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Die Absorption der Kohlenstoff-K-Strahlung in C N und O.

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529
3. D4e Absorptdom der Eohlmstoff-E-Btrahlumg
dfi c, N m d 0;
vort Ee4nrdok E w r t ; t l )
-
Inhalt: Einleitung. - Grundzuge der Methode und Resultate.
Beschreibung der Apparatur. - Ausfuhrung der Messungen: a) Vorversuche; b) Gang einer MeBreihe. - Darstellnog der Gase. - Grundsiige der Berechnung der Strahlungsumwandlung in einer Celluloidschicht.
Zusammenfassung.
-
Einleitung
Die Gesetze der Absorption von elektromagnetischen
Strahlen sind fur den Wellenbereich der Rhtgenstrahlen
genau bekannt seit der Zeit, als es gelungen war, einzelne
Frequenzen bis zur praktischen Monochromasie zu isolieren
und die Untersuchungen an ihnen durchzufiihren. Die AbsorptionsverhAltnisse sind uns indessen fast vijllig unbekannt
fiir das Gebiet der sehr weichen Rbntgenstrahlen, jener
Strahlen, die wir im Spektrum zwischen dem Ultraviolett
und den weichen Rontgenstrahlen einzuordnen haben, deren
Anregespannungen etwa zwischen 10 und 1000 Volt liegen,
deren Wellenlangen also um mehrere Zehnerpotenzen gr56er
sind als die der meist verwandten Rontgenstrahlen urn ein
Angstrom herum.
Zmar hat Ho 1we c k %) ein Absorptionsgesetz fur dieses
GFebiet angegeben, aber seinen Messungen haftet insofern ein
Mange1 an, d s nur mit gefilterter ,,weiSer" Strahlung gearbeitet
wurde, also praktisch die Untersuchung an einem Gemisch verschiedener Wellenlangen von vollig unkontrollierbarer Zusammensetzung durchgefuhrt wurde. I n der von ihm angegebenen Formel
c(
D
A .la,6
Kieler Dissertation 1927.
F. H o l w e c k , Compt. rend. 172. S. 439. 1921. Mit weiteren
Untersuchungen an solcher gefilterten Strahlung zusammengefaBt in
F. Holweck, De la Lu&i&reaux Rayons X (Paris 1927).
1)
8)
Annalen der Pbynik. IV. Folge. 86.
35
530
H; Kurt2
bedeute t a/B den Massenabsorptionskoeffizienten, ildie quantenmaBig durch das Beschleunigungspotential bedingte kiirzeste
WellenlLnge der verwendeten Strahluog in AE und A eine von
der Ordnungszahl des absorbierenden Elements abhangende
Konstante, deren Wert l) fur Sauerstoff gleich 0,9, fiir Stickstoff
gleich 0,7 und fiir Wasserstoff gleich 0,2 angegeben wird. Drt
in der Formel explizit nur die Grenzwellenlange steht, wahrend
in der Tat die Wirkung des unbestimmten Komplexes der
langeren Wellen im Beobachturjgsergebnis mit enthalten ist,
mu& da gerade diese Wellen die griifiere Absorption zeigen,
das Gesetz, auf monochromatische Strahlung angewandt, zu
g r o h Werte liefern.
Um definierbare Verhilltnisse zu scbaffen, erscheint es
als unumgilnglich notwendig, die Absorptionsunterauchungen
auch in diesem Gebiet mit monochromatiscber Strahlung
durchzufiihren. Die Grundzuge einer Methode, die dieses
gestattet, wurden anla6lich einer Untersuchung aber Eigenstrahlungen der Elemente C, N, 0 von W. Trenktrog"')
ausgearbeitet, von dem auch erste Absorptionsmessnngen hiernach ausgefdhrt wurden. Die Methode benutzt die Eigenstrahlung des Kohlenstoffs als Strahluagsquelle.
Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit bestand nun darin,
Absorptionsmessungen mit einer verbesserten Anordnung nach
den Angaben von T r e n k t r o g durchzufiihren. Es liegt im
Wesen der Methode begriindet, daS man die Untersuchuagen
dahin orientiert, fur die monochromatische Strablung die Absorption in verschiedenen Stoffen zu priifen. Ee wurden untersucht die Gase: Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxyd,
Kohlenmonoxyd und xithan.
Ctrundaiige der Methode und Resultate
Zur Erzeugung der Riintgenstrahlen wurde ein Oxydkathodenrohr mit Platinantikathode A R (Fig. 1) verwendet,
das seine Strahlung durch ein Celluloidhautchen C von 0,9 cm
Durchmesser und etwa
cm Dicke in die Ionisationskammer J schickte. Es war notig, von der zunilchst be1) Die Werte fur die Konstante A sind der letzteren der beiden
mitierten Arbeiten entnommen.
2) W. T r e n k t r o g , Dissertation, Riel 1923.
Die Absorption der ~oohlenstoff-6I-Strahlungin C, N und 0 531
nutzten Wolframgliihelektrode zur Wehneltelektrode .K uberzugehen, weil das zerstaubte Wolfram, das sich auf Antikathode und Celluloidhaut niederschlug, schon in geringster
Dicke .erhebliche Absorptionsstorungen verursachte.
Holw eck l) fand, daS bei genugender Dicke der Celluloidhaut oberhalb der Anregespannung der Kohlenstoff-K-Strahlung
die Absorption der durch ein Celluloidblattchen hindurchgetretenen Strahlung sich nicht mehr tlnderte, d. h. die Hiirte
der durchgelassenen Strahlung bei Variation der Anregespannuag
Schematische Darstellung der Strahlenquelle und der MeEkammer
Fig. 1
unverandert blieb. Tr enktrog, der dasselbe feststellte, konnte
anBerdem zeigen, daB praktisch eine e-Funktion, also ein
praktisch einheitlicher Absorptionskoeffizient,vorlag. Die Strahlung ist also praktisch monochromatisch und m d nach der Art
ihres Auftretens als die 1P-Strahlung des Kohlenstoffs gelten.
