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Die Frage der Impulsbertragung bei der Ionisierung durch Kanalstrahlen.

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Koops. Die Frage der Impulsiiberlragung bei der lonisierung usw.
57
D4e P r a g e der I m p u k B b e r t r a g u n g
be# der I o n 4 s & r m g durch Kanalstrahlen I)
Von R u d o l f E o o p s
(Mit 5 Abbildungen)
1, Problematellung und Ziel der Arbeit
Bei den Problemen der Anregung und Ionisation durch Kanalstrahlen
stobt man auf die Frage, ob neben Anregung und Ionisation des Atoms sowie
Impulsiibertragung an das losgelijete Elektron such noch an den Atomrest
Impuls iibertragen wird. Die Annahme einer Impulsubertragung iat berechtigt,
da nach Messungen von G e r t h s e n s ) die Energie, die zur Bildung eines Ionenpaares nijtig ist, ungeflihr zweimal so gro6 ist wie der theoretisch cur Ioni
sation benotigte Energiebetrag.
Eine Untersuchung dieser Frage ist von W. W i e n 8 ) gemacht worden.
W. W i e n versucbte, die Geschwindigkeit der gestoflenen und dabei angeregten
Atome in einer Verschiebung der emittierten Linien durch Dopplereffekt zu
finden. Die Versuche ergaben, dafl die Geschwindigkeit kleiner ist als solo
der errechneten. Die Messungen wurden an Quecksilber gemacht, das durch
Jod-Kanalstrahlen von 13 kV Energie angeregt wurde.
Der gunstigate Fall f i r eine solche Untersuchung ist der, daB stoflendes
und gestoflenes Teilchen die gleiche Masse haben. Die Untersuchungen von
W i e n beechrhken sich auf die Feststellung, daS die angeregtcn Atome
keine Geschwindigkeit nach dem Stofl haben.
I n der vorliegenden Arbeit wurde diese Frage der Impulsubertragung bei
Ionisation durch Kanalstrahlen untersucht.
Das Einzige, was man in diesem Fall messen kann, ist die Zahl der entstehenden Ionenpaare. Man schieBt ein Teilchen bestimmter Energie in ein
Gas, dieees gibt seine Encrgie in kleinen Energiebetriigen ab, bis es thermische
Geschwindigkeiten erreicht hat, und man miflt die gebildeten Ionen. Macht
man daa bei zwei Gaaen, die sich nur durch ihre Massen unterscheiden, sonst
aber in allen Eigenschaften gleich sind, so miiflte beim Vorhandeneein ron
Impulsubertragung sich eine Differenz in der Ionenzahl herausstellen. Solche
Gase liegen in den Waaseretoffisotopen vor, Urn einen groflen Effekt zu
bekommen, mussen die Stoflpsrtner mijglichst gleiche Masse haben. Man echieflt
also mit Protonen oder Deuteronen in leichten und schweren Wasserstoff.
2. V e r a u c h e a n o r d n u n g
Die Qesamtanordnung ist in Abb. 1 dargestellt und wird im
folgenden naher beschrieben.
1) D 7.
2) C h r . G e r t h s e n , Ann. d. Phys. [5] 5. S. 657. 1930.
3) W. W i e n , Ann.d. Phys. [4] 43. S. 955. 1914.
58
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 33. 2938
a) D a s K a n a l s t r a h l r o h r
Die Protonen- bzw. Deuteronenquelle war ein Kanalstrahlrohr,
das mit ungeglatteter, durch Einweggleichrichtung gewonnener Hochspannung von 20-65 kV betrieben wurde. Die Anode des Rohres
(ein ausgebrauchtes Me talixventil der E’irma Xontgen-Miiller, Himburg)
wurde zwecks groflerer Belastbarkeit durch einen krilftigen Luftstrom
gekuhlt. Die Gaszufuhr wurde mit einem elektrisch geheizten
i7
I0
a
37
#Him
Abb. 1. Qeearntanordnung
Palladiumrohrchen geregelt und erfolgte, nicht wie iiblich auf der
Auodenseite des Rohres, sondern hinter der pilzformig ausgebildeten
Kathode. Diese Anordnung hatte zmei Vorziige:
Erstens: Die Regelung der Zufuhr konnte wahrend des Betriebes
erfolgen, ohne Verwendung eines hochspannungsisolierten Transformators zur Heizung des Palladiumrohrchens.
