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Die Beeinflussung langsamer Protonen durch neutrale Gasmolekle (Gesamtwirkung Streuung Umladung).

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llamsaurr u. Kollath. Beeinflussung langsanier Protonail usw. 755
D i e Beeinfl ussunq Zan geamer Prot onen
dacrch neutr*aZe GasrnoZekiJZe
(Geearnt wir7Gumg, Streutcng, UnzZadung)
Vow C. R a r n s a u e r u n d R. E o t Z a t h
(Aus dem Forschungsinstitut der AEG.)
(Mit 19 Figuren)
I n einer friiheren Arbeit iiber den m'irkungsquerschnitt
der Gasrnolekule He, Ne, ,4r, H,, N, gegeniiber langsamen
Protonen l ) hatten wir in qualitativen Versuchen gefunden, daB
verschiedene Beeinflussungen der Protonen beim ZusammenstoB
zwischen Protonen und Gasmolekiilen vorkommen: Die Protonen
konnen gestreut werden, wobei damals nicht weiter untersucht
wurde, unter welchen Bedingungen diese Streuung im einzelnen
stattfindet, ferner konute indirekt auf das Vorhandensein von
langsamen geladenen Teilchen geschlossen werden. I n einer
spateren Arbeit 2, stellten wir dann durch quantitative Einzeluntersuchungen fest, daB die Streuung von Protonen an Gasmolekiilen nach den Gesetzen des elastischen StoBes stattfindet
und daB auBer dieser elastischen Streuung nur noch der oben
a n zweiter Stelle genannte Vorgang auftritt. Abgesehen von
der tiefer gehenden Losung einiger Einzelfragen, sollen hier
die Resultate der beiden vorangegangenen Arbeiten erweitert
werden, und zwar durch Ausdehnung der Wirkungsqwrschnittmessungen auf die Edelgase Krypton und Xenon, sowie Methan,
und durch Ausdehnung der Xtreumessuugen auf die Edelgase
Krypton und Xenon. Der Zweck der vorliegenden Arbeit ist
also der, das gesamte Versuchsmaterial soweit zu vervollstandigen, daB Schlusse allgemeinerer Natur moglich werden.
1) C. Ramsauer, R. K o l l a t h u. D. Lilient,hal, Ann. d. Phys.
[5] 8. S. 709. 1931, im folgenden zitiert als ,,WQ-Arbeit".
2) C. Ramsauer u. R. K o l l a t h , Ann. d. Phys. [5] 16. S. 570.
1933, im folgenden zitiert als ,,Streuarbeit".
756
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 17. 1933
Experimentelle Erweiterung dee &us zwei friiheren Arbeiten
der Verff. (,,WQ-Arbeit"und ,,Strau&rbeit")bekannten Materials
1. Wirkungsqnerschnittmessungen an K r y p t o n , Xenon,
Methan
Experimentelles. Die Apparatur fur die Messung des
Wirkungsquerschnitts (WQ) ist genau dieselbe, wie sie in der
,,WQ-ArbeitLLbereits so ausfiihrlich beschrieben wurde, dafl
sich hier eine Besprechung eriibrigt. Es sei nur daran erinnert, da8 die Protonen an einer metallischen Lithiumflache
durch Elektronenbombardement ausgelost , im Felde eines
Elektromagneten homogenisiert und von mitlaufenden anderen
Ionen befreit wurden. Die WQ-Messung selbst fand am geradlinigen Strahl rnit zwei hintereinander geschalteten Kafigen
statt, von denen der Durchgangskafig eine Lange von 4cm,
der Auffangkafig eine Lange Ton 7 cm hatte. Die jetzige
Methodik wurde in allen Einzelheiten den fruheren Versuchen
angepagt, um eine moglichst weitgehende Vergleichbarkeit der
Resultate zu sichern. Speziell wurden zwischen MeBpunkten
in den neu durchzumessenden Gasen Kontrollinessungen an
den schon friiher untersuchten ausgefuhrt. Das fur die
Messung benutzte Krypton enthielt eine Beimengung von
2 0 i i , Xe, das Xenon enthielt 5 O/, Kr. Die WQ-Kurven sind
entsprechend diesen Beimengungen auf 100 O/,igen Kr- bzw.
Xe-Gehalt korrigiert. Sie wurden ferner, ebenso wie die
friiheren Messungen, von Zimmertemperatur auf O o C umgerechnet.
iMelj.ergebnisse. Fig. 1 zeigt den WQ von Krypton rnit
MeSpunkten. Von 30 Volt an steigt die Kr-Kurve rnit wachsender
Protonengeschwindigkeit zunBchst ziemlich steil an, erreicht
bei etwa 400 Volt ein Maximum, urn dann langsam wieder
abzusinken. Bei den ersten orientierenden Messungen war
dabei jede Xr-Messung von einer Vergleichsmessung in Ar
begleitet, da besonders der Anstieg bei kleinsten Geschwindigkeiten, verglichen rnit dem Charakter der ubrigen in der
,,WQ-Arbeit" durchgemessenen Edelgase He, Ne, Ar die
hier samtlich eineu Sbfall zeigen, uns sehr iiberraschte. Aus
diesem Grunde wurde auch bei den endgiiltigen Messungeu (00)
der Anstieg der Kr-Kurve zwischen 30 und 120 Volt gegenuber
dem Abfall der Ar-Kurve in demselben Interval1 nochmals
durch unmittelbar an die Kr- ( 0 0 ) anschlieBende Ar-Messungen
( x X ) bewiesen, die gut rnit der Argonkurve aus der ,,WQArbeit (- - -) zusammenfielen.
Fig. 2 gibt unsere WQ-Messungen an Xenon. Dieses
Edelgas bereitete bei der Messung einige Schwierigkeiten,
-
Ramsauer u. Kollath. Beeinflussung langsamer Protonen usw. 757
1
0
k2
I
0
e
5
I
w
a
w'/z w3 ui j o0 pun f i w~ w ~!aq pp.wanbsfiun+JM
wohl hauptskhlich die verhiiltnismaBig groBe Streuung der
MeBpunkte in Xenon bedingt. Jedenfalls eeigten sber Messungen bei kleinem Druck ( 0 0 ) und Messungen bei groBeni
Druck (0
0)sowie Kontrollpunkte, die in einem groBeren Zeit-
758
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 17. 1933
abstand aufgenommen waren (# a),keine systematische Streuung.
Der eingezeichnete Kurvenverlauf ist demnach nicht als quantitativ gesichert anzusehen, gibt aber den Charakter der WQKurve sicher richtig wieder. Die Xe-Kurve fallt also bei
kleinen Protonengeschwindigkeiten ebenso wie die He-, Neund die Ar-Kurve im Gegensatz zur Kr-Kurve mit steigender
Geschwindigkeit zunachst schnell, dann langsamer ab, ohne
in dem hier untersuchten Geschwindigkeitsbereich einen Wiederanstieg bzw. ein Maximum zu zeigen.
I n Fig. 3 sind die WQ-Messungen an Methan dargestellt.
Mit steigender Geschwindigkeit nimmt der WQ zunachst von
einem verhaltnismaBig hohen Wert (1T O cm2/cm3) schnell ab
bis zu 90 cma/cm3 bei 225 V, um dann bis zu 2000 Volt
ganz langsam weiter zu fallen. Der Kurvenverlauf wurde an
drei typischen Stellen durch Vergleich niit auf die CH,Messungen ( 0 0 ) unmittelbar folgenden Ar-Messungen ( x x )
gestutzt, die fruher festgelegte Ar-Kurve ist in Fig. 3 zum
Vergleich als gestriclielte Linie miteingetragen.
2. S t r e u m e s s n n g e n an K r y p t o n u n d X e n o n
Die folgenden Messungen iiber die Streuung von Protonen
a n Kr- und Xe-Atomen schliel3en sich, was die Apparatur
und die MeBmethodik anbelangt, unmittelbar an die Messungen
unserer ,,Streuarbeit" an. Es sollen liier nur einige apparative
Anderungen besprochen werden, die einerseits giinstigere Intensitatsbedingungen schaffen und damit eine schnellere und
sichere Messung ermiiglichen sollten und die andererseits durch
die Besonderheiten der untersuchten Gase bedingt waren.
