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Der Wirkungsquerschnitt von Helium gegenber Helium+.

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A N N A L E N D E R PHYSIK
5.FOLGE
+
BAX'I) 23
HEFT 4
JULI 1935
Der WJrkunysquerschnitt
von Helium yegenuber Helium +
Von J?ranx W o l f
(Mit 4 Figuren)
I n h a1t: I. Zum MeUprinzip. - 11. Die Versuchsanordnung, Konstruktion
und Kontrollen : 1. Der Versuchsraum; 2. Vtrkuumanlage, Untersuchungsgas ;
3. Elektrouieter. - 111. Nelinethodik: 1. Hestiuimung der Ladungen; 2. Zur
A d a g e der blessungen. - IV. Ergebnisse: 1. Wirkungsquerschnittswerte;
2. Versuche zur Kliirung der Einzelwirkungen; 3. Vergleich der Ergebnisse
rnit anderwcitigen Erfahrungen. - Zusarnnienfassung.
Uber die Wechselwirkungen zwischen langsamen Ionenstrahlen
und neutralen Gasmolekiilen wurde in den letzten Jahren von seiteu
der experimentellen Forschung wie der Theorie soviel Klnrheit geschaffen, daB man heute die Hauptziige dieser Vorgange iibersieht.
Hiernach hat man Tor allem zu unterscheiden, ob die bei der Seutralisation eines Strahlions freiwerdende Energie genau mit derjenigen ubereinstimmt, die das getroffene Molekul zur Anregung
bzw. Ionisation iibernimmt oder nicht. Im Fall der cbereinstimmuug
oder ,,Resonanz" spielt die Urnladung bis herab zu kleinstcn Strahlgeschwindigkeiten die Hauptrolle von allen Wechselwirkungen, der
IVirkungsquerschnitt sinkt mit der Urnladung mit wachsender Geschwindigkeit standig langsam ab. Im Falle cler Nichtubereinstimmung tritt bei klcinen Geschwindigkciten die Urnladung hinter
der elastischen Streuung zuriick, der Wirkungsquerschnitt zeigt infolge der uberlagerung beider Erscheinungen unter Urnstinden ein
Minimum bei kleineren, ein Naxirnuin bei grogeren Geschwindigkeiten. Das experimentelle Material uber dieses Gebiet ist jedoch
insgesamt noch sparlich. Es ist noch wenig bekannt, unter welchen
Bedingungen und bei xelchen Geschwindigkeiten solche Extremwerte
auftreten. Auch bei den glatt Ferlaufenden Wirkungsqucrschnittskurven mangclt es noch sehr an quantitativen Erfahrungen. Der
Grund durfte vor allem ill der grogen Schwicrigkeit der Erzeugung
geniigend intensiver und konstariter Ionenstrome liegcn, die dann
auch erhebliche Schwierigkeiten bei der Messung der StoBvorgange
Annalen der Physik. 5. Folge. 23.
20
28G
Annabn der Physik. 5. Folge. Band 23. 1935
nach sich zieht. Tynter diesen T'mstinden scheint es mir niitzlich,
weiteres quantitatives Versuchsmaterial zu diesen Fragen zu liefern.
Auf Grund nieiner fruheren Erfahrungen bei der Untersuchung
von ZusammenstSSen langsam bewegter Ar+-Ionen mit Ar-Atomen l) 2,
ist es mir jetzt gelungen, eine neue wesentlich fortentwickelte Me6anordnung auszufiihren, mittels deren ich zunachst den Rirkungsquerschnitt von He gegeniiber langsamen He+-Ionen zufriedenstellend messen konnte. Hieriiber sol1 im folgenden berichtet werden.
I. Sum Melprinsip
ITm den gesamten Wirkungsquerschnitt zu messen, schien e8
mir unzweckmafiig, von vorn herein auf die Gewinnung irgendwelcher, zum Teil leichter zu ermittelnder Einzelmirkungen (wie
etwa der Cmladung) allein auszugehen oder andere indirekte Methoden anzuwenden. Vielmehr wiihlte ich wieder das von L e n a r d
eingefuhrte und von R a m s a u e r in die praktische Form zweier
hintereinandergesetztcr Faradaykiitige gebrachte direkte Verfahren,
bei dem man die Intensitatsabnahme mi&, die ein Strahl auf der
Gasstrecke der LBnge des vorderen Kafigs durch ZusammenstijBe
erfiihrt. Bestimmt man beispielsweise, wie in meiner fruheren Arbeit, die nach dem hinteren Kiifig allein gelangende Intensitit H
sowie die nach dem vorderen hinteren Kafig gelangende, also die
Anfangsintensitat V H bei zwei verschiedenen Gasdrucken p , und
p , , so tindet man aus dem einfachen Exponentialgesetz
+
+
wo I die wirksame Gasstrecke im vordern Kiifig ist. Wie immer
bei ZusammenstoBen ausgedehnter Teilchen hanclelt es sich hier um
den ,,gegenseitigen" W'irkungsquerschnitt.
Das MeRprinzip ist also das alte. E s muHte nur, um mirklich
zuverliissige Ergebnisse zu liefern, in allen Einzelheiten weitgehend
verfeinert werden. Diese neuen Ma Snahmen, deren jede von gleich
entscheidender Bedeutung f iir den erzielten Fortschritt ist, werden
im folgenden Abschnitt auseinandergesetzt. Hier sei nur noch ein
grundlegender Gesichtspunkt hervorgchoben.
Die alte Anordnung, bei der die Kafige auflerhalb des Magnetfeldes geradlinig hintereinander gesetzt waren, machte es notig,
zur Hrfassung von unelastischen StiiBen ohne wesentliche RichtungsSnderung elektrische Bremsfelder vor dem Eingang zum vordercrl
bzw. hinteren Elfig anzuwenden. So entstand die Gefahr von
I ) Ztschr. f. Phys. 'if. S. 42. 1931.
2) Ztschr. f. Phys. 74. S. 575. 1932.
F. Woq. Der Wirkungsquerschnilt con Helium gegeniiber Helium+ 287
Storungen durch langsame Ionen und Elektronen, die durch die
Felder in unerwunschter Richtung beschleunigt werden konnten.
Die neue Anordnung umgeht diese Schwierigkeit, indem beide Kafige
auf die Kreisbahn innerhalb des homogenisierenden Magnetfeldes
verlegt werden. So werden verlangsamte Strahlteilchen, auch wenn
sie beim StoB keine wesentliche Richtungsanderung erfahren, ohne
elektrische Felder , allein infolge der vergr6Berten Bahnkrummung
aus dem Strahl ausgeschieden.