Zweitens: Durch die pilzformige Kathode (Abb. 1) ist der Kathodenfall weit entfernt vom iiuBeren Teil des Kathodenkorpers, so daB
die Gefahr eines Durchschlages des Rohres nach anSen nicht besteht.
Der Kathodenkorper war wassergekuhlt und trug den Kana1
von 2 mm Durchmesser und 70 mm Lange.
b) D i e Monochrornatieierung (vgl. Abb. 1)
Aus dem Kanalstrahl wurde durch ein Blendensystem 1, 2 ein
paralleles Randel ausgeblendet.. Dieses wurde in einem homogenen
Magnetfeld M aufgespalten und durch ein zweites Blendensystem 3, 4,
das die Richtung von 90 O zur ursprihglichen Strahlrichtung festlegte, der eigentlichen MeSanordnuug zugefuhrt l). Aus den Blendendurchmessern (1 mm) und den Abstanden der Blenden (20 cm, 21 cm)
la&
sich die Auflosung der Anordnung berechnen und, wenn man
1) Blende 3, die oberhalb des df in Abb. 1 sitzt, ist in der Abbildung
nicht beeeichnet.
Koops. Die Frage der Iinpulsiibertragung bei der Ionisierung
ZLSW.
59
das magnetische Feld H kennt, die Geschwindigkeit der Teilchen
bestimmen.
u) Die Aufliisung. E s sei ,p Krlimmungsradius der Bahn,
R Radius des Magnetfeldes, tp der Winkel zwischen der Achse des
Kanalstrahlrohres und der Achse der MeSanordnung (90 9, dann ist
p = - m - v und aus der Geometrie: Q = Rctg:
= R.1 = 2,58 cm.
H -e
Durch Differentiation:
-A @ -d v = 0,Ol =
e
101,.
V
Dabei ist A y die dffnung des Kanalstrahlbundels. Es ergibt sich
also, daB die die letzte Blende verlassenden Teilchen auf f 0,5 O / ,
homogen sind.
p) Die Geschwindigkeitsbestimmung durch Ausmessen des Magnetfeldes. Der Polabstand des Magneten betrug 2 mm und das
Feld war durch einen Schliff von 5 mm Durchmesser zuganglich.
Es muSte daher eine besonders kleine Wismutspirale gebaut werden.
Der zweite Widerstand der MeSbruckenanordnung wurde aus Kupferdraht mit auf die Spirale gewickelt. Damit erreichte man eine
erhebliche Kompensation der thermischen Widerstandsanderung. Die
Eichung erfolgte iiber einen zweiten Magneten mit einer Wismutspirale von H a r t m a n n und B r a u n und mit einer Probespule. Die
Eichungen stimmten gut iiberein.
Die Reproduzierbarkeit des Feldes durch den Magnetisierungsstrom bedingte die Genauigkeit dieser Geschwindigkeitsbestimmung.
Obgleich das Feld immer auf dem oberen Ast der Hysteresisschleife
eingestellt wurrle, konnte bei niedrigen E'eldern keine grii6ere Reproduzierbarkeit als f 5
erreicht werden. Sobald man ins Gebiet
der Sattigung kam, war die Genauigkeit f 1Ole. Diese verhaltnismaBig grobe Geschwindigkeitsbestimmung geniigte vollstandig, da sie
in die eigentlichen Messungen nicht eingeht.
Aus der letzten Blende dieser Anordnung treten also Teilchen
aus, fur die --.?Ime
= const gilt. Nach Dopel') besteht der Kanalstrahl vorwiegend aus H+ und H,+. Beim Eintritt in die Ionisationskammer mird sicli das Verhaltnis VOLL H+ zu $+andern. Man
hat also in der MeSanordnung ein Gemisch von Teilchen, deren
Geschwindigkeiten sich wie 1 : 2 uud deren Energien sich wie 1 : 4
verhalten.
