elektron z gilt nach A h m a d
auch fdr y-Strahlen die Qleichung
(2)
=~
2
3
.
Die wahre Absorption konvergiert also mit abnehmender Wellenliinge und Ordnungszahl sehr rasch gegen Null.
Die Gesamtabsorption pro Elektron pe ist die Summe
beider Anteile
(3)
pe=0+t
1) N.Ahmad, Proc. Roy. Soc. 106. 507. 1924; N . A h m a d u.
E.C. Stoner, Proc. Roy. Soc. 106. 8. 1924.
416
G. Hoffmann
und der direkt beobachtbare Gesamtabsorptionskoeffizient ,u
ergibt sich zu
(4)
wo Q = Dichte, A = Atomgewicht, N = Zahl der Molekiile
im Mol.
Bei einer numerischen Diskussion der Formeln ergibt sich,
daB fur kurze Wellen die wahre Absorption immer mehr hinter
der Streuung zuriicktritt. Schon im Gebiet harter y-Strahlen,
il = 20 X , ist fur Blei zwar noch
ist aber 2- = 9,4 10-6.
$ = 0,54, fir Wasserstoff
F u r eine Strahlung mit ?, = 2 X
die noch nicht das Durchdringungsvermijgen der Hohenstrahlung
und
erreicht, ist schon fur Blei dieses Verhaltnis 4,O
fiillt fur Wasserstoff auf 6,9 - 1 O+.
Bei Betrachtung dieses Verhaltnisses von wahrer Absorption
und Streuung ist aber das sehr verschiedene Verhalten von
einer kleinen Menge einer zerstreuenden Substanz und einem
ausgedehnten zerstreuenden Medium zu beachten. L&Btman
y-Strahlen auf ein Stiickchen Kohle oder Paraffin fallen, so
erhalt man die seitliche Streustrahlung in recht betrachtlicher
und bequem beobachtbarer Menge. Geht aber y-Strahlung
durch eine ausgedehnte Wassermasse, so wird bei jedem
C o m p t onschen StreuprozeB die Wellenlange entsprechend der
Qrundformel des Comptonprozesses urn einen Betrag liinger,
der mit dem Streuwinkel zunimmt. F u r die entstandene
weichere Strahlung wird dann auf dem Weitergang durch das
Medium die vollige Absorption in einem photoelektrischen ProzeB
immer wahrscheinlicher. Hierzu kommt, da6 bei jedem ComptonprozeB mit starkerem Streuwinkel ein erheblicher Teil der
Energie dem primaren Quant entzogen wird und in Elektronenenergie ubergeht. Die Qegeniiberstellung ,,Streuung" und
,,wahre Absorption" ist daher leicht irrefiihrend. I n einem
ausgedehnten, streuenden Medium wird neben der Energieiibertragung im direkten Strahl zwischen Strahlungsquelle und
Beobachtungsgebiet eine gewisse zusatzliche Energiemenge auf
benachbarten Wegen ubertragen. Aber die Erscheinung wirkt
sich im Effekt ungefiihr so aus wie eine gewisse Korrektion
-
D a s Verhalten von Xtoffen verschiedener Ordnungszahl usw. 41 7
des Absorptionskoeffizienten. Eine rechnerische Verfolgung
des Vorganges diirfte sehr schwierig sein, fur Wasser habe
ich experimentell diesen Effekt fur y-Strahlung bestimmt.
2. Der ComptonproaeB bei einer Ultra-@trahlung
F u r die Wellenlange der Hohenstrahlung berechnet K olhijrster nach einer von B o t h e angegebenen Formel 1=2,4 X ,
wahrend Millikan nach der Comptonschen Formel h = 0,38 X
findet. Fur die von mir im Meeresniveau angenommene sehr
harte Komponente wurde nach Compton die Wellenlange
hochstens gegeben sein durch h = 0,29 X . Das zugehijrige
Niveau berechnet sich dann zu 41 los Volt.
Hiernach besitzt also die H e s s sche Strahlung eine Wellenrange, die nach der ersten Zahl gleich l / l o J nach der letzten
Zahl gleich
der Grundwelle des Comptoneffektes ( A= 24,2 X)
ist. Berechnet man fiir eine so kurze Welle die Langenanderung nach der Compton-Debyeschen Gleichung, so ist
fiir die Wellenlange des sekundaren Strahles
h = 0,29 + 24,2 (1 - C O S ~ .)
