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Die photographische Wirkung mittelschneller Kathodenstrahlen.

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15
Die photogruphische Wirkmig
m4ttelschmeller Knthodenstrahlm
Porn A. B e c k e r u n d E. Eippharc
(Mit 10 Figuren)
Die vorliegende Untersuchnng entstand aus dem Bediirfnis,
ein Urteil dariiber zu gewinnen, wie weit der photographische
Kathodenstrahlennachweis neben seinen bekannten Vorteilen der hohen Empfindlichkeit und der unmittelbaren Wiedergabe
der geometrischen Verhaltnisse eines Strahlbildes - die Moglichkeit der quantitativen Strahlintensitatsbestimmung bietet. Die
Beantwortung dieser Frage ist dringend geworden, nachdem
die auf photographischem Wege erleichterte Verfolgung der
Kathodenstrahlstreuung in letzter Zeit besondere Bedeutung
gewonnen hat.
Die Sufgabe besteht zunachst in der systematischen Ermittlung der Abhangigkeit der photographischen Schwarzung bei festgehaltenen Bedingungen des phototechnischen Verfahreiis - von der Anzahl, der raumlichen Dichte und der
Geschwindigkeit der Elektronen einerseits, von den Eigenschaften
der photographischen Schicht andrerseits. Es handelt sich hier
um ein Teilproblem der chemischen Kathodenstrahlwirkung,
bei dessen Behandlung wir uns bemuht haben, neben den
hervorgehobenen methodischenGesichtspunktenauch die besolzderen
pholochemischen Fragen des Erschinungsgebief s soweit als angangig zu verfolgen.
Der untersuchte Strahlgeschwindigkeitsbereich liegt zwischen
15 000 und 100 000 Volt. Die fu r diesen Bereich erhaltenen
Ergebnisse gestatten in Verbindung mit den in der bisherigen
Literatur vorhandenen Andeutungen aus andren Geschwindigkeitsgebieten einen ersten flberblick uber die Verhaltnisse im
gesamten Geschwindigkeitsspektrum der Kathodenstrahlen zu
gewinnen.
16
A . Becker und E. Kipphan
Als Plattenmaterial benutzten wir die Agfa-Extrarapidplatte,
die Spezialplatte fur Sternaufnahmen von Th. M a t t e r und eine
nahezu gelatinefreie, in Anlehnung an die Vorschriften zur Herstellung der Schumannplatte l) selbstgegossene Bromsilberemulsion.
1. Dae Untereuchungsverfahren
Die benutzte Versuchsanordnung wird schematisch durch
Fig. 1 wiedergegeben. Die Kathodenstrahlen liefert eine selbstgebaute Gliihkathodenrohre, die an eine Gleichstrom-Hochspannungsanlage angeschlossen ist. Die aus dem Aluminiumfenster A1 austretenden Strahlen gelarigen in einen evakuierbareri
metallischen Aufsatz, in urelchem sie nach Ausblendung dnrch
.A.
t
Fig. 1
die beiden Blenden 13, uiid R, durch den Kafig K hindurch
auf die photographische Platte treffen, wo sie bei C eine Kreisflache von etwa 1,3 cm Durchmesser bestrahlen. Die Platte
liegt auf einer durch die Bernsteinknopfe I , und I , isolierten
Metallschiene Sch, die bei I , rnit dem Quadrantelektrometer
verbunden ist. Der der Platte vorgeschaltete, auf der Metallschiene aufsitzende Kiifig K fan@ soaohl die Primarelektronen
auf, welche von der Platte ruckdiffundiert werden, als auch die
aus ihr austretenden Sekundarelektronen. Das Elektrometer
zeigt daher , unbeeinfluSt von Sekundarstrahlung, gerade die
1) V. S c h u m a n n , Sitzber. d. Mad. d. Wiss. Wien, IIa, 102. S. 994.
1893; Ann. d. Phys. 6. S. 349. 1901.
Photographische Wirkung mitt elschneller Kalhodenstrahlen
17
gesamte, jeweils auf die Platte auftreffende, fur die entwickelbare
Schwarzung mabgebende Strahlintensitiit an. Die in Streifenform geschnitteiie Platte wird durch die mittels Schliffs bei A
verschliefibare Offnung des rechteckigen Behalters R eingefiihrt
und kann dann mit Hilfe eines uber den Hahnschliff H
laufenden Seidenfadens s im Vakuum derart verschoben werden,
dab nacheinander bis zu 10 Expositionen vorgenommen werden
k”onnen.
