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Die lichtelektrischen Eigenschaften von Kaliumschichten atomarer Dicke auf Platin. 1

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M a yer. Lichtekktrisch Eigenschajten vm Kaliumchichten usw.
129
me 14chtelektr&ckm IBgelzsciaafim
won KaliumsohCchtm atomarer m c k e auf P l a t h I
Vtm Herbert H a y e r
(Mit 16 Abbildungen)
In zwei vorhergehenden knrzen Mitteilungenl) ist gezeigt
worden, daB die Methode der Atomstrahlen und die zur Messung
von Atomstrahlstiirken mit Erfolg verwendete Ionisiernng von Alkalia€omen an gltihenden Metalloberflachen hoher Austrittsarbeit auch
als Methode zur Herstellung und genauen Messung von Alkalischichten atomarer Dicke ausgebaut werden konnte 3. Sie ermoglicht
es nicht nur, Alkalischichten beliebiger Dicke herzustellen und die
Zahl der in ihnen enthaltenen Alkaliahme mit groSer Genauigkeit
anzugeben ; sie gestattet auch eine h d e r u n g der Aufdampfgeschwindigkeit innerhalb sehr weiter Grenzen, jederzeitige Unterbrechung
des Aufdampfens und somit genaue Beobachtung der verschiedenen,
bestimmten Schichtdicken entsprechenden oder zeitlich veriinderlichen
Eigenschaften.
Es wurde die lichtelektrische Empfindlichkeit von Kaliumschichten auf Platin in Abhiingigkeit von der Schichtdicke ftir die
Gesamtstrahlung einer Hg-Lampe und der EinfinS von weitgehender
Entgasung von Trager- und aufgedampftem Metal1 auf die Empfindlichkeitskurven untersucht l). Wegen der starken selektiven Empfindlichkeit von Kalium wurden die gleichen Messungen far einfaxbiges
Licht innerhalb und auf3erhalb des selektiven Bereiches durchgefiihrt.
Es wurden folgende Erscheinnngen -untersucht:
1. Der Verlauf der lichtelektrischen Empfindlichkeit fur die
Wellenlangeng des Hg-Bogens 6072, 5779, 5461, 4358, 4b62, 3655,
3341, 3132, 2655, 2640 und 2480 fiir Kalium auf Platin fiir Schichtdicken von 0 bis uber 100 Atomlagen.
2. Die Schichtdicke, bei der unter bestimmten Bedingungen
ein erster Hochstwert des lichtelektrisch ausgelosten Elektronen1) H. Mayer, Phys. Ztschr. 36. S. 463. 1935; ZCchr. f. techn. Phys. 16.
6. 451. 1935 oder Phys. Ztschr. 36. S. 845. 1935.
2) Eine Zueammenstellung anderer Methoden vgl. R. Snhrm ann, Ergcbnisse d. exakten Naturw. Bd. XIII, 1934.
3) Eineellinien und Liniengruppen.
Annalen der Physlk. 5. Folge. 28.
9
130
A n n a h der Physik. 5. Folge. Band29.
1937
austrittes beobachtet wird, und der EinfluS, den der Einbau von
Gasmolekiilen auf diese Schichtdicke bzw. auf den Hochstwert hat.
3. Die Abnahme der Austrittsarbeit von dem Werte fiir Platin
auf den Wert flir kompaktes Kalinm in Abhilngigkeit von der Bedecknng der Platinoberfiilche mit Kaliumatomen.
4. Beginn und Entwicklung des spektralen selektiven Effektes.
Dabei wnrde jene Schichtdicke bestimmt, bei der der spektrale
selektive Effekt sich auszubilden beginnt.
5. Lage des selektiven Hochstwertes in Abhangigkeit von der
Schichtdicke und dem Gasgehalt.
6. Anderung der bestimmten Wellenlangen entsprechenden
Ehpfindlichkeit bei nnveranderter Schichtdicke, verursacht durch
Wandern der Kaliumatome auf der Platinflilche.
7. Stromspannnngskurven der aus Schichten verschiedener Dicke
lichtelektrisch ausgelosten Elektronen. Obwohl der Apparat nicht
fiir Messungen dieser Art gebaut war, konnen aus den so erhaltenen
Kurven doch qualitative Schllisse ilber die Geschwindigkeitsverteilung
der aus Schichten verschiedener Dicke ausgelosten Elektronen gezogen werden.
8. Der Lichtvektoreffekt in Abhangiglieit von der Schichtdicke.
I. Heretellnng der Schiohten und Meaeung der Sohiohtdioke
Aus den aus dem Dampfraum des Atomstrahlofens 0 (Abb. 1)
kommenden und durch die Ofenblende B, (1 qmm) ins Hochvakuum
austretenden Alkaliatomen wird durch die Blenden B, und B, ein
schmales Biindel ausgeblendet. Diese Atome fallen auf die Platinfolie F, die so bemessen ist (3 x 7 qmm),
da8 sie den Querschnitt des Strahles fast
ausfiillt. Die beim Gliihen auf tieferer
Temperatur befindlichen Endstlicke der
Folie F konnen von Atomen des Strahles
nicht getroffen werden. Die Blende B,
kann durch die Klappe K geschlossen, die
Platinfolie F elektrisch ausgeheizt werden.
1st die Klappe K geoihet und die Folie
gliihend (Temp. > l l O O o C), so verdampfen die aufprallenden Alkaliatome sofort
wieder; dabei wird ein bestimmter Bruchteil von ihnen ionisiert I). Legt man an den
Zylinder C eine negative Spannung von
einigen Volt, so miBt ein zwischen F
Abb. 1. Apparat (echematisch)
und Schaltekieze
1) H. Mayer, Ztschr. f. Phya. (im Druck).
Mayer. Lichtebktrische E@enschaften von Kaliumschichten uw.I 131
und C geschalteter Strommesser diesen positiven Ionenstrom i. 1st
die Ausbeute der Ionisierung der Alkaliatome bekannt (Ionisierungsgrad k), so ist die Gesamtzahl der die Flilche F in der Zeiteinheit
treffenden Alkaliatome N , = k . i . F . Is€ die Platinfolie auf Zimmertemperatnr oder gekuhlt, dann bleiben die anffallenden Alkaliatome
haften und bauen eine mit der Zeit an Dicke gleichmaBig zunehmende
Schicht aufl). Aus der bekannten Oberflache der Folie und der
durch Strommessung bestimmten in der Zeiteinheit aufgedampften
Alkaliatomzahl folgt die Dicke der Schicht fur jeden Zeitpunkt der
Messung, wenn man bestimmte Annahmen Uber die Anordnung der
Alkaliatome macht.
Dnrch SchlieSen der Klappe K kann eine zeitliche Anderung
des Verhaltens von Schichten bekannter Dicke verfolgt werden.
Durch Gliihen der Folie F
wird diese von der Alkalischicht wieder befreit Die
Zahl der in der Zeiteinheit
auf die Flache F fallenden
Slkaliatome kann in mehrstiindigen Beobachtnngsreihen
bis auf wenige Prozent unverandert gehalten werden
('tjberwachung von Heizstrom
uud Temperatur des Atomstrahlofens).
Der Ionenstrom zeigt fur
das Metallpaar Kalinm-Platin
sowohl in Abhangigkeit von
der Temperatur der Folie
(Abb. 2, b) als auch von der
zwischen F und C liegenden Spannung (vgl. Abb. 3 der eingangs
xitierten Arbeit) Sattigung. Es ist zu beachten, da6 die Sattigung
in Abhangigkeit von der Temperatnr der Folie erst dann eintritt,
1) Die Kaliumatome treten aus der O f i u n g der Ofenblende B, nach dem
Cos-Gesetz der Molekularstrahlung aus (H. M a y e r , Ztschr. f. Phys. 62. 6. 235.
1928). Die Zahl der in einer bestimmten Richtung fliegenden Atome nimmt
also mit dem COB des Winkels, den diese Richtung mit der Achse des Strahles
bildet, ab. Die auf F entstehende Alkalischicht wird nur dann gleichfdrmig
sein, wenn der Ofiungswinkel des Strahles klein ist. In den vorliegenden
Versuchen hetrug er 4", so daS die Zahl der am Rande des Strahles fliegenden
Kaliumatome nur um lo/uokleiner war als die der in der Achsenrichtung
fliegenden.
9.
132
Annalen
der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
wenn diese mehrere Stunden im Hochvakuum gegliiht wurde l);
eine nicht geniigend gegliihte Folie gibt die Stromtemperaturkurve a
der Abb. 2. Es wurde auf3erdem beobachtet, daf3 die Ausbeute
der Ionisiernng ansteigt, je langer das W h e n der Folie F dauerte.
Sobald vollkommene Sattigung des Ionenstromes erreicht ist, andert
sich auch der Ausbeutekoeffizient der Ionisiernng nicht mehr.
Um die Schichtdicke in Einheiten einatomiger Schichten angeben zu konnen, sind bestimmte Annahmen iiber die Zahl der in
einer solchen Schicht vorhandenen Atome und iiber die durch die
,,Rauhigkeit" verursachte VergroSerung der Oberfiache zu machen.
Da diese Fragen an anderer Stelle ausfiihrlich besprochen sind?,
SOU hier nur kurz die in der vorliegenden Arbeit angewendete Berechnungsweise erwahnt werden.