(5)
Nur wenn der Streuwinkel kleiner ist als loo, bleibt die sekmdare Strahlung der primaren ahnlich, schon fur 9. = 200 ist
die sekundare Wellenlange 6mal so groB wie die primare und
fur h. = 90° ist die sekundare Wellenliinge auf das 83fache
gestiegen und der GroBe A gleich. Die Theorie des Comptoneffektes zeigt ferner, daB fur sehr harte Strahlung bei groBeren
Streuwinkeln das Strahlungsquant den gr6Bten Teil seiner
Energie einbuBt und in Bewegungsenergie des getroffenen
Elektrons umsetzt. Die Maximalgeschwindigkeit des getroffenen
Elektrons liegt fur 8 = 180°, das heifit bei voiliger Reflexion
des Primarquants, nur 7/100ooo unter der Lichtgeschwindigkeit.
Ein StreuprozeB unter diesem Winkel ist aber ein sehr
seltener Vorgang. Denn die Berechnung der Intensitat der
Streustrahlung als Funktion der Richtung nach der Comptonschen Formel ”):
-
1) G. H o f f m a n n , Phye. Ztschr. 27. 291. 1926.
2) DaS in Luft ale streuende Substana die Anderung der YStrahlung
d g Erdbodens mit der Hohe in iihnlicher Weise verlauft, zeigt in WiederhoIung iilterer Messungen K. B a t h e r , Ztechr. f. Geophys. 2. 189. 1926.
3) G. Wentzet, Phye. Ztschr. 26. 436. 1925.
Annalen der Phy&.
IV. Folge.
82.
27
J
_
- Verhiiltnis von sekundarer Intensitiit zu primarer Intensitat.
J*
e = Elektronenladung.
m = Elektronenmaeee.
c = Lichtgesehwindigkeit.
T
=
Abstand des Aufpunktes vom sekundaren Strahler.
A
a = -;
4 = Winkel zwischen Sekundarstrahl und Primilrstrahl.
10
fur die oben genannte Wellenlange der HShenstrahlung, also
a = 82, ergibt, daS das Verhaltnis JIJ, schon fur 9. = 100
auf den dreilligsten Teil des Wertes fur 9. = 0 ab€allt und
fur 9. = 20° auf den hundertsten Teil. Die Streuung zieht
sich also bei einer so harten Strahlung ganz iiberwiegend in
einem engen Kegel um den Primarstrahl zusammen.
Auf Grund der gemachten Annahme gelangen wir zu
folgender Anschauung. Wiirde eine Ultra-y-Strahlung einheitlicber Wellenlange in ein streuendes Medium eintreten - und
das ist fur eine so harte Strahlung jede Substanz - so wird
sie von einem kontinuierlichen Spektrum weicherer Strahlen,
das sich stetig an die Primarstrahlung anschliefit, begleitet
werden; dabei ist fur alle Strahlen die Richtung des Primarstrahles Vorzugsrichtung.
3. Absorption und Intensitiit
Betrachten wir ein durch ein homogenes Medium hindurchgehendes sehr har tes und homogenes, paralleles Strahlenbundel,
so wird nach aen vorangestellten Uberlegungen die pro ccm
Materie absorbierte Strahlung der im ccm enthaltenen
Elektronenzahl proportional sein und der Proportionalifatsfaktor ,ue(Absorption pro Elektron) allein eine Funktion der
Wellenlange sein, unabhangig von der Natur des Stoffes. Denn
die wahre Absorption t spielt keiue Rolle mehr, die Materie
wirkt wie ein Elektronengas yon angebbarer Dichte. Zu dieser
Primarstrahlung J, tritt aber dann eine Zusatzstrahlung J,
die sich durch konsekutive Comptonprozesse aus J, bildet und
die sich fiber alle Wellenlingen verteilt. Diese Strahlung wird
Bas Perhalten von atoffen verschiedener Ordnungszahl
USW.
41 9
sich vorzugsweise in der Richtung des Primarstrahles bewegen,
Bei genugender Ausdehnung des homogenen Mediums wird
sich eine bestimmte Gleichgewichtsverteilung der Intensitlten
iiber die verschiedenen Wellenlangen einstellen und die gesamte Intensitat proportional mit J, sein, Es kann also der
Ansatz gebildet werden
J = J , + J , = J,(1 + &).
(7)
Dabei kinnen wir J als eine durch die beobachtbare Ionisation
direkt meBbare GrbBe ansehen.
Uber die GroBe B kbnnen wir im Falle der Hbhenstrahlung
wenig aussagen. Wir wissen nnr, da6 Stoffe hoherer Ordnungszahl die weiche Strahlung starker absorbieren, also wird B
eine Funktion der Ordnungszahl sein, die mit wachsender
Ordnungszahl abnimmt.