1) R. Dopel, Ann. d. Phys. 70. S. 1. 1925.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 33. 1938
60
c) M e MeEanordnung
Die MeBanordnung setzte sich aus zwei Teilen znsammen, der
Ionisationskammer und der Dosierungsvorrichtung fur den Kanalstrahlstrom.
a) Die Ionisationskammer. Die Bauart der Ionisationskammer
ist in Abb. 2 zu sehen. Es wurde als Feld zur Entfernung der
I
-
ll
L.4
Abb. 2. Die Ionisationskammer
":t
70
:Jl-=-=10SPANNUN6ad MMMfR
-
gebildeten Ionen und Elektronen das eines Plattenkondensators
gewahlt, der weit genug war, nm auch am Hautchen gestreute Teilchen nicht abzufangen. Die Saugspannung war 200 Volt. Wie die
Charakteristik der Kammer zeigt (Abb. 3), liegt sie iiber der Sattigungsspannung. Dies ist wichtig, da bei einer ersten Form der
Kammer, bei der die eine Elektrode ein Ring, die andere eine
Halbkugel war, Rekombination eintrat, die den gemessenen Effekt
vollstandig verdeckte. Diese Rekombination wurde erst bei Saugspannungen von 300-350 Volt so gering, daB der Effekt meBbar
Koops. Die Frage der Impulsiibertragung bei der Ionisierung usw.
61
war. Bei diesen Spannungen war in dem stark inliomogenen Feld
bereits StoSionisation vorhanden. Diese Kammer wurde daher nur
zur Bestimmung des Siittigungsdruckes und einer Reichweite verwandt, da hierbei die Rekombination nicht storte.
Die Ionisationskammer war gegen das Hochvakuum durch ein
diinnes doppeltes Zelluloidhautchen von etwa 80 mp abgeschlossen.
Das Hiiutchen wurde mit Paraffin iiber die Offnung eines Schliffes
gekittet. Der Durchmesser der Offnung betrug 1,5 mm. Da die
ganze Ionisationskammer als Schliff ausgebildet war, konnte das
Hautchen in 3-5 Min. erneuert werden. Dies war wichtig, da jedes
Stehenlassen der Apparatur unter Atmosphiirendruck ein langeres
Sauberpumpen bedingte und eine Erneuerung der Hautchen bei den
gr6Seren Geschwindigkeiten taglich notig war. I n dem Hautchen
werden die Kanalstrahlen gebremst und zum Teil die Molekeln zerspalten. Um die Energie der Teilchen zu kennen, mit der sie in die
eigentliche Ionisationskammer eintreten, mu8 die Bremsung beriicksichtigt werden. E c k s r d t ’ ) und Reussea) haben den Geschwindigkeitsverlust von H-Kanalstrahlen im Bereich von 4-55 kV gemessen.
Danach nehmen die Energieverluste bei gleicher Foliendicke mit
zunehmender Primarenergie linear zu.
E = a.E,,.
Die Konstante a wurde aus den Messungen von E c k a r d t und
R e u s s e berechnet und auf die Hautcheudicke vou 80 mp extrapoliert. a ist etwas verschieden fur verschiedene E,. Die Abhangigkeit von a von E,,wurde ausgerechnet und die entsprechenden
Werte einer Kurve entnommen.
Die Gase L), und 11, wurden durch elektrisch geheizte Palladiumrohrchen in die Ionisationskammer eingelassen. Da das Gesamtvolumen lrlein gehalten war, konnte das Auswechseln der Gase
in 3-5 Min. erfolgen, wobei die gesamte Anordnung im Betrieb blieb.
Der Druck in der Kammer wurde an einem weiten Manometer mit
einem Kathetometer abgelesen und kounte auf 0,l mm genau eingestellt werden bei einem Kammerdruck von 24-33 mm Hg. Es
erwies sich, da6 die Einstellung des gleichen Druckes nicht kritisch
war, da oberhalb des Siittigungsdruckes gearbeitet wurde und Rekombination nicht eintrat. Dae D, wurde in einer Nebenapparatur
aus D,O elektrolytisch gewonnen.
j3) Die Dosierungevorrichtung. Eino Dosierung des Kanalstrahlstromes war unbedingt notig, um genaue Relativmessungen zu machen.
1) A. E c k a r d t , Ann. d. Phye. [5] 6. S.401. 1930.
2) W. Reuese, Ann. d. Phye. [ti] 16. S. 256. 1932.