In der auf der letzten Schicht der Platinatome sitzenden ersten
Schicht der Kaliumatome wird die Anordnung der letzteren sicherlich
durch die Anordnung der ersteren und durch das Verhaltnis der
Gitterkonstanten bestimmt sein. Da die Gitterkonstante des Kaliums
(5,2 AE; flachenzentriert) vie1 groBer als die des Platins (3,9AE;
flachenzentriert) ist, nimmt man anS), daf3 in der, dem Platin unmittelbar anfsitzenden Kaliumschicht je ein Kaliumatom auf vier
Platinatome kommt. Eine einatomige Schicht von Kalinmatomen
auf Platin enthalt dann 3,3 1014Atomeje Quadratzentimeter. Dabei
ist jedoch die Rauhigkeit der Platinoberfiache noch nicht beriicksichtigt. Da Beobachtungen dartiber nicht nicht vorliegen, wird sie
durch einen Faktor 1,2 beriicksichtigt, der von Beobachtungen an
Wolfram herstammt3). So erhiilt man die Zahl 4 . 1014 Atome je
Quadratzentimeter').
Die von der Platinoberflriche entfernteren
Kaliumatomlagen werden die durch die Gitterkonstante des Kaliums
bestimmte Atomzahl von 7,4 1014 enthalten.
-
11. Apparat und MeBsnordnung
Gegeniiber dem friiher verwendeten Apparat wurden hderungen
vorgenommen (Abb. 3), um gutes Vakunm sicherzustellen. Das
Quarzfenster Q aus geschmolzenem Qusrz war mit einem QuarzHartglas-Zwischenstiick 2 angeschmolzen. Die Blenden B, und BB
1) Vgl. z. B. auch J. Langmuir, Phys.Rev. 44. S. 423. 1933. S. 430
uber dse ,,Altern" ionieierender Metalloberflacben.
2) Vgl. z.B. J. Langmuir u. J. B. Taylor, Phys. Rev. 44. S. 423. 1934;
J. A. Becker, Phys. Rev. 25. S. 341. 1926 u. a.
3) J. Langmuir u. J. B. Taylor, a. II.0.
4) Vgl. Fdnote 1 S. 141.
Mayer. Lichtelektrische Eigenschajkn uon Kaliumschichtelz usw. I 133
waren aus diinnem Platinblech hergestellt. Wegen der magnetisch
zu beatigenden Klappe K konntg der Zylinder C nicht aus Vakuumnickel gemacht werden. Er bestand aus diinnem Cu-Blech, das
durch das lenge Gliihen der Platinfolie F innen ganz platiniert war.
Da alle Zuf iihrungen aus Wolfiamdraht ebenfalls eingeschmolzen
und bis zur Diffusionspumpe keinerlei Schliffe oder Hahne eingebaut
waren, wurde der ganze Apparat im elektrischen Ofen bei 500° C
zuerst zwei Tage lang entgast, dann nach Einbringen des Kaliums
-
r
.
Abb. 3
in die Destillationsvorlage nochmds einige Stunden lang. Zwischendurch wurde die Folie F durch Gliihen entgast. Vor Ende des Entgssens wurde an die vorher anch im Entgasungsofen befindliche
Hg-Falle fltissige Luft gelegt, nach Entfernen des Ofens auch an den
Behiilter mit Absorptionskohle, und blieb bis zum AbschlnE einer
MeSreihe am Apparat, der stiindig an den Hochvakuumpumpen lag.
VerschluE des Apparates wahrend der MeEpansen erfolgte durch
einen gut entgasten Hg-VerschluS. Das Yo Leodmanometer (Empf.
2 lod6 mm Hg) zeigte immer mehrere Zentimeter ,,Hiingevakuum".
Besondere Sorgfalt wurde auf die vollige Entgasung des Kaliums
verwendet. Nur langsame Destillatioa im elektrischen Ofen bei
genau ilberwachter Temperatur gab zufriedenstellende Ergebnisse, die
schnelle Destillation mit der Gasflamme jedoch nicht.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
134
Zwei Galvanometer von lo-" tlnd lo+ Amp. Empfindlichkeit
dienten zur Messung der positiven Ionenstrome. Die lichtelektrischen Strome wurden mit einem Quadrantenelektrometer P a s c h enscher Bauart mit 1-2 Sek. Schwingungsdauer gemessen. Das eine
Quadrantenpaar lag uber einen hohen Widerstand an Erde. Hachstempfindlichkeit: 3,5
Amp. je Skalenteil.
Als Lichtquelle diente eine Hg-Punktlampe. Da aus au6eren
Griinden wahrend dieser Untersuchung die Stiirke der einzelnen
Linien nicht gemessen werden konnte, wurde die Lampe immer bei
der gleichen Belastung (14 Volt, 2,3 Amp.) gebrannt, auBerdem die
Entfernung der Lampe vom ersten Spalt auf 30 mm und die Spaltbreite auf 0,2 mm eingestellt, so daS die von S i m o n - S u h r m a n n
gegebene relative Intensittitsverteilung zur Auswertung benutzt werden
konnte. Die Strahlung einer bestimmten Wellenlange wurde rnit
einem Quarzdoppelmonochromator I) ausgesondert und fie1 nach Durchgang durch ein Glan-Thompsonprisma unter einem Winkel von 50
bis 60° auf die Folie F. Die Kiihlung dieser Folie erfolgte mit
C0,- Schnee, in einigen besonders vermerkten F d l e n mit fliissiger
Luft (Kiihlrohr T).
111. Ergebnieee
I . D i e l i c h t e l e k t r i a c h e E m p f i n d l i c h k e i t i n Abhtingigkeit
von Wellenltinge n n d S c h i c h t d i c k e dea K a u f Pt
Znnachst wird die Konstanz der Atomstrahlstarke festgestellt.
Die Folie wird bei geschlossener Klappe K nahe der Schmelztemperatur kurz gegluht und so ihre Oberflache gereinigt. Nach
Ausschalten des Heizstromes kiihlt die Folie in weniger als 60 Sek.
soweit ab, daS alle auftreffenden Kaliumatome haften bleiben. Wird
nach Ablauf dieser Zeit die Klappe K geoffnet, so zeigt der lichtelektrische Strom in Abhangigkeit von der Zeit, d. h. der Schichtdicke, die Kurven der Abb. 4 [Wellenlange 4358 bei drei Atomstrahlstarken: 2,O.lo1*(Kurve a),4,2-lOl4(Kurve b) und 9,5. l O I 4 Atome
je Quadratzentimeter und min. (Kurve c)].
Der ElektronenauAtritt beginnt erst bei einer ganz bestimmten
Schichtdicke ziemlich plotzlich. SchlieSt man, sobald eine bestimmte
Schichtdicke erreicht ist, die Klappe K , so beobachtet man die bei
unveranderter Schichtdicke durch Umlagerung der Kaliumatome oder
durch Adsorption von fremden Gasmolekiilen verursachten Anderungen. Durch Umlagerung der Kaliumatome verursachte Abnahme
der lichtelektrischen Empfindlichkeit 2, zeigt der Verlauf der Kurven a
1 ) Gebaut im Physik. Inst. d. Univ. Miinchen durch Herrn Werkmeister
S c h ar f.
2) Kuhlung der Folie 3' mit C0,-Schnee.
Mayer. Lichtt?lektriSche Eiqenschaften vm Kaliumschichten usw. I 135
nnd b in Abb. 4 nach SchlieSen der Klappe K. Auf dieses Ergebnis
wird weiter untan naher eingegangen.
Dem lichtelektrischen Verhalten des Kaliums entsprechend sol1
der Bereich der zwischen 6000 und 2400 AE gelegenen stiirkeren
Linien des Hg-Bogens in drei Gruppen geteilt und das Verhalten
der lichtelektrischen Empfindlichkeit filr die Linien jeder dieser
Gruppen gesondert erortert werden.
75I-
@
/
t PA
.,**''
-
Zeit fscniCndicke)
Abb. 4. Lichtelektriache Empfindlichkeit fur 4358 in Abhbgigkeit
von der Schichtdicke dee K und h d e r u n g der Empfiodlichkeit
bei gleichbleibender Dicke nach SchlieSen der Klappe. E I
Kurve a : Sttirke des Atometrahlee 2,O loi4
11
und min.
11
b:
11
11
19
c:
11
11
11
9,5
.
1014
A. Die der Grenzwelknlange de8 kompaktm Kaliums
naheliegenden L i n k 6072, 6779; 646461 BE
Diese drei Linien zeigen bei fortschreitendem Entgasen durch
Gliihen von F das gleiche Verhalten. Als Beispiel sind in Abb. 6
die fiir il 5779 erhdtenen Ergebnisse angefuhrt. Wird der allererste
Versnch so gemacht, daS man vor Aufdampfen der ersten Kaliumschicht die Folie nicht zu lange gltiht und vor allem den Kalium.
atomen nicht in gltihendem Zustand aussetzt, so erhillt man die
Kurve I der Abb. 5 : einen sehr geringen, an der MeSgrenze liegenden
Strom, der tiber einen kaum merklichen Hachstwert wieder abbfillt.