1
dJ
Messen wir die relative Intensitiltsanderung -, KoJ dx
ordinate .z in der Strahlrichtung gerechnet, so wird im unendlich ausgedehnten Medium
sein. Es ist also durch Bestimmung der Intensitatsanderung
der Ionisation der Absorptionskoeffizient der Primiirstrahlung
bestimmbar. Die am SchluB der Gleichung stehende G'rbBe (p&
Absorption einer homogenen Ultra-y-Strahlung pro Elektron,
mu6te unabhangig vom Stoffe sein.
Geht aber die Strahlung aus einem Medium 1 in ein
Medium 2, zugehijrige Werte von E mit Index bemichnet, so
wird, falls Medium 2 ein Stoff hoherer Ordnungszahl ist, 8 von
,
Es wird also eine
dem Wert el auf den Wert E ~ herabfallen.
gewisse Ubergangszone vorhanden sein, in der Gleichung 8)
nicht gultig ist. In diesem Falle werden die gemessenen
1
d J dem absoluten Berelativen Intensitatsiinderungen J dl:
trage nach groBer sein als p p . Die Breite dieser nbergrtngszone konnen wir fur die Hohenstrahlung nicht voraussehen,
sie mnS experimentell bestimmt werden. Wtirde die Znsatzstrahlung nnr aus Wellenllngen bestehen, die mindestens von
der GroBe der y-Strahlung radioaktiver Substanzen sind oder
groBer, so wiire fur die Zonenbreite eine Strecke einzusetzen,
27 *
420
G. Hoffmann
innerhalb der in der betreffenden Substanz normale y-Strahlung
praktisch vollig absorbiert wird. Das ist aber nach den fiberlegungen des vorigen Paragraphen nicht der Fall, das Spektrum
der Zusatzatrahlung erstreckt sich bis an die primare Strahlung
heran. Wir miissen daher mit der Moglichkeit groBerer Breiten
der Zonen rechnen.
Der hier eingefuhrte Streukoeffizient E wird vielleicht gestatten, manche Unterschiede in den Messungsergebnissen verschiedener Anordnungen zu erklaren. Hierzu tritt dann noch
die Moglichkeit, daB die Primarstrahlung aus verschiedenen
Komponenten zusammengesetzt ist. SchlieBlich ist zu bedenken,
daB die Natur der Hohenstrahlung als Ultra-y-Strahlung noch
nicht endgultig festgelegt ist. Es besteht also noch ein ausgedehnter Fragenkomplex.
11. Versnohsanordnnng
Der elektrische Teil der Versuchsanordnung hatte sich
bei den vor einiger Zeitl) in dieser Zeitschrift publizierten
Versuchen gut bewahrt und wurde unverandert beibehalten.
Da er dort ausfiihrlich beschrieben ist, so geniigt an der Hand
der Fig. 1, die einen vertikalen Schnitt durch die Anordnung
darstellt, der Hinweis, da6 das zentrale System des evakuierten
Spezialelektrometers E in kurzer Verbindang mit der Auffangelektrode in dem IonisationsgefaB J steht, daB in J der Ionisationsstrom von dem an etwa 50-100Volt Spannung gelegten, aus Drahtringen zusammengesetzten kugelfarmigen
Netz N zum Auffangdraht iibergeht, daB aber das Zentralsyytem sein Potential deswegen nur sehr wenig iindert, weil
durch eine entsprechend einregulierte Influenz- Kompensationsvorrichtung kontinuierlich die Spannung von N herabgesetzt
wird. Die bei dieser Nullmethode ubrigbleibende geringe
Elektrometerbewegung wird wie in friiheren Arbeiten photographisch registriert, die Auswertung der Kurven geschieht in
genau der gleichen Weise wia in Tab. 4 (S. 790) der oben
zitierten Arbeit dargestellt. Fur experimentelle Einzelheiten
und Kontrollmeaungen sei auf die ausfuhrlichere Publikation
verwiesen. 2,
1) G. Hoffmann, Ann. d. Phys. 80. S. 779. 1926.
2) Schriften der KSnigsberger Gelehrten Gesellschaft
B a s Perhalten von stoffen verschiedener Ordnungszahl USW. 42 1
Geiindert war aber das IonisationsgefaB. Es wurde eine
aus etwe 1 mm starkem Kupferblech getriebene Kuppel verwendet, die mit Flansch und Gummidichtung auf eine starke
Messinggrundplatte aufgesetzt wurde. Durch diese ylatte
waren alle elektrischen Verbindungen und auch die Verbindungsleitungen zur Gasfiillung durchgefuhrt. Dieses KupfergefaB ermoglichte einmal die An wendung hoheren Gasdruckes,
- ee wurde meist mit 2000 mm Hg und Kohlensaurefiillung
B
U
Fig. 1
gearbeitet, - ferner lieB die glatte, diinne Kupferhaube die
zu untersuchenden Panzerungen dicht und vollig geschlossen
herantreten. Die gedrungene Form gestattete mit relativ geringen Panzermengen auszukommen.