Zur Evakuation der Kathodenrohre und des Versuchsrauins
dienen zwei Glasdiffusionspumpen, deren Vorvakuum durch eine
vierstufige St&hldiffusionspunipe aufrechterhalten wird. Die
erforderliche Kuhlung wird durch 3 Vorlagen mit flussiger
Luft I) erzielt. Das mit diesen Mitteln erreichbare Vakuum ist
so hoch, dab auch bei den hochsten benutzten Strahlbeschleunigungen keine storenden Gasentladungen auftreten, sondern
durchweg ein ruhiger Elektronenstrom die Erzeugungsrohre
durchfliebt.
Die Hochspannungsmessung erfolgt gleichzeitig mit einem
W.T h o m s o n schen Elektrolneter und einem iiber einen hochohmigen, in eine Glaskapillare eingeschmolzenen JodkadmiumAmylalkohol -Widerstand y , parallel geschalteten, sich rasch einstellenden Galvanometer. Diese mit Hilfe einer Hochspannungsbatterie und mit einer Funkenstrecke geeichte MeSanordnung
hat sich sehr gut beaahrt und sowohl die standige Kontrolle
der Spannung wahrend der Versuche als ihre esakte Wertangabe ermiiglicht. Die Hohe der Spannung war in allen
Fallen muhelos auf etwa 1 Proz. konstant zu halten, so daB
mit Riicksicht auf die Gute des Vakuums rnit praktisch vollkommener Homogenitat der erzeugten Strahlgeschwindigkeit
gerechiiet werden kann.
Die Versuchsweise ist die folgende: Nachdem eiii befriedigendes Vakuum erreicht ist und man sich uberzeugt hat,
daB die photographische Platte vollstandig frei ist von Ladungen,
die entweder von einer vorausgegangenen Bestrahlung ruckstandig
sein oder bei der Verschiebung der Platte durch Reibung erzeugt sein kijnnten, wird der von einigen isoliert aufgestellten
1) Dieselbe ist wiederum bereitwilligst von der I. G. Farbenindustrie
in Ludwigshafen-Oppau zur Verfiigung gestellt worden.
2) W. Hittorf, Wied. Ann. 7. S. 559. 1879.
Annalen der Physik. 5. Folge. 10.
2
1s
A . Becker u. E. Kipphan
Akkumulatoren gelieferte Heizstrom der Gluhkathode eingeschaltet, das Quadrantelektronieter isoliert und hierauf die
Hochspannung sofort in ihrer gewiinschten Hiihe (ohne allmiihliche Hinaufregnlierung) an die Kathode angelegt. Kach
Ablauf der ge\+Bhlten Bestrahlungsdauer, wiihrend der die
Spannungsmesser heobachtet werden, wird die Hochspannung
plijtzlich ahgeschaltet wid in der Anlage riickstiindige Ladung
gleichzeitig zur Erde geleitet. Das Quadrantelektrometer stellt
sich allniiihlich auf einen Maximalausschlag ein, der abgelesen
wird. Wir glauben, daB dieser statischen Mengenmessung wegen
des Eindringens der Ladungen in die bestrahlte Emulsion bzw.
die sie tragende isolierende Platte und wegen der infolgedessen
nnr langsamen Einstellung einer gleichmBBigen Verteilung uber
alle anfgeladenen Teile gegeniiher der dynamischen Messung
der Vorzug zu geben ist.