62
AnnuZen der Physik. 5. Folge. Band 33. 1938
Die Betriebsdaten des Rohres sind nie so lronstant zu halten, daR
man zeitlich dosieren konnte. Es wurde daher ahnlich wie in
friiheren Arbeiten von G e r t h s e n und E c k a r d t die letzte Blende
des zweiten Blendensystems als Faradaykafig ausgebildet, so daW
der Teil des Kanalstrahls, der auf den Blendenrand trifft, gemessen
wird (vgl. Abb. 2, oben). Da der Anteil, der durch die Blende
geht, in konstantem Verhaltnis zu der Zahl der geladenen Teilchen,
die auf den Blendenrand treffen, steht, so ist eine Dosierung
moglich. Man laBt den Kanalstrahl so lange flieBen, bis sich der
DosierungskBfig auf ein bestimmtes Potential aufgeladen hat. Dieses
Verhaltnis von Teilchenzahl zu geladenen Teilchen ist abhangig
(durch Umladung) vom Restdruck in der Apparatur. Der Restdruck
aber Bndert sich dauernd durch Gasausbruche, Fettdampfe, Pumpgeschwindigkeit usw. Diese Unsicherheit legte die MeBmethodik
fest. E s wurde abwechselnd in die Kammer H, und D, eingefullt
und rnit mijglichst kleinen Zwischenpausen die Gesamtionisation
gemessen. Die Darstellung dieser Werte als Funktion der Zeit
ergaben zwei parallele Kurven, deren Abstand den gesuchten MeBwert darstellte. Da, der Abstand im giinstigsten Falle 12 O/, der
Gesamtionisation betrug, lnachte sich eine stetige Anderung der
Gesamtio~iisationdurch falsche Dosierung kaum bemerkbar. Die Unterbrechung des Kanalstrahlstromes erfolgte durch eine elektromagnetisch betatigte Klappe zwischen Blende 3 und 4 (vgl. Abb. 2 rechts!.
y ) Die elektrische MeBanordnung. Der Strom auf den Dosierungskafig wurde rnit einem Wulffschen Einfadenelektrometer E, in
Bbb. 1 in Aufladeschaltung gemessen; der Strom in der Ionisationskammer rnit einem Edelmann-Elektrometer E, , dessen Ladungsempfindlichkeit durch Kondensatoren verandert werden konnte.
Da Sekundarelektronen an den Blendenrandern vor dem Dosierungskafig ausgeliist wurden, bekam dieser eine negative Vorspannung. Die Empfindlichkeit der Elektrometer Bnderte sich mit
der Zeit etwas. Sie wurden daher zwischen den Messungen nachgeeicht.
6) Vakuumverhaltnisse. Das Vakuum wurde durch zwei Quecksilberdiffusionspumpen aufrecht erhalten. Hinter der Kathode pumpte
eine groBe dreistufige Stahlpumpe P,, an der Ablenkkammer das kleinste
Model1 der Leybold-Stahlpumpen P 2 . Das Vakuum wurde mit einem
Moser-Manometer vor dein Hautchen gemessen. Der Druck betrug
dort
mm Hg. Die Pumpleitungen und die Leitung zum Manometer wurden rnit fliissiger Luft gekuhlt.
Die Justierung der Apparatur erfolgte optisch
8 ) Justierung.
in der Achse des Kanalstrahlrohres. Zur Justierung des MeBteils
wurde an die Stelle des Hautchens ein Willemit-Schirm gekittet
Koops. Die Frage der Impulsiibertragung bei der Ionisierung usw.
63
und durch Anziehen der Schrauben D (vgl. Abb. 1) die MeSkammerachse in den Kanalstrahl gebracht.
q) Der Mebvorgang. Der Mebvorgang ergibt sich aus den oben
angefiihrten Eigenschaften der Apparatur. Nach dem ,,Eiolaufen"
murde abwechselnd in je 10 Messungen die Gesamtionisation in
H, und D, gemessen. Um den kleinen Gang von etwa 2O/, je
Stunde in der FJektrometerempfindlichkeit auszugleichen, wurden
die MeSpunkte als Funktion der Zeit aufgetragen und mittels der
so entstandenen Kurven die hintereioander ausgefuhrten Messungen
auf gleiche Zeit bezogen.