Die in der Figur schriig schraffierten Flachen stellen den
stets aus Blei bestehenden AuBenpanzer dar. Er wurde aus
den auch bei friiheren Arbeiten benutzten rechteckigen Bleiklotzen zusammengesetzt,. Fur den Innenpanzer, horizontal
schraffiert gezeichnet, von kreisfijrmigem QrundriB, wurde das
Material variiert. Die Bleipanzerung zog sich um das Elektro-
G. Hoffmann
422
meter allseitig herum und war mit 12 cm Starke auch unter
das Elektrometer gefuhrt, das, wie die Figur zeigt, auf eiserne
Stabe , die in dae Zementfundament eingelassen sind, gestellt
ist. Der Bleipmzer blieb wiihrend der ganzen Versuche bis
zu der durch die Linie AB (Fig. 1) angegebenen Hbhe liegen,
gegndert wurde nur der obere Aufbau. Alle elektrischen
Leitungen, alle Vakuum- und Druckleitungen gingen durch
den unteren Teil des Panzers.
Die zur Fulluag benutzte Kohlensiiure wurde einer Bombe
entnommen, sie passierte ein dicht gestopftes Wattefilter, der
Druck wurde mit einem offenen Quecksilbermanometer gemessen.
111. Messungcn
1. Bleiabsorptionemeasungen
Die Zahlen der ersten beiden Kolonnen der Tab. 1 und
die in Fig. 2 mit Kreisen markierten Punkte geben die Beobachtungen wieder. Der anfangliche Intensitatsabfall lafit
Tabelle 1
Yanzerstarke
0
1 mm
2 21
3 1,
5 Jl
6
9 11
3 cm
9
,,
..
Jbeob
4,36
3,62
3.39
3,21
2,88
2,80
2,57
1162
1,035
0,977
0,917
0,885
J,
2,30
2,20
2,lO
2,Ol
1,82
1,75
1,53
0,59
0,038
0,009
0,000
JH
0,28
0,28
0,28
0,28
0,27
0,27
0,27
0,255
0,217
0,200
0,151
0,114
4f
J,,+
JH
3,35
3,25
3,15
3,06
2,86
2,79
2:57
1,62
1,026
0,980
0,922
0,885
sich durch Annahme einer Strahlung Ju der Umgebung erklaren.
Hierzu tritt dann Reststrom J, = 0,771 und Hohenstrahlung &.
Diese drei Anteile fur sich und dann die Summe sind in der
Figur durch Kurven wiedergegeben, entsprechend auch die
Kolonnen der Tabelle. Nachdem in den ersten drei Millimetern
Blei eine ganz weiche Strahlung absorbiert ist, werden von
5 mm aufwiirts die Beobachtungen vollkommen durch die
Kurve wiedergegeben. Der fur Ju zum Zweck eines mijglichst
Bas Verhalten von Stoffen versdiedsner Ordnungszahl usw. 423
guten
Anschlusses
bestimmte
Absorptionskoeffizient
von
0,455 cm-’ ist ein durchaus wahrscheinlicher Wert. Ich habe
die Absorption von RaC. y-Strahlung in Rlei kurzlich l) bestimmt und zwei verschieden harte Strahlungen mit CL] =
0,53 cm-’ und p2 = 0,33 cm-l angenommen. Man kann sich
an der Hand der dort mitgeteiltm Kurve (5. 797) leicht iiber-
Fig. 2
zeugen, daB fur einen betrachtlichen Teil auch mit dem mittleren Wert 0,455 die Beobachtungen gedeutet werden konnen.
Man kann auch statt Radium die Gegenwart von Thorium im
Mauerwerk annehmen, dann stimmt die Angabe des Handbuches der Radioaktivitat von M e y e r - S c h w e i d l e r p = 0,462
fast genau mit dem ermittelten Wert uberein.
Mit einer Bleidicke von 12 cm ist die Umgebungsstrah1) G.Hoffrnann, Ann. d. Phys. 80. S. 779. 1926.