Man erkennt, daB auf diesem Wege die Zuordnnng der
erzielharen photochemischen X7irkung zu absolutcn Strahlintensitaten hei deli Kathodenstrahlen erhehlich einfacher und
tlaher auch sicherer durchfuhrbar ist als beim Licht und hei
den Hochfrequenzstrahlen. Diese Zuordnung wird bei iinserer
Untersuchung anch durch keinerlei BeyZeiterscheinungen storend
beeinfluBt: Das LiclLt des Gluhdrahts wird voni Aluminiunifenster der Riihre zuriickgehalten. HochfrequenteWellenstrahluny
ist durch geeignete Konstruktion des Fenstertriigers so weit
ausgeschaltet, daB keine photographische Schwiirzung nachaeisbar wird, wenn das aus der Erzeugerrbhre austretende
liathodenstralilbiindel magnetisch abgelenkt wird. SchlieBlich
werden die langsamen sekundaren KathodenstrahlenI), die vom
Aluminiumfenster stark diffus ausgehen, groBenteils schon durch
die Blenden B, und B2 und der Rest durch einen auBerhalb
des Bufsatzes angebrachten schwachen Magneten, der den
Primkstrahl pmktisch unbeeinfluflt liiBt, vom elektrischen
MeBraum R abgehalten. Licht und Hochfrequenzstrahlen
wiirden die Platte schwgrzen, ohne die elektrische Messung zu
beeinflussen, wiihrend die sekundiiren Kathodenstrahlen des
Alnminiurnfensters oder auch der den Raum uber dem Fenster
1) Vgl. A. B e c k c r , Ann. d.Phys. 17. S. 381. 1905; P.Lenard u.
A. B e c k e r , ,,Kathodenstrahlen" im Handb. d. Exper. Physik, Ud. 14.
S.275. 1927.
Phofographische Wirkung mittelschneller I<aikodensirahlelz
19
begrenzenden W a d e die elektrische illessung fiilschen kiinnten,
ohne merkbar die Platte zu schwiirzen.
Nicht unbeachtet darf der EinfluB des Alnminiumfensters
anf die Geschwindigkeit des austretenden PrimarstrahbSiindels
bleiben. Bei einer Fensterdicke von 0,0045 mm iqt init einem
Geschwindigkeitsverlust 1) zii rechrien, der bei Strahlen voii
20 kV 10 Proz., bei 30 kV 7 Proz, bei 40 kV etwa 3 Proz.
betriigt und von 50 kV an praktisch vernachlassigt werdeii
kann. Bei den kleinen Geschwindigkeiten macht sich gleichzeitig eine Geschwindigkeits-InliomogenitLt bemerkbar, so daR
die auftretenden Schwiirznngen in diesen FWllen einern Geschwindigkeitsmittelwert zugeordnet werden miissen.
Das Entwic3cZungsverfahren haben wir in allen Fallen streng
konstant gehalten. Als Entwickler benutzen N ir ausschliefilich
Metol-Hydrochinon, das jeweils frisch angesetzt und bei der
Agfa- und der Matter-Platte irn Verhiiltnis 1: 7,5, bei der
gelatinefreien Plattez) im Verhiiltnis 1 :20 verdiinnt ist. Die
Entwicklungsdauer betragt in1 ersteren Falle stets 3 Min., im
letzteren Falle 4 Min., wobei eine vollstandige Durchentwicklung
der Platten erzielt wird. Die Entwicklungstemperatur ist
200 f 1 0 .
Fixiert haben wir die Platten 5 Min. lang in neutralem,
im Verhiiltnis 1:1 verdunnten Natriamthiosulfat.
Zur Messung der Schwarzung S, die wir, wie iiblich, durch
den Br i ggi scheii Logarithmus des Verhiiltnisses voli auffallender
und durchgelassener Lichtintensitat definieren, und die sich
itber die ganze Flache des entmickelten Flecks jeweils praktisch
konstant erweist 3), haben wir ein Z e i s s sches lichtelektrisches
Registrierph~tometer~)
benutzt, dessen Empfindlichkeitsschwerpunkt bei etwa 450 rnp liegt und dessen anzeigendes Fadenelektrometer wir absolut geeicht haben.
Die Auslcertung der Sc72iuarzungsmessungen hat nun so
zu erfolgen, daB man diejenige Schwarzung feststellt, welche
______.-
1) Vgl. P. L e n a r d u. A. B e c k e r , a. a. 0. S. lllff.
2) Deren geringen Gelatinegehalt vgl. Tab. 5.
3) Auf die grundlegende allgemeine Frage der Intcnsitiitsverteilung
innerhalb eines Kathodenstrahlbiindels gedenken mir in besonderer Untersuchung naher einzugehen.
4) Das der eine von uns (B.) einer Bewilligung seitens der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft verdankt.
