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Die Grenverteilung von Ionen in Gasen.

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262
3. Dae @ll@wertedZung
von Zonen irt Gasen;
von W . B u s s e
Die Untersuchung der auf verschiedenste Weise erzeugten
GroBen von Ionen in Gasen hat ergeben, daI3 im allgemeinen
nicht einheitliche Grol3en vorliegen. Sie verteilen sich vielniehr uber ausgedehnte Bereiche, so da13 neben solchen von
fast Molekulgrol3e Ionen vorhanden sind, die sich nahezu ins
Gebiet der mikroskopischen Sichtbarkeit erstrecken. Innerhalb
dieser Grenzen wBren alle moglichen GrijBen als existenzfahig
anzunehmen.
Neuerdings liegen jedoch experimentelle Ergebnisse vor,
die darauf hinzudeuten scheinen, daB bestimmte GroBen in
bevorzugter Weise zur Ausbildung gelangen. So versuchten
besonders I. I. N o l a n und Mitarbeiter den experimentellen
Nachweis zu bringen, da13 konstante, mit der Zeit unveranderliche Gruppen von Gro13en unabhthgiy von der Art der Ionisation vorhanden seien. Dies wurde auf einen allgemeinen Zug
in der Ausbildung der Ionen hindeuten, der der Verfolgung wert
ware, Die experimentellen Daten berichten von Gruppen, deren
Beweglichkeiten annahernd nach einer geometrischen Reihe mit
dem Quotient 2 angeordnet sind. Derartige Unterschiede sind
mit den gebrauchlichen experimentellen Methoden noch gut ermit telbar .l)
1) Bei Ionen, die nahe an MolekiilgroBe heranreichen, wird schon
geringe Zunahme der Molekulzahl sichtbar. Bei genugend feinem Auflosungsvermogen konnten auch Ionen, bestehend aus je 1, 2, 3 usw. Molekiilen, gesondert beobachtet werden. Von der experimentellen Verwirklichung dieses Falles ist aber bisher nichts sicheres bekannt. Er sei von
dem im vorliegenden benutzten Gruppenbegriff ausdriicklich ausgeschlossen.
W. B. H a i n e s (Phil. Mag. 81. S. 339. 1916) diskutiert seine Ergebnisse
i m Sinne der Anlagerung einzelner Molekiile. Doch sie werden von K i a
Lok Y e n (Phys. Rev. 11. S. 327. 1918) angefochten. Vgl. abcr die
folgende Arbeit des Verf.5 in diesen Annalen, in welcher IonengriSBen,
teilweise monokular und voneinander unterschieden UVL einzelne Molekiile,
naohgewiesen werden.
Die Gro@enverteiluny eon Ionen in Gasen
263
Leider aber lassen die Arbeiten, die die Auffassung von
gesonderten Gruppen vertreten, die in diesem Falle besonders
erforderliche Sorgfalt in experimenteller Hinsicht vermissen.
In Betracht der Tatsache, daB eine sichere Entscheidung der
einmal angeregten Frage in jedem Falle wertvoll ist, wird im
folgenden nochmals eine sorgfaltige Prufung bei verschiedenen
Erzeugungsweisen in Luft vorgenommen, soweit nicht bereits
ein endgultiger Entscheid vorliegt. Das Ergebnis ist auch fur
andere Gase gultig.
Im wesentlichen wird der Nachweis gefuhrt, daB ein stufenweiser Aufbau der Ionengro@en i m oben erklarten Siane nicht
vorhanden ist.
I. Wasserlallelektrische Erzeugung der Ionen
Es wurde nachgewiesenl), daB ein entsprechend den Erzeugungsbedingungen begrenzter kontinuierlicher Bereich von
IonengroBen bei reinem Wasser vorliegt, innerhalb dessen
irgendeine GroBe in uberwiegendem MaBe nicht hervortritt.
Mit Rucksicht auf unsere Kenntnis uber die elektrische Doppelschicht an Flussigkeitsoberflachen kann dieser Befund auch auf
andere Flussigkeiten, z, B. Alkohol ausgedehnt werden.
Trotzdem versucht P. J. N o l a n auf Grund neuer experinienteller Daten mein Resultat zu widerlegen. Nahere Durchpicht der betreffenden Veroffentlichungz) zeigt jedoch, daB sie
vielmehr geeignet ist, das Vorhandensein eines kont,inuierlichen
GroBenbereichs erneut zu bestatigen.
Die dort mitgeteilten Kurven (Abszisse : Spannung am
Doppelkondensator, dessen eine Elektrode zum Elektrometer
fuhrt, die andere ist geerdet ; Ordinate : Skalenteile des Elektrometerausschlags) weisen sattelformige Einschnitte auf, welche
die Anwesenheit von Gruppen andeuten sollen, durchaus abweichend von meinen Messungen, die nicht im geringsten
treppenformige AbsBtze erkennen lassen, trotzdem das die ursprunglichen GroBen verwischende Alter der Ionen bei N o l a n
2 Sek., in meinen Versuchen 0,33 bis 0,25 Sek. betrug. Die von
N o l a n gewahlte Versuchsanordnung klart den Unterschied je1) W. Busse, Ann. d. Phys. 76. S. 496. 1925; dort auch niihere
Literaturangaben uber die zu meinen Messungen im Gegensatz stehenden
Abhandlungen von J. J. Nolan, P. J. Nolan und J. A. Mc Clelland.
2) P. J. Nolan, Phil. Mag. 1. S. 417. 1926.