Versucht man nach Aufnahme dieser lichtelektrischen Kurve die
186
Annalen
der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
Starke des Atomstrahles zu messen, so stellt man einerseits (vgl. oben)
schlechte Silttigung des positiven Ionenstromes in Abhangigkeit von
der Temperatur der Folie fest, andereraeits eine kleine, mit dem
Gluhen stiindig zunehmende Ausbeute der Ionisierung. Nach diesem
ersten Gluhen der Folie im Alkalidampf erhalt man die Kurve 11.
Aber auch jetzt ist die Sattigung des Ionenstromes noch nicht gut.
I
-
Zed fschichrdicke)
Abb. 5. Lichtelektrische Empfindlichkeit fitr 5779 in Abhllngigkeit
von der Schichtdicke bei fortechreitender Fstgasung des TrQermetalls. EIJ und E I
Atomatrahlsttirke: 7 , l 10" Atome je qcm und min
.
Nach weiterem, sehr starkem Gluhen der Folie erhalt man eine
K m e I I I . Jetzt ist fiir die hier benutzten Schichtdicken kein
Hochstwert des lichtelektrischen Stroms mehr vorhanden. Nach
weiterem, sehr oft wiederholtem und sehr starkem Gluhen erhllt man
iiberhaupt keinen lichtelektxischen Effekt mehr fiir 5779, obwohl
die Ausbeute der Ionisiernng nun ihren sich nicht mehr andernden
Hochstwert erreicht hat und die Slttigung dea positiven Ionenstromes sehr gut geworden ist.
Das gleiche Verhalten zeigt die lichtelektrische Empfindlichkeit
fiir il5461. Verschieden sind nur die bestimmten Schichtdicken
entsprechenden Werte der Empfindlichkeit. Ftir 6072 wurde Uberhaupt nnr ein an der Grenze der MeSbarkeit liegender lichtelektrischer Effekt beobachtet bei jenem Zustand des Triigermetalls, bei
Mayer. Lichtelektrische Eigenschaften arm Kaliumschichten usw. I 137
dem eine Kurve I I fur 5779 erhalten wurde. Daraus ergibt sich,
daS der niedrigste Wert der Austrittsarbeit von Kaliumschichten auf
Platin, der in dieser Untersuchung beobachtet wurde, 2,O Volt ist.
Diese Erge bnisse zeigen den auch von anderen Beobachtern
wiederholt festgestellten Hochstwert des lichtelektrischen Effektes
bei Schichtdicken , die einer einatomigen Schicht naheliegen. Aus
dem Verlauf der Knrve I I in Abb. 5 und dem gleichsinnigen Verlauf filr 6072 und 5461 folgt weiter, daB die Grenzwellenlige mit
zunehmender K-Bedeckung iiber 5779 hinweg bis etwas iiber 6072
und dann wieder zurtick bis zu einem zwischen diesen liegenden
Wert wandert. Die fur lang gegliihtes Platin erhaltene Kurve 111
(Abb. 5) und das bei weiterem Gliihen beobachtete vallige Verschwinden des lichtelektrischen Effektes fur 6072 und 5779, ja
selbst fur 5461, zeigen, daS dieser Hochstwert der Grenzwellenlange bzw. der lichtelektrischen Emission unter bestimmten Bedingungen fiir das Metallpaax Kalium-Platin verschwindet. 1st dieser
Zustand erreich4 so liegt die durch die weiter oben gegebene Empfindlichkeitsgrenze dieser Versuchsanordnung bestimmte Grenzwellenlilnge der Kaliumschichten auf Pt bei 6461. Sie schwankt bei
Messungen, die in Zeitabschnitten von Stunden, Tagen oder Wochen
aufeinanderfolgen, nur sehr wenig um diesen Wert, den sie auch
fur sichtbare, uber 100 Atomlagen dicke nnd in gleicher Weiee
hergestellte Kalinmschichten annimmt. So folgt fur die lichtelektrische Austrittsarbeit des reinen, hochentgasten, kompakten
Kaliums der Wert von 2,26 f 0,02 Volt.
Man kana die in den Kurven I, I I , I I I der Abb. 5 daxgestellten ubergangsznstiinde anf verschiedene Weise zum Wiedererscheinen bringen. Hat man anfangs bei niedrigen Temperaturen
des Atomstrahlofens’) (niedriger Atomstrahlstiirke) gearbeitet und
erhoht man diese nun, so erscheint bei den unmittelbar auf die
Temperaturerhohung des Atomstrahlofens folgenden Beobachtungen
der in Kurve I I dargestellte Perlauf der lichtelektrischen Empfindlichkeit in Abhangigkeit von der Schichtdicke wieder, verschwindet
aber bei fortgesetztem Aufdampfen schnell. Dasselbe kann man
dadurch erreichen, dab man den Druck im Apparat ftir eine ganz
kurze Zeit etwas erhoht. So wurde in einem Versnch durch
schwacheres Heizen der Diffusionspumpe der Druck im Apparat fiir
einige Minnten auf 10+ mm Hg erhaht, wobei aber fllissige Luft
an Falle und Kohle lag. Sofort nach Wiederherstellung des Hoch1) Die Temperaturen des Atomatrahlofene lagen in diesen Versuchen
zwischen 100 und 180OC.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
138
vakuums gemachte Beobachtung ergibt fur 5779 und 5461 zunachst
aieder eine Kurve I I , nach weiterem Aufdampfen den Znstand I I I
und schlie0lich Verschwinden der Emission fur 5779 und Grenxwellenlange nahe bei 5461. Dadurch wird klar gezeigt, welchen
Einflu0 der Einbau von Gasmolekiilen auf das Zustandekommen und
die Grobe eines Hijchstwertes des lichtelektrischen Elektronenaustritts
hat. Da6 anch eine Erhohung der Temperatur des Atomstrahlofens so wirkt, ist verstiindlich, da das Alkalimetall selbst bei den
geringsten Restdrucken im Apparat adsorbierte Gasmolekiile enthalten wird; ein Teil der im
Ofen abgegebenen Gasmolekule gelangt ebenfalls auf die
E'olie F , von der er leicht
adsorbiert wird.
Wird der Druck im
Apparat durch Abstellen
der Hochvakuumpumpen f ur
einige Minuten bis auf
0,5 mm Hg erhoht, wodurch
starkere Gasaufnahme und
Oxydation des Kaliums grzielt wird, dann tritt die Erscheinung der steil tiber
einen Hochstwert verlaufenden Knrven der lichtelektrischen
Empfindlichkeit noch
-Zed
/Scbicbfu?icke/
vie1 ansgepragter auf (Abb. 6).
Abb. 6. Lichtelektriacbe Empfindlichkeit
Die Frage, bei welcher
in Abhhgigkeit von der Schichtdicke fur
5779 und 5467 1) bei stllrkerem Gasgehalt Schichtdicke der Hochstwert
der Schicht. E I. Atomstrahlstiirke:
der lichtelektrischen Emp3,4. 10'6 Atome je qcm und min
findlichkeit auftritt, so11 erst
im Zusammenhang mit den
Ergebnissen filr die Linien der beiden anderen Gruppen besprochen werden. Doch mu6 schon hier mitgeteilt werden, da6
das Maximum in der Stromkurve z. B. f a r 5779 in den ubergangszustinden der Abb. 5 und in dem in Abb. 6 dargestellten Fall
starkerer Oxydation iiberhaupt nicht bei einer bestimmten Schichtdicke auftritt. Es wurden Werte von 8 . 1 0 " bis 5 . 1OI6 Kaliumatomen je Quadratzentimeter gefunden, um so hiiher, je stilrker der
Gasgehalt der Schicht.
1) Fur 6072 wurde in diesem Falle keine lichtelektrieche Emission er-
b alten
.
kiirzeren Wellenlan-
1) L. A. du Bridge, Phys. Rev. 29. 6.451. 1927.
2) Bestimmt durch die Temperatur den in T eingefiillten COs-Schneee.
140
Annakn der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
gegliihten Folie einige Atome auf dem Platin niederschlugen
und die Austrittsarbeit bis auf den oben genannten Wert verringerten.
Die fiir die Linie 2655 erhaltenen Ergebnisse zeigt Abb. 7.
Nach sehr langem Gluhen und weitestgehender Entgasung (Abb. 7,
Kurve a) steigt die lichtelektrische Empfindlichkeit schon bei geringen, unterhalb einer einatomigen K - Schicht liegenden Bedeckungen des Platins steil an, um nach einem Hochstwert einen
tieferen Endwert anzunehmen, der bis m Schichten von mehr ale
100 Atomlagen keine h d e r u n g mehr zeigt. Bei weniger guter Entgasnng, z. B. in den Obergangszustiinden, die den Kurven I, I1
und I11 der Abb. 5 entsprechen oder wenn absichtlich etwas Gas
zugefiihrt wird, wird der Hochstwert ausgeprtigter (Kurve b, Abb. 7),
entsprechend dem Zustand der Kurven der Abb. 6. Es ist nur sehr
selten gelungen, jede Spur dieses Hochstwertes zum Verschwinden
zu bringen.