Experimentelles. Wiihrend friiher die Protonen in der
Form beschleunigt wurden, daB sie vor dem Magneten stets
30 Volt und hinter dem Magneten ihre Endgeschwindigkeit
erhielten, erwies es sich jetzt besoiiders in TTerbindung mit
der ini niichsten Absatz beschriebenen Einrichtung als gunstig,
vor dem Magneten eine Gescliwindigkeit von 40 Volt zu erteilen. Um die Vergleichbarkeit der fruher erhaltenen Resultate mit denjenigen nach dieser neuen Beschleunigungsforni
zu sichern, wurden die magnetische Verteilungskurve 1) a n d
die Gegenspannungskurve eines Protonenstrahls fur beide Beschleunigungsformen direkt hintereinander aufgenommen. I n
den E'igg.4a, b werden die Kurven mit 30 Volt IBeschleunigung
vor und 30 Volt hinter dem Magneten (0
0)und die Kurven
1) Vgl. C. R a m s a u e r
1931.
11.
R. K o l l a t h , Ann. d. Phys. [5] 8. S. 703.
Ramsauer u. Kollath. Beeinflussung langsainer Protonen usw. 759
mit 40 Volt vor und 20 Volt hinter dem Magneten ( x X ) einander gegeniibergestellt. Hierbei liegt natiirlich an sich in
Fig. 4 a die x X-Kurve entsprechend der hoheren Protonengekhwindigkeit bei
hoheren Magnetspulenstromstarken; um
aber die Form der
rriagnetischen Verteilungskurven gut
vergleichen zu konnen, sind die Maxima beider Kurven
(lurch Verwendung
verschiedener
Ab0
?
2
3
szissenmabstiibe aufMaynetspulen -Stramstarke -+
ei!!andergelegt: die
Fig. 4 a. Gleiche magnetische Verteilungs17bereinstimmung
kurven bei der
friiher benutzten : o o Beschleunigungszwischen beiden Kurform
jetzt benutzten: x x
ven ist nahezu voll(Maxima aufeinandergelegt, vgl. Text)
stindig. I n den Qegenspannungskurven
der Pig. 4 b zeigt sich
die friiher benutzte
Beschleunigungsform der jetzigen etwas iiberlegen insofern, als der Abfall
der Gegenspannungslrurve jetzt nicht
mehr ganz so scharf
ist wie friiher, doch
is!. auch hier die
Ubereinstimrnung
Fig 4 b. Gegenspannungskurven
der Gesamtmenge bei der
fur den unmittelbafruher benutzten : 0 0 Beschleunigungsrenvergleich der Reforin
jetzt benutzten: x x
sultate ausreichend.
Nach dem Ergebnis dieser Kontrollmessungen, die die Gleichwertigkeit beider Beschleunigungsformen beweisen, wurde in den
nieisten Fiilleii die neue Beschleunigungsform benutzt.
Eine merkbare VergroBerung der Strahlinten sitat wurde
durch die Anbringung einer elektrostatischen Sammellinse fur
die
Protonen erreicht.') Ihre Anordnung in der Apparatur geht
~. _ _
]
)
1) Die Anregung z ~ i r Renutzung einer solchen Linse verdanken
wir Herrn 0. S c h e r z e r .
760
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
aus der schematischen Fig. 5 hervor: Der durch den Magneten
homogenisierte und senkrecht nach unten gerichtete Protonenwird zunachst
strahl von 40 Volt Geschwindigkeit (---)
zwischen Magnetaustrittsblende und Horizontalblende rnit
weiteren 20 Volt beschleunigt und tritt dann in das Feld der
Sammellinse L ein. Diese besteht aus drei Messingblechen
rnit gleich groBen Kreisoffnungen
(Durchmesser 5 mm), deren mittlere auf variablem Potential
(Optimum bei etwa - 70 Volt)
liegt, wahrend die beiden auBeren zusammen mit dem Konus K
geerdet sind. Die Wirkungsweise einer solchen Lime ist
bereits von anderer Seite weitgehend beschrieben worden.')
Es mag hier nur darauf hingewiesen werden, daB eine elektrostatische Linse bei entsprechender Potentialumkehr gegeniiber Elektronen und gegeniiber
Fig. 5. Snordnung der Protonen- Protonell die gleiche Wirkung
sammellinse L in der Streuapparatur
(Skizze unten abgebrochen !)
ausiibt. Die Protonenintensitat
im Streuraum wurde gewohnlich
auf das zwei- bis dreifache durch Anschaltung des Linsenpotentials verstarkt ; eine Verschlechterung der Strahlgeometrie
im Streuraum war gegeniiber den friiheren Messungen nicht
festzus tellen.
Die Gase Kr und Xe stromten in die Apparatur nicht
wie fruher aus einem groBeren Vorratskolben durch eine
Kapillare ein , sondern direkt durch einen PrytzverschluB,
dessen Magnesiastabchen so ausgesucht war, daB sich der gewiinschte Druck in der Apparatur einstellte. Das Krypton
enthielt 2 O/,, Xe, das Xenon enthielt 5 O/,, Kr, eine entsprechende Umrechnung der Resultate auf 100 O/!, igen Krbzw. Xe-Gehalt wurde nicht vorgenommen. Wie bei den
WQ-Messungen wurde die Apparatur bei Rr-Fiillung rnit
fliissiger Luft, bei Xe-Fiillung mit Petroliitherschmelze (- 140° U)
gekuhlt. Kontrollmessungeu in Ar rnit Petrolatherschmelze
als Kiihlung ergaben das gleiche Resultat wie fruher in der
,,Streuarbeit" mit flussiger Luft als Kuhlung.
1) Vgl. H. J o h a n s s o n u. 0. S c h e r z e r , Ztschr.f.Phys. 80. S. 183.
1933.
Ramsauer u. Kollath. Reeinjlussung langsamer Protonen uszu. 763
Mebergebnisse. Fig. 6 zeigt Gegenspannungskurven bei
64 Volt Primargeschwindigkeit in Krypton fur verschiedene
Zonen. F u r Zone 2 (oberstes Bild) haben wir einen ganz
analogen Fall vor uns, wie wir ihn bereits von den Messungen
an He und Ar aus der ,,Streuarbeit" kennen: Die Gegenspannungskurve fallt in der Nahe von 0 Volt und in der
Nahe von 60 bis 65 Volt ab, wiihrend sie in ihrem anderen
Teil horizontal verlauft: Es treten also in Kr neben zahlreichen
langsamen geladenen Teilchen (steiler Abfall bei 0 V) auch
4
B
B -\
-40
Fig. 6. Gegenspannungskurven
in Krypton
an verschiedenen Zonen
I
I
I
; -;
-
i-"
0
+W
+ 80
Gtgenpannung in VaN A
Fig. 7. Gegenspannungskurven
in Xenon
an verschiedenen Zonen
elastisch gestreute Protonen auf (Abfall bei etwa 60 bis 65 Volt).
Ganz ahnliche Verhaltnisso zeigen das mittlere und das untere
Rild fur Zone 4 und 8, wenn hier auch schon der Kurvenabfall zwischen 60 und 65 Volt gegenuber dem bei 0 V nur
noch schwach angedeutet ist.
Die Gegenspannungskurven in Xenon (Fig. 7) erhalten fur
alle untersuchten Zonen (2, 4, 8) einen vollig einheitlichen
Charakter dadurch, daB der der elastischen Streuung entsprechende Kurvenabfall zwischen 60 und 65 Volt vollig verschwunden ist, die gesamte Aufladung der Zone wird hier
also durch langsame geladene Teilchen hervorgerufen. Besonders an denjenigen Stellen, wo der Kurvenabfall zu erwarten ware, welcher elastischer Streuung der Protonen entAnnalen der Physik. 5. Folge. 17.
50
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
762
spricht, (+), sind alle drei Kurven innerhalb der Trersuchsfehler vollig horizontal.
Winkelverteilungskurven der elastisch gestreuten Protonen
werden bei Kr und Xe nicht gegeben, weil in Xe iiberhaupt
keine elastisch gestreuten Protonen vorhanden sind, in Kr
nur so wenig, daB eine gesicherte Festlegung der Winkelverteilungskurve nicht nioglich war.