2'
20
A . Becker u. E. liipphan
ausschlie/3lich der aufgetroffenen und -ioiii Quadraiitelektroineter angezeigten Ratliodenstraliluiig zukommt. >Ian pflegt
diese Aufgabe bei iihiilicheii Fragestelluiigeii iin allgemeinen
so zu losen, daB man eiiifacli von der Scliwiirzung des geuiesseneii Flecks diejeiiige des benachbarten Platteiigruiides
subtrahiert oder daB mail, was Zuni gleicheri kirgebnis fiihrt,
die gesuchte Schw-Hrzung des Flecks iiicht ails den1 T'erhiiltnis
der auffallendeii und der yon ihni liiiidurcligelasseiieii, sonderii
aus dem Verhaltnis der voni Plattengrurid uiid der voiil Fleck
hindnrchgelassenen Lichtintensifat berechnet. Man erkennt
aber leicht, daB dieseni Verfahren keiiie allgeineine Giiltigkeit
zukommt. Denn m i i n zur Hervorrufuiig eiiier geniesseiieii
SchwBrzung uiehrere Ursacheii beitragen, so kann, wie die Erfahrung zeigt , die Sumuienw-irkung erheblich voii der Suiiiine
der EinzelFirkungen verscliieden sein. Eiii Ausmg zu eiiier
zutreffenden Korrektion eirier ,,gestiirten" Schwiirzung ist iiur
d a m vorhanden, wenii die Beobachtung sich auf eiiie game
Schwiirzungskurve und nicht iiur auf eiiieii einzigen Schwiirzungsfleck erstreckt.
a) Es werde zuiiiichst der Fall betrachtet, daB kein ursachlicher Zusawtmenhang zwischen Gmnd und Fleck bestehe.
Der zu allen gleichzeitig entwickelten Flecken einer Platte
geliorige Plattengrund ist in diesem Fall im allgemeinen praktisch
der gleiche. Dies trifft bei allen uiisreii Beobachtungen zuul
mindesteii bis zii Fleckscli\l.iii.zuiigen S = 1in groBer Anniilierung
zu. Wir unterscheiden iiuii 2 3Iildglichkeiteii:
a) Die beobachtete Schwarzungskurve ist linear. Sie wiirde
also beispielsweise durch die Kurve 1 der Fig. 2a dargestellt
sein konnen, deren Aiifangsordinate die Schleierschwarzung So
uiid deren Abszisse die jevieils zugestrahlte Elektroneiiladuiig Q
angibt. Die Linearitgt zeigt an, daB die gleiche Elektronenladung stets die gleiche Scliw-iirzung liervorruft , unabhiingig
vom Ahsolutwert der Schm%rzuiig, der bereits vorhanden ist.
Daraus folgt, daB iiiaii die liorrigierte, von der Sch~Sirzuiig
des Gruiides befreite Schniirzuiigskurve einfach durcli Subtraktion
der Schleierscliff Brzuiig. d. 11. durch eiiie Parallelverschiebuiig
der beobachteten Knrve uin So, die sie in Kurve 2 iiberfiihrt,
erhilt. In dieseiii Fall ist also das iibliche Verfahren ohne
weiteres zuliissig.
Phofographische Wirkung mittebchne Uer Kathodenstrahlen
21
p) Die beobachtete Schwarzungskurve ist niclit linear.
Zur
naheren Betrachtung dieses Falls wolleii wir ruckwarts von
der bereits korrigierten Kurve ausgehen, die beispielsweise durch
die Kurve 2 der Fig. 2 b dargestellt sei. Die Schleierschwhrzung
sei wieder durch den Ordinatenivert Sobezeichnet. Die Kurve 2
gibt nun von der Hohe So, d. 11. voni Pnnkt A , an den Gang
der Schwiirzung mit von hier als Nullpunkt anwachsender
Elektronenladung, falls eine vorausgeliende Bestrahlung bereits
die Schwhrzung So verursacht hat. Nehmen wir nun an, dah
dieser Kurvenanstieg von A aus nur von der Hohe, nicht aber
voii der besonderen Ursache der Anfangsschwarzung So abhange,
so erhalt man offenbar die tatsiichlich beobachtbare Schwarzungs-
s
p
S
s,
47
Q
a
,~
- - - - - j- -
F
.-A ,.<-
S/fah/-/ntensita?
b
Korrektion von Schwarzungekurven
Fig. 2
kurve, wenn man die korrigierte Knrve um die Strecke SoA nach
links verschiebt (Kurve 1 der Fig. 2b). Dieses Verfahren konnte
man auch in dem Fall nocli zuliissig finden, daB die Schleierschm&rzung So nicht etwa vor der Bestralilung , sondern erst
nach derselben verursacht miire.