Diese MeSreihen wurden fiir verschiedene Magnetfelder sowohl
fiir H+ als auch fiir D+ durchgefiihrt. Uabei wurden die Betriebsdaten des Rohres weitgehend gePndert (damit auch die Aufladezeiten)
und die Dateu der Ionisationskammer innerhalb der zuliissigen Grenzen
variiert, um eventuelle ,,Apparatureigenschaften" zu finden. Diese
h d e r u n g e n hatten keinen EinfluS auf die MeSresultate.
3. Ergebnisee
a) Protonen, in s c b w e r e n und l e i c h t e n W a s s e r s t o f f g e s c h o s s e n
Abb. 4 gibt die unmittelbaren Mebergebnisse fiir den prozentualen Untersohied in der Gesamtionisation. Jecler Punkt ist das
Mittel aus rund 100 Messungen.
Um ein Bild von der Auswirkung
rtuf die wirkliche Ionisation zu
'
I
10.
5
v u 3 m 4
0 7 2 3 1 5 6 7 8 9
Abb. 4. Unterschied
in der Gesamtionisation von H+und D+-Kanalstrahlen in
H,und D,
1
.
.
.- .
x703GiASS
I
.
I
.
i
0 7 2 3 1 5 6 7 8 9
Abb. 5.
Ionisierungsvermogen
von H+ und D+ in H, und D,
erhalten, sind in Abb. 5 iiber der von G e r t b s e n bis 19 kV gemessenen Kurve f u r & die Unterschiede aufgetragen. So wurde
die Kurve fiir D, gefunden, wobei aber zu bemerken ist, dab sie
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 33. 1938
64
auf der Gerthsenschen Kurve aufgebaut ist, die nach niedrigen
Energien extrapoliert wurde.
Mit Hilfe dieser Kurve kann man aus dem Unterschied der
Ionisation bei gleicher Energie den Unterschied im Energieverbrauch
bei gleicher Ionisierung A U ermitteln. (Man sucht sich die Geschwindigkeiten w, fur H,, v, fur D,, bei der die Gesamtionisation
von H, gleich der von D, ist. Bus den beiden Geschwindigkeiten
findet man die zugehorigen Energien und damit auch AU.)
In Tab. 1 sind die beobachteten und daraus abgeleiteten Zahlenmer te zusammengestell t.
Spalte 1 enthalt den gemessenen Unterschied der Gesamtionisation in Prozenten, Spalte 2 die zugehorigen Magnetfelder in
Gauss. Die daraus berechneten Energien in Elektronenvolt, d. h.
die Energie der Teilchen vor dem Hautchen der Ionisationskammer,
i,*
_
-i,,
z
_
i
I Magnetfeld
~
(Gauss)
3200
3800
4000
4000
4300
4550
5000
5300
5800
7000
7000
8800
8800
S800
4800
4800
5000
5000
6400
5400
5800
6400
7100
7100
7500
7700
8000
8800
8800
1
1
Trtbelle 1
.
U in eV
.
__
a
1
_. -
KorriY
Proton en
0,3S
3130
0,3i
4400
0,36
4900
2000
3140
55iO
0,36
0,36
ti300
7650
SG00
0,35
0.35
0,34
4100
lo300
15000
15000
23700
23700,
23700
0,33
Y
0,
6900
10500
10300
17500
17500
17500
4900
0,3
0,26
0,26
0,26
Deuteronen
0,37
3320
0,37
3520
0,37
3830
0,37
3830
0,3i
4450
0,37
4450
0,36
5 1 .io
0,35
[ie80
0,35
7700
0135
7700
0,34
8600
0,34
9100
0,33
9800
032
11800
0,32
11800
2i80
3140
3560
4970
5700
2200
2200
2400
2400
2800
2800
3300
4100
5000
5000
5700
6000
6600
8000
so00
I
.-
A l l in e\'
205
330
360
330
210
200
210
200
210
230
330
350
530
450
290
300
260
240
290
i130
230
330
350
350
400
340
320
380
290
Koops. Die Frage der Impulsubertragung bei der Ionisiermng usw.
65
stehen in Spalte 3. Spalte 5 enthalt die Energie der Teilchen nach
dem Durchgang durch das Hilutchen, wie sie rnit den Werten a
(Spalte 4) nach den Messungen von l t e u s s e und E c k a r d t berechnet
wurden. I n Spalte 6 findet man A U in eV.