424
G. Hoffmann
lung fast vollkommen beseitigt. F u r den weiteren Verlauf ist
daan J , und J, maagebend. Wie nun die Zusammenstellung
der Tab. 2 zeigt, lassen sich hier die Beobachtungen innerhalb der Mebgenauigkeit in verschiedener Weise deuten. Annahma I entspricht ungefahr dem Standpunkt meiner ersten
Tabelle 2
I
d
cm
JH
I 1
I1
J, = 0,571
J,, = 0,771
Jbeob
pPb
D
I JH.t.
JII
0'
= 0,0281 cm-'
I JH
-b
111
J,, = 0
'0
p p b = 0,0121 cm-'
D = 57 cm
= 24,7 cm
pp,, =
0,0046 cm-'
D=150cm
Annalenarbeit : Die Strahlungsintensitat der H e s s schen Strahlung im Beobachtungsraum wird im 12-cm-Panzer zu 0,200 J
angenommen, durch den ubrigbleibenden Rest wird Jb bestimmt und der Absorptionskoeffizient der Hohenstrzshlung so
bewertet, daB die drei Beobachtungszahlen fiir die drei starken
Panzerungen durch die Summe Ja Jo wiedergegeben werden.
So resultiert hier ppb = 0,0281 cm-l und eine Halbwertsdicke
B = 24,7 cm Blei. Dieser Wert entspricht ungefahr der von
K o l h o r s t e r als mittleren Absorptionskoeffizienten der Hohenstrahlung angegebenen Zahl. Die Annahme 11, dab die H e s s sche Strahlung hinter 12 cm P b doppelt so gro8, also gleich
0,400 J ist, gewinnt durch Versuche, auf die am SchluE der
Einleitung hingewiesen ist, a n Wahrscheinlichkeit ; entsprechend
ist dann der Reststrom kleiner anzusetzen und die Harte der
Hessschen Strahlung etwa zu verdoppeln. Zwischen I und I1
liegen die Angaben von Millikan’) uber harteste Strahlung.
Der Fall 111 ist durch J , = 0 charakterisiert. Aus spater anzustellenden Uberlegungen kann auch dieser Fall als diskutable Moglichkeit angesehen werden. Die Harte der Strahlung
mu5te dann noch weiter heraufgesetzt werden.
+
79.
79.
1) R.
R. M
M ii ll ll ii k
k aa n
n ,, Proc.
Proc. Nat.
Nat. Akad.
Akad. 12.
12. S.
S. 48.
48. 1926;
1926; Ann.
Ann. d.
d. Phys.
Phys.
1)
572.
s. 572.
1926.
1926.
B a s Yerhalten von Stoffen verschiedener Ordnungszahl usw. 425
2. Abaorptionsmessungen in anderen Stoffen
F u r eine vergleichende Betrachtung des Verhaltens der
verschiedenen Stoffe ist es zweckrnaBig, nicht einfach vom
Dichteverhaltnis auszugehen, sondern im Anschlub an Gleichung (4)Stoffschichten gleichen Elektronengehaltes in Parallele
zu setzen. I n der Fig, 3 sind zu der Bleikurve die Ergebnisse
der anderen Messungen so hinzugesetzt, daB dem Panzer von
der Dicke d die Abszisse d‘ zugeordnet ist
wo pb, Z,, A, Dichte, Ordnungszahl und Atomgewicht des betreffenden Stoffes sind und die gleichen Gro8en mit Index 0
sich auf Blei beziehen. F u r den verschiedenen Verlauf der
Kurven ist dann pe, die Absorption pro Elektron, mabgebend.
Bei der Ausfiihrung der Umrechnung wurde an Stelle des
Dichteverhaltnisses das Verhaltnis der Gewichte der verschiedenen Panzerteile eingesetzt, so dab durch Einsetzung dieser
Wagungen alle Abweichungen der Gubstucke von den genauen
Abmessungen und Unterschiede der Dichte sich herausheben.
Das den Kurven zugrunde liegende Zahlenmaterial ist in leicht
versfandlicher Weise in Tab. 3 zusammengestellt. Es Bind zunachst die‘ Werte d’ fur die verschiedenen Panzer berechnet
=
z
z/
- A
___
Gewichte
in kg
d’
=
Pb
Zn
cu
Fe
A1
82
0,396
30
0,459
29
0,456
26
0,466
13
0,480
0,556
42,85
313,7
356,5
2G?30
187,3
313,6
9,55
69,20
78,20
6 cm
18 ?l
37 1,
3,OO
2,13
6,22
8,31
2,24
7,56
9,95
2,28
6,75
9,03
0,81
2,41
3,22
0,75
2,24
4,70
1,62
1,035
0,977
2,48
1,26
1,098
2,40
1,18
1,092
2,34
1,27
1,108
3,58
2,49
2,210
3,60
2,54
1,71
0,917
0,977
0,995
0,965
1,018
1,Ol
0,885
0,935
0,925
0,930
0,978
-
9,OO
12,oo
J
Tabelle 3
27,7
12a,2
256,O
27,7
!00,3
228,O
426
G. Hoffmann
und dann die zugehbrigen umgerechneten J-Werte angegeben.