Praktisch liegt die Aufgabe nun umgekehrt ; deiin es handelt
sich darum, aus der beobacliteten Kurve 1 die korrigierte
Kurve 2 abznleiten. Dies hat durch Rechtsverschiebung der
beobachteten Kurve um die Strecke SoA zu geschehen, deren
LBiige jetzt aber nicht von vornliereiu bekannt ist. Die Unsicherheit ivird aber um so geringer - auch im Hinblick auf
die Voranssetzungen des Verfahreiis - je kleiner So ist. Liegt
So tiefer als der Beginn der Kurvenkrummung (Kurve 2), so
findet sich 8, A = So tgu, wo u der Snstiegsminkel der beobachteten Kurve 1 im Anfangspunkt ist. Wurde man im gegenwartigen Fall die beobachtete Kurve (1) einfach durch Sub-
22
A . Becker u. E. Kipphan
traktion der Schleierschwiirzuiig So korrigiereii wollen, so
kame man zu der wesentlich abweichenden Kurve 3; die Allweichung wiirde natiirlich niit abnehiiiendem V e r t von So mehr
und niehr zurucktreten.
n a s allgemeine Verfahren der Sch~~.arzuiigskorrekturbesteht also nicht in einer parallel zur Ordinate sonderii in einer
parallel zur Abszisse rorzunehmenden I(urrenverschiebung.
b) Weniger einfache Verhkltnisse iiiacheii sich in unsren
Versuchen beim Ubergang zu sehr gropen Xtrahlinten, itaten
benierkbar. Der Plattengrund zeigt hier rings uiii die Flecke
auf der innerhalb des Kafigs I< freistehenderi Plattentiiiche
eine die abgedeckteii Stellen der Platte iiberragende leichte
Schwkzung, die n i t wachsender Strahlintensitat zuniinmt und
also ebenso a i e der zentrale Fleck von der Xtrahluny verursacht ist. Man mu13 annehnien, daI3 diese Erscheinung einer
zusiitzlichen Bestrahlung der unabgedeckten Platteiiteile sicli
iiicht auf die Umgebung des zentraleii Flecks beschriinkt,
sondern da13 sie auch an der Stelle dieses Flecks der Wirkung
des direkten Priniiirstrahlbundels iiberlagert ist. Es haiidelt
sich hier entweder uiii die Wirkung von Primiirelektroneii,
welche von der Platte ruckdiffundiert auf die Kafigwancl treffen
und von dieser zur Platte zuruckgelangen, oder urn Licht.
welches von den sehr intensiven Kathodenstrahleii in etva noch
vorhandenen Gasresten des Versuchsraunis erregt aird, oder
schliefilich urn beide Erscheinungeii gleichzeitig. Wir haben
im Zusarnmenhang der gegenwiirtigen Versuche eine direkte
Entscheidung zwischen diesen Moglichkeiten - etwa durch
eingeschaltete Absorptionsmedieri - nicht vorgenommen. Bus
der Tatsache, da6 die Erscheinung nur bei den gelatinehaltigen
Platten auftritt und bei den gelatinefreien Platten selbst bei
groI3teii Primarstrahlintensitaten vollstandig fehlt, ist offeiibar
zu schlieflen, daI3 es sich iiberwiegeiid uin Lichterregung liaiidelt
(vgl. hierzu 3 b y).
Die Korrektion der Pleckschwiirzung ist hier nicht niit
derjenigen Genauigkeit durchfiihrbar , die in den unter a) hetrachteteii Fallen erreichbar ist. P ie bleibende Unsicherheit
diirfte aber praktisch meist stets helanglos sein. Deiin die
Hohe der Korrektioii ist iin allgenieinen geriiig, und sie ist
auch nur in solcheii Fiilleii uberhaupt in Betracht zu ziehen,
Photographische Wirkung mittelschneller Kathodenstrahlen
23
wo die Fleckschwirzung schon so groI3 ist, daD sie nur noch
eine sehr ungenaue Strahlintensitiitsbestiinmung zulieBe (vgl.
die Schwirzungskurven in Abschn. 3).