Der einfache Verlanf der lichtelektrischen Empfindlichkeit f iir
2655 im Falle hochster Entgasung ist eine Bestiltigung der Erwartung, da6 die durch die zunehmende Bedeckung mit Kaliumatomen
verorsachte hinderung der Austrittsarbeit des Platins am reinsten
erscheint, wenn die erregende Wellenlange einerseits nicht mehr im
selektiven Bereich des Kaliums, andererseits aber schon jenseits der
Grenzwellenlange des Platins liegt. So ist zum Unterechied von
den Linien der ersten Gruppe die Schichtdicke, bei der der Hochsb
wert liegt, bzw. bei der das Umbiegen der Kurven zum konstanten
Endwert erfolgt, eine ganz bestimmte und man e r h d t sie immer
wieder, sobald der durch Kurve a der Abb. 7 gekennzeichnete Zustand weitgehender Entgasung erreicht ist. In der Tab. 1 sind diese
Schichtdicken nach mehreren MeSreihen durch die Zahl der auf
einem Quadratzentimeter Platinoberflilche sitzenden Kaliumatome in
der zweiten senkrechten Reihe eingetragen. Die erste gibt die
Starke des Atomstrahles. Der letzte Wert wurde eingeklammert,
weil bei hoheren Atomstrahlstarken der Anstieg des lichtelektrischen Stroms so schnell erfolgt, da6 der Zeitpunkt des Hochstwertes, bzw. des Umbiegens der Kurven, nicht mehr bestimmt
werden kann.
Der Mittelwert 2,9 1014 Atome je Quadratzentimeter entspricht
rund 0,7 einer einatomigen Schicht. Dieser Wert stimmt vollkommen
mit jenem iiberein, der in der vorhergehenden Arbeit') aus dem f u r
die Gesamtstrahlung einer Hg-Lampe beobachteten Gang der lichb
-
1) H.Mayer, a
0.
0.
Mayer. Lichhlektrische Eigenschaften uon Kdiumachichlen usw. I 141
Tabelle 1
Ausloeende Strahlung: 2655 %E
Stlirke des Atomstrahlee Bedeckung b. Hochatwert')
Atome je qcm
Atome j e qcrn u. min
I
I
3,3 10"
Bemerkungen
j Strahlung nicht polar.;
IMittelwert von 6 Meesungen
polar.; E I
(Mittelwert von 7Messungen
polar.; E I
polar.; E I
polar.; E I
nicht polar.
polar.; E 11
nicht polar.
'
polar.; E I
elektrischen Ehpfindlichkeit in Abhangigkeit von der Schichtdicke
fur hochentgastes Platin und Kafium erhalten wurde a).
In Abb. 7, Kurve c ist der Gang der lichtelektrischen Empfindlichkeit in Abhangigkeit von der Schichtdicke fur 2655 mit
vergrof3erter Zeitskala bei kleiner Atomstrahlstike eingetragen3).
Ninimt man an, daf3 durch diesen Gang die Veranderung der Austrittsarbeit wiedergegeben wird, so h n n man iiber diese in Abhangigkeit von der Schichtdicke folgendes aussagen: Bis zu einer
Bedecknng von nahezu 0,3 einer einatomigen Schicht fallt die Aus1) Zu diesen und allen folgenden Werten, die eine bestimmte Bedeckung
von 1 qcm Platinoberfliiche angeben, muS folgendes bemerkt werden: Die Berechnung der Gesamtzabl der auf eine bekannte Flllche j e Sekunde auffallenden und, wenn diese gekiihlt ist, auch haften bleibenden Kaliumatome
erfolgt auf Grund der Ionenetrommessung mit Hilfe des Ionisierungsgrades.
Sowohl bei der experimentellen Bestimmung deeeelben wie auch in der vorliegenden Arbeit wurde die aus den Abmeseungen des Platindrahtes bbw. der
Platinfolie berechnete uchcinbare, nicht aber die wegen der Rauhigkeit groSere
wahre Oberfliiche beniitzt, weil letztere unbekannt iet. Trotzdem zeigt eine
einfache nberlegung an Hand der in der vorhergehenden und in dieser Arbeit
gegebenen Formeln, da6 alle hier mitgeteilten Werte der Bedeckung fir j e
1 qcm wahrer Platinoberfltiche gelten, da die zur Berechnung der Bedeckung
beniitzte Endformel vom VergroBerungsfaktor unabhhgig wird, sofern dieser
sowohl fur die bei der experimentellen Beetimmung des Ionieierungagrades als
auch fllr die in dieser Arbeit verwendete Platinobediiche derselbe ist. Dies
kann trotz der verschiedenen Form (Draht und Band) angenommen werden.
2) Die dort gegebenen Atomstrahlstlirken bzw. Werte der Bedeckung
mussen zur Berechnung der wirklichen Schichtdicken noch mit dem damals
noch unbekannten Ionieierungegrad von Kaliumatomen an gliihenden Platinfllichen multipliziert werden.
3) Kuhlung von F mit fliissiger Luft.
142
Annulen der Pkysik. 5. Folge. Band 29. 1937
trittsarbeit fast linear mit der Zahl der aufgedampften Kaliumatome.
Dann wird die Abnahme immer langsamer, die gegenseitige Beeinflussung der Kaliumatome immer gr6Ber. Bei einer Bedeckung von
0,7 geht sie iiber einen mehr oder weniger hervortretenden Tiefwert
langsam in den dem kompakten Kalium eigenen Wert iiber, der
bei etwa 10 Atomlagen erreicht wird.
Sind Gasmolekule am Aufbau der Schicht mitbeteiligt, so ist
nicht nur der Hochstwert vie1 ausgepragter, sondern auch die zu
diesem gehorige Schichtdicke groBer , in tfbereinetimmung mit den
Ergebnissen fur die Linien der ersten Gruppe.
Die lichtelektrische Empfindlichkeit fiir die beiden Linien 2540
und 2482 zeigt das gleiche Verhalten wie fur 2655.
C. Dic im selektiven Bercich liegenden L i n k 4358, 4047, 3655, 3341, 3132
Die lichtelektrische Empfindlichkeit fiir diese Linien in Abhangigkeit von der Schichtdicke zeigt einen von den Linien der
f
-
Ze//f%k%V/cke/
Abb. 8. Lichtelektrische Empfindlichkeit fur die Linien dea selektiven Bereiches in Abhahgigkeit von der Schichtdicke.
Atomatrahletlirke: 2,O lo'' je qcm und min. E I
-
ersten und der zweiten Gruppe versohiedenen Gang. Den Gesamtverlauf kann man in zwei Teile teilen, deren erster bis zu jener
Schichtdicke reicht, bei der die spektrale Selektivitat beginnt.
I n Abb. 8 ist das Ergebnis einer mit unveranderter Atomstrahlstarke gemachten MeSreihe bis kurz nach Beginn der spektralen
Mayer. Lichteleklrische Eigenschaften mn Kdiumschichten usw. I 143
Selektivitat eingetragen. Zuln Vergleich ist auch der Verlauf ftir
2655 eingezeichnet l).
Man ersieht aus Abb. 8 dreierlei: 1. Der lichtelektrische Effekt
dunnster Alkalischichten ist normal'). 2. Selbst im hochsten Vakuum und bei weitestgehender Entgasung von Triiger- und Alkalimetall tritt ein mit der Schichtdicke zunehmender spektral-selektiver Effekt auf. 3. Die Schichtdicke, bei der dieser Effekt beginnt,
liegt zwischen zwei und drei Atomlagen.
Im ersten Teil ihres Gesamtverlaufes zeigen die Empfindlichkeitskurven fur die Linien des selektiven Bereiches den gleichen
Verlauf wie die au6erhalb dieses Bereiches liegende Linie 2655.
Der bei dieser Linie vorhandene Hochstwert bei einer Bedecknng
von 0,7 einer einatomigen Schicht tritt, wenn auch immer schwacher
hervortretend, auch bei den Linien des selektiven Bereiches bei der
gleichen Dicke auf: I n Tab. 2 sind die Schichtdicken fur verschiedene Versuchsreihen eingetragen.
Aus Abb. 8 ersieht man auch, dafl die Emission bei nm so
dickeren Schichten beginnt, je langwelliger die Strahlung ist.
Tabelle 2
~
-
_
_
I
Bedeckung
Wellenliinge Stiirke des Atometrahls beim ersten H6chstwert
Atome j e qcm u. min
Atome je qcm
I
3132
3132
3132
3132
3132
3132
3132
3341
3341
3655
3655
3655
4062
4062
4358
4358
Anmerkungen
El
1,
I,
nicht nolsr.
Ei
[ (4Messung.)
E l
I
3;1
2.5
3;l
-
Mittelwert: 2,s 10''
1) Der Aueschlag iet hier f i r alle Linien im Sinne dee iiber die Intensitlitscal/aec) der Linien
messung Geeagten auf gleiche relative Intensitiit (10
bezogen. EE a011 aber nochmals darauf hingewieeen werden, dsfl die Intensia t e n der einzelnen Linien nicht durch Measung bestimmt wurden und daher
die H6he der Ordinaten, die in diesem Abschnitt iiber die spektrale Selektivitgt gegeben werden, nur qualitativ richtig iet.
2) Vgl. R. S u h r m a n n , Ergebn. d.ex. Naturw. 13. S. 173. 1934.
-
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
144
Der zweite Teil des Verlaufes der lichtelektrischen Empfindlichkeit im selektiven Bereich ist aus Abb. 9 besser zu ersehen,
weil mit hoherer Atomstrahlstirke, d. h. schnellerer Dickezunahme,
gearbeitet wurde.