11. Die Versuchanordnung, Konatruktion und Kontrollen
1. Der V e r s u c h s r a u m
In Fig. 1 ist der gesamte Qersuchsraum halbschematisch wiedergegeben. I n Raum I findet die Ionenerzeugung, in I1 die magne-
woc
U
Fig. 1. Der Versuchsraum
tische Sussonderung einer bestimmten Ionenart und Geschwindigkeit
statt; I11 dient der Messung des Wirkungsquerschnitts.
20 *
288
Annalen der Physik. 5. Folge. Band
23. 1935
D k Ionenerxeugung geschieht jetzt nach den1 ron G o l d m a n n I)
angegebenen, besonders ergiebigen Verfrthren durch eine ,,Tonendiise".
Obwohl die Ausbeute a n He+-Ionen durch ElektronenstoB nur etwa
den zehnten Teil derjenigen an Ari-Ionen betragt4, gelang es
miihelos, die GrijWe rlcr He+-Strome gegeniiber den friihcr niasimal
erreichten Ar+-Stromen aufs Zehnfache und mehr zu steigern. Die
hinter allen Blenden in den Auffiingern des Baumes 111 gemessenen
Striime waren gewohnlich von der GroBenordnung einiger
-4mp.
Das zu ionisierende Gas befindet sich in I unter einigen Hundertstelu Millimeter Druck und sttonit stgindig durch die lonendiise K von 4.0,4 mm2 Querschnitt und 5 mm Tiefe aus. I m feldfreien Haum dieses Kanals findet StoBionisation durch Elektronen
des Gliihdrahts F statt, die gegen Ii beschleunigt werden. Zum
Zweck moglichst geringer GeschwindigkeitsunscharSe geschieht die
Ionenbeschleunigung in zwei Stufen, (lurch ein kleineres Feld von
10-30
des Gesamtbetrages zwischen K und dem Spalt S von
4,5.0,5 mm2, und ein grijBeres zwischen S und dem n-eitmaschigen
Xetz N . Erzeugungs- und Beschleunigungsvorgaug der Ionen werden
gegen den Einfluti des analysierenden Magnetfelds durcli einen
starlten Eisenzylinder geschiitzt. Trotzdem ist noch eine kleine
magnetische Beeinflussung der Elektronen darin zu erkennen, daI3
die Ausheute a n Ioncn nicht den nus der Literatur bekannten Verlauf iiber der Elektronenenergie nirnmt. Gcwohnlich wurden 60 bis
100 Volt zur Elektronenbcschleunigung angewandt. Als zuverldssigste
Quelle diente wieder die Elektronenemissioii des reinen Wolframs,
Amp. ermiiglichte.
das Gesamtemissionen der (3;riiBenordnung
Kuhlungen durch stromendes I+-asser f u r die Halter des Gluhdrahts
sowie fiir die an den Erzeugungsraum grcnzendcn Kittungen sind
in Fig. 1 nicht eingezeichnet.
Die Aussonderung der Ionen wiirde unter geringerem Intensitgtsverlust vor sich gehen, wenn man, wie dies gelegentlich geschah a),
sich nur auf Geschwindigkeitsauslese durch ein schwach ablenkeudes
elektrisches Feld beschrgnkte. Doch scheint mir dieser W'eg fur
quantitative Versuche uicht ratsam, d a sonst fremde Ionen aus den
Gasrerunreinigungen, sowie bei schwereren Gasen Tor allem die
mehrfach geladenen Ionen auf die Messungen in unkontrollierbarer
Weise cinwirken kiinnen. Deshalb wurde auch Trennnng nach verschiedenem e,'m rorgcnomruen durch ein senkrecht xur Zeichenebene
1) F. G o l d m a n n , Ann. d. Phys. [a] 10. S 4GO. 1931.
2) .'1 T.S m i t h , Phys. Rev. 36. S. 1303. 1930.
3) A. R o s t a g n i , Ztschr. f. l'hya. 85. S. 55. 1934.
F. Tolf. Der Wirirkungsquerschnitt con Helium gegeniiber Helium+ 259
gerichtetes Magnetfeld, dessen kreisformiger Querschnitt in Fig. 1
deutlich herrortritt. Es durchsetzt Haum I1 und den inneren Tei!
ron Raum 111.
F u r die Ansgestaltung dieses massenspektroskopischen Teils
der Apparatur waren folgende Gesicl-itspunkte wichtig. Intensitatssteigerung durch eine fokussierende Halbkreisanordnung ist niclit
zulksig, da dafi i n den Netlraum eintretende Riindel miiglichst
parallel sein muE. Dann wird die Intensitat urn so gr86er, je kleiner
man den vori den Ionen durchlaufeneu IVeg niihlt. Doch darf
tlamit gleichzeitig nicht auch der von der Kreisbahn uberspannto
Mittelpunktswinkel zu klein gemacht werden, (la die Trennschiirfe
gerade mit diesem wachst. Nan muS vielmchr deri kleinen Weg
auf einem Kreis von kleinem Radius anordnen. Thes 12Bt sich dadurch besonders gut rrrwirklichen, daB j a die Buffangeklifige ins
Magnetfeld selbst verlegt werden sollen. So gelingt eine hinreichende
Aussonderung iibcr dem Mittelpunktswinkel von etwa einem Rechten
auf vcrhaltnismiifiig kurzer Kreisbahn. Die Wegliinge Ton der
Tonenerzeugung bis zum Eingang in den MvEraum betrytgt jetzt mit
7 cm iiur etwa zwei Drittel des friiheren Wegs. Der Radius der
Kreisbahn ist 40,O mm. Zu ihrer Festlegung sind - zum Vorteil
der Strahlintensitst - nur zwtbi Spalte, S a n der Quelle und D a m
Eingang zum XeBraum erforderlich, da gleichzeitig in S die Bahntaogente senkrecht riach unten vorgegebrn ist. Ilie 13lende B von
1 2 . 3 mm2 offnurig hat nur die untergeordncte Bedeutung, stark
fehlgegangene Ionen aufzuhalten.
Da die Auffiinger ins Magrietfeld hineinreichen, konnte rnit
tlen Polschuhen, die die Riiumc I1 und I11 vor urid hinter der
Eildebene abschlieEen, nicht enger als auf 20 mm zusamniengeruckt
uerden. Sie siritl - auBen in engcr Beruhrung mit den Eisenkernen eines groEen Elektromagneten - zusammen rnit allen ubrigen
Ansiitzen der Apparatur in eine alles urrischlieflende Masse VOII
Picein eingegossm. Drr gro0e Polschuhabstand und der kleine
Krummungsradius der Krcisbahn machtrn c h e erhebliche Yerstgrkung tles a l t m Xagnetfeldes notwendig. Leider ist es jetzt iiicht
mehr frei von Hysteresis, so da6 die Einstellungen nicht genan
reproduzierbar sind, sondern stets von neuem kontrolliert werden
miissen. Der groBe Polschuhabstand bringt andrerseits einen sehr
bedeutsamen Vorteil. Der Raum I1 kann jetzt ngmlich vie1 wirksanier als fruher, wo die Polschuhe nur 6 mm von einander entfernt
waren, evakuiert werden. Der Strahl erleidct in I1 praktisch keine
ZusammenstOBe mehr, was sich auf seine Intensitat und die Geschwindigkeitshomogenitiit sehr vorteilhaft auswirkt.