W . Busse
264
doch ohne weiteres auf. Der elektrisch leitende, vermutlich
nietallische Zerstauber wurde auf dieselbe Spannung geladen,
welche jeweils an den AuSenayliniler des MeBkoiidensators gelegt wurde. Somit erhalt die spruhende Wasserlamelle an der
Rohrijffnnng ein standig steigendes Potential, welches gerade
das Uberwiegen der Ionen zur Folge hat, die an dem Innenstab
des Kondensators ent'laden werden. Es ware clurchaus erforderlich gewesen, wie es in meinen
Versuchen auch erfullt war, die
Spriihmundung gegen Aufladung uncl Influenz durch ein geerdetes Dmhtnet'z zu schutzen.l)
Die Eigenaufladung des Zerstiiubers bedingt eine mit der
Kondensatorspannung
direkt
proportional ansteigende, dein
eigentlichen
Wasserfallaffekt
sich iiberlagernde, zusatzliche
Ionenmenge. Die N o l a n s Ar- beit entnommene Kurve C in
Yo/t
Fig. 1 setzt sich daher ausainFig. 1
men &us der wasserfa,llelektrisohen, allniahliche Kruniinung aufweisenden Kurve A und
einem vom Nullpunkte aus linear anst'eigenden Linienzug B.
Der ansteigende Ast der Kurve C lauft geradlinig auf den
Anfangspunkt, a n , was auch N o l a n als auffallig bemerkt. Auf
dermtige Weise gelingt es allerdings leicht, gruppenahnliche
Kurven aufaufinden, ohne daB aber das Vorhandensein diskreter
IonengroSen damit bewiesen wBre. In1 Gegenteil, die richtige
Ileutung der fraglichen Kurven bestiitigt nur das Fehlen besonderer Gruppen, wie die lediglich durch Wasserfalleffekt erzeugte, kontinuierlichen Bereich anzeigende Kurve A in Fig. 1
nach Abaug der Falschung zeigt. Damit stimmt eine von N o l a n
-
.--
1 ) I n wie hohem MaBe elektrische Ladung der spriihenden Flussigkeit eine vollige Fiilschung der wasserfallelektrischen Ionenmenge hervorrufen ka.nn, wird durch folgenden Versuch deutlich. Nahert man der
Spriihmundung eine geriebene Siegellackstange, so entstehen infolge der
influenzierten positiven Ladung hauptsiichlich positive Ionen, wahrend
die erzeugten negativen Ionen durch Rekombination vollig unterdriickt
werden. Das von N o l a n eingeschlagene Verfahren liiuft auf dasselbe
hinaus.
Die Gropenverteiluy v o n Ioiicn iiz Gasen
265
mitgeteilte Kurve geradezu uberein, die zweifellos ohne storende
Ladung des Spruhers erhalten wurde und in] deutlichen Gegensatz zu den ubrigen Messungen scharfen Abfall bei hoheren
Spannungen von 20 Volt an aufwarts zeigt, wahrend die fehlerhaften Kurven bis 650 Volt ansteigen.
Die Beobachtungen weisen, da die Luft mittels Ventilator
aus dem Zimmer angesaugt wurde, kaum vermeidbare Schwankungen auf, die im geschlossenen Zerstauber fortfa1len.l) Es
ist daher unberechtigt, in der St,reuung der Messungen ausgepragte Hockerbildung erkennen zu wollen.
Es ist auch bezeiohnend, claB statt der fruher2) bemerkten
12 Hocker (entsprechend 12 besonderen IonengroBen) trotz der
verfeinerten Messung sich nur noch 3 Hocker angeben lassen,
von denen der erste und zweite dem eigentlichen wasserfallelektrischen Maximum der Kurve entsprechen, dessen zugehorige Beweglichkeiten entsprechend den Unterschieden hinsichtlich Ionenalter und Ssuggeschwindigkeit zwischen 0,27
und 0,05 cm3) variieren, in guter Ubereinstimmung mit meinen
ebenfalls mit dem Doppelkondensator erhaltenen Werten von
0,3 cm bei dem Alter von 0,3 Sek., wahrend die groljten Ionen
Beweglichkeiten von weniger als 0,04 cm aufmeisen. Das Auftreten kleinerer, den mittleren Groljen entsprechenden Beweglichkeiten bei N o l a n ist in Betracht des Gfachen Alters,
bei dem die kleinen Ionen durch Diffusion und Anlagerung
stark zurucktreten, und infolge des groljeren Durchmessers des
Saugrohres, der das Absaugen der grofieren Ionen begunstigt ,
durchaus verstandlich. Das Auftreten eines dritten Hockers
bei 650 Volt bedeutet, dalj der erzeugten Tropfchenzahl durch
den mechanischen Vorgang des Zerstaubens eine obere Grenze
gesetzt ist. Die danach berechnete Beweglichkeit von 0,Ol cln
reicht kaum heran an die bei intensivstem Zerstauben erhaltenen Werte von 0,02-0,05 cm!)
Es sei noch kurz die Frage der Existenz von diskreten
IonengroBen bei Zerstaubung von Queclisilber erortert, welche
1 ) Vgl. W. Busse, a. a. 0. S. 503.
2) Proc. Roy. SOC.A. 33. 1916; A. 94. 1917.
3) Die im folgenden abgekiirete Benennung der Beweglichkeit ,,om"
bedeutet cm/sec pro Volt/cm.
4) Vgl. die Abnahme der Beweglichkeit mit wachsendem Luftdruok
bei W. Busse, a. a. 0. S. 507, Fig. 7.
266
W . Bwse
nach J. A. Mc C'lelland nnil P. J. Nolan1) ebenfalls anzunehmen waren. Es stehen mir einige von Hrn. Buhl2) mitgeteilte Daten Bur Verfugung, wofur ihni auch an dieser Stelle
liesonderer Dank ausgesprochen sei. Bei Zerstauben von reinem
Hg im geschlossenen Spruher werclen bei einer beforderten Luftinenge von 120 ccm/sec alle Ionen bei 100 Volt in B e c k e r s
Kondensator (1 = 10 em, In ra/ri = 1,3) entladen, entsprechend
einem GroBenbereich von 30 bis 150-10-* em. Der Anstieg
wurde von 5 zu 5 Volt gemessen, die einzelnen Beobachtungspunkte liegen mit so grol3er Anniiherung auf einer glatten
Kurve, daB Gruppenbildurbg jii~
au,sgeschlossen, zu halten ist, wie
die betreffenden in B u h l s kurzlich veroffentlichter Arbeit enthaltenen Kurven (Fig. 2, S. 145 und Fig. 7, S. 155), auf die hier
verwiesen sei, belegen.