Diese kann, da das C-Atom, wie Rossela) gezeigt hat, nur noch
eine unvollstandige LSchale, aber keine M.Schale mehr enthdt, nur aus a-Linien bestehen, mug also sogar eine recht gute
Monochromasie besitzen. Diese Vermutung ist kurzlich von
Dauvillier unmittelbar spektrograpbisch bestiitigt worden.
Mit Holweck und T r e n k t r o g wurde zunachst angenommen , daB eine Monochromatisierung durch Erregnng
von Fluoreszenzstrahlung im Hautchen vor sich ging. Einc
niiherungsweise durchgefiihrte Berechnung der Absorption einer
kontinuierlichen Bremsstrahlung mit einer Energieverteilung
1) F.Holweck, a. a. 0.
2) W. Kossel, Ztschr. f. Phys. 2. S. 470. 1920.
3) A. Dauvillier, Compt. rend. 183. S. 198. 1926.
35a
gemaB der von Kulenkampff') angegebenen Formel in einer
Celluloidschicht unter Verwendung der ermittelten Absorptionskoeffizienten zeigt aber, da6 die austretende Strahlung je nach
der Hohe der Anregespannung verschieden starke Komponenten von Kohlenstoff- K -Strahlung, Stickstoff - K- Strahlung
und Sauerstoff-3-Strahlung in Betragen von gleicher GroBenordnung aufweisen mu6, und daB die Sauerstoffstrahlungskomponente einen durchaus merklichen und um so gro6eren
Einflu6 bekommt, je harter die Primarstrahlung und je dicker
das Hautchen gewahlt wird. Die Monochromatisierung der
Strahlung lie6 sich also nicht auf Filterwirkung des Celluloidhautchens zuruckfiihren. Dagegen wurden Erscheinungen beobachtet, wie sie ahnlich von D a u v i l l i e r a ) beschrieben worden
aind. Die Bahn des Zlektronenatrahls sandte, trotzdem das
Rohr wiihrend des Betriebs stiindig an der Pumpe lag, ein
deutlich wahrnehmbares blaues Licht aus, und auf der Antikathode entstand schon nach kurzem Arbeiten ein festhaftender,
schwarzglanzender Belag, der gegen den Rand hin Anlauffarben
zeigte. Diese zunachst als storend empfundenen Erscheinungen
erwiesen sich als die wahre Ursache der Monochromatisierung.
Man mu6 sie niimlich mit D a u v i l l i e r der Spaltung von
Kohlenwasserstoffen zuschreiben, die infolge der Verwendung
von Schliffetten und Kitten (siehe Beschreibung der Apparatur)
in geringem MaBe standig im Rohr vorhanden sind. Der sich
infolge dieses Vorgangs bildende Belag auf der Antikathode
konnte als Kohlenstoff identifiziert werden, iibereinstimmend
mit D a u v i l l i e r s spektrographischem Nachweis mittels der
Kohlenstoff - K a- Linie.$) Die urspriinglich wegen des hohen
Atomgewichts gewahlte Platinantikathode konnte also gar' nicht
zur Wirkung kommen, sondern es wurde praktisch mit einer
Kohlenstoffantilrathode gearbeitet. Bei einem Antikathodenmaterial so geringen Atomgewichts tritt aber die Intensitat des
Bremsspektrums gegeniiber der Intensitat der charakteristischen
Strahlung stark zuruck, so daB schon an der Antikathode eine
1) H. Kulenkampff, Ann. d. Phys. 69. S. 548. 1922.
2) A. D a u v i l l i e r , Journ. de Phys. et le Radium 7. S. 369. 1926.
3) Auch Holweck weist darauf hin, daB solche Belege bereita in
sehr diinnen Schiehten die aufprallenden Elektronen brcmsen und unabhptngig von dem Antikathodenmaterial den Charakter der Strahlung
beatimmen.
Bie Absorption der Kohlenstofilr-Strahlung in C , N und 0
533
im wesentlichen monochromatische Strahlung , niimlich die
Kohlenstoff-K-Strahlung, erzeugt wird.
Bei der Untersuchung der Absorption irgendeines Materials
verfahrt man gewohnlich SO, da6 man die mit wachsender
Schichtdicke des Absorbens erfolgende Intensititsabnahme der
durchgelassenen Strahlung mittels ihrer ionisierenden Wirkung
auf ein Gas beobachtet. Die Eigentiimlichkeit der vorliegenden Methode, bei der es sich ausschlieSlich um die Untersuchung von Gasen handelt, besteht nun darin, daB sie den Absorptionskoeffizienten durch direkte Messung des absorbierten
Anteils der Strahlung an dem von ihr im untersuchten Qas
selbst erzeugten Ionenstrom zu bestimmen gestattet. Der
Vorteil dieser Methode liegt besonders in der Vermeidung der
Abtrennung eines besonderen Mefiraums von dem Raum, der
das gasformige Absorbens enthalt , durch eine materielle
Zwischenschicht, die durch ihre Eigenabsorption in uniibersichtlicher Weise storend auf die Messnngen einwirken kiinnte.
Der Ionisationskammer wurde die Form einer Halbkugel
um den Mittelpunkt des Hautchens als Zentrum gegeben.
Diese Form wurde mit Riicksicht auf die Divergenz der
Strahlung gewahlt. Es wurde namlich dadurch erreicht,
dafi allen Strahlen eines Biindels praktisch gleich lange
Bahnen zur Verfiigung standen, sowohl den Strahlen des an
der Antikathode erzeugten Strahlenbiindels als auch denen
des dieses wahrscheinlich noch iiberlagernden Biindels einer
im Hautchen durch Urnwandlung des harteren Restes der
Yrimarstrahlung erzeugten Fluoreszenzstrahlung. Durch diese
Qeometrie wird also erreicht, da6 innerhalb der Ionisationskammer keine Blendenwirkung stattfindet, und man somit berechtigt ist, das Absorptionsgesetz fur eine parallele Strahlung
auf den vorliegenden Fall anzuwenden.
Fiir eine solche Strahlung lautet bekanntlich die Differentialform des Gesetzes
- d J, = a J, d x ,
worin J , die Eintrittsintensitat der Strahlung, u den Langenabsorptionskoeffizienten und d x die Dicke der durchstrahlten
Schicht bedeutet.