290
Annabn der Physik. 5. Folge. Band 23. 1935
Die Trennscharfe dieser Anordnung wurde nach zwei Richtungen hin gepriift. Einmal war die Frage, ob nicht gleichzeitig
verschiedene Srten von Ionen in den MeBraum gelangen. Hierzu
wurde ofter die durch D austretende Intensitat in Abhgngigkeit
vom Magnetfeld aufgenommen, mofiir Fig. 2 ein Beispiel gibt. Die
drei Kurvenmaxima, deren
Skt
drittes wegen der sehr
groBen Ordinaten in zehn200
ma1 kleinerem MaBstab
aufgetragen ist, lasseii
160
sich ohne Zweifel demHe+,
dem He++ bzw. dem
hauptsachlich als Ver120
unreinigung auftretenden
H,' sowie dem H+ zu80
ordnen. Verfolgt man die
Kurve, so fBllt jedesmal
40
die Intensitat einer Ionenart vollig auf Null ab, ehe
0
die nachste Art in Erscheinung tritt. Die AnFig. 2. Massenspektrograinm
ordnung trennt also scharf
genug, um trotz einer gewissen Geschwindigkeitsbreite die in Frage kommenden Ionen vollig
voneinander zu sondern.
Die zweite Frage galt der wirklichen Geschwindigkeit und ihrer
Breite, mit der bei vorgegebener Beschleunigungsspannung und bei
Einstellung des Magnetfeldes auf eines der Maxima von Fig. 2 die
durch Blende D gelangenden Ionen den MeBraum betreten. Zu
ihrer Beantwortung wurden Gegenspannungskurven aufgenommen
mit folgenden Ergebnissen. Die mittlere Endgeschwindigkeit der
Ionen entspricht genau der bei ihrer Erzeugung zwischen I<
und N angelegten gesamten Beschleunigungsspannung. Urn diesen
mittleren Wert gruppiert sich eine gewisse Geschwindigkeitsverteilungsbreite, die kleiner als 10
der angelegten Beschleunigungsspannung bleibt. Die Gegenspannungskurven behalten ubrigens ihren
vollen Ordinatenwert bis zu der Qegenspannung, bei der der endgiiltige Abfall einsetzt. Stark verlangsamte Ionen gelangen also
uberhaupt nicht zum MeBraum.
Der Meflraum ist durch eine feste Wand gegen den hochevakuierten Raum I1 abgetrennt. Nur durch den Spalt D, durch
den die Ionen eintreten, stromt gleichzeitig Gas aus. Um einen
F. Wolf. Der Wirkungsquerschnitt von Helium gegeniiber Helium'
291
geeigneten Druck fur die Messungen aufrecht erhalten zu konnen,
ist D als Doppelspalt, zwei Einzelspalte von je 10 0,4mm2 in
1,5 mm Abstand hintereinander, ausgebildet. Dies sichert gleichzeitig den parallelen Verlauf der eintretenden Ionen. An den inneren,
zwischen den Polschuhen liegenden Teil des Raumes I11 schlieBt
sich noch ein zylindrischer auBerer an. Er bietet die Moglichkeit,
in den MeBraum beliebige Einsatze als Auffanger zu bringen, die
durch eiiie Briicke T getragen werden.
Die Anordnung zur Wirkungsquerschnittsmessung ist in Fig. 1
maBstablich wiedergegeben. Die Kafige bestehen aus Messingrohr.
das der Kreisbahn der Teilchen entsprechend gebogen wurde. An
den Enden sind sie zu rechteckigen Offnungen abgedacht. Durch
diese Formgebnng werden die Kapazitaten moglichst klein gehalten,
was fur die Sicherheit der Elektrometermessungen wichtig ist. Vor
den beiden MeBkafigen V und H erkennt man noch ein Stuck eines
dritten Kafigs 0, der den andern genau nachgebildet ist. E r bleibt
standig geerdet und hat den Zweck, die Umgebung des Eingangs
zum vorderen Kafig der des Eingangs zum hinteren Kafig moglichst
gleich zu machen, WOdUrch, wie K o l l a t h gezeigt hat, der EinfluB
endlicher Spaltweiten auf den Wirkungsquerschnitt im wesentlichen
herausfallt l). Diese MaBnahme war friiher aus Intensitatsgriinden
nicht moglich. Samtliche Durchgange haben gleiche scharfkantige
Offnungen von 1 4 . 6 mm2 und sind in weiten Abstiinden quer zur
Langsausdehnung der Spalte mit diinnsten Pt-Drahten uberspannt.
Alle Kiifige wurclen im Inneren dicht beruBt. Der wirksame Weg
im vorderen Kafig ist 2,98 cm lang.
Die Eingange gleichen sich auch besonders darin, daW sie beide
innerhalb des Magnetfelds liegen. - Das Feld erwies sich bis sehr
nahe zum b n d als konstant. - DaB der hintere Kafig selbst aus
dem Feld herausragt, ist ohne Bedeutung. Tatsachlich zeigten vergleichende Messungen der vom vorderen bzw. vom hinteren Kafig
aufgefangenen Ladungen, daB der Strahl einwandfrei, ohne anzustoBen, durch V hindurch nach H gelangt. Bei kleinsten Drucken
erhalt der hintere Kafig 65-75 O/,, der gesamten in den MeBraum
eintretenden Intensitat 2).
-
1) R. K o l l a t h , Ann. d. Phys. [5] 15. S. 485. 1032. Mit welcher Einschrankung dies gilt, wird unter IV, 2. noch zu beruhren sein.
2) Uber diesen Prozentsatx sind auch alle andern derartigen Untersuchungen im besten Fall nicht hinausgekommen. Die unvermeidliche Strahlschwachung auf dem Weg bis zum hinteren Kafig scheint hauptsachlich durch
den EinfluB der Netze, durch geringe Divergenz des Strahls, vielleicht auch
durch letzte Gasreste bcdingt zu sein.
292
Annalen der Physik. 5. Folge. Band
23. 1935
Der Halbkafig 0 hat noch den wichtigen Nebenzweck, an den
Spalten D reflektierte oder im Gas vor V gestreute Ionen wegzufangen, und so zu verhindern, daB die MeBkafige auf Umwegen von
auBen her aufgeladen werden. Ob wirklich keine fehlgegangenen
Ionen im MeBraum umherirren, wurde am Kafig H gepriift. Wenn
V durch einen besonderen Deckel am hintern Ende fest verchlossen
war, erfuhr H - bei verschiedensten Strahlgeschwindigkeiten, mit
und oline Gasdruck im Versuchsraum, trotz gr6Bter angewandter
Strahlintensitiiten - nicht die geringste Aufladung.