Es bestatigt sich also der fruher genugend begrundete
SchluB, daB im Fall masserfallelektrischer Erzeugung gesonderte
GroBenklassen von Ionen nicht znr Ausbildung gelangen, sondern
ein liontinaierlicher GroBenbereich vorliegt, dessen Grenzen teils
infolge der Natur der wasserfallelelrtrischen Doppelschicht und
tler Veranderlichkeit der erzeugten IonengroBen, teils auch infolge der jeweiligen experimentellen Bedingungen mehr oder
weniger va'riieren.
11. Ionisation dnreh Phosphor
J. A. M c C l e l l a n d und P. J. Nolan3) kommen dwch experinientelle Untersuchung der GroBenverteilung der durch
Phosphor erzeugten Ionen zu der Auffassung, daB beide Ionenarten gleiche, mit dem Alter unvera,nderliche GroBen aufweisen.
In feuchter und getrockneter Luft wurden groBtenteils gemeinsame Gruppen konstatiert, 6 Klassen mit Beweglichkeiten
zwischen 0,017 bis 0,00063 om, in BuBerst getrockneter Luft
:loch Werte zwischen 0,22 bis 0,028 em, bei dem Alter von
einigen Minuten noch solche bis zu 5.lO-5cm. Die Nachprufung
dieser Ergebnisse erschien mit Rucksicht auf die oben geauBerten
Bedenken notwendig.
1 ) Proc. Roy. Irish. Acad. A. 33. 1916.
2) A l f o n s B u h l , Ann. d. Phys. 80. S. 137. 1926. Die komplizierten
bei Hg vorliegenden wasserfallelektrischen VerhUtnisse finden dort eingehende Behandlung.
3) J. A. C l e l l a n d und P. J. N o l l a n , Proc. Roy. Irish. Acad. A.
36. s. 1. 1919.
D i e Gro/3enverteiltmg O O ~ Lloiten i n Gasen
267
Methode der Messung m i t d e m Doppelkondensator. Zur
Bestimmung der Beweglichlreit dient neben dem Wechselstromverfahren nach R u t herf o r d vorwiegend der Zylinderkondensator mit zentral angeordneteni Innenstab, der zurn
Elektrometer fuhrt. Die ionenhaltige Luft stromt mit konstanter Geschiwndigkeit durch da,s Feld. Die Stromspannungskurve ist bei kontinuierlicher GroBenverteilung gekrummt ; bei
Vorhandensein gesonderter GroBen besteht sie aus aneinandergereihten Geradenstucken, die aber bei einer groBeren Zahl von
Gruppen nur bei genugender MeBgenauigkeit von einer gekrummten Kurve zu unterscheiden sind.l)
Demgegenuber besitzt der zuerst von Z e l e n y benutete
Kondensator mit Doppelelektroden, die geringen Abstand voneinander haben, groBeres Auflosungsvermogen. Nur die eine
Elektrode fuhrt zum Elektrometer, wahrend clas elektrische
Feld sich uber beide Elektroden erstreckt.2)
Eine einheitliche IonengroBe erzeugt einen Linienzug niit
scharfer Spitze, wie Fig. 2 zeigt. Bet,ragt die Lange der isolierten Elektrode ein Drittel von der geerdeten, so ist A B =
3I4AC in Fig. 2. Bei der Spannung C gelangen gerade keine
Ionen mehr zum isolierten Innenstab. Die Bestimmung der
kleinsten, in einem GroBengemisch vorhandenen Bewegliohkeiten ist auf solche Weise im allgemeinen genauer moglich, als
mit dem einfachen radialen Kondensator, bei dem die Lage des
Sattigungspunktes meistens nur ungefahr ermittelt werden kann.
Sind mehrere einheit'liche GroBen vorhanden, so resultiert
ein eckiger Linienzug, wie die ausgesogene Linie in Fig. 2 ver1) In den meisten Fallen reicht die Genauigkeit der Messung nicht
aus, um die Verbindung von Beobachtungspunkten durch Geradenstiicke
zu rechtfertigen. (Vgl. J. F r a n c k , Jahrb. der Radioaktivitat 9. S. 242.
1912.) Bei geniigend langsamer, konstanter Stromungsgeschwindigkeit,
Konstanz von Ionisation und geniigendem Durchmesser dea Kondensators
(2 cm) werden keine Knicke vorgetauscht, wie die andernorts mitgeteilten
Kurven (Ann. d. Phys. 76. S. 601. 1925; Fig. 4) belegen, und ebenso
kommen deutlich vorhandene Gruppen im Kurvenlauf auch zum Ausdruck, wenn Diffusion und Rekombination unmerldich sind (z. B. bei
Ionendichte von 106/cc,m),wie z; B. Fig. 11 weiter unten zeigt; vgl. auch
die von Becker mitgeteilte Kurve (Ann. d. Phys. 36. S. 251. 1911; Fig. 8,
Kurve k), melche einen sehr scharfen reelZen Knick zum Vorschein kommen
liidt (niiheres dariiber weiter unten).
2) Vgl. die Abbildung Ann. d. Phys. 76. S. 500. 1925, Fig. 3; es ist
dort Innenladung bevorzugt, der AuBenzylinder ist geerdet,.
268
W . Busse
deutlicht. Einzelne diskrete GroBen werden an hervorstehenden
Hockern erkannt. Liegt ein zusammenhangendes GroBenintervall in dem eingangs definierten Sinne vor, so folgt gleichniaoige Krummung, entsprechend der strichpunktierten Kurve
in Fig. 2.