Werden die zu bestimmten Schichtdicken gehorenden Empfindlichkeiten in Abhangigkeit von der Wellenlinge eingetragen, so kann
man den Aufbau des
selektiven Hochstwertes
sehr schon verfolgen,
wie aua Abb. 10 zu ersehen ist.
Die Lage des
Hochstwertes wird
durch drei Faktoren
weitgehend beeinfldt :
1. durch die Schichtdicke, 2. durch die
Schnelligkeit der Dickezunahme und 3. durch
den Einbau von Gasmolektilen.
Der in
Abb. 10 dargestellte
Aufbau des selektiven
Hochstwertes wurde bei
ziemlich rascher Dickezunahme (vier Atomlagen je Minute) erhalten. Eh wurde beob0 7 2 3 4 5 6 7 8 9 IOmin.
achtet, da0 in diesen
zeit (Scb/cbtduke/
Fallen der selektive
Abb. 9. Lichtelektrische Empfindlichkeit Wr die Hochstwert sich bei
Linien den selektiven Bereiches in Abhlingigkeit etwrt 4047 AE
von der Schichtdicke. Atomstrahlstiirke:
bildet. W i d mit ge1,25 l O l S je qcm und min. E I
ringerer
Atomstrahlstarke gearbeitet (Shb. 8), so baut sich der Hochstwert bei etwa
3655 AE auf; bei geeigneter Atomstrahlstarke kann man oft auch
beobachten, wie dieser Hochstwert , aus dem Ultraviolett kommend,
sich mit zunehmender Schichtdicke immer mehr gegen langere
Rellen verschiebt. Diese Beobachtungen stehen im besten Einklang
mit qualitativen Ergebnissen anderer Beobachter I).
-
1)
R. Suhrmann,
a. a. 0.
Jlayer. Lichtekktrische Eigenschaften von Kaliumschdchten usw. I 145
Der Verlauf der Empfindlichkeitskurven fur die Linien des
selektiven Bereiches wird durch den Einbau von Gasmolektilen in
die Kaliumschicht in ahnlicher Weise verandert, wie es fur &e
Linien der beiden anderen Gruppen gezeigt
180 . - ~ ~ - 7 ? 4 ~ ~ .
wurde. Wie Abb. 11
zeigt, tritt anch hier
fur alle Linien ein stark
I& ansgepriigter Hochstwert auf; er liegt bei
um so groSerer Schichtdicke, j e langwelliger
7%’die auslosende Strahlung ist. Zum Vergleich sind wieder die
Kurven fur die Linien
der beiden anderen
flGruppen eingetragen.
Der selektive Hochstwert liegt in diesem
Falle bei etwa 3000 AE, Q
wie Abb. 12 zeigt. 1st 8
die Anzahl der in die
Schicht
eingebauten
Gasmolekiile kleiner, so
kann man, wie Abb. 13
zeigt, Hijchstwerte sowohl bei 3000 d E als
43a W7 333 341332 2655
auch bei 4000 AE
beobachten und auch
den fjbergang von der
einen in die andere
-
-
WeIenbnge
Abb. 10. Aufbau dee eelektiven Hochetwertes
bei echneller Dickeeunahme der Schicht.
Atometrahlettirke: 1,25 loL6je qcm und min
Lrtge uber
Reihe
Zwischenzustanschon verfolgen.
Die Grenze des lichtelektrischen Effektes von Platin lag bei
2750 XE, sobald es durch Gliihen von den daranf sitzenden Kaliumatomen hefreit war. Es wurden nun eine Reihe von Beobachtungen
gemacht, urn jene Bedeckung Z hei hachst entgasten Schichten zii
ermitteln, die notig ist, um die langwellige Grenze von 2750 BE
bis 4358 11E bei verschiedener Atomstrahlstiirke zu verschieben,
was einer Vermindernng der Austrittsarbeit um 1,6 Volt entspricht.
von
den
Annalen der Phynik. 6. Folge. 20.
10
146
Annalen
der Physik. 5. Folge. B a d 29. 1937
Sie ergibt sich unabhangig von der Geschwindigkeit der Schichtbildnng (Tab. 3).
Denkt man sich die Verminderung der Austrittsarbeit durch
das Potential einer Doppelschicht verursacht, die dadurch entsteht.
daS Kaliumatome als positive Ionen anf der Platinoberflache sitzen * I ?
m/n
---+Ze/&SchtchM/ckeI
Abb. 11. Lichtelektrische Empfindlichkeit in Abbaingigkeit
vou. der Schichtdicke bei starkem Gasgehalt der Schicht.
Atomstrahlstiirke 1,: 1Ol6 je qcm und min
so kann man nnter bestimmten vereinfachenden Annahmen berechnen '), wie viele solcher ,,ionisierter" Kaliumatome notig Bind,
um die beobachtete Verschiebung der Austrittsaxbeit von 1,6 Volt
zn verursachen. Das Potential einer Doppelschicht ist
A@ =- 30OW4~.N,.e.dVolt.
( N p die Zahl der ionisierten Atome, e die Elementarladung, d die
Entfernung der positiven und negativen Ladung der Doppelschicht.)
1) J. A. B e c k e r , Bell Teleph. Labor. 1929.
M a yer. Lichtekktrische Eigenschaften volt Kaliumschichten usw. I
147
We//en/+/ae
Abb. 12. Auf- und Abbau dee selektiven Hachstwertee bei starkem Gaegehalt
je qcm und min
der Schicht. Atomstrahlstiirke 1,7
-
-
We//en/ange
Abb. 13. Auf- und Abbau der selektiven Hachetwerte bei geringem Gasgehalt
der Schicht. Atomstrahlstlirke 8,O. lo*' je qcm und min
10*
148
A m a h der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
Tabelle 3
Auslosende Strahlung: 4358 AE
___
_ -
Zeit I)
der Emission) in see
Btometrahlsttirke
(ie qcm und min)
-
~-
Schichtdicke (Zahl 21
je qcm
--8
75
70
77
42
45
26
27
12
1014
i,5 . 1014
'15
113
1,:
193
197
199
192
Nimmt man fur d versuchsweise den Ionenhalbmesser des Kaliums,
so berechnet man fur Ad> = 1,6 Volt ein N , = 0,7 lo1' je Quadratzentimeter. Dies ist nur etwa 50% der durch die Versuche
bestimmten Zahl von 1,6 10". Diese Bedeckung von 1,6.10"
liegt schon in dem Gebiete, in dem wegen der gegenseitigen Beeinflussung der Kaliumionen .die Potentialdifferenx der Doppelschicht nicht mehr der Zahl der anfgedampften Kaliumatome proportional ist, so dab also die durch die Versnche bestimmte Zahl
hoher sein muS als die auf Grund der einfachen Rechnung gefundene.
Bei stilrkerem Gasgehalt betriigt die fur die gleiche Anderung
der Austrittsarbeit notige Bedecknng ein Vielfaches des oben mitgeteilten Wertes, wie es j a auch ftir die dem Hochstwert des lichtelektrischen Effektes entsprechende Schichtdicke nachgewiesen wurde.
Im Zusammenhang damit sol1 anch das Ekgebnis ahnlicher
Beobachtungen fur die anderen Linien des selektiven Bereiches und
die Linien der ersten Gruppe erwahnt werden. Jedoch muB noch-
-
-
1) Diese wurde so ermittelt, daS man die unmittelbar nach Beginn der
Emission beobachteten lichtelektrischen IJtrome in Abhlingigkeit von der Zeit
eintrQt (z. B. Abb. 4) und durch die so erhaltenen Punkte eine Gerade legt.
Ihr Schnittpunkt mit der Zeitachse ergibt den Zeitpunkt des Beginnes der
durch 4368 verursschten lichtelektrischen Emhion. Die Hochetempfindlichkeit
der MeSapparatur betrug: 1 mm Ausschlag = 3,5 10-I' Amp., die Inteneitat
der Linie 4358 ist ungeflihr gleich dem bei S i m o n - S u h r m a n n (Lichtelektrieche Zellen, Berlin 1932, S. 204) gegebenen Werte. Da die Emiseionslinien
bei ihrem Ubergang in die Zeitachseetwas gekriimmt sind, so sind die so ermittelten Bchichtdicken wahrecheinlich etwas zu hoch, der Unterschied aber
iat gering, eofern man zur Bestimmung nur unmittelbar nsch Beginn der
Emission gemessene Werte der lichtelektrischen Strome verwendet.
2) Sie betrug z. B. in dem der Abb. 12 entsprechenden Zustand sarkeren
Gasgehaltes 9,2 10" j e Quadratzentimeter.
-
Mayer. Lichtekktrische Eigenschften von Kaliumschichten uaw. I 149
mals darauf hingewiesen werden, daS eine lichtelektrische Emission
fur letztere nur unter ganz bestimmten Versuchsbedingungen zu
beobachten war und im Zustand hgchster Gasfieiheit gar nicht mehr
auftrat. Es handelt sich also hier im Gegensatz zu den fiir 4358
mitgeteilten Ergebnissen nm solche, die nur , d a m wiederholbar
waren, wenn die Platinoberfhche sich in dem durch die Kurven II
und III der Abb. 5 gekennzeichneten Zustand befanden. Dennoch
sind die Ergebnisse, die in Tab. 4 eingetragen sind, bemerkenswert.