Anfangliehe Messungen ergaben Schwankungen, die einen noch
zu groBen EinfluB von Dampfriickstanden in den MeBkafigen vermuten lieBen. Die Verhaltnisse besserten sich wesentlich durch
Anbringen der grogen seitlichen Offnungen von kreisfiirmigem Querschnitt an beiden Kafigen V und H , die in Fig. 1 zu erkennen
sind. Sie wurdcn durch weit herumgreifende Schutzkappen so abgedeckt, daB zwar Gas auf grogem Querschnitt durch die Offnungen
hindurchstromen, aber kein Ion aus dem Kafiginnern herausfliegen
kann, ohne abgefangen zu werden. Die Offnung von H bietet jetzt
die Moglichkeit, daB die MeBstrecke im vordern Kafig standig rnit
frischem, reinem Gas versehen wird, das von H her einstromt und
durch D abgepumpt wird. Die Offnung von V aber macht die
Druckmessungen zuverliissiger, da sie auf groBem Querschnitt das
Innere des Kiifigs unniittelbar mit dem MacLeodmanometer verbindet.
2. V a k u u m a n l a g e , U n t e r s u c h u n g s g a s
Purnpenanordnung. Zur Steigerung der Intensitat und Homogenitat des Ionenstrahls ist eine moglichst wirksame Evakuierung
des Raumes I1 von groBter Wichtigkeit. Da gleichzeitig aus I und
I11 Gas ausstromt, und zwar aus I bei der neuen Tonenerzeugungsweise in groBer Menge, wird jetzt statt mit nur einer mit zwei
Diffusionspumpen gearbeitet. Eine dreistufige G a e d e sche Stahlpumpe saugt am Raum I1 auf der Seite des Erzeugungsraumes,
eine dreistufige Quarzpumpe von Hanff & Buest auf der Seite des
MeBraumes ab. Gleichzeitig wurden auBerste Kiirze und moglichst
groBe Weite der Verbindungsrohre angestrebt. Die Leitung zur
Stahlpumpe hat 35 mm, die zur Quarzpumpe 23 mm lichte Weite.
So gelang es, die gesamte am Raum I1 wirksame Saugleistung rechnerisch fur Luft ermittelt - auf 5400 cm3/sec bei 0,001 mm
Druck zu bringen, wahrend an der alten Anordnung mit der engen
Bauart und kleineren Mitteln mit kaum 500 cm3/sec abgesaugt
wurde. Wahrend friiher der MeBraum wegen des aus dem Erzeugungsrnum heriherdiffundierenden Gases nicht weiter als bis auf
F . Worf. Der Wirkungsquerschnittvon Heliwm gegeniiber Helium+ 293
4.
mm evakuiert werden konnte, ist jetzt trotz des groBeren
Erzeugungsdrucks rnit dem MacLeodmanometer im MeBraum iiberhaupt kaum mehr ein Druck durch Heriiberdiffundieren nachweisbar.
Die Druckmessung im Untersuchungsraum wurde moglichst gesichert einmal, wie schon angegeben, durch die Offnung im Kafig V ,
ferner erhielt das ihr gegeniiberliegende AnschluBrohr, das das
MacLeodmanometer rnit dem MeBraum auf kiirzestmoglichem Weg
verbindet, die groBe lichte Weite von 1 7 mm.
Als Untersuchungsgas diente Helium, das im abgeschmolzenem
GlasgefaB von der LindeA.G. zur Verfiigung gestellt war. Sein
Reinheitsgrad wurde von der Firma rnit 96 O/,, angegeben. Die 'fur
die Messung notigen hautigen Drucbanderungen im Versuchsraum
wurden in spaterer Zeit bequem durch eine MacLeod-artige Konstruktion des GasvorratsgefaBes I) bewirkt, aus dem das Gas durch
eine Kapillare zum MeBraum abstromt.
Dampje werden in der ganzen Versuchsanordnung aufs peinlichste vermieden. Hierzu sind die Pumpleitungen, die Gaszuleitungen und die Verbindung mit dem Manometer durch Ausfrierfallen gefiihrt, die in fliissige Luft getaucht werden. Die Schliffe,
die den Erzeugungs- und den MeBraum abschlieaen, werden nur
auberhalb einer Rille gefettet, die zum Absaugen von Fettdampfen
jeweils mit der Pumpe in unmittelbarer Verbindung steht. Samtliche Piceinkittungen sind durch Metal1 vom Innern der Anordnung
getrennt.
3. Elektrometer
Bei den ersten Probeversuchen wurde der Tirkungsquerschnitt
genau i n der unter I angedeuteten Weise ermittelt. Diese nacheinander erfolgende Bestimmung der Gesamtintmsifat und der durch
GaseinfluB verminderten Restintensitat setzt aber eine zeitlich streng
konstante Ionenerzeugung voraus. Tro tz vieler Miihe gelang es auch
mit der neuen Methodik nicht, eine vollig zuverlassige Konstanz der
Ionenintensitat zu erreichen. Daher habe ich mich entschlossen,
diese standige Pehlerquelle dadurch endgiiltig auszuschalten, daB
die notigen beiden Intensitaten bei einer Messung mittels zweier
Elektrometer gleichzeitig erfaBt werden, wenn dieser %'eg auch wegen
der Influenzwirkungen zwischen beiden Elektrometersystemen zunachst etwas bedenklich und meBtechnisch schwierjg erscheint.
Jeder der Kafige wird hierzu fur sich mit einem Elektrometer
verbunden. An V liegt ein Saitenelektrometer nach L u t z - E d e l 1) Nach Vorschlag von Hrn. Dipl. - Ing. H. K e h l e r - Danzig , neuerdings
auch von E. B. Jordan, Phys. Rev. 47. S. 467. 1935, angewandt.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 23. 1935
294
m a n n , an H ein Duantenelektrometer nach Hoffmann. Beide
werden wiihrend eines einzigen MeBvorgangs gleichzeitig aufgeladen.
Die Ermittlung der richtigen IntensitAtsmerte H und V + H unter
sicherer Erfassung der gegenseitigeu lnfluenz wird im folgenden
Abschnitt IIT auseinandergesetzt.
Das Saitenelektromeier braucht bei den im allgemeinen zur Verfugung stehenden grogen Eingangsintensitaten nicht besondcrs empfindlicli gemacht zu werden. Genau wie beim Hoffrnannelektrometer
mird auch hei ihrn stets die Mengenempfindlichkeit uberwacht
mittels des liierfur iiblichen Influenzierungsverfahrens l). Sie liegt
durchschnittlich bei 240 mVcm/Skt. entsprechend 1,7 lo6 Elementarquanten/Skt. Die Ruhkapazitat des Systems aus vorderem Kafig
und Saitenelektrorneter betragt etma 40 cm.