Unter der schon oben benutzten Voraussetxung, daB das
aus dem Schwjrzungsanstieg des Haulitflecks ersichtliche Ma6
der photographischen Kathoderistrahlwirkung nur von der Hijhr
abhangt, von welcher aus der anstieg verfolgt wird, dagegen
unabhangig ist von der speziellen Ursache der bereits vorhandenen Schwarzung, kann folgender Weg der Korrektion beschritten werden: Man entnimmt dem Anfangslauf der beobachteten Schwirzungskurve, deren S,,-Wert den1 gleichmagigen
Plattenschleier des abgedeckten Plattengrundes entspricht, diejenige Elektronenladung, welche dort die geiiiessene Schwiirzung
des den Fleck unigebenden Rings hervorrufen wurde; d a m
entnimmt man aus der Steigerung der beobachteten Kurve a n
derjenigen Stelle, welche durch die gemessene Fleckschwiirzung
bezeichnet wird, diejenige Schxiirzungszunahnle d S, welche der
zuvor ermittelten Elektronenladung hier zukommt ; schlieBlich
bringt inan diesen Wert von A S an den entsprechenden
Ordinaten der nach a p korrigierten Kurve in Abzug.
2. Dam Reziprozitiitagesetz
F u r die photographische Intensitiitsbestimmung der Kathodenstrahlen steht die Frage nach der Giiltigkeit des Reziprozitktsgesetzes ’) an erster Stelle. F u r P-Strahlen ist diese
Frage bereits voii Hrn. B o t h e ”, fur langsame Kathodenstrahlen (1,5 kV) von Hrn. N a c k e n s ) untersucht worden mit
dem Ergeltnis einer Bestiitigung des Reziprozitiitsgesetzes,
welches hier besagt, da6 die photographische Schwiirxung durch
Kathodenstrahlen festgehaltener Geschwindigkeit nur von i der
Gesamtzahl der auftreffenden Elektronen und nicht voni zeitlichen Gang der Einstrahlung abhgngt.
Wir haben die Frage fur Strahlgeschwindigkeiten zwischeii
20 und 50 kV sehr eingehend in der Weise untersucht, daB
wir einerseits Schwiirzungskurven aufnahmen, deren einzelne
1) R.Bunsen u. H. Roscoe, I’ogg. Ann. 117. S. 538. 1862.
2) W. B o t h e , Ztschr. f. Phys. 8. S. 243. 1922.
3) W. Seitz u. M. J. Kacken, Ve1h.d.D. Phys. Ges. S. S. 41.1927;
M. J. Nacken, Phys. Zs. 31. S. 296. 1930.
24
A . Reeker u. E. Iiipphan
NeBpnnkte sehr verschiedenen Espositionszeiten bzw. sehr
verschiederien Strahlinteiisitkten entsprechen und daB wir
aiidrerseits diejenigen Schwarzungen miteinander verglichen,
welche die iiahe gleiche, aber uber selir verschiedene Zeiten
verteilte Elektronenmenge hervorruft. Es liegt auf der Hand,
daB die Genauigkeit des MeBergebnisses entscheidend beeiiifiuUt
ist von der Sorgfalt, mit der insbesondere die elektrische Messung
uber die Zeitdauer liingerer Expositionen vor Stiirungen bewahrt
ist. U r i i in dieser Hinsicht Unsicherheiten fernzuhalten, haben
wir darauf verzichtet, die Priifung des Gesetzes bis zu den
Fig. 3
hiichsten von uns benutzten Geschwiiidigkeiten, bei denen selir
lange Expositionen nicht ratsam waren, durchzufiihren.
In Fig. 3 geben wir zwei SchwLrzungskurven, von denen
die eine mit der Bgfa-Platte bei 27 kV, die andre mit der
Matter-Platte bei 40,3 kV aufgeriornmeii worden ist. Die
Abszissen verzeichnen die der Fliicheneinheit der Platte jeiveils
zugestrahlte Klektronenladung in Coul., welche die als Ordinaten
aufgetragenen korrigierten Schwiirzungen hervorrufen. Die den
MeApunkten beigesetzteri Zahlen geben die Espositionszeiteri
in Sekunden; sie sind also gleichzeitig ein reziprokes MaU fiir
die in den einzelnen Fiillen vorhandene Strahldichte. Die
Zeiten variieren von 6-550 Sek. Die erhaltenen MeBpunkte
schlieBen sich ausnahmslos so gut einem glatten Kurveiizug
dnrch sie als praktisch bestatigt
an, daB das Rezi1)rozit~~tsgesetz
gelten darf.