~ersuchsaizol.dizu?zg:Neben B e c k e r s Kondensatorl), dessen
Bernsteinisolation im Innern durch eine RIessinglrappe gegen
leitenden Beschlag gesohutzt wurde, wurde ein Kondensator
iiiit Doppelelektroden von folgenden Dimensionen benutzt :
Durchmesser des Innenstabes 3 mm, seine LBnge 24 und 8 em,
lichte Weite des AuBenzylinders 20 inm. Die Aufladung des
AuBenrohres erfolgte mit besoncleren Spatnnungsbattt.rien.
Fig. 2
Vorwegnahnie von Ionenmengen fand nicht statt. Die
Kapazitat des gesamten Systems, einschlieI3lich Binantelektrometer und besonderer ZusatzkapazitBt bet rug 420 em, maximal
685 em; die Empfindlichlieit 2,5.10-3 Volt pro Skalenteil. Die
Dauer der Aufladung'betrug im Mittel 10 Sek. und wurde mit
der Stoppuhr auf 1/5 Sek. genau bestimnit.
Die erforderliche Druckluft wurde Stahlbomben entnommen,
die rnit dem Kompressor der L i n d e sclien Maschine mit reiner,
von fremden Diirnpfen moglichst freier Luft rtuf 200 Atm. gefullt wurden. Merkliche storende Oldiinipfe des Kompressors
gerieten nicht in die koinpriiiiierte Luft. Die zur Luftleitung
dienenden Glasrohre wurden eng aneinandw gelegt und rnit
hlessingmanschet ten oder Stanniolwicklung und dariiber gelegtem Gummiband gedichtet, so daB stBrende KautschukdBmpfe fernblieben. Ebenso wurden die die Phosphorionisation
1) Zeitschr. f. Instrumentenkmde 10. S. 258. 1909.
Die
Gro/lenverteilung
von
Ionen in Gasen
269
stark schwiichenden Spuren organischer Dampfe, z. B. Paraffindampf, streng vermieden.l) Ein geeignet angeordneter Rotamesser zeigte die beforderte Luftmenge an und ermoglichte die
Konstanz des Druckes wahrend der Messung zu iiberwachen und
geringe hderungen durch Regulierung des Bombenventils
augenblicklich zu beseitigen. Bei Entnahme von im Mittel
180 l/Stdn. blieb der Druck mehrere Tage lang gut konstant.
Etwa in der Bombenluft vorhandene Ionen wurden im
radialen Vorfeld beseitigt, meistens gelangte jedoch keine merkliche Ladung bis zum Kondensator.
Der gewohnliche Feuchtigkeitsgehalt der Bombenluft betrug im Mittel 9 g/m3 bei 1 8 O C ; teilweise erfolgte intensive
Trocknung mit CaCl, und konz. H,S04 oder P,O,. Die absolute
Feuchtigkeit betrug, extrapoliert nach den Angaben von
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Bombe
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G
v
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PnOsphOP
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Fig. 3. Schemstische Skizze
Daudt,), maximal 0,Ol g/m3. Der Luft beigemischte Tropfchen wurden im dahinter geschalteten Wattefilter, an dessen
Stelle spiiter ein Asbestfilter trat (naheres weiter unten), abgefangen. Ein die Kernzahl (neutrale den Ionen zur Anlagerung
dienende Komplexe) vergrobernder EinfluB von Spuren mitgefuhrter Schwefelsauredampfe in Verbindung mit dem vom
Phosphor erzeugten Ozon wurde nicht bemerkt, da bei gleicher
Trocknung mit P,O, die maximalen IonengroBen konstant
blieben ; andernfalls ware eine VergroRerung zu erwarten gewesen. Hinter dem Filter folgte zur Dampfung der durch das
Sprudeln verursachten StoRe der Druckluft eine 25 Liter
fassende Flasche.
Der Phosphor befand sich in einem geerdeten Messingrohr
(Durohmesser 2 em), an das der Kondensator sich anschloB.
Das Phosphorstiickchen (mittlerer Durchmesser 5 mm) von
1) Vgl. M. Centnersswer, Zeitschr. f. phys. Chem. 26. S. 1. 1898.
2) W. Deudt, Zeitschr. f. phys. Chem. 106. S. 256. 1923.
Annalen der Phyaik. IV. Folne. 81.
18
270
W . Eusse
Halbkugelform wurde auf ein Deckglas gelegt, so daI3 die Luft
uber das in der Rohrmitte befindliche Stuck mit gleichmaBiger
Geschwindigkeit hinwegstromte. Diese Anordnung erwies sich
als die bei weitem geeignetste, bei der storende, wechselnde
Feuchtigkeitsschichten auSerst vermieden wurden. Die phosphorhaltige Luft stromte in den Abzug, wie die schematische
Skizze, Fig. 3, zeigt.
Die Reinigung des Phosphorsl) erfolgte in konzentriertem
Kaliumbichromat mit Zusatz von verdunnter Schwefelsaure
und in destilliertem Wasser. Er wurde in ausgekochtem, destillierten Wasser aufbewahrt und blieb langere Zeit weiS und
durchscheinend .
Beriicksichtigung stiirender Effkte : Der EinfluS der Luftfeuchtigkeit auf die Ionisation auSert sich leicht in merklichen
Schwankungen der erzeugten Ionenmengen, verursacht durch
wechselnde, die Oxydation beeinflussende Feuchtigkeitsschichten
auf der Phosphoroberflache, wie sich an dem veranderlichen
Leuchten im Dunkeln leicht verfolgen 1aI3t. Sie sind bei
Zimmerfeuchtigkeit kaum vermeidbar. Bei intensiver Trocknung lassen sich gut konstante Verhaltnisse erzielen; der Phosphor leuchtet gleichmaI3ig und die Ionisation ist bestandig
genug. Mit dem Doppelkondensator 1aSt sich auch in feuchter
Luft die Untersuchung der Grobenverteilung mit Erfolg vornehmen, da die erforderliche Genauigkeit geringe Streuung
der MeSpunkte zulaI3t.