Das Hoffmannelektrometer wurde nach der Snleitung von
Herrn E. S t e i n ke-Khigsberg*) in der eigenen Werkstatt gebaut.
Nach anfiinglichen Versuchen mit dem friiher iiblichen grii6ern System
erzielte ich durch Kachbildung dcs von K. Diebner3) eingefiihrten,
besonders kleinen Systenis mit nur 3 mm Radius an 0,004 mm
starker Aufhiingung gro13e Fortschritte. Aufstellung und Schaltung
waren dicselben, wie ich sie friiher am Comptonelektrometer verwandte4). I n dieser Form ist das Arbeiten mit dem Instrument
denkbar angenehm. Die Nullpunktskonstanz ist vorziiglich, die Einstelldauer klein. Die Empfindlichkeit 1iiBt sic11 ohne Xiihe in sehr
weiten Grenzen, uber mehr als zwei Zehnerpotenzen variieren, was
fur die vorliegenden Messungen sehr niitzlich ist. Allerdings wurden bisher auch hier keine sehr groBen Empfindlichkeiten gebraucht.
Sie lagen zwischen 110 und 28 mT’cm/Skt. entsprechend 7,5 und
2,2 lo5 Elementarquantcn/Skt. Die Ruhkapazitat aus hinterem
Kiifig und Duautenelektrometer betragt etwa 30 cm.
-
-
111. MeDmethodik
1. B e s t i m m u n g d e r L a d u n g e n
Prinzipiell liefcrn hei gleichzeitiger Auf ladung beider Systeme
die Elektrorneterausschlage unmittelbar die notigen Mengen V und
H, und der Quotient -H
ist daraus sofort berechenbar. I n
V+H
Wirklichkeit sind nun aber die heobachteten L4usschliige erstens
-
-
1) l V i e n - H a r m s , Hdbch. d. Experimentalphys. 5. S. 130 u. f.
2) Auch hier danke ich 1Im. Kollegen S t e i n k e bestens fur die freundliche Unterweisung in der Handhabung dcs Instruments.
3) K. Diebrier, Ztschr. f. Phys. 85. S. 373. 1933.
4) Ann. d. Phys. [5] 18. S. 373. 1933.
F. Wolf. Der Wirkungsquerschnittvon Helium gegeniiber Helium+ 295
durch die gegenseitige Influenz der Kafige gefalscht. Zweitens
lassen sie sich iiberhaupt nicht unmittelbar miteinander vergleichen
und daher auch nicht zur Summe V + H vereinigen, weil jedes
Elektrometer bei verschiedener Empfindlichkeit die betreffenden
Ladungen in verschiedenen Einheiten mi&. Daher miissen zur
Gewinnung von V und H Korrekturen nach diesen beiden Richtungen an den Ablesungen angebracht werden.
Die Influenzwirkung der aufgeladenen Kafige aufeinander versuchten C. R a m s a u e r und 0. Beeck'), die ebenfalls mit zwei Elektrometern arbeiteten , dadurch auszuschalten , daB sie das empfindlichere Elektrometer erst ablasen , nachdem das unempfindlichere
geerdet und damit sein influenzierender EinfluB beseitigt war. Die
Influenzwirkung in umgekehrter Richtung blieb jedoch als unbedeutend unberiicksichtigt. Bei hoheren Anforderungen an die Me&
genauigkeit scheint mir diese Vernachlassigung aber nicht zulassig.
Zudem gelingt es durch einen einfachen Kunstgriff leicht, auch den
zweiten InfluenzeinfluB unmittelbar wahrend der Messung zu erfassen. Er wird am besten verstiindlich, wenn ich einfach den MeBgang selbst skizziere.
Nach gleichzeitiger Aufladung beider Systeme zeige das vordere
Elektrometer (El,) v', das hintere (El,) h' Skalenteile. Beide Ausschlage sind durch gegenseitige Influenz gefiilscht. h' wird einstweilen abgelesen, um spater korrigiert zu werden. Dann erdet man
El,, die Influenz des hinteren auf den vorderen Kafig verschwindet,
der ungefalschte Ausschlag v kann wie bei R a m s a u e r und
B e e c k abgelesen werden. Jetzt wird aber ElII von neuem enterdet.
Erdet man nun EIV, so entsteht auf ElE ein Ausschlag hi, der
durch die Influenzwirkung des vorderen Kafigs infolge seiner Entladung
um v Skt. bewirkt wird. Dieser neue Ausschlag hi vermittelt die an h'
anzubringende Korrektur. Da h' wahrend des vorderen Ausschlags
v' beobachtet wurde, so mu8 damals die Influenzwirkung auf das
V'
hintere System hi' = hi
Skt. betragen haben, und man erhielte als
wahre Aufladung von ElII ohne Influenzmirkung h = h' - hi. Erfahrungsgemag sind nun v und v' so wenig voneinander verschieden,
daB man unbedenklich auch das unmittelbar abgelesene hi statt des
erst zu berechnenden h,' zur Korrektur von li verwenden kann.
Der hierdurch entstehende Fehler in h bleibt meist kleiner als 5 O / , , .
Das Verfahren gestaltet sich also praktisch recht einfach. Man
braucht nacheinander nur die Ausschlage h', v , hi zu bestimmen.
1) C. Ramsauer u. 0.Beeck, Ann. d. Phys. S7. S. 1. 1928.
206
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 23. 1935
Dabei ist v bereits vom InfluenzeinfluB streng frei, Hghrend der
wahre Wert fur das hintere System durch
h=h’-h;
mit lgngst ausreichender Genauigkeit berechnet wird. - Jetzt sind
nber 11 und h iunier noch in verschiedenen Einheiten gemessen.
Das Empjindlichkeitscerhaltnis hider Elektronieter ermoglicht die
Umrechnung. Es bestimmt sich (vgl. 11, 3) besonders einfach, wenn
man a n die Influenzierungskondensatoren beider Elektrometer die
gleiche Hilfsspannung legt. Sind sb-hzw. sII die hierbei erhaltenen
husschliige und cv bzw. cIf die Kapazititen der Influenzierungskondensatoren, so erhalt man fur o, umgcrechnet auf die Skalenteile
des hinteren Elektrometers, den Wert
v=-.--.c.
‘H
‘V
*Y
CII
Dieses V und H = h konnen dann unmittelbar in die Wirkungsquerschnittsformel eingesetzt werden.
Der Empfindlichkeitsvergleich besteht meBtechnisch nur aus
der Ablesung der beiden A4usschlage sv und sLI, die zwischen den
fortlaufenden Wirkungsquerschnittsmessungen von Zeit zu Zeit
wiederholt wird. ErfahrurigsgemaB lileiben die Empfindlichkeiten
iiber lange Zeit gut konstant, ihr Verhiiltnis liiBt sich i n der angegebenen Weise mit groBer Zuverliissigkeit bestimmen, so daB die
Umrechnung Ton ?I auf V keine merkliche Unsicherheit in die Messungcn triigt.