3. L a d u n g u n d G e s c h w i n d i g k e i t d e r l a n g s a m e n T e i l c h e n
Wir wollen jetzt untersuchen, was fu r Teilchen den Abfall der Gegenspannungskurven bei 0 Volt hervorrufen (vgl.
Figg. 6 und 7). Rein formell kann es sich um ankommende
positive Teilchen (verlangsamte Protonen oder positive Ionen
aus dem Streuraum) oder urn weggehende negative Teilchen
(an der MeBzone ausgeloste Sekundarelektronen) handeln.
Hierbei konnten die Sekundarelektronen allerdings nicht durch
schnelle positive Teilchen liervorgerufen sein, da solche, wie
der weitere Verlauf der Gegenspannungskurve zeigt, z. B. in
Xe uberhanpt nicht, in Kr in zu kleiner Zahl vorhanden sind,
wiihrend in diesen beiden Gasen gerade die positive Zonenaufladung bei negativer Gegenspannung besonders deutlich
auftritt; es ware aber denkbar, daB schnelle Neutralteilchen,
die bei Umladungsprozessen entstehen , auch gleichzeitig in
verschiedene Riclitungen gestreut werden und beini Auftreffen
auf die Zone Sekundarelektronen hervorrufen. Wir haben
jedoch bisher keinen Anhaltspunkt iiber das Vorhandensein
und die eventuelle Wirkung solcher schnellen neutralen HAtome. Wir glaubten deslialb die obige Frage, ob es sich
bei der positiven aufladung der MeBzone urn ankommende
positive Teilchen oder uni weggehende negative Teilchen h m delt, direkt experinientell klgren zu sollen.
Als Versuchsgas wurde Metlian gewahlt, m i l Methan zu
denjenigen Gaseri gehort , welche iiberhaupt keine elastische
Reflexion zeigen'), so daB die Verhiiltnisse fur den hier zu
untersuchenden Vorgang besonders einfach liegen, andererseits
ist Methan dem Xenon, das Gegenspannungskurven von gleicher
Form besitzt, am auBeren experimen tellen Qriinden vorzuziehen.
I n Fig. 8 ist Zuni besseren Verstandnis des folgenden der fur
diese Messungen wichtige Teil der Streuapparatur herausgezeichnet ; der Protonenstrahl (- -) durchlguft nach Passieren
der ,,Druckblende'l B zwischen den beiden Konussen V den
1) Vgl. die Gegenspannungskurven in Fig. 7 der :,Streuarbeitl' auf
S. 581.
Ramsuuer u.ICotlath. Beeinflussung langsanzer Pmlonen usw. 'if:{
Streuraum S von oben nach unten. Wir erteilten zuntichst
der MeBzone (2 8) eine negative Gegenspannung von 20 Volt
gegenuber dem Null-Potential von Konus und Netz N , so daB
wir entsprechend den Gegeaspannungskurven eine starke positive Aufladung der MeBzone erhielten und
,
variierten dann das Potential des Netzes
zwischen 0 und + 3 Volt, wiihrend der Konus K
dauernd auf dem Potential 0 blieb. Die dabei
erhaltenen Aufladungen der MeBzone Z 8 sind
in der folgenden Tab. 1 zusammengestellt:
s
Tabelle 1
- ~______Aufladung
Potentiale in Volt an
ider R&%one
~-
-
l_ _ N
_ _K _ _
~
_
-1
1 -~
2 ~8
_~
_ __
_ __
____
__
_
0
0
0
+2
- 20
I
100
70
8
i/7
~
I
/
Fig. 8. Schnitt
durch den
Streuraum
(nur zur Halfte
gezeichnet !)
I m E'alle von weggehenden langsamen negativen Teilchen,
d. h. Sekundgrelektronen, die durch schnelle zleutrale Teilchen
an Z 8 ausgelost sein kijnnten, ist f u r die GroBe der Aufladung die Potentialdifferenz zwischen N und Z 8 maWgebeni1,
die Steigerung dieser Potentialdifferenz konnte dalier keine
Verringerung der Aufladung von Z 8 hervorrufen.
I m Palle von ankommenden langsamen psiliven, Teilchen
ist die Potentialdifferenz zwischen I< und N niaBgebend. Die
Steigerung dieser Potentialdifferenz in positivem Sinne fur X
mug eine schnelle Verringerung der positiven Bufladung hervorrufen, derart, dab diese Aufladung gleich Null wird, wenn
die Potentialdifferenz gleich der Voltgeschwindigkeit der 1)ositiven Teilchen wircl. Der letztere Fall liegt nach Tab. 1 offensichtlicli vor. Die Aufladung der MeBzone wird also durch
langsame positive Teilchen von einer Geschwindigkeit hervorgerufen, die unter allen UrnstBnclen unterhalb 3 Volt, wahrscheinlich aber inerklich tiefer, oielleich% sogar in der Ntihe
von 0 Volt 1iegt.l)
1) Bei der Auswertung von Tab. 1 ist nlimlich zu beriicksichtigen,
daW das VerhiiltnismaWig weitmaschige Netz N einen merklichen Durchgriff der Potentialdifferenz zwischen K und Zh' gestattet und dadurch
eine Erhohung der Geschwindigkeit vortauscht.
50 *
764
Annalen der Physik. 5. Ir'olge. Rand 17. 7.933
I n Anbetracht der einheitlichen, sehr kleinen Geschwindigkeit der positiven Teilchen ist es unwahrscheinlich, daB es
sich bei diesen urn Protonen handelt, da letztere samtlich
genau den gleichen Geschwindiglreitsverlust bei der Wechselwirkung mit den Gasmolekiilen erlitten haben miifiten, was
kaum anzunehinen ist. l) Diese langsamen positiven Ionen sind
vielmehr hochstwahrscheinlich Gasteilchen , die bei Umladungsvorgangen positive Ladung erhalten haben, d. h. denen das
Proton ein Elektron weggenommen hat. Entsprechend diesem
Gedankengang wollen wir im folgenden uns diese Ionen als
durch Umladungsvorgange entstanden denken und ihre auf
allen Zonen aufgefangeue Gesamtzahl der Zahl der Umladungsprozesse im Streuraum gleichsetzen, wenn wir uns aueh daruber klar sind, daB eine endgiiltige Entscheidung nur durch
massenspektrographische Untersuchungen moglich ist.
4. D a s V e r h a l t n i s d e r Z a h l d e r e l a s t i s c h g e s t r e u t e n P r o t o n e n
zur Zahl der umgeladenen Teilchen fur verschiedene Base
u n d P r o t o n e n g e s c h w i n d ig k e i ten
Die Form der Gegenspannungskurven, die in dieser Arbeit sowohl wie in der ,,Streuarbeit" gefunden wurde, ermoglicht zunachst fur eine bestimmte Zone, d. h. fur eine bestimmte Untersucliungsrichtung, die Feststellung der Zahl derjenigen ZusammenstoBe, bei denen die Protonen elastisch gestreut werden (Stufenhohe bei 80-65 Volt in Fig. Ga) relativ
zur Zahl derjenigen ZusammenstoBe, lsei denen die Protoneu
umladen (Stufenhohe 0 Volt i n Fig. Ga). Will man dieses
Verhaltnis ohne Riicksicht auf die Untersuchungsrichtung fiir
alle im Streuraum vorkommenden ZusammenstGBe zwischen
Protonen und Gasmolekulen erhalten, so mug man alle 11 Zonen
gleichzeitig niit dem Elektrometer verbinden. Hierbei l M t sich
die MeRmethodik dadurch vereinfachen, daR nicht die Gegenspannungskurve in ihrem Gesamtverlauf aufgenommen, sondern
nur die Hohe der beiden Stufen durch Messung der Zonenaufladungen vor und hinter der Stufe festgestellt wird. Im Anschluf3 an die ,,Streuarbeitii2)wollen wir im folgenden der kiirzeren
Darstellung wegen die Hohe derjenigen Stufe, die der Zahl
1) Die Annahme, daB es sich urn Ionisationsvorgihge handelt,
scheidet deswegen aus, weil bei den Versuchen die Elektronen und die
positiven Ionen nicht in entsprechender Anzahl gefunden worden sind.