Bei geeigneter Wahl der Dimensionen der Kammer, so
niimliich, daB die Lange als Differential behandelt werden
534
H. Kmtz
kann, ist also die Ionisation unter der Voraussetzung, da6
sie dem absorbierten Anteil proportional ist, auch der
Intensifit J, der Eintrittstrahlung proportional. In diesem
Fall kann also der erzeugte Ionenstrom als IntensitatsmaS
fiir die eintretende Strahlung verwendet werden, wie dies beim
Gebrauch von Ionisationskammern allgemein ublich ist. I n
der vorliegenden Arbeit ist die Verwendungsart der Ionisationskammer von der eben geschilderten indessen grundeiitzlich
verschieden.
Fur die Untersuchung von Gasen liegt es offenbar nahe,
statt der Dicke der durchstrahlten Schicht die Dichte eines
festen Volumens durch Variation des Gasdrucks zu verandern
und also den Druck als unabhangige Variable einzufiihren.
Das kann geschehen durch Zerlegung des Absorptionskoeffizienten in ein Produkt
a = a,,.p,
worin p den Druck und a! den Langen-Druck-Absorptionskoeffizienten bedeutet, der
Absorption pro Zentimeter Weg
und pro Millimeter Druck angibt.
d;
Abweichung der Funktion y = 1 - e-a (Knrve 11)
von der Proportionalitiitsgaden (Kurve I)
Fig. 2
B e Absorption der K o h l e n u t o f f - ~ - S t ~ a ~in
l u ~C,g N und 0 636
Die Differentialform des Absorptionsgesetzes wird also
nach Einfuhrung dieser GroBen
- d J, alp J, d t * p .
Unter der oben erwahnten Bedingung ist darum die Ionisation
auch dem Druck p proportional. Steigert man jedoch den
Gasdruck derart, dab man die Ausdehnung der Kammer nicht
mehr infinitesimal behandeln darf, dann besteht die Proportionalitat der insgesamt absorbierten Intensitaten mit
Druck und Lange nicht mehr, und man ermittelt fur die
absorbierte Intensitat
J, - J, = J, (1
e - a l p ' x ").
Das Verhaltnis der absorbierten Intensifit zur Intensitlit
der Eintrittsstrahlung wird bestimmt durch
5~3..
- 1-e-atp'r*p.
6
9
-
Jo
Jo - Jz
Triigt man den Exponenten von e als Abszisse auf und 4
als Ordinate] so erhalt man das Kurvenbild I1 der Fig. 2.
Die (3roBe der Abweichung von der Proportionalitatsgraden
(Fig. 2, I), die diese Kurve mit wachsendem Druck zeigt, wurde
nun fur die Ermittlung des Absorptionskoeffizienten nutzbar
gemacht. Zu diesem Zweck wurde die dem Typus des obigen
Qesetzes entsprechende Funktion
y = 1 -e-p,
worin mit Rucksicht darauf, daS es sich um Drucke handelt,
als Abszissenbezeichnung p gewahlt wurde, in logarithmischen
Koordinaten aufgetragen und als ,,Normdkurve" (Fig. 3) fiir die
unten besprochene logarithmische Auswertung der MeSkurven
verwendet.
Die Fig. 3 enthalt einige MeBkurven, wie sie fur verscbiedene Gase gewonnen wurden, indem der in willkurlichem
Ma6 als Aufladung des Elektrometers i3 gemessene Ionisationsstrom als Funktion des Gasdrucks (mm Hg) logarithmisch aufgetragen wurde. An den umkreisteu Punkten wurde die Reproduzierbarkeit nach erneutem Auspumpen der MeSkammer
gepriift. (Nliheres vgl. S. 546.) Auf eine eventuelle lichtelektrische
Wirkung an den Wiinden und der Elektrode brauchte keine
Rucksicht genommen zu werden, da sie, wie das Experiment
zeigte, von einer vollig zu vernachlassigenden GroBenordnung war.
H. K w t z
536
#
5
70
5
70
5
I
10
100
MeSkurven (logarithmieche Koordinaten. Abszisse : Qaedruck,
Ordinate: Ionkationsstrom). Fig. 3
Die Absorption der Kohlenstoff-K-Strahlung in C, A' und 0 537
Die mathematischen Orundzuge des logarithmischen Verfahrens, das zur Auswertung der MeBkurven angewandt wurde,
findet man bei Mehmkel) dargestellt. Die Ubertragung auf
den vorliegenden Fall moge kurz erlautert werden.
In Fig, 4 sei K das Bild einer beliebigen Funktion
log y = f (log 4,
wahrend K' aus dieser durch Parallelverschiebung hervorgehen moge. Wenn die Verschiebung in der Richtung der
109 Y
,
---
I
log x
Zur logarithmischen Auswertung
Fig. 4.
Abszisse log a betragt und in der Ordinatenrichtung log b ,
dann gilt fur K' die Gleichung
log y
- log b = f (log .T - log a )
oder log
-f= f (log 5).
Konstanten, die in kartesischen Koordinaten als Faktoren
auftreten, werden also in logarithmischen Koordinaten zu
Snmmanden.
Auf den vorliegenden Fall angewendet bedeutet das: Da
das Absorptionsgesetz fur eine parallele Strahlung sich von
der Formel, die zur Gewinnung der ,,Normalkurve" diente,
lediglich durch Faktoren der Koordinaten unterscheidet, so
miissen die logarithmisch dargestellten MeBkurven mit der
,,Normalkurve" durch Verschieben eingedeckt werden konnen,
wenn der Absorptionsverlauf dem oben erwahnten Gesetz ent1) R. Mehmke, Leitfaden z i m graph. Rechnen (1917).
B. Kwtz
538
spricht. Das ist in der Tat der Fall. Die MeBkurven sind
also die logarithmischen Bilder der Funktion
oder wenn man an Stelle von 1/u wieder a l p . x schreibt
y = b (1 - e - - a , . = * p >.