Insgesamt erniiiglicht also das hier beschriebene Verfahren mit
zEei Nlektrometern Messungcu von groBer Zuverliissigkeit. Die geringe
Erschwerung der MeBtechnik durch die notwendigen Kontrollen wird
bei weitem durch den Vorteil aufgewogen, daB die Schwankungen
der Strahlintensitat ganzlich lierausfallen.
2. Z u r Anlage der Messungen
Mit reinem Gas, oder auch bei konstantem Druck einer Verunreinigung im Versuchsrauni ware der zuverkssigste Weg zur Gewinnung der Querschnittswerte, wie iiblich die Logarithmen der bei
verschiedenen Drucken gemessenen Quotienten
V-i- H-
uber p auf-
zutragen und Q aus der Keignng der hindurchgelegten Geraden zu
berechncn. DaB die Anordnung wirklich solche Druckgeraden in
weitem Bereich von p liefert, also einwandfrei arbeitet, zeigten Vor-
F. Wolf. T)er Wirkungsquerschnitt tion Helium gegenuber Helium+ 297
versuche mit Argongas’). Da aber, wie ich dies friiher gelegentlicli
nachxeisen konnte3, durch die Inkonstanz letzter Dampfreste in1
Versuchsraum doch stets kleine Falschungen der Geradenneigungen
zu befiirchten sind, zog ich es vor, zur Berechnung eines Q-Wertes
wie friiher jeweils nur zwei unmittelbar nacheinander gemessene
Wertepaare - -IL
v+x
und p heranzuziehen. Die Linearitat zwischen
dem Logarithmus und dem Druck mird dabei durch Beschrankung
auf genugend kleine p gesichert. Kur Drucke unterhalb 0,005 mm
wurden f u r die Messungen benutzt, so daB die freie Wegliinge der
Ionen stets gr6Ber als der M-eg im vorderen Kiifig blieb. Infolge
der giinstigen Stromungsverhiiltnisse stellt sich ein stationiirer Zustand beim obergang von einem zum andern Druck in weniger
als zwei Minuten ein, so daB etwa alle drei Xinuten eine Nessung
erfolgen kann.
IV. Ergebniaae
1. M’i r k u n g s q u e r s c h n i t t s w e r t e
Die NeBergebnisse sind in Fig. 3 zusammengestellt. Als Ordinate ist der Wirkungsqiierschnitt von Heliurrigas von 1 mm Druck urid
00 C gegenuber He+-Ionen i n cm2/cm3 iiber der Ionengeschwindiglteit aufgetragen. Die untersucliten Geschwintligkeiten reichen von
980 Volt bzw. 31,3
bis hinunter zu 17 Volt bzw. 4,l fwt.
Um einen unmittelbaren Einblick i u die AIeSgenauigkeit zu bieten,
sind im Gegensatz zu meinen friiheren Kurvenbildern jetzt nicht
Nittelwerte sondern alle gemessenen Einzelwerte von Q wiedergegeben. Jede Gruppe von Punkten bezieht sich auf eine gemeinsame Abszisse, die iiber der Achse besonders angcdeutet wurde.
Kur aus Platzgrunden sind die Punkte in der Geschwindigkeitsrichtung auseinandergeriickt. Die Kurve verlauft im ganzen untersuchten Bereich mit wnchsender Ionenqeschwindigkeit monoton abmarts. Dcr Wirkungsquerschnitt sinkt von etwa 60 cm2/cm3 bei
kleinstea bis zu 35 cm2/cm3 bei den groBten angewandten Geschwindigkeiten.
Die Genauigkeit der Xessungen i6t gegeniiber friiher bcdeutend
gesteigert. Dies gilt einmal fur die Reproduzierbarkeit der mittleren
1/m
1) Piachpriifnng des ~~irkungsquerschnitts
von Ar gcgeniiber Ar+ zcigte,
dab tatsiichlich, wic schon vermutet, der friiher von mir gefundene Anstieg
der Kurve bei gro6en Strahlgeschwindigkeiten nur durch apparative Unzuliinglichkeitcn bedingt war. Es gelang, diese Fehlcrhaftigkeit mit der neucu
Anordnung kiinstlich nachzuahmeri. Ich werde diese neucn Messungen in anderem Zusammenhang mitteilen.
2) ZrLichr. f. Phys. 54. S. 584. 1932.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 23. 1935
298
Ordinaten lings der ganzen Kurve. Die einzelnen Punktgruppen
wurden namlich - manche als Ganzes, andere selbst noch unterteilt - nicht in der regelmaBigen Reihenfolge der Abszissen, sondern absichtlich in moglichst willkiirlicher Folge verschiedenster
Geschwindigkeiten gewonnen. Trotzdem fallen sie bis auf die Werte
L
I l l
I
I
0
I
1
I
I.
I0
5
I
I
1
1
1
1
20 W 60 80100
I
_,
20
75
I
I
200
l
l
300
I
I
I I
I
30 wofl
25
I
I
SO0
I
700
I
I
I
I
I
7000 Volt
Fig. 3. Wirkungrsquerschnittswerte
bei den schwierig zu behandelnden kleinstcn Geschwindigkeiten alle
so, daB sich vorziiglich eine glatte Kurve hindurchlegen lafit. Andererseits ist es gelungen, den mittleren Fehler einer Einxelmessung
bei fester Abszisse, der friiher meist bis zu & 40 cma/cms betrug]), bei
groBeren Geschwindigkeiten auf etwa f 1 und selbst bei den kleinsten Geschwindigkeiten bis auf t 7 herunterzudriicken. Hierdurch
scheint mir die neue Methodik am besten gerechtfertigt zu werden.
Da Helium an sich eine geringe Ausbeute an Ionen durch
ElektronenstoB liefert, machte sich unterhalb der Geschwindigkeit
von etwa 50 Volt ein wachsender Intensit5,tsmangel bemerkbar.
Hiermit scheint es mir eher zusammenzuhangen als mit irgendwelchen starken Anomalien des Wirkungsquerschnitts, daB in diesern
Bereich die gemessenen Punkte nicht mehr auf einer glatten Kurve
liegen.
1) Man vergleicht hier besser die absoluten als die prozentualen Fehler,
da die MeSwerte durch Differenzbildung entstehen.