2) Die genauere Definition dieser beiden Stufen wird in der ,,Strew
arbeit" auf S. 573 in Fig. 2a gegeben. Die untere Grenze fur ,,Stufe A"
ist deswegen so niedrig gewahlt, weil der gesamte Geschwindigkeitsbereich der unter verschiedenen Winkeln gestreuten Protonen erfaBt
merden muB.
Rarnsauer u.Iiollath. Beeinflussung langsamer Protonen usw. 765
der elastisch gestreuten Protonen entspricht, als $tufe A", die
Hohe derjenigen Stufe, die der Zahl der urngeladenen Protonen
bzw. ,,Stufe Bib
entspricht, als ,,Stufe BLbbezeichnen. ,,Stufe ALL
lassen sich dann in ihrer relativen GroBe gegeneinander durch
Messung der Aufladungsdifferenz des Elektrometers bei Gegenspannungen von + 10 und + 70 Volt bzw. yon - 10 und
+ 10 Volt festlegen , wenn die Protonenprimargeschwindigkeit
60 Volt betragt; bei groBeren Protonenprimargeschwindigkeiten
ist die obere Grenze (+ 70 Volt) entsprechend zu erhohen.
Die so gefundenen Verhaltniszahlen sind in Kolonne 3 von
Tab. 2 in Prozenten der Gesamtzahl der ZusammenstoBe eingetragen, die zugehorigen Gase und Protonengeschwindigkeiten
s i d in Kolonne 1 und 2 angegehen.
Tabelle 2
4
3
lelative Stufenhiihe
Gase geschwinin
digkeit in
,Stufe A" ,Stufe B"
Volt
_ ~_
_ _
I
80
7475
8
175
28
- 115-~
8015
7%
65
4775
41
He
{I
60
150
28
23
80
67
20
2575
92
Korrigierte Werte in o/o
Urnladung
%samtwirkung
.
-
17
9876
72
9875__
1975
257,
35
5%
59
77
72
20
33
An den MeBwerten der Kolonne 3 sind noch Korrekturen
anzubringen mit Rucksicht darauf, daB bei der Messung aus
rein iiuBerlichen Griinden die auf Zone 6 und auf dem Netz
ankommenden Teilchen nicht mitgemessen werden , und daB
ferner diese Verhaltniszahlen zunachst nur fur denjenigen Streuwinkelbereich gelten, der von der Zonenapparatur erfaBt wird. Netz. Der Ionenstrom auf das Netz war, wie einige Kontrollversuche zeigten unter den Verhaltnissen, fiir welche die obigen
Messungen durchgefuhrt sind, vernachlassigbar klein; eine Korrektion fur diese Fehlerquelle ist daher nur fur die elastisch gestreuten Protonen entsprechend dem Verfahren in der ,,Streu-
766
AnnnleiL der Physik. 6. Folye. Rand S7. 1933
arbeit" notwendig. - Zoize 6. Urii diese Korrebtion anbringen zu
konnen, a urde die Verteilung der Umladungsionen und der
elastisch gestreuten Protonen auf die verschiedenen Zonen
festgestellt. Die Aufladungen f u r Zone 6 wurden dann zwischen
den Aufladungen der Zone 5 und 7 iiiterpoliert und sowohl
f u r die elastiscli gestreuten als auch fur die umgeladenen
Teilchen eingerechnet. - Iileinste und gropte Streuwinkel. Die
Verteiliingen der elastisch gestrenten Protonen und der Umladungsionen auf die verschiedenen Zonen zeigten ferner, daB
clie experimentell gefundenen Verhaltniszahlen bei Reriicksichtigung der kleinsten und griiBten Streuwinkel fiir die Umladungsionen und bei Reriiclrsichtigung der grii6ten Streuwinkel
fiir die elastisch gestreuten Protonen sich kaum Bndern, d a
riur verschwindend wenige umgeladene Ionen unter U'inkeln
nahe 0" und 180 und verschwindend wenige elastiscli gestreute
Protonen unter Winkeln nahe 180 O aufgefangen werden. Dagegen steigt die Zahl der elastisch gestreuten Protonen mit
abnehmendem Streuwinkel in dcr Niihhc von 0" so stark an,
daD hier eine sichere Extrapolation bis O 0 hin nicht nioglich
ist. Mit eiuiger Sicherheit durchfiihrbar ist jedocli eine
Korrektion bis zu demjenigen Streuwinkel herab, der in der
,,WQ-Arbeit" von der Messung nocli gerade erfaBt wurde. Auf
cliesen durch die geometrischen Verhgltnisse der Versuchsanordnung in der ,,VrQ-Arbeit" definierteii Grenzwinkel haben
wir korrigiert, weil dies gleichzeitig die Moglichkeit eines unmittelbaren Vergleichs der korrigierten Verhaltniszalilen mit
den friiheren WQ-Messungen bietet.
An Hand der so korrigierten Verhaltniswerte in Kolonne 4
vou Tab. 2 kennen wir also jetzt den relativen Anteil von
elastischer Streuung und Umladung an der Gesamtwirkung der
Gasmolekule gegeniiber Protonen, wobei ,,G esamtwirkung" dasselbe bedeutet, was schon friiher die Wirkungsquerschnittapparatur in der ,,WQ-ArbeitiL als Sunime aller Beeinflussungsmijglichkeiteri definierte.
Diskussion des Versuchsmaterials
(einschlieBlich der zwei fruheren Arbeiten derVerff. ,,WQ-Arbeit"
und ,,Streuarbeit")
iiber die Wechselwirkung zwischen langsamen Protonen
und neutralen Gasmolekulen
1. D i e B e e i n f l u s s u n g d e r P r o t o n e n d u r c h E d e l g a s a t o m e
Fig. 9 zeigt die WQ-Kurven der Edelgase gegeniiber langsamen Protonen. Der WQ ist sowohl in seiner Abhgngigkeit
von der Protonengeschwindigkeit als auch besonders in seiner
absoluteri GroBe f u r die verschiedenen Edelgase au6erordentlich verscliieden. So verhalten sich z. R. bei der kleinsten
hier untersnchten Protonengeschwindigkeit von 30 Volt die
Querschnitte des He-, Ne-, A;,
KP-, X e -Atoms gegenuber 201
Protonen wie 1 :2 : 7 : 13 : 34,
wshrend die entsprechenden
VerhLItnisse fur die gaskinetischen Querschnitte der Edelgase 1 : l,, : 2,z : 2,, : 3,, lauten.
Andererseits ordrien sich aber
die WQ-Kurven in ihrem Gesamtverlauf deutlich in einer m&
Reihenfolge, die der Reihenfolge im periodischen System
entspricht. Man erkennt auBer- $lob
dem die Andeutung einer gewissen Entwicklung der KurP
venform voni He zum Xe.
Einen tieferen Sinn gewinnt der Vergleich der ver- B
schiedenen Gase aber erst d a m , h
wenn man nicht die Gesamtwirkung, sondern gleichartige $Teilwirkungen, d. h. die Streu- 9
ung oder die Umladung untereinander vergleicht. Zu diesem
0
20
40
Zwecke miiBte man den WirProtonengeschwindigkeit in
kungsquerschnitt in seine beiden- Simmanden, den StreuFig. 9. Wirkungsquerschnitt
der Edelgase gegeniiber langungscyuerschnitt
. ..und den E m D,,enrrn..
“ l o m....17+:--
2
3
’
f
m---t
,
der Protonengeschwindigkeit
Das dafiir notwendige Reobachtungsmaterial
ist fur alle
.liier
. in
. F’rage Stehenden
, .
.
.,
tiase unct rrotonengeschwlnalgkelten
nicht bekannt, jedenfalls aber ist es moglich, die Lage
des Maximums !hr den Umladungsquerschnitt unter Hinzuziehung der Versuche anderer Autoren einigermaBen festzulegen. Nach D o p e l l) zeigt Helium ein Uniladungsmaximum
Die Holie dieses Umladungsmaximums wird von
bei 75
D o p e l nur relativ gemesscn, ihr Absolutwert laBt sich aber
aus dem in seiner Absoluthohe bekannten Wirkungsquerschnitt
-
1
n
7
-
,
v
m
1) R. D o p e l , Naturwiss. 19.