Daraus folgt, da5 fur eine MeBreihe jeweils ein konstanter Absorptionskoeffizient cxZpvorliegt, also mit Erhohung des Druckes p
keine Harteniinderung der Strahlung durch Filterung erfolgt.
Der Umstand, daB die MeBkurven fur ein und dasselbe
Gas sich allein durch senkrechtes Verschieben untereinander
zur Deckung bringen lassen, zeigt, daB der Faktor 1 = azp x
der Abszisse in allen diesen Kurven konstant bleibt. Das
beweist, da5 die verwendete Strahlung tatsachlich dieselbe
Hjirte besitzt, trotzdem die Beschleunigungsspannung von MeBreihe zu NeSreihe innerhalb des Bereichs von 479 Volt bis
663 Volt veriindert wurde. Xnderungen des Absorptionskoeffizienten a,, allein bedingen horizontale Verschiebungen.
Die Auswertung einer MeBkurve wurde in der Weise vorgenommen, dab die einschlieBlich ihres Einheitspunktes (doppelt
umkreist) auf Pauspapier gezeichnete ,,Norpalkurve" mit der
MeSkurve zur Deckung gebracht wurde und die neue Abszisse
des Einheitspunktes, also die horizontale Verschiebung a, festgestellt wurde. Der Langen-Druck- A bsorptionskoeffizient wtp
ergibt sich dram durch Bildung des reziproken Wertes von a
und Division mit dem Hammerradius nach der schon oben
erwahnten Formel
1
a
-
uzp= - *
2.a
In der Tabelle 1 sind die hieraus errechneten Massenabsorptionskoeffizienten zusammengestellt.
Tabelle 1
I
Gas
___-
Luft . .
.
SauerstoE
.
Stickatoff
.
Kohlendioxyd .
Kohlenmonoxyd
Athan . . .
..
f
.
..
Massensbsorptionskoeffizient a / D
-I
'
~
I
.
.
. ,
4650 f 200
6000 200
3800 f 200
4900f 600
4450 f 300
*
2200
* 100
Die Absorption der Koh2enstoff:K-Strahluny in C, N und 0 539
Wenn man annimmt, da6 die Regeln der einfachen
Additivitat der Atomabsorptionen im Molekul fiir die untersuchten Stoffe ebenso giiltig ist, wie sie fur die Stoffe hoherer
Ordnungszahl bei Verwendung kurzwelliger Riintgenstrahlen von
Benoist l) nachgewiesen ist und durch die Untersuchungen von
Anr6na) neuerlich bestatigt ist, errechnet man aus den Werten
der Massenabsorptionskoeffizienten die Absorptionskoeffizienten
der Atome
der Tabelle 2.
Tabelle 2
Gas
Atomarer Absorptionskoeff.aAt
. .
Sauerstoff
.
Sticketoff
Koble (in CO,,’ C;
Kohle (in C O ) C,
Kohle (in C,HJ C,
-
1,58 z t 0,06 *
0,88 f 0,05
0,42 f 0,06
0,48 rir 0,06
0,54 (f0,03).
---
Der dritte Wert der Absorption des Kohlenstoffatoms
wurde aus b a n gewonnen, indem die Wirkung der 6 Wasserstoffatome als verschwindend behandelt wurde, Die eingetragene
Fehlergrenze betrifft nur die Unsicherheit der Beobachtung
selbst.
Es wurde versucht, auch aus Acetylen und Methan einen
Wert fur die Kohlenstoffabsorption zu bestimmen. Das erstere
der beiden Gase diffundierte aber stark durch das Hautchen
bzw. durch die verwendeten Fette, ahnlioh wie es in etwas
geringerem Ma6e auch beim Kohlendioxyd beobachtet wurde,
so daS das Oxyd der Gliihfolie nach kurzer Zeit reduziert und
das Vakuum verschlechtert war, wiihrend das JlIethan eine so
geringe Absorption zeigte, daS man, um eine den ubrigen Messungen vergleichbare Genauigkeit zu erzielen, zu so groBen
Drucken hiltte ubergehen miissea, daB das Hautchen gefahrdet
gewesen ware.
Der aus der Athanmessung gewonnene Wert diirfte wegen
der Vernachlassigung der 6 Wasserstoffatome zu wenig zuverllssig sein, um aus seiner Abweichung Schliisse ziehen zu
dihfen. Die andern beiden Werte der Kohlenstoffabsorption
1) L . B e n o i s t , Journ. dePhys. 2. S. 653. 1901.
2) T.E. AurBn, Phil. Mag. 37. S. 165. 1919.
I% Kurtz
540
deuten an, dafi in dem bearbeiteten Gebiet das Additionsgesetz
scheinbar noch gultig ist.
Die ermittelten atomaren Absorptionskoeffizientengestatten,
ihre ungefahre Abhangigkeit von der Ordnungszahl Z zu errechnen. Man findet, wenn man den N-, 0- und den aus CO
und CO, gemittelten C- Absorptionswert zueinander in Beziehnng
setzt, den Exponenten 4,4 f 0,4 (Fig. 5). Der Exponent scheint
ly
I
V
u
5 6 7 8 2
Atomare Absorptionskoeffizienten als Funktion d. Ordnungszahl 2
(in log. Roordinaten).
Fig. 9
I-
M9
I
I
1
I
I
I
t
I
Der Verlauf des Absorptionskoeffizienten von
Celluloid (in logarithmischen Koordinaten)
Fig. 6
also von dem in einem ganz anderen Hartebereich von B r a g g
und P e i r c e l ) und durch neuere Messungen von R i c h t m y e r 2 )
bestimmten nicht wesentlich verschieden zu sein.
Das somit fiir Kohlenstoff-K-Strahlung gefundene Absorptionsgesetz lautet
agt = const. Z4q4.
Darin hat die Konstante den Wert (1,7 f 0,2).
1) W. H. Bragg und S.E. P e i r c e , Phil. Mag. 28.
2) F. K. Richtmyer, Phys. Rev. 18. 8.13. 1921.
S.626.
1914.