Diese TabeUe gibt in der zweiten senkrechten RBihe den Unterschied A CP der Austrittsarbeiten, der einerseits durch die Grenzwellenliinge 2750 BE des vom Kalium befreiten Platins bestimmt
ist und andererseits durch die in der ersten Reihe eingetragene
Wellenlige. In der dritten Reihe sind die experimentell bestimmten
Bedeckungen gegeben, bei denen der Beginn der lichtelektrischen
Emission fUr die betreffende Linie beobachtet wurde. Die vierte Reihe
gibt die Zahl Na der Kaliumatome, die aus der Beziehung
A @ = - 3 0 0 . 4 n . N,. e . a
wie oben berechnet wurde. Mit E l f e der Beziehung
A@ =- 300-2~N,,M,
wo M das Dipolmoment der die Doppelschicht aufbauenden elektrischen Dipole ist, erhalt man die in der ffinften Reihe eingetragenen Werte. Zwischen dem Moment M und der Entfernung 2 d der entgegengesetzten Ladungen der Dipole besteht die
Beziehung M = 2 e .d , wo e die Elementarladung ist. Die mit
Hilfe dieser Beziehnng berechneten Werte von d sind in der letzten
Reihe eingetragen. Man kann a, solange noch keine stkkere gegenseitige Beeinflussung der Dipole vorliegt, a l s die Entfernung der
positiven Schicht von der Metallobefiache ansehen.
Zu dieser Tabelle ist folgendes zu bemerken: den berechneten
Werten der vierten Reihe liegt versuchsweise die Annahme zugmnde, daB die Entfernung der positiven Belegung von der Metallobediiche gleich dem Halbmesser des Kalinmions (1,3 BE) ist; die
beobachteten Werte der Reihe 3 und der Reihen 5 nnd 6 enthalten
den Wert des Ionisierungsgrades von Kaliumatomen an gluhenden
Platinflichen, welcher die Dampfdrucke des Kaliums enthalt I). Diese
aber, von verschiedenen Beobachtern mit verschiedenen Methoden
gemessen, zeigen Unterschiede von nahezu 100 o/o!
Mit Rucksicht hierauf ist die efbereinstimmung der beobachteten
und berechneten Werte der Bedeckung, solange noch keine stiirkere
gegenseitige Beeinflussung der adsorbierten Kaliumatome vorhanden
1) H.Mayer, Ztschr. f. Phys. (i? Druck).
.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
150
ist, eine sehr gute. Die mit zunehmender Bedeckung zunehmende
Wechselwirkung der Kaliumatome tritt auch in Tab. 4 durch den
zunehmenden Unterschied zwischen beobachteten und berechneten
Werten (bzw. a l s Abnahme von M ) deutlich hervor. Die bei Bedeckungen von 0,l-0,3 berechneten U'erte f a r das Dipolmoment
und die Entfernung d stimmen mit Werten von L a n g m u i r ' ) fur
Ciisiumatome rtuf Wolfram gut iiberein. Ferner sieht man, daS der
Beginn der lichtelektrischen Emission fiir die jenseits der Grenzwellenlange des Kaliums (- 5461) liegenden Linien 5779 und 6072
bei vie1 hoheren Schichtdicken liegt. Der Beginn der lichtelektrischen Emission fur die Linien 5779 nnd 6072, fallt also nicht mit
dem Tiefwert der Austrittsarbeit zusammen.
Tabelle 4
Wellenlbge
3132
3341
Bedeckung bei Beginn
der Emission (je qcm)
a
-
in Volt
0,55
4x2
0,80
1,45
4358
5467
5779
6072
1.65
'2;25
2,35
2,45
...
~
beobachtet
11
1
3,3 . 1013
4,l lola
8,O . 10"
16
27
40
49
.. loa8
. 10"
1018
1018
1
1
_
_
Dipolmoment
~
berechnet
bf
.-
-.
_
__
-~
2,4 1013
6,9 lo-''
3,4 l O I 3 L0,3 lo-''
9,7 10-18
6,2 . lOI3
7.1 lo1% 5,5 10-18
-
9;7 . 1013
10
1018
10,s . 1013
.
-
4,4 * 10-18
3,l * lo-''
2,6 10-18
-
d
in cm
~
- .
9,3 . 10-3
10,7 * lo-'
10,l 10-3
-
2655
2. V e r h d e r u n g e n i n d e r l i c h t e l e k t r i s c h e n E m p f i n d l i c h k e i t
b e i u n v e r l n d e r t e r S c h i c h t d i c k e dea A l k e l i m e t a l l s
Die bisher vorliegenden Arbeiten uber die Eigenschaften diinnster
Alkalischichten 7 enthalten anch eine Reihe von Beobachtmgen iiber
h d e r u n g dieser Eigenschaften mit der Zeit. Es konnte, zum Teil
im Einklang mit diesen, nachgewiesen werden, daJ3 zweierlei Ursachen vorliegen, die im Versuch leicht zu trennen sind: 1. Bdsorption von Fremdmolekiilen, hanptsachlich Gasmolekiilen im nicht
geniigend hohen Vakuum ; die dadurch verursachten Veranderungen
treten bei jeder Schichtdicke auf. 2. Durch Umlagerung bzw.
Wandern 7 der adsorbierten Alkaliatome; die dadurch bewirkten
1) I. L a n g m u i r , Phps.Rev. 48. S. 224. 1933.
2) Schrifttum hierzu bei R. S u h r m a n n , a. a. 0.
3) Quantitative Untersuchungen des Wanderns adaorbierter Fremdatome
mit dieser Methode sipd in An*
geqommea.
Mayer. Lichtelektrische Eigenschaften von Kaliumschichten usw.
I 151
Veranderungen konnen besonders gut beobachtet werden, solange die
Bedecknng noch unterhalb einer ein- bis zweiatomigen Schicht ist.
Wie das Ergebnis des folgenden Versuches zeigt, konnen Veranderungen erster Art durch hochstes Vakuum , Veranderungen
zweiter Art durch genilgend tiefe Temperatur des Tragermetalles
und der adsdrbierten Alkaliatome verhindert werden.
Mit geringer Atomstrahlstiixke wird auf die Folie F, durch
fliissige Luft jm Kiihlrohr T geklihlt, Kalium aufgedampft und die
lichtelektrische Emission f lir eine bestimmte Linie in Abhangigkeit
von der Schichtdicke verfolgt. Bei einer Bedeckung von einem Viertel
J
Y-X-
b
Y
0
--
I
2
7
I
3
I
4
I
5
6
I
I
7
8
I
9
I
I
I
m
/
n
Ze/t
Abb. 14
einer einatomigen Schicht wurde das Aufdampfen durch SchlieSen
der Klappe K unterbrochen, der lichtelektrische Strom aber weiter
beobachtet. Uas Ergebnis zeigt die Kurve (a) der Abb. 14. Es
trat - der Versuch kann beliebig oft wiederholt werden - nicht
die geringste h d e r u n g in der lichtelektrischen Empfindlichkeit auf.
Wird die Folie aber nur dnrch C0,-Schnee gekiihlt, so nimmt der
Strom ab [Kurve (b)]. Es kann keinem Zweifel nnterliegen, daB jetzt
die Temperatur der Folie nicht mehr geniigend tief ist, um die Beweglichkeit der adsorbierten Kaliumatome so weit zu vermindern, daf3
keine Umlagerung in Qleichgewichtslagen mehr eintreten kann.
Wird die Klappe K erst geschlossen, wenn eine zwei- oder
mehratomige Schicht aufgedampft ist , dann erfolgt im hochsten
Vakuum
weder bei Kuhlung mit fliissiger Luft noch mit CO, eine
..
Anderung der lichtelektrischen Empfindlichkeit, was f u r il 2655,
3132 und 4358 gepriift wnrde.
152
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
Umlagerungen der Kaliumatome in dickeren Schichten machen
sich im selektiven Bereich durch fnderung und Verlagernng des
Hochstwertes bemerkbar.
3. St r o m s p a n n ungs kurv en
Die Platinfolie F war allseitig von den als Anode dienendeu
Metallzylindern C, und C, umgeben. Obwohl dies wegen der
fiachenformigen Kathode und den nicht kugelformigen Anoden nicht
als eine f u r die Aufnahme von Stromspannungskurven einwandfreie
Anordnung angesehen werden kann, wurde dennoch der Versuclr
gemacht, durch Aufnahme solcher Kurven SchlUsse tiber Geschwindigkeitsverteilung, Herkunftsort der Elektronen und Austrittsarbeit
zu ermoglichen.
Urn diese Kurven fur bekannte Schichtdicken im Augenblicke
ihres Entstehens aufzunehmen, wurde in folgender Weise vorgegangen:
Die Stilrke des Atomstrahles wurde unverandert gehalten, was bei
mehrfach wiederholtem Aufdampfen des Alkalimetalls auf das vorher
durch Gluhen gereinigte Platin immer die gleiche Dickezunahme der
Schicht je Zeiteinheit gewahrleistet. Qemessen murde so, da6 an
die Anode zuerst eine schon im Sattigungsgebiet liegende Spannung
gelegt wurde, wahrend monochromatische Strahlung auf F fiel. Nun
wird die Klappe K geoffnet und der lichtelektrische Stroni in Abhangigkeit von der Zeit, d. h. der Schichtdicke, aufgenommen. Nach
Erreichung einer bestimmten Schichtdicke wird K geschlossen, die
Kaliumschicht durch Gliihen von F entfernt, eine kleinere Spannung
an die Anode gelegt und die Messung in derselben Weise wiederholt.