S. 179. 1931.
x
1.
.
768
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
(,,WQ-ArbeitiL)angenahert angeben, da beide Xurvenzuge einen
groBeren Bereicb ..der Protonengeschwindigkeit gemeinsam
haben. - Neon. Uber ein Umladungsmaximum in Ne liegen
bisher keine experimentellen Daten vor, es liegt nach den Ergebnissen unserer ,,WQ-Arbeit" wahrscheinlich noch oberhalb
50 Ijm - Argon. Nach unseren eigenen uberlegungen in
der ,,WQ-hrbeitbd,sowie besonders nach direkten Umladungsmessungen von Q o l d n i a n n l ) beruht die Gesamtwirkung bei
den Protonengeschwindigkeiten in der Nahe des WQ-Maximums
in Ar im wesentlichen auf Umladungserscheinungen. Damit im
Einklang steht der Befund von Tab. 2, wonach der Anteil der
Umladung an der Gesamtwirkung bei kleinen Protonengeschwindigkeiten niit wachsender Protonengeschwindigkeit stark ansteigt, wenn man sich allerdings auch vor allzu weitgehenden
Extrapolationen huten muB. Das Umladungsmaximum in Ar ist
also nach Lage und Hohe identisch mit dem WQ-Maximum. Krypton. F u r _Kr gilt das gleiche wie fur Ar, da nach Tab. 2
schon bei 8 VVolt die Umladungswirkung 92O/, der Gesamtwirkung ausmacht und da man wie in Argon einen Anstieg
des Umladuiigsanteils an der Gesamtwirkung mit steigender
Protonengeschwindigkeiten vermuten wird. Auch das Umladungsmasimum in Kr ist also nach Lage und Hohe
identisch mit dem WQ-Maximum. - Xenon. Das unterhalb
5
vielleicht zu vermutende WQ-Maximum in Xe wiirde
wahrscheinlich auch ein Umladungsmaximum sein, da in diesem
nach Tab. 2, die EinEdelgas, .jedenfalls noch bei 8
wirknng in ihrer Gesamtheit aus Umladung besteht.
fm
vm
'I'abelle 3
'
Krypton Xenon
I
~~
-.
I
Abszisse des Umladungsmaximums in VVolt
..
HGhe des Umladungsmaximums in cm2/cm3 bei
1 m m H g und O°C
...
i
117
1
<5
>204
1) F. G o l d m a n n , Ann. d. Phys. [5] 10. 8. 460. 1931. G . gibt nicht
nur einen Umladungsquerschnitt an, der innerhalb der Versuchsfehler
von gleicher GroBe ist wie der Wirkungsquerschnitt aus der ,,WQArbeit", sondern er zeigt auch in direkten Versuchen, daB Streuung
von Protonen und Jonisierung der Argonatome durch Protonen in dem
von ihm nntersuchten Gesehwindigkeitsbereich nicht nachweisbar ist.
Iia?tesnuer u. ICollath. Uecinflussung langsumer l'rotonen usw. 769
I n vorstehender Tab. 3 sind die Protonengeschwindigkeiten,
bei denen das Umladungsmaximum in den verschiedenen Edelgasen auftritt, sowie die absoluten Hohen dieser Umladungsmaxima zusammengestellt.
2. V e r g l e i c h der s c h w e r e n E d e l g a s e m i t Methan
in ihrem Verhalten gegeniiber Protonen
Dieser Vergleich hat insofern ein Interesse, als das Methan
infolge seines Auf baues, der durch eine abgeschlossene Elektronenautlenschale gekennzeichnet ist, Edelgascharakter besitzt
1
2
7ekfronengeschwindgkeif in
4
m-
20
Profanengeschwinhgkeif in
I
W
Fig. 10.
Fig. 11.
Vergleich des Methan mit den schweren Evdelgasen
im Verhalten gegeniiber Elektronen und gegeniiber Protonen
nnd mit vielen cheniischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften zwischen den Edelgasen Ar und Kr steht.') Dieses
,,edelgasahnliche" Verhalten des Methan konimt auch in der
1) Vgl. E. B r u c h e , Ergebn. d. exakt. Naturwiss. 8. S. 223. 1929.
770
Anrialen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
W Q-Kurve des Methanniolekiils gegeniiber langsamen Elektronen zum Ausdruck, die weitgehend den WQ-Kurven von Ar
und Kr entspricht, wobei die Annaherung an Kr die groBere ist.
Dies sei zunachst in Fig. 10 den1 Leser ins Gedachtnis zuriickgerufen, wo die WQ-Knrven gegeniiberElektronenfiir die schweren
Edelgase ( - - ) und fur Methan (- -- -) zusauimen aufgetragen sind. Mit diesen WQ-Kurven gegeiiiiber Elektronen vergleichen wir die WQ-Kurven der schweren Edelgase nnd des Methan gegeniiber Protonen (Fig. 11). Der Vergleich zeigt zunachst,
da6 das Methan iedenfalls seine
Stellung zwischin Ar und K r
nicht niehr beibehalten hat, da
seine WQ-Kurve weder in der
Absoluthohe noch in der &u6eren Form mit der WQ-Kurve
des Ar oder Kr sichin Beziehung
bringen lafit. Nine gewisse
Analogie im WQ-Verlauf 1&8t
sich dagegen zwischen Methan
und Xenon erkennen, denn
beide WQ-Kurven zeigen den
gleichen
Charakter. Die AnaI
logie zwischen Methan und
X e geht aber noch tiefer. Das
Methanniolekul verhalt sich
namlich nach Tab. 2 (S. 765)
bei 64 Volt ProtonengeschwinI
digkeit in der Art seiner KinJ./
I Methan wirkung auf das Proton genau
wie das Xenonatoni und unterscheidet sich hierbei merklich
yon Ar und Kr. Dies mag
noch besonders in einer ZuFig. 12. Gegenspannungskurven
an Zone 2 in den schweren Edel- samrnenstellung von Gegengasen und Methan
spannunmkurven veranschaulccht *&den (Fig. 12), die an
Zone 2 bei 64Volt Protonengeschwindigkeit in den schweren Edelgasen und in Methan gemessen worden sind. Auch hier kommt
das unterschiedliche Verhalten zwischen Ar und Kr gegeniiber
dem Methan und das analoge Verhalten von Xe gegeniiber
Methan anschaulich zum Ausdruck. Nach dieser Analogie
scheint beim Methanmolekiil auch in der Wirkung gegeniiber
dem langsameu Proton in erster Linie nicht der positive Bestandteil in Frage zu kommen, welcher ja von dem positiven
Ramsauer u. Iiollath. Beeinflussung langsanaer Protonen usw. 771
Kestandteil der schweren Edelgasatome auBerordentlich verschieden ist, sondern die SiuBere Schale. Dies wird verstlndlich, wenn man bedenkt, daB die WQ-Kurve von Methan nach
unseren Versuchen nicht durch Streuung bedingt ist, sondern
im wesentlichen den Verlauf eines Umladungsvorganges wiedergibt. Dabei ist dann allerdings vorausgesetzt, daB dieser Umladungsvorgang ohne Beteiligung der vier tiefer eingebauten
I'rotonen des Metlinns vor sich geht.
Ein Vergleich der WQ-Xurven der schweren Edelgase einschlieBlich Methan gegeniiber Protonen und gegeniiber Elektronen ist, auch abgeselien von der verschiedenen Abszissenbedeutnng in den Figg. 10 und 11, nicht augaugig, weil die
Ordinaten der Protonenkurven als wesentlichen Summanden
die Urnladung mitenthalten, d. h. eine Erscheinnng, die beim
Elek tron fortf allt.
3. U m l a d u n g s q u e r s c h n i t t v o n A r g o n u n d W a s s e r s t o f f
als F u n k t i o n d e r P r o t o n e n g e s c b w i n d i g k e i t im A n s c h l u E
an die Umladungsquerschnitte nach Goldmann
I n Tab.2 auf S. 765 Eiatten wir den prozentualen Anteil
von Streuung und Umladnng an der Gesamtwirkung fur verschiedene Protonengeschwindigkeiten und Gase zusanimengestellt. Aus diesen Prozentzahlen berechnen wir jetzt fiir
Argon und Wasserstoff die zugehorigen Absolutwerte des Umladungsquerschnittes mit Hilfe des bekannten Wirkungsquerschnit,tes und tragen sie neben den WQ-Werten in Tab, 4 ein.