Geringe Anderungen der Temperatur (es genugen wenige
Zehntel Grad) lassen einen Umstand hervortreten, der leicht
die Anwesenheit gesonderter Gruppen vortauschen kann. Man
beobachtet, daS bei gleicher Spannung am Kondensator und
im iibrigen konstanten Verhaltnissen (abgesehen von den Temperaturdifferenzen) in feuchter und getrockneter Luft die Aufladung plotzlich erheblich steigt oder fallt, z. B. auf den
doppelten Wert oder die Halfte. Hier aber handelt es sich
nicht um Diskontinuitaten der GroI3enverteilungYsondern um
plotzlich erfolgende Umladungen der gesamten Ionenmenge derar t ,
daS die z. B. mehrfache Ladung der Ionen auf die Halfte sinkt
oder entsprechend steigt.2) Auf diesen fur die Natur der Phos1) Niiheres bei &
Centnerszwer,
I.
a. a. 0.
2) Die Besonderheit d i e m Ladungsiinderung, die mit der fraglichen
Gruppenbildung nichts gemein hat, durfte M c Clelland und Nolan
entgangen eein.
Die GroBertverteilung von Ionen in Gaselt
271
phorionisation entscheidenden Effekt sei hier nur soweit hingewiesen, als es zur vorliegenden Frage erforderlich ist.') Er
laBt sich jedoch, wie unten gezeigt, deutlich unterscheiden,
von einer auf Hervortreten einer GroBenklasse hindeutenden
starken Anderung der Ladung, die bei nahe nebeneinanderliegenden Spannungen erfolgen konnte, nicht jedoch, wie jener
Vorgang, bei vollig gleicher Kondensatorspannung.
Es sei noch kurz die Benutzung des Wattefilters fur die
vorliegenden Versuche begrundet.2) Wie L e n a r d und R a m s a u e r fanden, gibt das Wattefilter nach langerem Gebrauch
noch Dampfe ab, vorwiegend Wasserdampfe. Dies lieB sich
gut bestatigen, indem frische Watte die durch Phosphor in
getrockneter Luft erzeugte Ionenmenge erheblich vergroBerte,
ein untrugliches Zeichen fur von der Watte abgegebenen Wasserdampf, der bei langerem Gebrauch des Filters aber nur spurenweise mitwirkt und die Konstanz der erzeugten Ionenmenge
nicht gefahrdet. Die Ionen fielen lediglich, wie zu erwarten,
etwas groBer aus; so wuchsen die mit frisch gegluhtem Asbestfilter erhaltenen groaten Radien von 2,3 lo4 cm bei Filterung
mit Watte auf 2,6 - 104. Da es sich im Vorliegenden vor allem
darum handelt, Konstanz der Ionisation zu erzielen, so ist die
geringe Abnahme des Trocknungsgrades belanglos. Im Verlauf
der Messung wurde das Asbestfilter bevorzugt. Die von der
Watte befreiten Spuren fremder Dilmpfe3) (Ammoniak) sind
bei langerem Gebrauch des Filters zweifellos verschwindend
gering, so daB eine merkliche Erhohung der zur Anlagerung
dienenden Kernzahl dadurch nicht verursacht wird.4)
Durohfuhrung und Ergebnisee der Measungen
1. G e t r o c k n e t e L u f t
Wahrend einer Messung blieb die Temperatur genugend
konstant, die Anderungen betrugen weniger als l oC.
1) In einer folgenden Arbeit wird niiher darauf eingegangen.
2) Von einer eingehenden Behandlung dieser Frage in den Arbeiten
von Lenard u. Ramsauer (Heidelberger Akad. 1910/11) erhielt Verfaaser
erst im Laufe der Untersuchung Kenntnis.
3) Heidelberger Akad. 16. S. 10. 1911.
4) Uber Entstehung und Bedeutung der neutralen Kerne vgl. eingehende Bearbeitung bei Lenard u. Ramsauer (a. a. 0.)und bei Becker
(a. a. 0.).
la*
272
W . Busse
Die bei dem Alter1) von 2 Sek. mit B e c k e r s Kondensator
erhaltenen Kurven gibt Fig. 42) wieder. Die Beobachtungspunkte schlieBen sich dem eingezeichneten Kurvenzug vollig
an. Geringe Abweichungen innerhalb der Grenzen der Genauigkeit konnen nicht als Spriinge gedeutet werden.
Fig. 4
Sieht man von den den langsamen Ionen zukommenden
bis 5 * 1 0 6 ern mit Radien
Gruppen (4 Gruppen von 3 em) ab, die erst bei dem Alter von mehr als
von rund
Fig. 5
1 Minute hervortreten, so ware nach den Angaben von Me Clell a n d und N o l a n der in Fig. 5 eingezeichnete Linienzug mit
dem Doppelkondensator zu erwarten, wenn man die im Maxi1) Das Alter der Ionen bedeutet im folgenden die Zeit, die ein begrenztes Luftqumtum braucht, um vom Phosphor bis zur Editte der zum
Elektrometer fiihrenden Elektrode zu gelangen. Sie ist nicht identisch
mit dem mittleren Alter der Ionen oder dem Alter eines beliebigen Ions,
da die Ionen grobnteils nicht direkt am Phosphor, sondern erat allmhblich im Luftatmm entstehen.
2) Ea bedeutet allgemein das Zeichen: @ negative Ionen,
x pmitive Ionen.
Die GroPenverteilung won Ionen in Gasen
273
mum entladene Menge jeder Gruppe gleichsetzt, was erlaubt
ist, da die Mengen der grol3en Ionen uberwiegen sollen; die
Gruppe, welche der Spitze bei 450 Volt zugehort (w=
cm),
wiirde ungefahr 50°/, der gesamten Ionenmenge eusmachen.