Die Absorption der liohZenstoff-~-St~ahEung
in C, N und 0 541
Wenn man unter Zugruudelegung einer bei Dam m e r l)
angegebenen Analyse aus den obigen Koeffizienten die Absorption des Celluloids fur Kohlenstoff-K-Strahlung errechnet,
so findet man a M 5000.
Nach H o l w ecka) folgt der Absorptionskoeffizient zwischen
44 AE und 88 AE einem AW3esetz. Diese Angabe wurde benutzt, um von der hier mitgeteilten Messung fur 44,l AE ausgehend, den entsprechenden Teil der in Fig. 6 wiedergegebenen
Kurve des Absorptionsverlaufs fur Celluloid zu zeichnen. Die
Fortsetzung der Kurve iiber das angegebene Gebiet hinaus zu
liingeren Wellen ist nur qualitativ zu werten und ist lediglich
gestutzt auf Holwecks Angaben, daS der Absorptionskoeffizient
bei h = 320kE durch ein Maximum von 145000 geht und daS
von einer Strahlung, deren Wellenliinge 3, E 980 AE betriigt, durch
eine Celluloidfolie von 2,5
cm Dicke 20 Proz. hindurchgelassen werden. Jenseits dieses Wertes schlieSt das Gebiet
der normalen optischen Dispersionsfrequenzen an. Im unteren
Teil der Kurve gaben die von Winglrdhs) fur die MolybdiinK-Strahlung (3” = 0,708 AE) mitgeteilten Absorptionswerte die
Grundlage fur die Berechnung eines Punktes. Der fur dieses
Gebiet nach der Formel von Riehtmy e r angegebene Koeffizient 3
von 3, diirfte allmiihlich beim ijbergang zu liingeren Wellen in
den Wert 2,5 ubergehen, so daS unter Beriicksichtigung eines
K-Absorptionssprunges von etwa 8 - dieser auch in der Figur
benutzte Wert wurde aus den bei Allen4) aufgefuhrten Absorptionssprungen extrapoliert - dieser Teil der Kurve sich
verhiiltnismiiBig gut an den oben skizzierten anzuschlieBen
scheint. Wenn der Kurve auch nur qualitative Bedeutung
zukommt, so zeigt sie doch deutlich, eine wie groBe Spanne
von Wellenlangen das Absorptionsgesetz in der oben angegebenen
Form praktisch urnfafit.
-
Beaahreibung der Apparatur
Das verwendete RSntgenrohr (Figg. 7 und 8) war aus Glas
angefertigt. Die Kathodenstromzufuhrung bestand aus einem
1) 0. D e m m e r , Chem. Technologie der Neuzeit S. 55. 1911.
2) F. H o l w e c k , a. a. 0.
3) K. A. Winggrdh, Ztschr. f. Phys. 8. S. 363. 1922.
4) S. J. M. A l l e n , Phys. Rev. 24. S. 1. 1924.
Messingstab und einem itin umgebenden, durch Glas isolierten,
Messingrohr und war mit weiBem Siegellack in den Schliff 8,
eingekittet. Die Kittungen wurden mit Wasser gekiihlt. Die
Backen B , die die zur Wehnelt-Gluhelektrode (Pt-Blech von
1 mm Breite und 0,0025 mm Dicke mit Ca, Ba und Sr) amgebildete Kathode K trugen, wurden von unten eingefuhrt nnd
mit der Stromzufiihrung verschraubt. Durch die Winkelanordnung wurde erreicht, daS der Brennfleck bis auf etwa
T
Rjntgenrohr mit Ionisationekammer in mdstiiblicher Zeichnung
Fig. 7
11/, cm an das Fenster C herangefuhrt werden konnte.
Der
Kathode dicht gegeniiber - der Abstand betrug etwa 2 mm war die mittels Messingschlifls 8, eingefiihrte Messingantikathode AK, die an der Stelle des Brennflecks ein 100 mm2
groSes, hartaufgelotetes Platinblech trug.
Das Riintgenrohr war gegen die Ionisationskammer J darch
einen 4 mm dicken GuSmessingteller, der mittels des Messingschliffa 8, angefugt werden konnte, abgeschlossen. Der Schliff
war zum Schutze der Kittung fiir Kiihlung mit AieSendem
Wasser vorbereitet. Diese erwies sich aber als uberflussig, da
Die Absorption dcr Kah2enstoff-K-8frahlungin C, N find 0 543
das Messingschutzrohr SR die Erwarmung der Kittstelle in
genugendem MaSe verhinderte. Der Teller trug in der Mitte
iiber einem Loch von 9 mm Durchmesser eine Celluloidhaut C
von ungefahr
cm Dicke. Das Hautchen wurde nach den
Angaben von T r e n k t r o g l ) hergestellt, indem man Zapodack
auf einer reinen Wasseroberflache verdunsten lie& Von der
Filmfabrik Wolfen der Aktiengesellscbaft fur Anilinfabrikation
wurde die hierfur besonders geeignete Lbsung der Firma ,,Z 116"
in entgegenkommender Weise kostenlos zur Verfiigung gestellt,
wofiir auch an dieser Stelle gedankt werde. Um das Riiutchen
keiner starken Erwarmung aussetzen zu miissen, wurde es mit
einem schon bei niedriger Temperatur schmelzenden Gemisch
aus Picern und Lanolin auf den Yessingteller gekittet. Qegen
Wgrmestrahlung der Kathode und zum Schutz gegen Elektronen, die von der Rtickseite und den Kanten der Gluhfolie
austraten, trug die Kathode einen Schirm S.
Das Rontgenrohr, das durch einen Hahn von dem iibrigen
Teil der Apparatur vollstilndig abgeschlossen werden konnte,
war wahrend des Betriebes stlndig mit einer aus Quarz geblasenen Quecksilber-Stufenstrahlpumpe von H anff und B u e s t
verbunden unter Zwischenschaltung einer Kiihlung mit flussiger
Luft und eines TrockengefaBes mit Phosphorpentoxyd. Der
Druck wurde mit einem Mac L e odschen Manometer kontrolliert.
Die Antikathode AK des Rbntgenrohrs war verbunden mit
dem positiven Pol einer HochspannungsakkumulatorenbatterieAB
unter Zwischenschaltung eines Widerstandes W', von 20400 Ohm,
der aus 10 Konstantandrahtspulen bestand. Der negative Pol
der Hochspannungsbatterie war geerdet.