Die so gefundenen Werte fur den Umladungsquerschnitt bieten
ein spezielles Interesse: Es la& sich namlich mit ihrer Hilfe
die Frage entscheiden, ob die starke Abnahme des Umladungsquerschnittes mit abnehmender Protonengeschwindigkeit
Tabelle 4
j Protonen- Wirkungsquerschnitt
Gase
geschwindigkeit
in Volt
40
Argon
150
40
Wasserstoff
bei 1InmHg u. O°C Urnladungsquerschnitt
Hg u. O°C
(nach 7,WQ-Arbeit'L) bei 1inmm
crnZ/cma
in cme/cms
__ -
31
24
17
14
27
23
20
57,
476
572
67,
772
Annalen aer
Pkysik. 5. Folge. Band 17. 1933
zwischen 4000 und 500 Volt, die von G o l d m a n n in direkten
Umladungsuntersuchungen gefunden wurde, sich bei kleinsten
Protonengeschwindigkeiten immer weiter bis zum Wert Null
hinab fortsetzt oder nicht.
Der zu diesem Zweck durchzufiihrende Vergleich unserer
Werte fur den Umladungsquerschnitt mit der Kurve von Goldn i a n n ist quantitativ
nicht unmittelbar moglich. Nach den Untersuchungen von G o l d m a n n besteht in Ar
sowohl wie auch in H,
oberhalb etwa 500 Volt
die Gesamtwirkung der
Molekiile auf Protonen
nur aus Umladung, d. h.
Wirkungsquerschnittund
Umladungsquer1
YO
' schnittmessungen miiflCeii i~v%Z
ten hier zu der gleichen
Fig. 13. Argon
Querschnittkurve fuhren.
Tatsachlich liegt aber die
WQ-Kurve,ausder unsere
Umladungsquerschnittwerte in Tab. 4 berechnet
wnrdpn iim &wa
--..- -.?no/
.., 10
hoher als die Umladungs"E 20
'\,
querschnittkurve
von
3
\
Goldmann. Ohne auf
5
\
.s
.* '\
die Griinde dieser wahr\
scheinlich methodisch beBb
dingten Abweichungen
d0
eingehen zu wollen, haben
0
20
YO
wir daher hier unsere
Profonengeachwindakeit in V%% -3
WQ- und damit auch
Fig. 14. Wasserstoff
unsere UmladungsquerWirkungsquerschnitt
schnittwerte (Tab. 4) um
(nach ,,WQ-Arbeit"): - - - 15 O/" herabgesetzt und
Umladungsquerschnitt
die Kurve von G o l d (nach Goldmann): o o o
Umladungsquerschnitt
m a n n um 15O/, erhoht.
Die jetzt unmittelbar ver(diese Arbeit): 0 0 0
gleichbaren Werte fur
den Umladungsquerschnitt aus dieser ( 0 0 ) und aus der G o l d m a n n schen Arbeit (00 ) sind in den Figg. 13 und 14 zusammen
-
I
a
I
*
,.U-Y"Y)
.
--
Ramsauer u.Tcollath. Beeinflussung langsanwr Protonen usw. 773
niit der WQ-Kurve aus der ,,WQ-Arbeit" eingetragen, wobei die
WQ-Kurve in dem Bereich, in welchem sie im weseutlichen auf
Umladung beruht, ausgezogen und in dem Bereich, in welchem
als merklicher Anteil die Streuung hinzutritt, gestrichelt ist.
I n Argon (Fig. 13) fallt der Umladungsquerschnitt mit abnehmender Protonengeschwindigkeit stark ab, scheint aber nach
unseren Werten dem Koordinatenanfang nicht unmittelbar zuzustreben, sondern zunHchst bei einem Wert von 4 cma/cm3
konstant zu bleiben. Der Wiederanstieg der WQ-Kurve bei
kleinsten Geschwindigkeiten ist alleiu auf immer starkere
elastische Streuung der Protonen an den Argonatomen zuriickzufuhren,
In Wasserstoff (Fig. 14) tritt diese Erscheinung noch deutlicher hervor. Der Umladungsquerschnitt, der nach den Werten
von G o l d m a n n bis zu 450 Volt herab immer noch eine absteigende Tendenz zeigt, miindet nach den Egebnissen unserer
Arbeit nicht nach Null, sondern in einen verhaltnismaBig hohen,
zunachst konstanten Wert. Der starke Anstieg des WQ
nach kleinsten Geschwindigkeiten hin beruht auch hier, wie
in Argon, auf elastischer Streuung der Protonen am H,-Molekul.
SchlieBlich mussen natiirlich beide Umladungskurven bei
kleinsten Protonengeschwindigkeiten dem Wert Null zustreben,
da fur die Umladung in diesen beiden Gasen ein gewisser
Energiebetrag notwendig ist.
4. U m l a d u n g u n d I o n i s i e r u n g s s p a n n u n g
Bei der nun folgenden Diskussion der Zusammenhange
zwischen Umladung und Ionisierungsspannung wollen wir zwei
vaheliegende Moglichkeiten besprechen:
a) Umladung kiinnte um so leichter auftreten, je kleiner
die Ionisierungsspannung des betreffenden Gases ist.
b) Umladung konnte urn so leichter auftreten, je weniger sich
die Ionisierungsspannung des untersuchten Gases von der Neutralisationsenergie des Protons (13,5 Volt) unterscheidet, d. h. je
kleiner die ,,Resonanzverstimmung" der Ionisierungsspannungen
beider StoBpartner ist.
In Tab. 5 haben wir fur die untersuchten Gase (Kolonne 1)
die zugehorigen Ionisierungsspannungen in Volt aufgetragen
(Kolonne 2) und ferner in Kolonne 4 bis 6 verschiedene Daten,
dieSnhaltspunkte uber die Rolle der Umladungswirkung geben. I n
Kolonne 4 ist der prozentuale Anteil der Umladung an der Gesamtwirkung bei fester Protonengeschwindigkeit (64 Volt) eingetragen, in Kolonne 5 und 6 die Daten iiber Abszissen und
Ordinaten der Umladungsmaxima in den verschiedenen Gasen.
774
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17, 1933
Tabelle 5
Vergleich der Ionisierungsspannung, sowie der ,,Resonanzverstimmung~'
mit denDaten iiber dieurnladung in denEdelgasen, Methan und Wasserstoff
Ordinate des
Um]adungsmaximums bei
1mm Hg,O C
i n cm¶/cm3
IonisieResoUmladung Abszisse des
rungs- nanzspan- ,verstim- Gesamtwirkg. Umladungsmaximums
nung 1 mung
bei 64Volt
in WVoX
in Volt I in Volt
in o/o
Gase
..
Methan..
Wasserstoff
j
14,,
1ti,2
1
%
2,,
1 '"' I
67,,
> 170
<5
80')
~
50')
Was die Edelgase allein betriftt, so scheint nach eineni
Vergleich von Kolonne 2 mit den Kolonnen 4, 5, 6 ein einfacher Zusarnmenhang zwischen der Ionisierungsspannung und
den Umladungserscheinungen zu bestehen. Einer Verallgemeinerung dieses Schlusses widersprechen die Resultate an Methaii
und Wasserstoff, welclie mit ihren Ionisierungsspannungen und
den zugehorigen Umladungserscheinungen nicht in den Gang
der Edelgaswerte hineinpassen. E s mu8 hierbei jedoch darauf
hingewiesen werden, daB Methan und Wasserstoff in diesem
Zusammenhang insofern eine Sonderstellung cinnehmen kiinnten,
als sie zum Teil aus Protonen aufgebaut sind und als diese
Molekiilprotonen zniiglicherweise bei dcr limladung eine besondere Rolle spielen kBnnten.