Die erste Spitze bei 20 Volt ware nur bei Trocknung .zu erwarten, insgesamt wurden 4 deutliche Hocker sichtbar.
Fig. 6
Die Messungen aber stehen in volligem Gegensatz dazu.
Fig. 6 und 7 enthalten einige charakteristische Kurven, die
samtlich gleichmtiPige Kriimmung zeigen. Die Lage des Maximums entspricht der uberwiegend entladenen GroBe mit Becm; die grofiten Ionen haben
weglichkeiten zwischen 2-5 cm und weniger. Geringe Streuung der
Werte von 1
gemessenen Punkte, wie in Fig. 6, ist kaum vermeidbar, sie
gruppieren sich aber im Mittel um den eingezeichneten Linien-
Fig. 'I
zug. Kurve B in Fig. 7 wurde kurz nach Kurve A erhalten;
die geringe Abnahme der Ausbeute ist vermutlich auf Temperatweinflu6 zuriickzufuhren. In Kurve C, Fig. 7 tritt ein
enger GroBenbereich bei 300 Volt starker hervor, ahnlich bei
100 Volt in Fig. 6. Die Lage der Maxima ist leicht hderungen
unterworfen, verursacht durch die Ausbildung der neutralen
Kerne und die lokale Intensittit der 1onisierung.l)
1) V@. A w . 1, 8. 27%
W . Busse
2.74
Einen auffallend scharfen Knick zeigt Fig. 8 an. Es ist
aber sofort ersichtlich, daB er keineswegs eine Gruppe andeutet.
Denn, wie sich leicht zeigen 1aDt (vgl. oben die Angaben uber
die Doppelkondensatormethode, auch Figg. 2 und 5 ) , kann die
Neigung eines ansteigenden Kurvenstuckes, verursacht durch
eine hervortretende IonengroBe, gegen die Voltachse hochstens
so grol3 ausfallen, daB ihre ruckwartige Verlangerung auf den
Nullpunkt zielt (sonst auf die Skalenteilachse, aber niemals
auf die Voltachse). Die scharfen Spriinge bei a und b bedeuten
vielmehr, wie oben erklart, plotzliche Sprunge der Gesamtladung der Ionen. Die benachbarten Beobachtungen in a
wurden bei 165 bzw. 170 Volt angelegter Spannung gemacht;
I
0
I
a
0
I
YO/f -L
yw
I
600
I
800
Fig. 8
nur selten 1aSt der Moment der Umladung bei konstanter
Temperatur sich elektrometrisch verfolgen, indem bei derselben Spannung zwei gleich aufeinanderfolgende Messungen
verschiedene Aufladung angeben. Bei variabler Temperatur
wurde aber solches Springen der Ladungen direkt beobachtet.
Der Unterschied der Figg. 6 und 7 gegeniiber Fig. 8 legt ebenso
nahe, daB eine Besonderheit mitwirkt. Die gestrichelten
Linien geben den Verlauf an, der ohne Ladungsanderung mit
deutlich vorhandener Kontinuitat sich vollzogen hatte.
2. Feuchte Luft
In der Luft von Zimmerfeuchtigkeit ist die Ausbildung
der langsamen Ionen bedeutenderen Schwankungen ausgesetzt
.als in getrockneter Luft, da die Oxydation durch wechselnde
Die Gro/lenverteilunq von Ionen i n Gasen
a75
Feuchtigkeitsschichten auf der Phosphoroberflache, wie erwahnt, beeinflufit wird und infolgedessen Ionisation und Eraeugung der groBen neutralen Kerne, der Phosphoroxyde,
stark beeintrgchtigt werden. Beide Umstande aber bedingen
die GroBenverteilung der Ionen in einem gegebenen Augenblick.
Es ist daher auch nicht verwunderlich, da8 die Messungen in
feuchter Luft ungleichmaBiger verlaufen und durch geringste
Temperaturanderung stark gestort werden. Die bei dem Alter
von 6-16 Sek. erhaltenen Resultate zeigen teils durchaus kon-
Fig. 10
tinuierlichen Verlauf, teils auch Knicke bei beliebig wechselnden Spannungen an (Figg. 9 und 10). Ionenalter und Temperatur
waren wenig verschieden, abgesehen von Kurve C, die bei
doppeltem Alter (16 Sek.) gemessen wurde. Konstante Gruppen
sind demnach auclz. in feuchtw Luft keinesfalls vorlianden. Schon
die Lage der Knicke (Fig. 9) bei verschiedener Spannung
deutet an, daB ihr Auftreten auf EinfluB von Temperatur und
276
W . Busse
Feuchtigkeit zuriickzufiihren sind. Um gesonderte GroBen
durfte es sich auch in diesem Falle nicht handeln, sondern eher
um engere, mindestens einseitig deutlicher begrenzte Bereiche,
Dafur sprechen die in Fig. 10 enthaltenen Kurven. Die Voltzahl ist fur jede ,Kurve verschieden. Sogar nach 16 Sek. ist
noch ein weiter gleichmaBiger Bereich vorhanden, die kleinsten
Beweglichkeiten betragen weniger als
em.
In feuchter Luft ergibt sich demnach dasselbe Resultat
wie in stark getrockneter Luft, daB namlich prinzipiell ein
kontinuierlicher Bereich vorliegt, wie ubrigens unsere bisherige
Kenntnis iiber die Beteiligung des Wassers an der Ausbildung
der groBen Ionen erwarten la&, seitdem einmal die grundfalsche Vorstellung iiber das Auftreten gesonderter GroBen in
trockener Luft widerlegt ist. Wie Becker naher verfolgtel) und
die GroBenmessungen an den Ionen des Phosphors bes tatigenz),
hat wechselnde Feuchtigkeit Zunahme der GroBen der neutralen
Kerne zur Folge, an welche die normalen Ionen mit Radien
von 10-7cm sich anlagern, und somit auch der Ionen selbst.