I n der letzten Kolonne sind die Messungen mit drei verschiedenen wasserge fullten GefaBen hinzugefiigt, aus den gemessenen
Panzerdicken sind die d'-Werte aucb hier berechnet. An die
Xessungen mit 12-cm-Panzer des betreffenden Stoffes schlieBen
sich d a m Messungen mit hinzugefiigtem 10- und 20-cm-BleiauBenpanzer.
Aus der graphischen Daratellung in Fig. 3 geht hervor,
daB Aluminium und Wasser auf einer Kurve liegen, Zink,
Kupfer und Eisen auf einer mittleren zweiten Kurve ungefahr
zusammenfallen und daB Blei dann in grb8erem Abstand folgt.
Die Unterschiede im ersten Drittel der Kurven sind recht betrachtlich und zeigen, da8 ,ue fur die Umgebungsstrahlung sehr
verschieden ist und eine betrachtliche Menge von Streustrahlung existiert. Dann aber ziehen sich die Kurven zusammen
und zeigen nur noch geringe Unterscbiede, die offenbar durch
Streueffekt der leichteren Elemente bedingt sind. Dies ist
bochst auffallig. Es war namlich anzunehmen, da6 die verschiedenen Metallpanzer entsprechend ihrer verschiedenen Herkunft erhebliche Unterschiede ihres Radiumgehaltes zeigen
wurden. Der Reststrom J, sollte entsprechend verschiedene
Werte besitzen. Da die 12-cm-Panzer so stark waren, daB
RaC. ystrahlung in diesen im wesentlichen absorbiert wurde,
so konnte der J,-Wert dazu dienen, die Ra-Konzentration im
lnnenpanzer nach bekannter Formel zu berechnen. So habe
ich auch no& in meiner Annalenarbeit den Radiumgehalt des
Bleipanzers berechnet. Die Gleichheit der Effekte fuhrt zu
der Annahme, daB entweder alle Panzer den gleichen Radiumgehalt haben oder aber: der Radiumgehalt der untersuchten
Netalle ist mehr wie eine Zehnerpotanz hleiner als bisher angenommen, die y-Straftlung der Panzerung spielt f u r den Resfstrom keine Rolle.
F u r die konstante GrbBe von J, muB also ein anderer
Teil der Versuchsanordnung die Ursache sein und es bleibt
die Mbglichkeit, daB J, von einer /I-Strahlung herruhrt, die
einem Radiumgehalt des Wandmaterials des KupfergefaBes
entstammt. Diese zunachst sehr plausible Annahme hat aber
auch gewisse Schwierigkeiten. Die gemessenen, auf gleichen
Druck reduzierten Ionisationen haben in dem jetzt benutzten
D a s Terhalten von Stoffen verschiedener Ordnungszahl
USZL.
421
KuppelgefaB aus Kupfer und dem fruher benutzten ganz
anderen MessinggefaB fast innerhalb der MeBgenauigkeit
identische Werte. Es mu6 also auch hier eine merkwiirdige
ubereinstimmung des Radiumgehaltes vorliegen. Als zweiter
Grund kommt hinzu, daB iiberhaupt die Annahme einer
,%Strahlung von dieser Intensitit mit der Tatsache nicht ver-
428
G. Hoffhann
traglich ist, dab die PStrahlung einer radioaktiven Substanz
in einem Gefi6 von den hier benutzten Dimensionen nur einen
kleinen Teil - wenige Prozent - der Ionisation der entsprechenden a-Strahlung hervorruft, Die letztere ist aber bekannt und meDbar durch meine Apparatur, sie hat selbst nur
ungefahr die GroBe von 4 (vgl. dazu auch die Berechnungen
von S c h w e i d l e r l ) iiber die relativen Ionisationen der beiden
Strahlungen in einem geschlossenen GefaBe).
Die angefuhrten Griinde lassen es moglich erscheinen, daf3
J, fast gleich Null ist und der game nach Abschirmung der
Umge bungsstrahlung und nach Abzug der @-Ionisation ubrigbleibende Strom von der Hessschen Strahlung herruhrt, Annahme I11 auf S. 424 entsprechend. Es sei aber das Hypothetische dieser Annahme betont.