F. Wolf.Der Wirkungsquerschnittvon Helium gegenuber Helium+ 299
Neben diesen Querschnitten des Heliums gegeniiber Helium+
wurde in einem einzigen Fall auch sein Wirkungsquerschnitt gegenuber H2+- Ionen gemessen, die als Gasverunreinigung in geringer
Menge zur Verfiigung sta.nden. Bei der Strahlgeschwindigkeit von
220 Volt bzw. 14,9
ergaben sich Werte um 6,4 cm2/cm3, die
ebenfalls in die Fig. 3 eingetragen sind.
lm
2. Versuche
ZUT
Klarung der Einzelwirkungen
Die Frage, wklche Einzelwirkungen an den gemessenen Querschnitten des Heliums gegenuber He+ beteiligt sind, habe ich durch
folgende Kontrollmessungen zu klaren versucht: Eretens wurde
innerhalb eines MeBkafigs eine Sonde in die Nahe des scharfbegrenzten Strahls gebracht. Sie lud sich bei allen Strahlgeschwindigkeiten stark positiv auf, wenn man ihr ein negatives Potential
gegen die Umgebung erteilte, und schon bei geringer Hilfsspannung
trat Sattigung ein. Demnach werden im ganzen untersuchten Geschwindigkeitsbereich durch die Strahlionen langsame positive Ionen
im Gas gebildet, die wohl vor allein durch Umladung entsteheii
mussen. Wie weit auch Ionisationsvorgange beteiligt sind, sol1
noch gesondert geklart werden.
Zweitens anderte ich die normale Form der Wirkungsquerschnittsauffanger dadurch ab, daB die Spalte von 14.6 mm2 zwischen
vorderem und hinterem Kafig durch groBe kreisformige Offnungen
von 15 mm Durchmesser ersetzt wurden, wahrend der engere Spalt
auf der Eingangsseite des vorderen Kafigs erhalten blieb. Vergleicht man die mit dieser neuen Anor dnung erhaltenen Wirkungsquerschnittswerte mit den obigen der normalen Anordnung, so lassen
sich nach den oberlegungen von K o l l a t h (a. a. 0.)Schliisse auf die
Streuung der Strahlionen durch das Gas ziehen. Jeder Unterschied
zwischen zwei solchen Wirkungsquerschnittswerten kann durch bevorzugte Streuung in Vorwarts- oder Ruckwartsrichtung gedentet
aerden. Die Versuche gaben aber bei verschiedensten Strahlgeschwindigkeiten keine merklichen Abweichungen von den mit der normalen
Anordnung erhaltenen Querschnitten. Folglich tritt keine Streuung
unter starker Bevorzugung bestimmter Streuwinkel auf.
Diese Feststellung unterliegt aber einer Einschrankung. Streuvorgange werden von der normalen Apparatur trotz gleichgroger
Spalte an den Kafigeingangen nur solange erfafit, als die Streuwinkel gegeniiber der Strahlrichtung nicht sehr klein sind. Wird
aber ein Strahlteilchen aus seiner alten Richtung nur so wenig abgelenkt, daB es nicht im vorderen Kafig hangen bleibt, sondern
scheinbar unbeeinfluBt in den hinteren Xafig gelangt, selbst wenn
300
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 23. 1935
der Vorgang sich unmittelbar am Anf.dng der Bahn im XeBraum
also gleich nach dem Durchtritt durch den Doppelspalt D (Fig. 1)
abspielt, dann mu0 der Elffekt der Messung verborgen bleiben.
M'egen des rechteckigen Strahlquerschnitts laBt sich schwer ein
genauer Wert fur die untwe Grenze des vou der normalen Anordnung noch erfaBteii Streuwinkels angeben. Man kann aber doch
etwa sagen, daB bevorzugte Streuung unter Winkeln griiBer als ungefahr 5 O gegen die Strnhlrichtung nicht vorliegt. Dagegen bleibt
unentschieden, ob nicht wegen beTorzugter Streuvorgange unter
Winkeln kleiner als etwa 5 O der wahre Wirkungsquerschnitt gegeniiber den MeBwerten noch zu vergriiBern miire.
3. V e r g l e i c h d e r E r g e b n i s s e rnit a n d e r w e i t i g e n E r f a h r u n g e n
Aus der inneren Reibung kennt man als gaskinetischcn Radius
des Heliumatoms den Wert l) r = 1,OO. 10-8 cm. Hiermit berechnet
sich als gegenseitiger Wirkungsquerschnitt von Heliumgas von 1 mm
Druck und O o C gegenuber ebensolchen He-Atomen nls Strahlpartikeln
der Wert Q = 44,7 cm3/cm3, wenn man noch die in meinen Experimenten vorliegende groBe Relativgeschaindigkeit zwischen den StoBpartnern bei dieser rohen hnalogie auber Betracht l&Bt. Dieser
gaskinetische R e r t ist nls G i n Fig. 3 rechts zum Vergleich eingetragen. Die gemessene Kurve uberschneidet ihn bei einer Strahlgeschwindigkeit ron etwa 400 Volt.
Der langsam fallende Verlauf der Kurve ohne Extremwerte bestitigt im iibrigen die theoreitkche Voraussage. Denn es handelt sich
hier, wo Xeutralisationsenergie der He+-Strahlionen und Jonisierungsenergie der He-Gasatome genau ubereinstimmen, urn den Fall strenger
Resonanz. Ebcnso wird die Theorie darin durch die Kxperimente
hestatigt, daB irn ganzen Geschwindigkeitsintervall die Umladung eine
hervorragende Rolle spielt, wahrend Streuerschcinungen zuruckzutreten
scheinen. Allerdings konnten Massey und S m i t h 2 ) gerade fur den
ZusamruenstoB ron He+ niit He berechnen, daB auch Streuung unter
Bevorzugung sehr kleiner Winkel einen wesentlichen Beitrag zum
m:irknngsquerschnitt lie fern muB. Da meine Versuchsanordnung
nber wie jede analog gebaute wegen der endlichen Spaltweiten gerade
solche Streuung unter kleinsten Winkeln gegen die Strahlrichtung
nicht zu entdecken vermag, bleibt die Miiglichkeit bestehen, dab der
gesamte Wirkungsquerschnitt doch noch griiBer anzunehmen ware
als meine MeBwerte, die in1 wesentlichen nur auf der Umladung beruhen durften.
- -
1) L s n d o l t - B i i r n s t e i n , I. Erginzungsband, S. 69. 1927.
2) H. S. W. h i s s s e y u. It. A. S m i t h , Proc. Roy. SOC. A. 141. S. 142.1932.