Photographkche Wirkung mittelschneller Kathodenstrahkn
25
In Fig. 4 verzeichnen wir zaei Versachsreihen, die mit
Strahlen von 27 kV in der Weise ansgefuhrt worden sind,
daD im einen Fall die Strahldichte bei iiahe koiistant bleibender Espositionszeit, im anderen Fall die Expositionszeit bei
nalie konstant gehaltener Strahldichte variiert worden ist. Der
Versuch zeigt, daB fur die erzielte Schwiirzung nur die Gesamtelekt.ronenmenge maBgebend ist.
222
220
x htens/?a?sva?/ation,Exp#.Me/?ZOSek
Ze/?var/ahonbe; nahe Lions/ $WbMchte.
Die dem o be$eseI.ten Zah/engeben
die Ex@/?ionszei7en in Sekunden.
Schwarzung bei variierter Intensitat und Zeit
Fig. 4
Die Tab. 1 gibt die Schwkzungen S und die zugehorigen
Elektronenmengen Q, welche fur die Bgfa-Platte mit Strahlen
von 24,l kV bei variierter Expositionszeit t erhalten haben.
Tabelle 1
Agfa-Platte. 24,l kV
Q
Coul/cm*
t
S
Sek.
-
2.90 * lo-"
0,280
0,276
0,280
0,279
0,284
0,350
0,341
81Q
______
_______.
258
11
265
14
15
256
21
0,965 10"
0,938
0.976
01975
0,986
0,946
0,937
26
A . Recker u. E. Kipphan
S u c h dieses Ergebnis entspricht deiii Reziprozitiitsgesetz.
R i r niachen damit eine rein praktische Peststellung. wie sie
auch hereits fiir die Erregung durch Hochfrequenzstrahlen I)
bestcht und wie sie auch fiir d3tralilen zuzutreffen scheint.2)
Auf die prinzipielle Frage, morauf das unterschiedliche Terhalten der photographischen Platte gegeniiber Hochfrequenz-,
Kathodcnstrahlen- und u-Strahlen einerseits, gegeniiher Licht
anderseits herulit sol1 an anderer Stelle zuriickgekomuieii
werden.
~
3. Schwiirsung und Elektronenmenge
a) Die Schwiirzungskurven
l ' i r betrachten hier zunachst den Zusainnienhang zwischeri
der Anzahl der die Flbheneinheit der photographischen Schicht
treffendeii Elektroneii uiid der verursachten Schwkzung, \vie
n i r ihii fiir eiiie groBe Zahl verschiedener Falle beobachtet
liaben. Slle Schwarzungswerte sind iiach den ini vorhergehen(lei1 dhschnitt initgeteilten Gesichtspunkten korrigiert, wobei
niit rclativ kleinen, zwiwlien 0,03 und 0,lO liegenden Schleierschwiirzungen zu rechnen ist. Auch die in Kilovolt angegebenen Strahlgeschwindigkeiteii sind bereits unter Berucksichtigung des Geschwindigkeitsverlusts in1 Alumiiiiunifeiister
ltorrigiert. I m allgemeineii haben wir zur miiglichsten Sicherstellung der erforderlicheii T'ergleiche 4 unter verschiedeneii
Bedingungen aufgenommene Platten genieinsam entwickelt und
fixiert. Auch sind hisweilen anf ein und derselben Platte
mehrere verschiedene Versuchsvariationen zur Aufnahnie gekommen. Um auch von etwaigen Empfindlichkeitsiiihomogenitiiten der Platten mijglichst unabhangig zu bleiben, haben wir
nicht eine bestimnite Reilienfolge der einzelnen Expositioneii etwa in der Riclitung wachsender oder abnehniender Elektronenmengen - eingehalten, sonderii die Aufeinanderfolge
A-eitgehend variiert.
a) Agfa-Extrarapidplalte
Kine das Verhalten der Platte ausreicheiid charakterisierende A4uswalil aus den von uns erinittelten Schwarzungskurven gibt Fig. 5. Die Kurveii yerzeichnen den Gang der
._____
1) R. Glocker u. W. Traub, Phys. Ztschr. 22. S. 361. 1921.
2) S . K i n o s h i t s , Proc. Roy. SOC.A. 83. S. 432. 1910.