So erh'alt man Kurven der Abb. 15. Alle zu einer Abszisse gehorenden Kurvenpunkte geben dann die einer bestimmten Schichtdicke entsprechende lichtelektrische Stromspannungskurve, und zwar
fur jede Schichtdicke im Augenblick ihres Entstehens (Abb. 16). I n
der mehrere Stnnden langen MeSreihe milssen Atomstrahlstarke
und Starke der Hg-Strahlung nnverandert bleiben.
Diese Stromspannungskurven gestatten eine Reihe bemerkenswerter Schlusse. Durch das Aufdampfen von Kalium anf die Platinkathode F andert sich nicht nur die Austrittsarbeit um A @ , sondern
auch das Kontaktpotential der Kathode gegen die Anode um A W .
Werden die Stromspannungskurven ohne Rilcksicht auf diese h d e rung, d. h. einfach in ihrer Abhangigkeit von der am Spannungsmesser abgelesenen Spannnng eingetragen, so mussen sie, wenn
Anstrittsarbeit A CP und Kontaktpatential d ZY gleich gro6e h d e r n n g ,
aber von entgegengesetztem Vorzeichen, erfahren, in denselben Punkt
Mayer. LichtekklrischeEigenschaflm von Kaliumschichten usw. I 153
der Spannnngsachse einmtinden. Schreibt man nilmlich die E i n s t e i n sche Gleichnng
. +e
hY = e V,
W,
wo h die Plancksche Konstante, Y die Schwingungszahl der auslosenden Strahlung bedeuten, so ist V,,, die Spannung, die gerade
geniigt, um alle lichtelektriech ausgelosten Elektronen zuriickzutreiben,
0
I
2
3
*
5
m/n.
Ze/?(Sch/chtu?ckej
Abb. 15. Lichtelektrieche StrGme fiir 2655 in Abbbgigkeit
von der Schichtdicke und der Spannung. Unpolarisiert.
Atomstrahletiirke: 1,2 10" Atome je qcm und min
fiir die also der lichtelektrische Strom gerade verschwindet; W ist
die Austrittsarbeit und e die Elementarladnng. Diese zwischen
Anode und Kathode liegende Spannung V,,, ist gleich der vom
Ypannnngsmesser abgelesenen, wenn beide aus gleichem Material
sind'). Sind Anode und Kathode aber am verschiedenem Material,
so daS die Austrittsarbeiten beider verschieden sind, dann ist
vm
= VA
- vat,
1). Vgl. auch H. M a y e r , Bull. Fac. Stiinfe, Cernluti 10. 8. 217. 1938.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
154
wo V k jetzt die vom Spannungsmesser abgelesene Spannung und Vae
die Kontaktpotentialdifferenz zwischen Anode und Kathode ist. Setzt
man dies in die obige Gleichung ein, so erhalt man
und
70090 80 -
70 -
60-
F
50 -
8
40-
3
30-
-
.u
c
w-
-spannung
Abb. 16. Stromspannungskurven der lichtelektrischen Strome
(suslosende Strahlung 2655) fur bestimmte Schichtdicke I).
Kurve a : Bedeckung Null (reines Platin)
11
b:
,,
3 loi4Atome je qcm
c:
l.
6 1014 ,,
,, ,,
7,
d:
,. ti 1Ol5 11 1 , 1 ,
e:
g d e r als loi7Atome je qcm,
79
f:
sichtbare Schichten
.-
1,
::
}
Wiihrend des Aufdampfens andert sich Vac standig. Bezeichnet
man diese hinderung mit A @ und setzt man
A@=-(WaYO
wc)a=-dw,
erhalt man
v;=--h u
C
-
pa
-
..
1) Alle Ausschlgge zuruckgefiihrt auf gleichen Wert bei
+3 Volt Spannung.
ilIayer. Lichtelektrische Eigenschaften vtm Kaliumschichten USUI. I 156
Die Spannung V k also, die gerade geniigt, alle durch die
Strahlung Y ausgelosten Photoelektronen wieder zur Kathode zuriickzutreiben und die unmittelbar vom Spannungsmesser abgelesen wird,
hiingt nur von der Austrittsarbeit der Anode, nicht aber von der
der Kathode ab. Da erstere wiihrend des Aufdampfens unverilndert
bleibt, mu6 auch V : n , bestimmt durch den Schnitt der Stromspannungskurven mit der Voltachse, unverjlndert bleiben.
X t wie grof3er Genanigkeit dies der Fall ist, zeigt Abb. 16.
Diese Ergebnisse enthalten also eine neue experimentelle Bestitigang
der Beziehnng A@ = - A W j .
Das zweite bemerkenswerte Ergebnis ist die schlechte Sjlttigung
der lichtelektrischen Strome f a r geringe Schichtdicken, wie aus
Abb. 16 (Kurve fur 36 Volt) zu ersehen ist. Die von anderer Seite
wiederholt beobachtete Feldabhiingigkeit des lichtelektrischen Effektes
bei diinnsten AlkalischichtenS) konnte also auch hier ernent festgestellt werden; dariiber hinaus bietet die Methode die Moglichkeit,
diese Feldabhangigkeit in ihrer Abhangigkeit von der Schichtdicke
quantitativ zu verfolgen.
Das dritte Ergebnis betrifft die h d e r n n g der Geschwindigkeitsverteilung der austretenden Elektronen f iir verschiedene Schichtdicken (Abb. 16). Die sehr steile Energieverteilungskue ftir reines
Platin wird schon bei geringen (einatomigen) Schichtdicken breiter
und erreicht bei etwa 10 Atomlagen den Verlauf fiir kompaktes
Kalium (fiir 2656 als auslosende Strahlung).
Das vierte Ergebnis betrifft die Lage des Hochstwertes der
lichtelektrischen Emission in der Reihe der bei verschiedenen
Anodenspannungen erhaltenen Kurven. Dieser Hochstwert, der fiir
eine im Sattigungsgebiet liegende Anodenspannung bei der schon oben
erwiihnten Schichtdicke von 2,9 1014Atomenje Quadratzentimeter liegt,
verschiebt sich mit zunehmender, den Elektronenauustritt hemmender
Spannung zu immer kleineren Schichtdicken, die schlie6lich weniger
als die Hiilfte dieses Wertes betrjlgt. Das ist ein unmittelbarer
experimenteller Beweis ftir das immer stiirkere Herebdriicken des
,,&ndes des Elektronennapfes".
Dementsprechend werden die
Gruppen der schnelleren Elektronen schon bei geringerer Bedeckung
den Napf zur Ganze verlassen konnen, so das der diesen Elektronen
entsprechende Hochstwert schon vie1 frliher auftreten wird als derjenige, der den langsameren und langsamsten Elektronen entspricht.
1) R A, Millikan, Phya. Rev. [2] 18. S. 236. 1921; P. Lukirski
S. P r i l e z a e v , Ztschr. f. Phys. 49. S. 236. 1928.
2) R. Suhrmann, 8.8. O., S. 205-213.
U.
156
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
Dies ergibt eine neue Moglichkeit, die Zahl der Elektronen in den
einzelnen Energiebandern unmittelbar durch Versnch zu bestimmen.
E’ur die Strahlung von 4358 anfgenommene Stromspannnngskurven zeigen genau das entgegengesetzte Verhalten wie die fUr 2655.
Es verliuft n h l i c h die Stromspannungskurve f u r eine dicke Kaliumschicht sehr steil, etwa so wie die Kurve fur reines Platin ftir 2655,
dagegen sind die Kurven der diinnsten Schichten weniger steil.
Uiese verschiedene Geschwindigkeitsverteilung der durch 2655 und
4358 ausgelosten Elektronen ist zu erwarten, wenn man lichtelektrischen Volum- und Oberflacheneffekt unterscheidet ’). Da 4358
im eelektiven Bereich liegt, muS der Oberfiacheneffekt stark iiherwiegen, (Stromspannungskurven steil), wahrend fiir 2655 BE der
Volumeffekt iiberwiegt. Diese Erscheinung ergibt somit die Moglichkeit, die beiden Effekte gesondert zu untersuchen.
So kann das fiir 2655 und fur 4358 erhaltene Ergebnis in den1
Sinne gedentet werden, daS die Elektronen in den ersten Entwicklungsstadien der Alkalischicht dem Triigermetall entstammen.
Man sieht vor allem, da6 die h d e r u n g der Geschwindigkeitsverteilung nicht nur in dem Sinne festzustellen ist, daS durch die
adsorbierten Atome nur eine Beeinflussnng der Austrittsarbeit und
dadurch verursach te Zunahme nur der langsamen Elektronen erfolgt.
Denn der Tiefwert der Austrittsarbeit wird bei einer Bedeckung
von 0,ab erreicht; bei dieser Bedeckung aber hat sich (Kurve b der
Abb. 16, die ungefhhr dieser Bedeckung entspricht), die nrsprtingliche
Geschwindigkeitsverteilung noch kaum geandert. Die groSe Anderung erfolgt vielmehr (Abb. 16) erst mit zunehmender Schichtdicke,
woraus man einerseits schlieSen kann, da6 es sich bei 2655 hauptsiichlich um einen Volumeffekt handelt, andererseits, daS die Elektronen bei geringen, unter oder wenig tiber einer Atomlage dicken
Schichten dem Trllgermetall entstammen.