Der oben an zweiter Stelle als moglich angefiihrte Zusarnmenhang zwischen ,,Resonanzverstimmung" und Umladung
wurde von K a l l n i a n n und B o s e n 2 ) fur die verschiedensten
Ionenarten bei 400 Volt Ionengeschwindigkeit an einem groBen
Versuchsmaterial gefunden. Fiir Protonen von 64 Volt Qeschwindigkeit gilt diese Beziehung offenbar nicht (vgl. Tab. 5,
Kolonne 2 und 4), da sonst das Krypton den groMten Umladungsquerschnitt in der Edelgasreihe besitzen miiBte (,,ReDiese Bedingung ist
sonanzverstimrnung" nur 0,4 Volt !).
aber dariiber hinaus nach Fig. 9 innerhalb des gesamten, hier
1) H. B a r t e l s , Ann. d. Phys. [5] 13. S. 373. 1932.
2) I-I. K a l l m a n n u. B. R o s e n , Ztschr. f. Phys. 61.S. 61. 1930und
64. S. 806. 1930.
Ranisauer u.Kollath. Beeinjlussung langsamer Protonen usw. 77s
untersuchten Geschwindigkeitsbereichs zwischen 30-2000 Volt,
also nuch f u r die yon X a l l m a n n und R o s e n hauptsachlich
untersuchte Ionengeschwindigkeit von 400 Volt nicht erfiillt,
da der Umladungsquerschnitt des Xe stets weit oberhalb der
Kr-Kurve ver1iuft.l) Diese experimentelle Tatsache bedeutet,
daB sich Protonen in dieser Beziehung anders verhalten wie
sonstige Ionen der gleichen Energie.
5. D i e B e e i n f l u s s u n g d e r G a s m o l e k i i l e d u r c h d i e P r o t o n e n
a) In einem Gas, wie z. B. Helium, das nur elastische
Streuung der Protonen an den Gasatomen zeigt, la& sich aus
der Untersuchung der gestreuten Protonen sofort angeben, was
Pig. 15a. Zusammenhang
zwischen dem Streuwinkel
des Protons
und dem des He-Atoms
bei elastischern StoB
Fig. 15 b. Zusammenhang
zwischen dem Streuwinkel
und der kinetischen Energie
des He-Atoms
nach elastischem StoS
mit den getroffenen He -Atomen geschieht, womit alle liierbei
auftretenden Vorgiinge gekliirt sind. Die Heliumatome iibernehmen beim StoB diejenige Energie, die den Protonen nach
dem Pmpulssatz verloren gegangen ist, als kinetische Energie.
Da die Geschwindigkeit der unter verschiedenen Winkeln
elastisch gestreuten Protonen vom Streuwinkel stark abhangt 2),
ist dies auch fur die getroffenen Heliumatome der Fall: werden
sie zentral vom Proton getroffen, so laufen sie unter 0' zur
Strahlrichtung mit 64
der Protonenprimarenergie, werden
1) Die Querschnittskurven der Fig. 10 beruhen nach den Ausf iihrungen der vorangegangenen Abschnitte f ~ Krypton
r
und Xenon in
ihrer Gesamthohe auf Umladungen.
3) Vgl. die ,,Streuarbeitii S. 580.
776
Annalen der Physik. 5. Polge. Band 17. 1933
sie nur streifend getrotfen, so fliegen sie fast senkrecht vom
Primarstrahl weg, wobei sie einen auBerordentlich kleineii
Energiebetrag (im Grenzfall des Streuwinkels 90° den Energiebetrag O!) erhalten; Ablenkungen des gestoBenen Teilchens
unter mehr als 90° Streuwinkel sind bekanntlich nicht moglich.
Die Zuordnung der zusammengehorigen Streuwinkel beider
Teilchen und die Zuordnung der Geschwindigkeiten der Gasteilchen zu ihrem Streuwinkel sind fur elastischen Sto6 von
Teilchen entsprechenden Massenverhaltnisses (1 : 4)in Fig. 15a, b
dargestellt. Die Zahl der nach den verschiedenen Richtungen
zwischen 0 und 90° gestreuten Heliumatome, d. h. ihre Winkelverteilung, wird nun einfach dadurch erhalten, daB die Protonenwinkelverteilung nach der Zuordnung
von Fig. 15a als Heliumatomwinkelverteilung neu aufzutragen ist (Fig. 16):
Bei iiberwiegender Streuung der Protonen unter kleinen Winkeln werden
die getroffenen Heliumatome entsprechend in ihrer groBen Mehrzahl
unter 90 O zur Strahlrichtung abgelenkt. Die zu den verschiedenen
Streuwinkeln gehorenden Geschwindigkeiten der Heliumatome sind unmittelhar aus Fig. 1 5 b abzulesen.
Bei rein elastischer Streuung der
Protonen sind also mit der Kennt, nis der Winkelverteilung der gestreuten Protonen gleichzeitig auch
Fig. 16. Richtungsverteilung die StoBvorgange fur die getroffenen
der mit Protonen elastisch Atome in bezug auf Winkel- und
zusammengestoEenen
Geschwindigkeitsverteilung vollig geHeliumatome
klart.
b) Wesentlich anders liegen die Verhaltnisse beim Auftreten von Umladungsvorgangen, wo vor allem die Frage beantwortet werden muB, ob und zu welchem Teil die UmladungsstoBe mit Richtungsanderung des stoBenden Teilchens verbunden
sind oder nicht. (Von dem fur den Umladungsvorgang notwendigen, meist kleinen Energiebetrag in Hohe der Differenz
der Ionisierungsspannungen beider StoBpartner sol1 dabei im
folgenden ganz abgesehen werden). Wir wollen zuniichst bei
Umladungsvorgangen gleichzeitig Richtungsanderungen des
stoBenden Teilchens entsprechend dem ZusammenstoB elastischer Kugeln annehmen und die sich daraus ergebenden
Konsequenzen init dem vorhandenen experimentellen Material
Ranzsnuer u.Kollath. Beeii?flussung lanysanier Protonen usto. 777
vergleichen. \Tir betrachten nebeneinander die Gase H, nnd
CH,, yon deneii nach Tab. 2 dieser Arbeit das erste bei
64 Volt Protonengeschwindigkeit reichlich IJmladung, das zweite
ausschlieBlich Umladung zeigt. Fig. 1 7 a? b gibt die Ausdehnung
cler Rechnungen, die zur Fig. 15a, b fuhrten, auf die Gase H,
und CH, wieder. Das Wasserstoffmolekul wurde im Extremfall
(u2 = 0') 89"/, der Protonenenergie ubernehmen, das CH,Molekiil 22 "/'; die Zuordnung der Protonenstreuwinkel zu den
-
a,
Fig. 17a. Zusanimenhang
zwischen dem Streawinliel
des Protons und dem
des getroffenen Molekiils
bei elastischem StoB
Streuwinkel des Protons
10
Streuwinkel des Molekiils a ,
-+
Fig. 1 7 b. Zusammenheng
zwischen dem Strenwinkel
und der kinetischen Energie
des getroffenen Molekiils
bei elastischem StoB
Streuminkeln der H,- bzw. CH,-Teilchen weicht von der Zuordnung f u r He-Teilchen nur unwesentlich ab.
In Wasserstoff wiiren bei 64 Volt Protonenprimarenergie
nacli Fig. 1 7 b auf Zone 2 (2S0) und Zone 4 (59') Uniladungsionen von 44 bzw. 15 Volt Energie zu erwarten. Kach den
Gegenspannungskurven in Fig. 18 konnten aaf Zone 2 solche
Unilaclungsionen vorhanden sein, da der Abfall der elastisch
gestreuten Protonen, der bei 56,5 Volt zu erwarten ist, vielleicht
gerade durch solclie Umladungsionen so verwaschen erscheint.
Die Zahl dieser schnellen Umladungsionen tritt aher jeclenfalls
stark zuriick gegenuber der groBen Zahl ganz langsamer Umladungsionen (Kuruenabfall bei 0 Volt). huf Zone 4 sind
schnelle Umladuugsionen von 15 Volt, wenn uberhaupt, nur in
einer kleinen Anzahl vorhanden, da der Xurvenabfall bei 6 Volt
im wesentlichen beendet ist. Remerkenswert ist hierbei besonders, daB abgesehen von den bei Umladung mit Richtungsibderung zu erwartenden 15 Volt-Ionen auch solche zwischen
Annalcri rlcr Physik. 5. Folgc. 17.