Die Kurven der Fig. 3 zeigen in ihrer zweiten Halfte, in
der alle Umgebungsstrahlung beseitigt ist, einen deutlichea
Unterschied fur leichte und schwere Elemente. Die Natur der
H e s s schen Strahlung als Ultra-y-Strahlung wird dadurch
wahrscheinlich gemacht. Aus der Fig. 3 und aus Tab. 3 i s t
fur die Streuwirkung des Aluminiumpanzers zu entnehmen,
daB das Hineinbringen eines 12-cm- Aluminiumpanzers in einen
20-cm-Bleipanzer die beobachtete Ionisation auf einen Wert
verstarkt, der in einem 12-cm-Bleipanzer allein gemessen wird.
Das Hinzubringen eines Panzers bewirkt also eine Verstarkung
der Strahlung! Dies tritt ein, weil der E-Wert fur Aluminium
wesentlich hoher liegt als fur Blei. Eine Rerechnung des
s-Wertes aus den Beobachtungen ist aber nicht durchfiihrbar,
weil die benutzten Medien fur Strahlungen dieser Durchdringungsfahigkeit nicht als unendlich ausgedehnt angesehen
werden konnen. Der hier nur angedeutete Effekt kann f u r
ausgedehnte Medien betrachtlichere Werte .annehmen.
Bis zu einem gewissen Grade sind hierdurch die Vermutungen, die ich auch im Falle der Hohenstrahlung uber
eine Umwandlung harter Strahlung in weiche Sekundarstrahlung in Stoffen niedriger Ordnungszahl aussprachs) bestitigt.
1) E. v. S c h w e i d l e r , Phys. Zeitschr. 16. S. 685. 1914.
2) G. Hoffmann, Phys. Zeifschr. 27. S. 291. 192G.
Das Perhalten von Stoffen vcrschiedener Ordnunyszahl usw. 429
I V . Die Eigenaktlvit'lt der Elemente
Die an den verschiedensten Metallen durchgefiihrten Absorptionsmessungen gewinnen eine besondere Bedeutung durch
die Frage nach der Eigenaktivitat der Elemente. Als ich im
Sommer 1926 den inneren Bleipanzer durch einen Eisenpanzer
ersetzte, ging ich von der Uberlegung aus, daB Eisen mit
einer Ordnungszahl 2 = 26 ein Mittelding zwischen Wasaer
und Blei darstellte, giinstigere Intensitat fur die H8henstrahlung geben k8nnte und daB andererseits Eisen rnit einem vielleicht kleineren Radiumgehalt wie Blei einen geringeren Restetrom J , zeigen konnte, den ich durch y-Strahlung des Panzers
bedingt annahm. Das Resultat, daB keine wesentliche Anderung gegen die Bleimessungen eintrat , war so iiberraschend,
daB man zunachst an einen Zufall glauben muEte. Die Versuche wurden nun auf andere Stoffe ausgedehnt mit dem
gleichen Ergebnis. Bei genauerer Messung zeigten sich kleine
Unterschiede, aber die Elemente ordneten sich nach der Ordnungszahl und es war zu schlie6en, da6 diese Unterschiede
nicht durch verschiedenen Radiumgehalt , sondern durch
Streuung der durchdringenden Strahlung bedingt waren. Mit
der bisher erreiohten MeBgenauigkeit erwiesen sich die untersuchten Stoffe als frei von Radium. Der Radiumgehalt muB
g Radium/g Substanz, wie nach bekleiner sein als 1
kannten Formeln zu berechnen.
Durch dieses Ergebnis erscheinen friihere Arbeiten I), die
ich iiber die Frage der Radioaktivitat aller Elemcnte ausgefuhrt habe, in neuer Beleuchtung. Meine damals benutzte
Versuchsanordnung gestattete einzelne a-Ionisationen getrennt
zu beobachten und ihre Qr86e rnit betrachtlicher Genauigkeit
zu messen. Durch Auswertung zahlreicher Registrierkurven
wurde eine Statistik aufgestellt und die Haufigkeit als Funktion der Ionisationsgrb6e untersucht. Die empirische Verteilungskurve wurde rnit berechneten Verteilungskurven verglichen, bei denen bestimmte Annahmen iiber den Gehalt des
Wandmaterials des, Ionisationsraumes an radioaktiven Bubstamen rnit ac-Strahlung bekannter Reichweite gemacht wurden.
1) G. Hoffmann, Elster-Geitel Festschrift S. 435. 1915; Ann. 3.
Phya 62. S. 738. 1920; Zeitschr. f. Phys. ?. S. 254. 1921.