Der Heizstrom fur die Gluhfolie wurde mit dem Amperemeter A kontrolliert. Die Meseung des Elektronenstroms im
Rontgenrohr geschah durch ein Galvanometer G (Drehspulinstrument von H a r t m a n n und Braun, 79 Ohm), dessen
Empfindlichkeit mittels der aus Fig. 8 ersichtlichen Schaltung
reguliert werden konnte. Die Spannung a m Rbntgenrohr
(deren Wert von sekundarer Bedeutung ist) wurde mit einem
Drehspulinstrument durch Teilmessungen festgestellt.
1) W. T r e n k t r o g , a. a. 0. Kurz wiedergegeben bei E. v. Angerer,
Techn. Kunstgriffe bei physikalischen Untersuchungen (1924).
fI. Kurtz
544
Die Ionisationskammer J bestand aus einer Messinghalbkugel vom Radius 4 cm, in die der 2 mm dicke, vorn sorgfiltig gerundete Aluminiumauffangerstab A S , durch Bernstein
isoliert, zentral eingefiihrt war, so daB er bis auf etwa 2 mm
an das Fenster C heranreichte. Die Abdichtung der Verbindung des Messingtellers mit der Halbkugel geschah durch ein
Wachs-Kolophoniumgemisch.
Ein Olasrohransatz T ermiiglichte die wahlweise Verbindung der Eammer mit der Hochvakuumpumpe und dem Qas-
/I1 I
A
I Ii
A6
&*
2
Schaltschema.
Fig. 8
vorratsbehiilter. Ein mit Schliff angesetztes Phosphorpentoxydgefaf3 sorgte fur standige Austrocknung der Kammer. Der
Druck der Gasfullung wurde mit einem Hathetometer an einem
verkurzten Quecksilbermanometer abgelesen.
Ds stark seitlich aus dem Hautchen C austretende Strahlen
infolge der groBen Absorption des Celluloids fiir die erzeugte
weiche Strahlung erheblich geschwacht sein mussen, wurden
diese, um durch sie die MeBgenauigkeit nicht triiben zu lassen,
gbzlich vom IonisationsprozeB ausgeschlossen, indem ein
Messinghohlkegel in der aus der Figur 7 ersichtlichen
Weise an dem Messingteller durch Schrauben befestigt
wurde.
Die Kammerwand wurde iiber einen Graphitwiderstand W,,
der auf eine Mattglasscheibe aufgetragen war, durch Anzapfung
Die A.3sorption der Kohlenstoff-K-Strahlung in C, N und 0 545
der Hochspannungsbatterie AB auf ein so hohes Potential geladen (etwa 200 Volt), daB sicher Sattigung des Ionenstroms
erreicht wurde, was fur die einzelnen Gase bei verschiedenen
Drucken mehrfach kontrolliert wurde.
Die Auffangerelektrode AS war, sorgf altig elektrostatisch
geschutzt, mit dem Goldblatt eines Hankelschen Elektroskops E
verbunden. In die Leitung wurde ein Erdschltissel BFS eingeschaltet. Die Kapazitat des Auffangersystems betrug 23,8 cm.
Das Elektrometergehause war mit der Erde verbunden. Eine
Hochspannungsakkumulatorenbatterie EB von 100 Volt, die in
der Mitte geerdet war, lieferte tiber zwei Graphitwiderstiinde WE
die Hilfsspannung & 50 Volt. Die Batterie diente ausschlie5
lich diesem Zweck. Das Elektrometer hatte eine Empfindlichkeit von 0,3 Volt pro Skalenteil. Die Ausschlage waren iiber
den benutzten MeBbereich hinaus den an das Elektrometer
gelegten Spannungen vollkommen proportional.
Ausfchrung der Meseungen
a) Vorvereuche
Durch Beobachtung bei Drucken, die 80 niedrig waren,
daS die im Hauptverfahren beobschteten Ionisationswirkungen
vijllig zuriicktraten, wurde, wie bereits erwahnt, festgestellt,
da6 die lichtelektrische Wirkung an der MeBelektrode neben
den IonisationsstrSmen vollig zu vernachlassigen war.
Der naturliche Verlust des Elektrometers blieb ebenfalls
klein gegen die beobachteten GroBeo.
Es wurden wiederholt Priifungen auf Sittigungsstrom vorgenommen, die stets ergaben, da6 oberhalb von 100 Volt
Kammerspannung Sattigung bestand. Gemessen wurde stets
mit nahezu 200 Volt.
Die Einheitlichkeit der Strahlung konnte, wie schon oben
bemerkt, dadurch nacbgewiesen werden, daB die MeBkurven
die Form der ,,NormalkurveL' eeigten und also dem theoretisch
fur eine einheitliche Strahlung zu erwartenden Gesetz folgten.
DaB die in die Kammer eintretende Strahlung fur den
ganzen angewandten Spannungsbereich praktisch dieeelbe Harte
besitzt, zeigte die Konstanz der Absorptionskoeffizienten trotz
Variation der Beschleunigungsspannungen ron 479 Volt bis
653 Volt und der Hautchendicken von 10.10-4 bis 14.10-4 cm.
Annalen der Physik. I V . Folge. 86.
36
H.Kurtz
546
b) Gang e i n e r MeBreihe
Zunachst wurde die Ionisationskammer etwa funfmal mit
dem zu untersuchenden Gas durchgespult Gjeweils Auffiillung
bis p = 10 cm, Auspumpen bis p =
mm). Danach wurde
das RSntgenrohr allein an die Pumpe gelegt und bei bestandigem Gluhen der Kathode unter Anlegung der zu verwendenden Beschleunigungsspannung mehrere Stunden evakuiert.