Man erkennt, daS diese Methode die Maglichkeit gibt, die
mittlere freie Weglinge der lichtelektrisch ausgelosten Elektronen
im Metal1 unmittelbar durch Versuch zu bestimmen. Denn n i t
zunehmender Schichtdicke mu6 die Geschwindigkeitsverteilung der
Elektronen die in Abb. 16 dargestellte h d e r u n g erleiden und mu6
bei jener Schichtdicke in eine endgultige Verteilnng iibergehen? die
der mittleren freien Weglange entspricht. Eine erste, qualitative
Besfatigung enthalten schon die hier mitgeteilten Ergebnisse. Bei
einer Schichtdicke von etwa 10 Atomlagen nimmt die Geschwindigkeitsverteilung ihre Endform an. Dies gibt eine mittlere freie Weglange
1) H. F r o h l i c h , Elektronentheorie der Metalle, Berlin 1936, 8. 120.
&layer. Whtelektrische Eigenschaften von Kdiumschichh usw. I 157
der lichtelektrischen Elektronen gleich lo-’ cm, in fjbereinstimmung
mit den Erwartungen l;, wahrend ja die mittlere freie Wegliinge der
Leitungselektronen 10-100 ma1 gro6er angesetzt wird.
4. Lic h t ve k t ore f f e k t
Fast alle Beobachtungen wurden mit polarisierter Strahlung
gemacht. Die Lage des Lichtvektors ist in allen Abbildungen und
Tabellen vermerkt?). Jedoch m d betont werden, da6 die Platinfolie F, die anfangs gut spiegelte, nach langem Gltihen eine rauhe
Oberflache bekam. Trotzdem sollen die Ergebnisse beztiglich des
Lichtvektoreffektes kurz erwiihnt werden. a) Der Verlauf der lichtelektrischen Empfindlichkeitskurven in Abhangigkeit von der Schichtdicke unterscheidet sich ftir beide Lagen des elektrischen Vektors
nicht; ein’ Hijchstwert der Empfindlichkeit tritt fiir E l und E 11
bei derselben Schichtdicke auf. b) Es konnte keine Abhilngigkeit
des Vektorverhiiltnisses von der Schichtdicke festgestellt werden.
c) f i r die Linien 6072, 6779 und 5461 betrug das Vektorverhatnis
stindig 1, ftir die tibrigen Linien schwankte es zwischen 3 und 5
(in verschiedenen Mefheihen), mit einer kaum merklichen Andeutung
eines Hochstwertes bei ungefiihr 3341.
5. V e r l a u f d e r l i c h t e l e k t r i s c h e n E m p f i n d l i c h k e i t fiir d i e
Geeamtstrsblung der Hg-Lampe
Zum Schlusse sei noch kurz darauf hingewiesen, da6 der Gang
der lichtelektrischen Empfindlichkeit in Abhilngigkeit von der Schichtdicke bei Bestrahlnng mit der unzerlegten Strahlung des Hg-Bogens,
wie er z. B. in Abb. 4 der vorhergehenden Mitteilung gegeben
ist, sich nicht als Summe der durch die einzelnen Linien ausgelosten
lichtelektrischen Strijme ergibt. Vielmehr ist der Verlauf der Empfindlichkeit fur die Gesamtstrahlung dem fur die Strahlung von 2655
beobachteten weitgehend iihnlich, d. h. man beobachtet ein starkes
dnsteigen bis zu einer Bedeckung von etwa 0,7 einer einatomigen
Schicht, dann aber eine nur sehr geringe weitere Zunahme, genz im
Gegensatz zu dem Verlauf der Empfindlichkeit fUr die Linien des
selektiven Bereiches, fUr die der Hauptanstieg ja erst spater
bei einer zwei bis drei Atomlagen dicken Schicht beginnt. Von
diesem Anstieg ist in der Kurve fur die Gesamtstrahlung fast nichts
zu bemerken. Die wenigen hierzu gemachten Beobachtungen gestatten vorlaufig keine Schltisse. Jedoch weisen sie darauf hin, da6
1) H.F r a h l i c h , a. a. O., S. 121.
2) E J. bedeutet, daB der elektrische Lichtvektor senkrecht zur Einfallsebene war.
158
Annalen
der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937
dabei Anregungsvorghge der die Schicht auf bauenden Zentren mit
einer bestimmten Verweilzeit und damit zusammenhilngende vers t i k e n d e oder schwgchende Wirkung der in der Gesamtstrahlung
vorhandenen Strahlungen bestimmter Schwingnngszahl eine wichtige
Rolle spielen. l)
Zneammenfaeeung
1. Es wird eine Atomstrahlmethode beschrieben, mit der Alkalischichten atomarer Dicke auf Netalle hoher Austrittsarbeit aufgedampft und deren Dicke mit grof3er Genauigkeit bestimmt werden.
2. Mit dieser Methode wird das lichtelektrische Verhalten solcher
Kaliumschichten von der Dicke Null bis zu etwa 30 Atomlagen bei
Bestrahlung mit den starkeren zwischen 6000 AE und 2400 AE
liegenden Linien eines Hg-Bogens untersucht.
3. Der beobachtete Verlauf der lichtelektrischen Empfindlichkeit
in Abhangigkeit von der Schichtdicke wird in einer Reihe von
Ychaubildern gegeben. Es wird gezeigt, welchen EinfluB der Einbau
von Gasmolekiilen in diese Schichten hat.
4. Nimmt man die Zahl der Kaliumatome in einer einatoniigen
Schicht unmittelbar auf Platin gleich 4,O lo1*j e Quadratzentimeter
wahrer Flache an, so ergeben die Versnche fur die sogenannte
,,@nstigste Bedeckung", bei der die Anstrittsarbeit durch einen
Tiefwert geht, die Zahl von 2,9. lOI4 je Quadratzentimeter wahrer
Flache, d. h. etwa 0,7 einer einatomigen Schicbt. Bei Einbau von
Gasmolekillen ist diese Zahl hoher.
5. Der liohtelektrische Effekt diinnster Schichten bis zu 2 bis
3 Atomlagen ist normal.
6. Die Dicke des Beginns des selektiven Effektes betrggt 2 bis
3 Atomlagen.
7. Die zu bestimmten Dicken der Schicht gehorenden Z u s t i d e
des selektiven Hijchstwertes und seiner Lage und der sie beeinflussenden Faktoren werden bestimmt.
8. Die Grenzwellenlange des hochstentgasten Kaliums wird bei
5461 gefunden, was einer Austrittsarbeit von 2,26 f0,02 V entspricht. Der tiefste, bei Einban von Gasmolekiilen beobachtete
Wert der Austrittsarbeit betrug 2,O V.
9. Der Beginn und der Hochstwert der lichtelektrischen Emission
fur die jenseits der Grenze 5461 liegenden Linien 5779 und 6072
tritt nicht bei der ,,giinstigsten Bedeckung" ein, sondern bei einer
fast um das Doppelte hoheren.
-
1) R. Suhrmann, a. a. 0.S. 203 uaw.
Mayer. Lichteleldrische Eigenschaften con Kaliumschichfm usw. 1 159
10. Solange noch keine starkere Beeinfiussung der adsorbierten
Kalinmionen vorhanden ist, betragt das Dipolmoment 9,l
und
clie Entfernung der positiven Schicht von der Metalloberflache
1,0
cm.
11. Die Verandernngen, die durch ,,Wandern" der adsorbierten
Kaliumatome hervorgerufen werden, werden verfolgt.
12. Es wird die Qeschwindigkeitsverteilung der aus verschieden
dicken Schichten austretenden Elektronen durch Aufnahme von
lichtelektrischen Stromspannungskurven bestimmt. Es wird a) ein
neuer Beweis fiir die Beziehung A @ = - A @ gegeben, b) die Feldabhangigkeit des lichtelektrischen Effektes diinnster Schichten erneut
gezeigt, c) gezeigt, daS die Elektronen bei ein- bis zweiatomigen
Schichten hauptsachlich dem Tragermetall entstammen, d) gezeigt,
da6 die Untersnchung der Geschwindigkeitsverteilung der aus d u n sten Schichten austretenden Elektronen eine Mdaglichkeit zur Untersuchung von Volum- und Oberflacheneffekt als auch zur experimentellen Ermittlung der mittleren freien Weglilnge der im Inneren
des Metalls ausgelBsten lichtelektrischen Elektronen darstellt.
-
Die vorliegende Arbeit wurde im physikalischen Institut der
Universitit Miinchen dnrchgefiihrt. Fiir die mir gewiihrte Gastfreundschaft und fiir die gro6e Bereitwilligkeit, mit der mir alle
Hilfsmittel dieses Institutes zur Verfiignng gestellt wurden, sage ich
Herrn Prof. W a l t h e r Q e r l a c h auch an dieser Stelle meinen herzlichsten Dank.
C e r n a u t i , Physikalisches Institut der Universitat.
(Eingegangen 16. M1Srx 1937)
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