Die Fehlergrenze liegt bei kleinen und groBen Geschwindigkeiten hoher als bei mittleren. Bei den groBen Geschwindigkeiten
nahert sich der zu messende Unterschied sehr der NeBgenauigkeit,
die durch die Dosierung des Kanalstrahls begrenzt wird. Bei
kleinen Geschwiodigkeiten ist der Fehler dadurch vergroBert, daB
in die Ionisationskammer auber Protonen der Energie U auch solcbe
der Energie lI4U eintreten, wie bei der Beschreibung der Geschwindigkeitsmessung festgestellt wurde. Bus der Diskussion der MeBergebnisse ergibt sich, da6 der Unterschied in der Zahl der Ionenpaare, der gemessen wurde, auf StoBe zuruckzufiihren ist, die rnit
weniger als 2000 eV erfolgen. Da die Xanalstrahlen mit '/,Unach
weniger StoBen die 2000 eV-Grenze unterschreiten als die mit der
Anfangsenergie U,ist bei dem Kanalstrahlgemisch (Uund 1/4U) das
Verhiiltnis der StoBe mit weniger als 2000 eV zu den StoSen mit
mehr als 2000 e't' groBer als bei homogeneIi Kanalstrahlen der
Energie U. Die ,,AU in eVLL-Wertewurden aber ftir homogene
Knnalstrahlen der Energie U berechnet, daher werden diese Werte
zu hoch, sobald 'I,U in die Nilhe von 2000 eV ruckt.
Man krtnn also innerhalb der MeBfehler sagen, da6 im Bereich
von 2-17,5 kV der Unterschied im Energieverbrauch unabhangig
von der Energie etwa 250 eV betragt. Anders formuliert: Um die
gleiche Gesamtionisation bei H, und D, zu bekommen, muA man
in H, Protonen schieBen, deren Energie 250 eV gro6er ist als die
Eiiergie der in D, geschossenen Protonen. Wegen der Unabhangiglteit des Unterschiedes zwischen 17 500 und 2000 eV mu8 der Unterschied auf dem letzten Teil der Bahn, also bei ganx langsarnen
Kanalstrahlen (< 2000 eV), entstehen.
b) Deuteronen, in schweren und leichten Wasserstoff geschossen
Die MeBergebnisse sind in Tab. 1 gegeben und in Abb. 4 und 5
dargestellt. Der Energiettufwand zur Bildung eines Ionenpaares
durch Deuteronen ist nicht bekannt; doch berechtigt die Tatsache,
daS innerhalb der E'ehlergrenzen die Energie zur Bildung eines
Ionenpaares fur die Ionisation durch u-Teilchen und Protonen gleich
ist, die nach kleineren Energien extrapolierte Kurve von G e r t h s e n
zu benutzen, urn daruber die Kurve fur L), aufzubauen, wie bei a.
Die Gesamtionisation ist wie bei der Ionisation durch Protonen
in D, groBer als in H,. Man kann auch hier sagen, daB innerhalb
Annalen der Physlk. 5. Folge. 33.
5
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 33. 1938
66
der MeSfehler im Energiebereich von 8000 eV - 2200 eV der
Unterschied im Energieverbrauch unabhangig von der Energie des
stoflenden Teilchens ist. Er betriigt 300 eV.
c) G e n a u i g k e i t d e r E r g e b n i s s e
Die Realitit des Unterschiedes steht au6er Zweifel. Die Konstauz oberhalb 2000 eV kann* nur auf f 15 eV garantiert werden.
Um denselben Betrag ist der angegebene Zahlwert von 250eV unsicher. Aus Abb. 4 sieht man, daS besonders bei der Kurve
fur Protonen die MeSgenauigkeit verhilltnismaSig groS ist. Diese
groBe MeSgenauigkeit wnrde dadurch erreicht, daS man auf die
Bestimmung des Absolutwertes der Gesamtionisation verzichtete
und lediglich den Unterschied in Relativmessungen bestimmte. Auch
hatte die Unsicherheit, die durch den Faktor a bei der Berechnung
der Energie der Teilchen nach dem Durchgang durch das Hautchen
hineinkommt, keinen EinfluS auf die MeSergebnisse, da die Gesamtionisation von Teilchen gleicher Geschwindigkeit, die das gleiche
Hiiutchen durchdrungen hatten, gemessen wurden.