Mit der Messung wurde erst begonnen, wenn das Galvanometer G (Fig. 8) keine merkbaren Schwankungen des Elektronenstroms mehr zeigte. Es wurde jeweils die Zeit bestimmt,
die niitig war, urn das Elektrometer bis zu einem Ausschlag
von zehn Skalenteilen aufzuladen. Aus den unter den gleichen
Bedingungen durchschnittlich fiinfmal wiederholten Messungen
wurde das Mittel gebildet, dessen Reziprokes - aus Bequemlichkeitsgriinden wegen seiner Kleinheit m i t 100 multipliziert
als MaB fir den Ionenstrom diente und einen Punkt der in
logarithmischen Koordinaten gezeichneten MeBkurve lieferte.
In der gleichen Weise wurden auch die iibrigen Punkte der
Kurve ermittelt, indem der Gasdruck in der Ionisationskammer
stufenweise erhSht , samtliche iibrigen Bedingungen nber sorgfAltig aufrecht erhalten wurden. Nachdem so der Verlauf der
MeBkurve festgestellt war, wurde die Kammer noch einmal
leer gepumpt und die Messung fiir einzelne Drucke wiederholt, um die Reproduzierbarkeit der Kurve zu priifen. Ale
Beispiele geben wir in den Tabellen A und B j e eine derartige
MeBreihe fiir Luft und Athan. Die mittlere Zimmertemperatur betrug bei allen Messungen etwa 1 9 O C.
-
MeOtabellen
Bezeichnungen
V A K = Effektiv-Beschleunigungsspannung der Elektronen.
U;= Aufladung der Wand der Ionisationskammer.
i = Elektronenstrom.
d = Dicke der Celluloidhaut.
p = Druck des Qases in der Ionisationskammer in Milli-
meter.
t = Dauer der Aufladung des Elektrometers fur zehn
Skalenteile in Sekunden.
Die Absorptioii der hbhleicstoff-~-Strahlullgin C, i'f und 0 547
Tabelle B
Tabelle A
Gas: Luft,
V u = 482 Volt,
197
i = 0,56 Milliamp.,
d = 10.10-~ cm.
,,
vJ=
Gas: Athan,
V A E = 639 Volt,
V J = 201
))
i = 0,45 Milliamp.
d = lO.lO-*
___
P
919
11,9
13,s
17,5
21,4
25,4
29,2
34,9
445
46,2
51,6
57,4
62,9
68,5
74,2
10,4
24,l
46,O
t
-___
____
44,s
37,5
32,5
26 3
23,O
20,4
18,5
16,7
15,4
14,6
14,O
13,3
13,l
12,5
12,l
42,5
21,4
15,l
loop
P
t
2,23
2,66
3,08
3,80
4,35
4,90
5,40
5,99
6,50
6,85
7,15
7,52
7,64
8,OO
8,26
2,35
4,67
6,62
14,2
17,9
23,2
28,6
34,O
41,5
48,9
58,O
68,4
76,s
88,4
99,9
111,o
121,s
132,2
142,6
25,s
41,3
62,4
33,7
26,7
21,6
17,9
16,O
13,6
12,2
10,9
917
9,O
~-
crn.
loop
____
-____
8,s
810
7,7.
Ti4
7,2
791
20,6
13,s
10,5
2,96
3,74
4,63
5,59
6,25
7,35
8,26
9,17
10,3
11,l
11,s
12,5
13,O
13,5
13,9
14,l
4,s5
7,25
9,53
Die Auswertung der Kurve wurde mit Hilfe der ,,Normalkurve" nach dem schon oben skizzierten graphischen Verfahren
vorgenommen.
Die Genauigkeit der Nessungen wird begrenzt durch die
Unsicherheit, welche in der graphischen Auswertung liegt. Es
ist naturgemaI3 verhiiltnismaBig schwer zu erkennen, in welcher
Lage die ,,Normalkurve" die MeSkurve am besten iiberdeckt.
Die Ablesegenauigkeit der Abszisse des verschobenen Einheitspunktes der ,,Normalkurve", die durch die Lange dividiert den
Langen-Druck-Absorptionskoeffizienten lieferte, wurde durchschnittlich mit etwa 5 Proz. eingeschatzt. Die Schwankungen
der aus den einzelnen Beobachtungen gebildeten Mittelwerte,
die sehr gering waren, sind in diesem Wert in ihrer Gesamtheit mit beriicksichtigt. Es wurde sich also eine Beimischung
von 10 Proz. einer Strahlung, deren Absorptionskoeffizient nur
die Halfte des beobachteten betragt, bereits deutlich aus der
Lage der Kurve erkennen lassen.
36 *
648
H. Kurtz
Daretellung der Gaee
Die verwendete Luft wurde langsam durch konzentrierte
Schwefelsaure geleitet und vor der Einfiihrung in die Ionisationskammer uber Phosphorpentoxyd getrocknet.
Der Sauerstof wurde elektrolytisch dargestellt, durch destilliertes Wasser von eventuell mitgerissener Siiure befreit und
iiber Phosphorpentoxyd getrocknet.
Sticlistof gewann man durch Erwiirmen einer Losung von
Ammoniumchlorid und Natriumnitrit in Wasser. Zur Befreiung
von Stickoxyden wurde zunachst mit Kaliumbichromat gewaschen. Dann wurde das Gas durch destilliertes Wasser
und durch konzentrierte Schwefelsaure geleitet und zuletzt
iiber Phosphorpentoxyd getrocknet.
Das Kohlenmonoxyd wurde gewonnen, indem man zu einer
auf 1000 C erwiirmten konzentrierten Schwefelsaure tropfenweise Ameisensiiure hinzugab. Das entstehende Gas wurde
rnit Natriumbicarbonat, und destilliertem Wasser gewaschen
und rnit Chlorcalcium und Phosphorpentoxyd getrocknet.
Zur Darstellung von Kohlendioxyd wurde Calciumcarbonat
durch Salzsaure zersetzt. Das Gas wurde durch destilliertes
Wasser gewaschen und rnit konzentrierter Schwefelsaure und
Phosphorpentoxyd getrocknet.