F. Wolf. Der Wirkungsquerschnitt vcm Helium gegeniiber Helium+ 301
Im AnschluB an die theoretischen Rechnungen von Massey
und S m i t h hat Smith') u.a. den Wirkungsquerschnitt von He gegenuber He+ in dem Geschwindigkeitsintervall von 2000-12000 Volt
eqet%rnenkll untersucht. Da seine MeBeinrichtung im wesentlichen
mit der meinigen identisch ist, lassen sich die Ergebnisse beider
Versuchsreihen unmittelbar miteinander vergleichen. Hierzu habe
ich die in Einheiten von naO2angegebenen MeBwerte S m i t h s mittels a. = 0,53 10+ cm auf unser ubliches MaB umgerechnet und in
der Fig. 4 mit den meinigen zusammengestellt. Da die Strahlgeschwindigkeiten hierbei uber drei Zehnerpotenzen laufen, war es der obersichtlichkeit wegen ratsam, fiir die Abszissen logarithmischen Magstab zu verwenden. Es zeigt sich, daB die beiden MeBreihen ohne
Fig. 4. Vergleich verschiedener Autoren
Sprung ineinander ubergehen, so daB man eine glatte Kurve
hindurchlegen kann. Diese ausgezeichnete fjbereinstimmung zweier
voneinander vollig unabhangiger Untersuchungen d a d wohl als starke
Stutze fiir die Zuverlassigkeit einer jeden einzelnen gewertet werden.
Eine von S m i t h berechnete theoretische Hurve bleibt bei Geschwindigkeiten unter 1000 Volt durchweg etwa 20 "lo unterhalb meiner
MeBwerte.
Der einzige wesentliche Unterschied der S m i t h schen MeBeinrichtung von der meinigen ist der, da8 seine Kafige augerhalb,
meine aber innerhalb des Magnetfeldes liegen. Dadurch wiirden
bei mir Strahlteilchen , die einen unelastischen StoB ohne wesentliche Richtungsanderung erlitten haben, wegen des Geschwindigkeitsverlusts aus dem Strahl ausgeschieden, also im Wirkungsquerschnitt
mit berucksichtigt werden, wahrend dies bei S m i t h nicht der Fall
ware. Da nun aber die beiden MeBreihen glatt ineinander uber1) R. A. Smith, Proc. Cambr. Phil. SOC.30. S. 514. 1934.
Annalen der Physik. 5. Folge. 23.
21
302
Annakm der Physik. 5. Folge. Band 23. 1935
gehen, so ergibt sich, daB - wenigstens in dem Geschwindigkeitsgebiet von 1000-2000 Volt - unelastische StoBe ohne merkliohe
Ablenkung eine wesentliche Rolle nicht spielen.
I n die Fig. 4 ist schlieBlich noch ein friih von D e m p s t e r l )
erhaltener Wert von 37,8 cma/cm3 bei der Strahlgeschwindigkeit
900 Volt eingetragen. Er fallt trotz der damals verwandten, mehr
qualibtiven Methode sehr nahe rnit der neuen Kurve zusammen. Eine Bemerkung von R o s t a g n i (a. a. O.), wonach dieser Konstanz
des Wirkungsquerschnitts von kleinsten Geschwindigkeiten an bis
zu 600 Volt feststellte, deckt sich insofern rnit den vorliegenden
Messungen, als meine Kurve auch nur schwach gegen die Horizontale geneigt ist.
Zueammenfaseung
Die von mir schon friiher angewandte Methodik zur Messung
des gegenseitigen Wirkungsquerschnitts von Gasmolekiilen gegeniiber
Gasionen von kleinen Geschwindigkeiten zwischen weniger als 20
und etwa 1000 Volt wurde in allen Einzelheiten fortentwickelt und
soweit verfeinert, daB mit ihr zuverlassige Messungen auch mit
Heliumt -1onen moglich wurden, obwohl die Ionenausbeute gerade
bei Helium besonders gering ist. Als wesentlichste Merkmale der
Verbesserung seien genannt: Gedrungenster Bau der MeBanordnung;
Ionenerzeugung mittels der ,,Ionendiise" von G o l d m a n n ; sfarkste
Evakuierung des Zwischenraums zwischen Erzeugung und MeBraum
zur Vermeidung von ZusammenstoBen, die Intensitatsverlust und
Verwaschung der magnetischen Homogenisierung bedingen; Anordnung der MeBkafige innerhalb des magnetischen Feldes zur Umgehung von Bremsspannungen, die Ursache von Storungen sein
kiinnen; schlieBlich zwecks Ausschaltung von Schwankungen der
Strahlintensitiat gleichzeitige Mengenmessung mit zwei Elektrometern
unter Beseitigung der gegenseitigen Influenzwirkung.
Ergebnisse
1. Der Wirkungsquerschnitt des Heliums gegeniiber He+ -1onen
sinkt rnit wachsender Strahlgeschwindigkeit monoton ab, beginnend
rnit etwa 60 cma/cm3 bei geringer Geschwindigkeit bis herab zu
35 cma/cm3 bei 980 Volt. Nur bei den kleinsten Geschwindigkeiten
sind die Messungen wegen Intensitatsmangels unzuverlassig, oberhalb 50 Volt ist der Kurvenverlauf gut gesichert und die Streuung
einzelner Messungen sehr gering. Eine Messung des Wirkungsquerschnitts von He gegeniiber H,+ ergibt einen sehr vie1 kleineren Wert.
1) A. J. Dempster, Phil. Mag. 8. S. 115. 1927.
F . Wolf. Der Wirkungsquerschnittvon Helium gegenuber Helium+ 303
2. ,411s Versuchen mit besonderem, abseits vom Strahl an-
gebrachtem Auffanger , der auf negativem Potential gegeniiber der
Umgebung gehalten wurde, geht hervor, da5 durch He+ im ganzen
Geschwindigkeitsintervall in groBer Zahl langsame He+-Ionen gebildet werden, daB also offenbar Umladung des He+ in H e einen
wesentlichen Anteil des Wirkungsquerschnitts ausmacht. Blendenveranderungen zeigen, daB Streuung unter Bevorzugung groBerer
Winkel keine wesentliche Rolle spielt. fjber Streuung unter Winkeln
kleiner als 5 O kann dagegen nichts ausgesagt werden.
3. Der standige Abfall der MeBkurve deckt sich mit der Voraussage der Theorie. Ebenso stehen der hervorragende Anteil der
Umladung am Wirkungsquerschnitt sowie das Zurucktreten von
Streuerscheinungen unter groBeren Winkeln im Einklang mit theoretischen fjberlegungen.
4. Messungen des Wirkungsquerschnitts von He gegenuber He'
bei groBeren Strahlgeschwindigkeiten von S m i t h lassen sich mit den
meinigen bei kleinen Geschwindigkeiten ohne Zwang zu einer glatten
Kurve vereinigen, was eine gute Stutze fur die Zuverlassigkeit beider
Untersuchungen bilden diirfte.
Zu bestem Dank bin ich verpflichtet der H e l m h o l t z - G e s e l l s c h a f t fur vielfache Unterstutzung sowie der L i n d e A.G. fiir die
kostenlose fjberlassung des Heliumgases.
D a n zig- L a n g f u h r , Physikalisches Institut der Technischen
Hochschule.
(Eingegangen 17. Mai 1935)
21 *
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