Anlagerung von Wassermolekulen an die normalen Ionen, so
daB Radien von bedeutend mehr als
ern entstanden, kommt,
wie L e n a r d , R a m s a u e P ) und Beckera) zeigten, nicht in
Betracht. Im Falle des Phosphors wird der Wasserdampf von
den Oxyden in starkem MaBe gebunden, so daB diese in feuchter
Luft als bekannter Phosphornebel sichtbar werden und die
langsamen Ionen mikroskopische Sichtbarkeit erreichen.5) Das
Wachstum der Ionen erfolgt aber nicht so, daB bestimmte
diskrete IonengroBen erhalten bleiben - dann miiBte eine
experimentell verfolgbare, sprunghafteVergroBerung eintreten -,
vielmehr spielt der Vorgang sich in der Weise ab, daB die
ungeladenen Kerne der Phosphoroxyde, die sich iiber ein
breites GroBenintervall erstrecken, gleichmaBig anwachsen
und somit auch die IonengroBen in kontinuierlich wahrnehm1) a. a. 0.
2) Niiheres Eingehen auf die absoluten IonengroDen liegt nicht in
der Absicht vorliegender Untersuchung. Vgl. F. Harms, Physik. Zeitschr.
4. S. 438. 1903; 6. S. 93. 1904; Jahrb. der Radioaktivitit 1. S. 291. 1904.
3) Heidelberger Akad. 16. S. 9. 1911.
4) a. a. 0.
6) Vgl. K. Przibram, Wiener Ber. 119. IIa. 1910. Die dort vorhandenen hohen Ladungen sind zum Teil durch Zusammenlagerung entstrtnden.
Die Groj?enverteilung von
Ionen in Gasen.
277
barem ubergang zunehmen. Sie uberdecken ein breites GroBengebiet mit verschieden dichter Lagerung ohne merkbare Liicke.
III. Badioaktire Erzengung der Ionen.
Uber das Vorhandensein von Gruppen bei Erzeugung durch
lichtelektrischen Effekt oder Elektronen- und Ionensto8 liegen
widersprechende Ergebnisse vor. W. B. Hainesl) glaubte bei
Ionisierung mit a-Strahlen auf Gruppen in H, und N, schlieBen
zu konnen; seine Resultate sprechen fur Anlagerung von einzelnen Molekulen (vgl. Anm. 1, S. 262, vorl. Abh.). K i a L o k
Yen2) konnte dies aber nicht bestatigen. J. J. NolanS) findet
bei lichtelektrischem Effekt an Metallplatten in Luft ebenfalls
Gruppen. Dagegen wenden sich Blackwood4) und L. B.
Loeb.5) Ebenso fanden T y n d a l l und Grindleya) bei dem
kurzen Alter von 0,Ol-0,l Sek. rnit einer besonders empfindlichen Methode fast einheitliche Beweglichkeit.
Das Folgende liefert einen Beitrag zu der strittigen Frage.
Die Auffassung, dab keine Gruppen vorliegen, bestatigt sich
im wesentlichen. Es wird aufmerksam gemacht auf das Hervortreten einer Gruppe innerhalb eines fast kontinuierlichen
Bereiches.
Die oben benutzte Anordnung liegt auch den folgenden
Messungen zugrunde. An 8telle des Phosphors tritt ein Q-, #?und y-Strahlen aussendendes Thoriumpraparat oder ein mit
Th-Emanation belegtes Aluminiumblech von 1 qcm FlHche,
entsprechend der geeigneten Intensitat der Ionisierung. Das
Praparat befand sich in geerdetem Messingrohr, das zu dem
einfachen radialen Kondensator fuhrte. Neben Beckers Kondensator wurde ein solcher mit Innenstablange von 3 cm,
auBerem Radius 10 mm, innerem Radius 0,5 mm verwendet.
Die GroDenverteilung wurde unter Variation des Alters, des
Feuchtigkeitsgrades und der Mitwirkung von anlagerungsfahigen Kernen untersucht.
1) W. B. Haines, Phil. Mag. [6] 30. S. 503. 1915; 31. S. 339. 1916.
2) Kia Lok ,Yen, Phys. Rev. [2] 11. S. 327. 1918.
3) J. J. Nolan, Phys. Rev. [2] 24. S. 16. 1924.
4) 0. Blackwood, Phys. Rev. [2] 19. S. 281. 1922; 20. S. 499.1922.
5) L. B. Loeb, Phys. Rev. [2] 25. S. 101. 1925.
0) A.M.Tyndal1 u. G.C. Grindley, Proc. Roy. SOC.A. 110.
S. 341. 1926.
278
W . Busse
Die Ergebnisse gehen aus Figg. 10 und 11 hervor. Wir
betrachten zunachst den Fall intensiver Trocknung und Filterung der Bombenluft in der Reihenfolge : CaCl,, P,05, gegluhtes
Asbestfilter, GO,-Kuhlspirale, welche nach Bee kerl) imstande
ist, die fremden Dampfspuren, welche zur Kernbildung mit
Ozon AnlaB geben, zuruckzuhalten.2) Der Abstand des Priiparats vom Kondensator (min. 15cm, max. 80cm) war so bemessen, da13 Ionisierung im Felde keinesfalls merkbar statt fand. Ferner hatten Diffusion und Rekombination wahrend
der Entladung im Kondensator keine Abrundung der Kurven
zur Folge: auch die geringe Rundung der Kurven A und B
(Fig. 11) im Gebiet der Sattigung darf der GroBenverteilung
zugeschrieben werden, wie aus anderen, hicr nicht mit-
Fig. 11
geteilten Beobachtungen, die ganz scharfen Knick zeigten,
hervorgeht. Die Ionenkonzentration betrug 2 .105/ccm. Rei
den Messungen (Fig. 11, C und D ; Fig. 12) betrug die Konzentration rund 106/ccm. Doch beeintrachtigt auch in diesem
Fall die Rekombination den Kurvenlauf in 1 Sek. unmerklich,
wie Berechnung der kinetischen StoBzahl unter Beriicksichtigung des Einflusses der Ladung ergibt.