Uer Vergleich der Ionisation von Protonen und Deuteronen ist
dagegen nicht moglich, weil das Bremsvermogen der Hautchen fur
D t nicht gemessen ist.
4. Diekneeion der MeQergebnieee
Die zur Bildung eines Tonenpaaxes erforderliche Energie betriigt
bei der Ionisation von Wasserstoff durch Protonen ungefahr 35 eV.
Das ist das Doppelte der Energie, die theoretisch zur Bildung
eines Ionenpaares aus Ha notig ist, namlich Ionisierungsarbeit J
und ’la
Dissoziationsarbeit D. Die iiberschussige Energie kann verbraucht werden:
1. zur Anregung A ,
2. als kinetische Energie des Atomrestes T , ,
3. als kinetische Energie des losgelosten Elektrons T E l .
Es ist also:
u =J
+ 1 D + A + TA + TEI
fur ein Ionenpaar aus
HB
1
u’=J’+ gD’+ A’+ TA+ Tbi f u r ein Ionenpaar aus D,.
Die Ionisationsarbeit ist bei H = 13,529 eV, bei D e 13,532 eV,
die Dissoziationsarbeit von H, = 4,455 eV, von D, = 4,454 eV.
Ionisationsarbeit und Dissoziationsarbeit sind bei H, urid D, also
praktisch gleich. Einen Unterschied wiirde man nicht feststellen
konnen. uber die Anregung von H, und D, durch Protonen ist
Koops. Die Frage der Impukiibertragung bei der Ioniskrung usw.
67
nichts Genaues bekannt. Die Impulsubertragung an das losgeloste
Elektron macht den groBten Teil der Energie aus, wie die MeBergebnisse iiber Energien von Sekundlrelektronen bei Metallen
zeigen. Da der Betrag der anf das Elektron iibertragenen Bewegungsenergie unabhangig ist von der Masse des Atomrestes und nur von
der Ionisierungsspannung abhilngt, ist auch T,, = Y E l .
Findet man also, da6 in einem Energiebereich u = u' ist, so
folgt daraus, da6 T A = TI4 ist. Es wird dann keine Bewegnngsenergie an den Atomrest iibertragen.
Wir wollen jetzt abschiltzen, wieviel die MeBungenauigkeit von
f 75 eV in dem Energiebereich 17500-2000 eV ausmacbt, in
welchem innerhalb dieses Mebfehlers keine Energieiibertragung festgestellt wurde. Nehmen wir dns Interval1 von 15500 eV, so fallen
hierin nach dem von G e r t h s e n festgestellten Energieverbrauch pro
Ionenpaar ungefahr 450 wirksame StoBe. Der Unterschied in I),
und H, betragt fur dieselbe Ionenzahl hochstens f 75 eV, also
pro StoB rt: 0,17 eV. Nimmt man einen StoB gegen das gesamte
Atom oder Molektil an, so fiihren Impuls- und Energieerhaltungssatz nach J o o s und K u l e n k a m p f f l) unter Vernachlassigung der
gegen die vorhandenen Energien (17 500- 2000 eV) kleinen Ionisationsarbeit J zu folgenden Energieiibertragungen. uber. die ganze
Bahn gemittelt gilt fur die vier Falle, die vorliegen konnen, folgendes
(Die bei einem StoB iibertragene Energie sei a. Die Differenz der
iibertragenen Energien da):
u
Aii
H-tH l+l
D 1+2
-.-
D-tH 2+1
-.-
U
H+H* 1 + 2
D, 1+4
D-tH,2 + 2
D, 2 + 4
_ - -
U
U
D 2+2
-
,.I
8
9
8
9
2
-.9
1
--._
9
U
2
U
2
1
4
u
2
.-2u
2
U
1 -2
8
u
2
U
1. -jj8
-.9
16
-.25
i
-.9
U
1
-.9
u
2
2
1) G. Joos u. H. Kulenkampff, Pbya. Ztschr. 25. S. 257. 1924.
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Annalen der Physik. 5. Folge. Band 33. 1938
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D. h. die allenfalls noch iibertragene Bewegungsenergie betragt
-
lo-' der maximal moglichen Energie. Dieselbe untere Grenze
findet W. W i e n bei der Anregung aus Dopplereffektmessungen.