51
Annabn der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
778
5 und 15 Volt kaum vorhanden sind, sondern nur sehr
langsame.
Methan. Ein Bhnliches Bild zeigen die Gegenspannungskurven an Zone 2 und 4 in Methan (Fig. 19), wo unter der
obigen Bnnahme Ionen von 11 bzw. 3,5 Volt Geschwindigkeit
0 t20 +Qo +60 +80
Gegenspnnnung in Voit -3
-20
Fig. 18. Gegenspnnnungskurven
an Zone 2 und 4 in Wasserstoff
-20
-
0 +ZO ,+YO +60 f8O
Gegenspnnnungin Voli
Fig. 19. Gegenspannungskurven
an Zone 2 und 4 in Methan
z u emarten Raren, der h'urvenabfall aber bereits merklich
fruher zu Ende ist.
Man kann aus dem vorliegenden Material schlieWen, dab
irii allgemeinen die Umladung nicht mit merklicher RichtungsBnderung des Protons verjunden ist, ohne daB sich angeben
la&, ob iiberhaupt eine Ubertragung kinetischer Energie vom
Proton auf das Molekul beim UinlaclungsstoB stattfiiidet und
wie groB diese eventuell ubertragene Energie ist. Diese Frage
liefie sich viellejcht durch genanere Untersuchung cler Geschwindigkeitsverteilung der langsamen positiven Teilchen entscheiden.
c) Zur vollstiindigen Aufklarung der bei diesen UmladungsstoBen auftretenden VorgBnge ware auch noch die Untersuchung der Richtungsverteilung der positiven Gasteilchen notwendig, die beim UmladungsstoB ein Elektron an das Proton
abgegeben haben. Mit der Zonenapparatur in der vorliegenden
Form sind einwandfreie Messungen dieser Art kaum m6glich.
Das radiale Feld zwischen der Streustrecke in der Mitte der
Zonenkugel (vgl. Pig. 8) und den Zonen selbst, das von dem
Durchgriff des an den Zonen liegenden Potentials durch das
Netz N herriihrt, ist ntimlich f u r die Messung der Winkelverteilung so langsarner Teilchen nicht homogen genug: einerseits driingen die auf dem Potential 0 liegenden Xonusse K die
Kraftlinien mehr nach mittleren Streuwinkeln zusammen,
andererseits liegt aber auch die 90°-Zone, die das Netz N trligt,
Kamsauer.t i . Kollnth. Beeinf lussung langsamer Protonen usw. 779
auf dein Potential 0 und spaltet damit einen unter 90° von
der Streustrecke weggehenden Ionenstroni in z~ ei Teile. d b gesehen von diesen rein apparativen Schnierigkeiten besteht
aber auch noch eine von mehr prinzipieller Natur: zur exakten
Dlessung der Richtungsverteilung der langsamen geladenen Gasteilchen ist die Kenntnis ihrer freien Wegliinge in den verschieclenen Gasen notwendig. Bei starker Abweichung der
freien Wegliinge der positiven Gasteilchen von clerjenigen cler
Prirnarprotonen, z. B. bei erheblich starkerer Streuwirkung,
werden die Gasionen erst nach mehrfachen StBBen auf einer
Zone aufgefangen, weil die Gasdrucke in der Zonenapparatur
so gew&hlt sind, da8 die freie Weglbnge der Protonen. etwa
von der GroBenordnung der Apparaturdimensionen ist. Trotz
aller dieser Bedenken haben wir solche Winkelverteilungskurven
mit der vorliegenden Zonenapparatur gemesseri, um uns wenigstens im groben iiber die auftretenden Erscheinungen zu
orientieren.
Bemerkenswert xar an dem Ergebriis dieser
Winkelverteilungsmessungen, daB noch unter etwa 100-130°
zur Strahlrichtung Ionen aufgefangen wurden und dalj die in
dieser Richtung pro E'liicheneinheit aufgefangene Ionenmenge
sogar urn ein Vielfaches groBer war als die unter kleineren
Streuwinkeln ( 10-30°) aufgefangene. Dieses Resultat weist in
die gleiche Richtung wie das Ergebnis der Winkel- und Geschwindigkeitsbetrachtungen unter b): Die Gasionen ubernehmen heim
Umladungsvorgang i n ihrer groBen Mehrzahl keinen wesentlichen
Energiebetrag vom stoBenden Proton, da sonst keine Gasionen
bei Streuwinkeln groBer als 90 aufgefangen werden konnten.
Zur sckrferen Entscheidung der im letzten Abschnitt besprochenen Fragen wiirde eine neue Spezialarbeit notwendig
sein, da das Ziel der vorliegenden Arbeit in der Hauptsache
nach anderer Richtung hin liegt.
Zusammenfassung
Experimentelle Eru eiterung des aus zwei Arbeiten der
Verff. (,,WQ - Arbeit'l und ,,StreuarEeitii) bekannten Materials
iiher die Beeinflussung langsamer Protonen durch neutrale
Gasmolekule.
1. Die ~~irlrungscluerschnittmessungen
gegeniiher Protonen
werden auf die Gase Krypton, Xenon und Methan ausgedehnt.
2. Die Streumessungen an langsamen Protonen werden
auf die Gase Krypton und Xenon ausgedehnt.
3. Es wird durch die Untersuchung der Ladung und Geschwindigkeit der bei den Streumessungen auftretenden langsamen Teilchen xahrscheinlich gemacht, daB es sich weder um
5 1*
780
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 17. 1933
Sekundarelektroiien noch uni verlangsamte Protonen, sondern
urn positiv geladene Gasmolekiile handelt, die bei Umladungsprozessen entstnnden sind.
4. Die Zahl dieser Umladungsprozesse wircl im VerhLltnis
zur Zahl derjenigen ZusamnienstiiBe, die zu elastischer Streuung
der Protonen fuhren, fiir verschiedene Gase nnd Protonengeschwindiglreiten festgestellt.
Diskussion des Versuchsmaterials einschliefilich der f'riiheren
Arbeiten der Verff. (,,\YQ-Arbeit'. und ,,Streuarbeitl') fiber die
WechselJ! irliung zwischen langsamen Protonen und neutralen
Gasmolekiilen.
1. Reduziert man die WQ-Kurven auf ihren Umladungsanteil, so zeigen die Eclelgase eine Reihenfolge voni Helium
zurn Xenon, die ihrer Stellung im periodischen System entspricht.
2. Ebenso wie in der Wirkung gegeniiber Elektronen l&Bt
sich das Methan auch in seiner Wirkung gegeniiber Protonen
in die Reihe der scliweren Edelgase einpassen. Doch steht
es hier nicht inelir den1 Krypton, sondern dern Xenon am
iiachsten.
3. Die Fortsetzung der G o l d m s n n s c h e n Urnladungsquerschnitte durch unsere Werte zeigt, daB die Umladungsquerschnittknrve nach kleinen Geschmindigkeiten liin nicht
direkt auf den Wert Null hinzielt, sondern zunachst einen
konstanten T'erlauf nimmt.
4. Ein eindeutiger Zusammenhang zwisclien Uinladung und
Ionisierungsspannung laBt sich nur iunerhalb der Edelgasreihe
feststellen. Dagegen wircl der Zusammenhang Z R ischen Uinladungsquerschnitt und Resonanzverstirnmung, der iiach den
Versuchen von R a l l n i a n n und R o s e n f u r viele Ionenarten
gilt, iiinerhalb der Edelgasreihe fiir Protonen nicht bestatigt.
5. Aus deni Verhalten der elastisch gestrenten Protonen
wird die Geschwindigkeits- und die Richtungsverteilung der
getroffenen Gasmolekiile berechnet. - Someit sich nus den1
vorliegenden Versuchsmaterial schlieI3en lafit, ist beini Umladungsvorgang die Geschn indigkeit der getroffenen Gasmolekule geringer, als sie sein miiMte, wenn das Proton beiin Um1adungsstoB eine inerkliche Riehtungsanderung erlitten hgtte.
B e r 1i n - R e i n i c li e n d o r f.
(Eingegangen 11. Mai 1933)
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neutral, umladung, beeinflussung, langsamer, die, gesamtwirkung, durch, streuung, protonen, gasmolekle
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