Das Alter in Kurven A und B Fig. 11 betrggt 1 Eek.;
Aufladung der Innenelektrode (max. 0,12 Volt) und Kontakt1) a. a. 0.
2) Es scheint nicht ausgeschlossen, da13 doch noch minimale Dampfspuren schwache Kernbildung verursacht und zur VergroRerung der Ionen
beigetragen haben, ohnc da8 aber eine Entstellung des gesuchten Effektes
dadurch zu erwarten ware.
Die Gropenverteilung won Ionen in Gasen
279
potential (0,l Volt positiv innen gegeniiber dem geerdeten
AuBenzylinder) sind beriicksichtigt. Es ist fast einheitliche
Beweglichkeit von 1,82 em, zu geringem Teil bis 1,2 em vorhandenl), in Ubereinstimmung mit T y n d a l l und G r i n d l e y ,
die bei dem Alter von 0,l Sek. fast einheitliche GroBe fanden.
Nach 4,5 und 9 Sek. (Kurve C uncl D,Fig. 11) liegen gleichmiiBige Bereiche zwischen 0,91-1,82 em und zwischen 0,27
bis 1,82cm vor; Becker fand fur die kleinste Beweglichkeit
0,3 em nach 12 Sek. bei Erzeugung mit Rontgenstrahlen.
Ahnliches zeigt sich in kernhaltiger Luft. Bei Trocknung
(P,O,, Asbest) wurde vorwiegend kontinuierliches Interval1 von
0,27-1,82 em nach 9 Sek. erhalten ( A , Fig. 12). Die den
negativen Ionen zugehorige Kurve C weist einen deutlichen
Fig. 12
Knick auf, der nicht auf Streuung zuruckzufuhren ist (Genauigkeit 4 Proz.). E r ist auf einfache Weise erklarbar. Die
Kernkonzentration, erzeugt durch die /3- Strahlen des Praparats,
ist zwar gering, so daB die bei Trocknung mit GO, vorhandene
Beweglichkeit von 0,27 em nicht unterschritten wird. Die Anlagerung an die vorhandenen Kerne beschleunigt aber die AUSbildung der groBeren Ionen ; die kleineren mit Beweglichkeiten
von 1,82cm kommen auf solche Weise als Knick zum Vorschein.q Mit wachsendem Alter und in unfiltrierter Luft von
1) Die Beweglichkeiten sind bezogen auf 0 0 und 760 mm H g .
2) Eine ahnliche Beobachtung teilt B e c ker mit (Ann. d. Phys. 36.
S. 251. 1911). Die dort wiedergegebene Kurve kin Fig. 8 (Kurve D,Fig. 11
i m vorliegenden) zeigt ebenfalls scharfen Knick, dem eine Beweglichkeit
280 W . Busse. Die Griipenverteilung 2)on Ionen i n Gasen
Zimmerfeuchtigkeit verschwindet der Knick ( B und C, Fig. 12) ;
die Beweglichkeiten liegen zwischen 0,lO-1,30 em.
Ergebniese
1. Es wird gezeigt, daS eine Arbeit von P. J. N o l a n die
experimentell gesicherte Tatsache, daB keine Gruppenbildung
im Falle der Wasserfallelektrizitat vorliegt, bestiitigt, nicht
aber widerlegt nach ihres Verf :'s Meinung.
2. Es wird experimentell nachgewiesen, dab bei der durch
oxydierenden Phosphor erzeugten Ionisation in uberwiegendem
MaBe ein kontinuierliches GroBenintervall vorliegt . Lediglich
in feuchter Luft treten unter gunstigen Bedingungen bei wechselnden Einflussen von Feuchtigkeit und Temperatur auf Kernbildung und Ionisation engere GroBenbereiche innerhalb sonst
kontinuierlicher Verteilung hervor, die aber keinesfalls im
Sinne von Mc Clelland und P. J. N o l a n als konstante
GroBenklassen gedeutet werden durfen.
3. Es bestatigt sich, daB auch bei radioaktiver Ionisierung
in filtrierter und kernhaltiger Luft bei verschiedener Feuchtigkeit gleichmaBige Verteilung der IonengrGBen vorliegt (ausgenommen den Fall aus je 1, 2, 3 usw. Molekulen bestehender
konstanter GroBen). Das gelegentliche Hervortreten eines
Knicks in der Stromspannungskurve wird in einfacher Weise
durch den ProzeB der Anlagerung gedeutet.
Hm. Geheimrat J. Zenneck mochte ich auch an dieser
Stelle fur seine stets bereitwillige Unterstutzung vorliegender
Arbeit ergebensten Dank sagen.
M u n c h e n , Physikal. Institut der Techn. Hochschule.
Juni 1926.
von 1-2 cm entspricht. Er kommt zum Ausdruck, weil duroh verdgerte
Zuleitung der Kerne, nachdem inzwischen die normale IonengroDe sioh
ausgebildet hatte, erst teilweise Anlagerung stattgefunden hat; die anderen
dort mitgeteilten Kurven sind gleichmilDig gekriimmt und beatiitigen, daI3
bei besondera hohen Konzentrationen und Griipen der Kerne ebenfalla keine
Gruppenbildung bemerkbar id. Fiir die Diskussion der dortigen Kurven
gilt rtuch vorwiegend ,,Diff.
Rek. = 0" wahrend der Dauer der Entledung im Kds.
+
(Eingegangen 8. Juli 1926)
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