@ixzn wurde aus Zinkiithyl dargestellt. Wegen der Selbstentziindlichkeit an Luft wurden die das Zinkathyl enthaltenden
Glaskiigelohen in eine Flasche gebracht, die mit einem Gummistopfen verschlossen und evakuiert wurde. Danach wurden die
Kiigelchen rnit einem zu diesem Zwecke vorher durch den
Gummistopfen gefiihrten Glasstab zerdruckt und so das Zinkathyl fiir die Reaktion mit dem tropfenweise durch einen
Tropftrichter zugefuhrten Wasser freigegeben. Das erzeugte
&han wurde durch destilliertes Wasser gewaschen und dann
nacheinannder mit konzentrierter Schwefelsaure, Calciumchlorid
und Phosphorpentoxyd getrocknet.
Grundnuge der Bereahnung der Strahlungeumw.andlung
in einer Celluloidschioht
Die auf S. 532 erwahnte Abschatzung der Strahlungsumwandlung geschah auf folgenden Unterlagen i
Die Absorption der KohlenstofiK-Strahlung in C,.N upid 0
519
Die spektrale Intensitatsverteilung der Primkstrahlung
wurde gema6 der von Kulenkampff') angegebenen Formel
J , = C.Z[(V, - u) + 2.61
angenommen.
F u r die Berechnung der Intensitaten der verschiedenen
Sekundar- und Tertiar-K-Strahlungen des Celluloids wwde eine
bei D a m m e r 2, angegebene Analyse zugrunde gelegt, der zufolge das Celluloid aus 64,89 Proz. Nitrocellulose, 32,86 Proz.
Kampfer und 2,25 Proz. Gelatinierungsmitteln und Farbstoffen
besteht. Wenn man die unbekannte Zusammensetzung der
Gelatinierungsmittel und der Farbstoffe unberiicksichtigt 1a6t,
ermittelt man aus diesen Angaben folgende prozentuale Zusammensetzung des Celluloids:
5,6 Proz. Wasserstoff,
45,5 ,, Kohlenstoff,
7,4 ,, Stickatoff,
41,5 ,, Sauerstoff.
Die Absorption des Wasserstoffs wurde vernachl8ssigt. Die
der iibrigen Bestandteile wurde additiv zusammengesetzt unter
Zugrundelegung der fur Kohlenstoff-K-Strahlung ermittelten
Werte und der nach dem Holw eckschen Absorptionsgesetz
-=
D
const.i2*5
hieraus extrapolierten Werte.
F u r den Absorptionssprung bei Anregung einer Eigenstrahlung wurde der Wert 8 verwendet, der, wie schon erw a n t , aus den bei A l l en aufgefuhrten Absorptionsspriingen
extrapoliert wurde.
F u r alle Urnwandlungen wurde derselbe Umwandlungskoeffizient u in Rechnung gestellt. F u r das Verhiiltnis der
Sekundiirstrahlung der verschiedenen Elemente fallt er fort;
die tertiaren werden ihnen gegeniiber schon aus geometrischen
Grunden so schwach, daB der genaue Wert von u nicht mehr
ins Gewicht fallt. Es wurde daher hier u 1 gesetzt. Die
Absorption und Umwandlung der Sekundiir- und TertilrI
:
1) H. Kulenkampff, a. a. 0.
2) 0.Dammer, a. a. 0.
3) S. J. M. Alien, a. a. 0.
H. Kurtr
550
strahlungen wurde ermittelt, indem die in der ganzen Schichtdicke erzeugte Strahlung auf die Vorderseite der Celluloidschioht zuriickverlegt wurde. Die Divergenz der Strahlung
wurde beriicksichtigt durch Benutzung der bei Mey e r und
S c h w e i d l e r l ) angegebenen Formel fur die Absorption eines
Strahlenbltndels mit dem Offnungswinkel 9. in einer planparallelen Schicht von der Dicke x:
J, =
worin
J~
{a(a2) - cos 8 - 0 (a2 sec ,
17))
2 (1 - COB 4)
W
@(ax) = e-ax
- axJe-'*
u
und
u =
(1X
-.cos
4
ax
Darin bedeutet DC den Langenabsorptionskoeffizienten, J,
und J, bzw. die Eintritts- und die Austrittsintensitat.
Zusammenfassung
1. Es werden die Massen-Absorptionskoeffizienten fur
Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd und
h h a n fur Eohlenstoff-K-Strahlung ermittelt.
2. Hieraus werden die atomaren Absorptionskoeffizienten
fur 0, N, C ermittelt unter Zugrundelegung der Gultigkeit
des Qesetzes von der einfachen Additivitat der Atomabsorptionen im Molekiil.
3. Dieses Qesetz gilt auch fur diese sehr weiche Strahlung
noch. Ein EinfluS der chemischen Bindung ist nicht festzustellen.
4. Die Abhangigkeit des Absorptionskoeffizienten von der
Ordnungszahl folgt fiir die untersuchte Strahlung, deren
Wellenliinge etwa lOOmal so grog ist wie die der am bequemsten zuganglichen Rontgenstrahlen, dem Gesetz
const. z4**
* Of4.
Darin ist der Wert der Konstanten gleich (1,7 & 0,2)
Die vorliegende Arbeit wurde auf Veranlassung von Hm.
Prof. Dr. Hoseel unternommen. EE ist mir eine besondere
Pflicht, ihm an dieser Stelle fiir die Uberlassung des Themas,
l%At =
1) St. Meyer u.
E.v. Schweidler, Radioaktivitst S. 73.
-
Die Absorption der Kohlenstoff-K-Strahlung in C, N und 0 551
fur das standige Interesse, welches er dem Fortschreiten der
Arbeit entgegenbrachte, und fur die stete Forderung zu danken.
Ferner schulde ich den Herren Direktoren des Instituts
fur Experimentalphysik, Hrn. Geh. Reg.-Rat Prof. Dr. D i e t e r i ci
und Hm. Prof. Dr. Geiger, fur die bereitwillige uberlassu~g
von Apparaten ihres Instituts, Dank.
Die Quecksilber-Stufenstrahlpumpe und die Hochspannungsakkumulatorenbatterie waren von der Notgemeinschaft deutscher
Wissenschaft zur Verfugung gestellt. Auch dafiir mochte ich
an dieser Stelle verbindlichst danken.
(Eingegangen 12. Januar 1928)
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