G. Hoffmann
430
Ich fand damals das tfberwiegen von kleinen a-Ionisationen
in der experimentellen Verteilungskurve und schloB im AnsohluB an die Untersuchung einer Messinghohlkugell): ,,&i s t
mit Sicherheit das Torhandensein langlebiger Radioelemente mit
oc-Strahlung kurzer Reichweite nachgewiesen. Ob es ausreicht,
allein auf die Mitglieder der Uranreihe zuriickzugreifen oder
ob eine Aktivit'at des Metalles selbst vorliegt, ist experimentell
noch nicht entschieden. Die Diskussion zeigt aber, daB weiter
ausgedehnte Versuchsreihen zur LGsung dieser Frage fuhren
mussen." Dies schloB ich damals aiis der Verteilungskurve.
Bus der Zahl der u-Ionisationen konnte ich keinen SchluB
ziehen, weil der Radiumgehalt beliebig angenommen werden
konnte. Dadurch, daB jetzt durch die neuen Panzermessungen
der Radiumgehalt der Metalle nach der y-Strahlenmethode
bestimmbar geworden ist und sich offenhar durchgangig als
sehr vie1 kleiner erweist als ich auch in der zitierten Arbeit
angenommen, hat der Schlu6 auf eine spezifiscbe Aktivitat des
Metalles erheblich an Sicherheit gewonnen. Natiirlich ist fir
die endgiiltige Feststellung eine sorgfaltige Nachpriifung von
a- und y-Aktivigat a n dem gleichen Material erforderlich. Da
aber die Metalle so verschiedener Herkunft so iibereinstimmend
kleine y-Aktivitat zeigen, halte ich schon j e t z t eine spezifische
u-Aktivitat des Messings, also woh2 des Cberwiegend darin enthaltenen Kupfers, f u r erwiesen. Auch die von mir untersuchte,
besonders auffallige a-Aktivitat des Platins diirfte wohl nicht
auf Beimengung von bekannten Radioelementen zuruckzufiihren
sein; zur Untersuchung der y-Aktivitat des Platins ware es
freilich notwendig, uber eine erhebliche Menge Platin zu verfugen.
Eine systematische Durchmusterung der Elemente auf
a-Strahlung zusammen mit der Kontrolle der y-Aktivitat ist
geplant und durfte jetzt Resultate von erheblich gro6erer
Sicherheit bringen.
Zusammenfassung
1. Unter der Annahme, daf? die Hes'ssche Strahlung den
Charakter einer Ultra-y-Strahlung hat, wird das Verbalten der
~~
1) a. it.
0.8. 745.
D a s Perhalten von Stoffen uerschiedener Ordnungszahl usw. 43 1
Streustrahlung an der Hand der C om p t o n schen Theorie
diskutier t.
2. Die an Blei durchgefuhrten Absorptionsmessungen geben
eine deutliche Trennung zwischen Umgebungsstrahlung und
Hess scher Strahlung. Verschiedene Grunde sprechen fur die
Existenz einer sehr harten Komponente.
3. Die Messungen an Blei, Zink, Kupfer, Eisen, Aluminium
und Wasser zeigen auch fur Hohenstrahiung einen deutlichen
Streueffekt, der die Auffassung der Ressschen Strahlung als
Ultra-y-Strahlung wahrscheinlich macht.
4. U i e Gleichheit des Reststromes fur verschiedene Panzesungsmetalle zeigt, dup der Radiumgehalt der untersuchten Metalle
kleiner ist als 1O-l4g Radiumlg Substanz; es ergeben sich daraus
im &usammenhang mit fruhereia Arbeiten Schlusse iiber die Eiyenaktivitat der Elemenbe.
F u r entgegenkommende Bereitstellung der Institutsmittel
und freundliche Anteilnahme danke ich Hm. Prof. K a u f mann. Besonderen Dank schulde ich auch Hrn. Prof. G a n s
namentlich fur die Finanzierung der kostbaren Panzerbeschaffungen.
Fur die exakte Herstellung der Panzer spreche ich der
Xonigsberger Waggonfabrik Steinfurt meinen verbindlichsten
Dank &us.
F u r Gewahrung van Mitteln habe ich dem Kaiser-WilhelmInstitut fur Physik, der Helmholtzgesellschaft und der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft zu danken.
Bei der Durchfuhrung und Auswertung der Registrierungen hat mich Hr. cand. phys. H. Z i e g e r t sehr tatig unterstutzt und ich danke ihm fur seine wertvolle Hilfe.
K o n i g s b e r g , I. Physik. Institut, 19. Dez. 1926.
(Eingegangen 20. Dezember 1926)
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