B u t h e r f o r d l) fand im ganzen Bereich der Reichweite von a-Teilchen keinen Unterschied. Doch war die MeBgenauigkeit der R u t h e r fordschen Anordnung so gering, drtS ein Unterschied von 250 eV
nicht nachweisbar war.
Was unterhalb von 2000 eV, wo tatsachlich ein Unterschied
existiert, vor sich geht, laBt sich vorderhand schwer angeben. Man
kann aber kaum eine andere ErkJarung finden, als daB hier wirklich eine Impulsiibertragung an das gestoBene Atom oder Molekiil
stattfindet. Wurden die StoSe in diesem Bereich gegen freie Atome
erfolgen, so muBte nach der Theorie eine Umkehrung des Vorzeichens
von LIU eintreten, wenn man statt mit Protonen mit Deuteronen
in
und D, schieBt. Diese Umkehrung ist nicht gefunden. Auch
f u r die Deuteronen gilt, da6 die Gesamtionisation in I€
kleiner
,
ist
als in I), bei gleicher Deuteronenenergie. Dieser Sachveraalt 1aBt
sich erklaren, wenn man annimmt, daB die StoBe bei diesen kleinen
Geschwindigkeiten hauptsachlich gegen ganze Molekeln erfolgen.
Das Vorzeichen bleibt dann bestehen, doch der Wert van A U wurde
sich andern. Aus den in 3. c) angefuhrten Griinden liegt dieser Unterschied jedoch nicht auflerhalb der Fehlergrenze des Mefherfahrens.
nur 2
5. Zueammenfaseung
Mit Wasserstoff- und Deuteriumkanalstrahlen, die auf & 0,5
homogen waren, wurde die Gesamtionisation in schwerem und
leichtem Rasserstqff gemessen und miteinander verglichen. Die
Gesamtionisation war in D, immer groBer als in H,. Dieser Unterschied wurde fiir verschiedene Kanalstrahlenergien gemessen und in
Prozenten der Gesamtionisation dargestellt. E s envies sich, daB
bis 2000 eV herunter der absolute Unterschied in der Gesamtionisation konstant wax. Aus Messungen von G e r t h s e n kennt man
die zur Bildung eines Ionenpaares aus H, durch Protonen benotigte
Energie. Es wurde mit diesen Werten ausgerechnet, wieviel Energie
bei der Ionisation zuslitzlich aufgewandt werden mu6, um in H,
die gleiche Zahl von Ionenpaaren zu bilden wie in D,. Diese zuslitzliche Energie ist bis 2000 eV herunter konstant und betragt
bei der Ionisation durch H-Kanalstrahlen 250 eV, durch D-Kanalstrahlen 300 eV. Daraus ist zu schlieBen, daB im Energiebereich
yon 2000-17 500 eV bei Wasserstoffkanalstrahlen und 2200 bis
1) L o r d Rutherford, Proc. of. Roy. SOC.of London 143.
S. 728. 1934.
Koops. Die Frage .der lmpulsiibertragung bei der Ionisierung usw.
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8000 eV bei Deuteriumkanalstrahlen hochstens 2.10-5 der aus den
StoBgesetzen berechneten Energie an das Atom ubertragen wird.
Weiter folgt daraus, da6 erst bei StoBen mit weniger als 2000 eV
die Energiebilanz der StoBe fur H, und D, verschieden ist. Ein
solcher Unterschied ist nur auf Massenunterschiede der gestoBenen
Teilchen, also a d Impulsubertragung zuriickzufiihren. Aus dem Vergleich der Ionisation durch H- und D-Kanalstrahlen muB man annehmen, d& die StoSe, bei denen Impuls ubertragen wird, gegen
das ganze Molekul erfolgen.
Die vorliegende Arbeit wurde in den Jahren 1936 bis 1938
iin Zweiten Physikalischen Institut der Universitat Gottingen ausgefuhrt. Meinem verehrten Lehrer, Herrn Prof. G. 5008,danke ich
herzlich fur die Anregung zu dieser Arbeit und fur sein groBes
Interesse am Fortgang der Untersuchung. Weiter danke ich auch
Herrn Prof. a.H a n le fur wertvolle Ratschlage.
G o t t i n g e n , 11. Physikalisches Institut, Juli 1938.
(Eingegangen 5. Juli 1938)
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