Phtographische Wirkung mittelsehnebler Kathodenslrahlen
27
Schwarzung mit der auf die Fliicheiieiiiheit der Schicht yertikal
auffallenden Elektronenladung. Es handelt sich hier also nicht
lediglich uni den relativen Gang sonderii um absolute Zusarnmenhange. Die Aufnahme der Kurven erfolgte durchweg
in der Weise, daA bei nahe konstant bleibender Expositionsdauer (etwa 20 Sek.) die Strahldichte durch Anderung des
Heizstroms der Gluhkathode variiert wurde. E s sind dadurcli
* au@enommenm/~t~/s/ndu~torent/adungen
bei 85 X Y / v = 8 52)
A q b fxtrarapid-P!alte
SchwBrzungsknrven fur verschiedene Strahlgeschwindigkeit
Fig. 5
langere Expositionen vermieden, und die Folgerungen aus den
Ergebnissen bleiben ganzlich unabhiingig pon jeder Voraussetzung uber die Giiltigkeit des Reziprozitatsgesetzes.
Man erkennt zuniichst, da13 die Beobachtungspunkte im
allgemeinen befriedigend eiiien glatten Kurvenzug definieren.
Allen Kurven gemeinsam ist der anfanglich lineare, dann bald
verzijgerte Anstieg der Schwarzung mit wachsender Elektronenmenge. Der lineare Teil dringt zu urn so grOt3eren Schwarzungen vor, je hoher die Strahlgeschwindigkeit ist. Aucli der
A . Becker u. E. Kipphan
88
meitere Anstieg der Kurven erreicht mit wachsender Strahlgeschniiidigkeit zuniichst rasch zunehniende Schwarzungswerte,
w Yihrend hei sehr hohen Geschwindigkeiten eine starker verziigerte Strahlwirkung in Erscheinung tritt.
Der Charakter der Kurven stimmt iiberein niit demjenigeii
cler fiir /?-Strahlen I) sowohl wie anch fiir Hochfrequenz- und
a-Strahlen ') beobachtbaren Kurven. Dagegen besteht eine
T'erschiedenheit im Verhalten der Platte gegen Lichtstrahlen,
\vie dies aus dem Vergleich mit der gestrichelten Kurve der
Fignr hervorgeht. Dieselbe ist aufgenommen mit dem Licht
einer Glithlampchens bei konstanter Expositionsdauer und
durch Ahstandsiinderung variierter Intensitat. Die Abszisseiiwerte liaben fur diese Kurve natiirlich nur relative Bedeutung.
Die aesentliche Verschiedenheit der Kurven liegt in dem
typischen ,,Durchhang'. der Lichtkurce.
Benierkenswert sind noch die durch * hezeichneten Beobachtungspunkte. Dieselben wurden im Jalire 1925 von dem
einen yon uns (B.) ebenfalls mit der hgfa-Extrarapidplatte aufgenoiiiiiien, wobei aber die Kathodenstrahlen, deren Geschwindigkeit in1 dnschluB an iiltere Un ters~ ch un g e n ~
auf
) v = 0,52
(in Bruchteilen der Lichtgeschwindigkeit gemessen) festgehalten
war, iiiit Hilfe von Induktorentladungen erzeugt worden sind.
Diese Beobachtuiigen decken sich in auffallender Weise vollig
mit der der gleichen Geschwindigkeit zugehorenden Kurve
niisrer gegenwartigen Untersu~hung.~) Da die Entwicklung
in heiden Flillen die gleiche war, so rnuB man auf gleiche
Eigenschaften der zii sehr verschiedener Zeit hergestellten
Platten schlieben und konnte andrerseits in der pbereinstimmung eine neue Bestatigung des Reziprozit%tsgesetzes erblicken.
1) C . D . E l l i s u.
W. A. W o o s t e r , Proc. Roy. SOC. A.
114.
S. 266. 1927.
2) W . F r i e d r i c h u. P . P . K o c h , Ann. d. Phys. 46. S.415. 1914;
A. B o u w e r B , Ztschr. f. Phys. 14. S. 374. 1923.
3) S . K i n o s h i t a , a. a. 0.
4) A. B e c k e r , Ann. d. Phys. 7s. S. 209. 1925.
5) Diese stellt im wesentlichen eine mit den fur den beabsichtigten
%weekvorteilhafteren Mitteln der neueren Hochspannuogstechnik unternommene Fortfiihrung der hier erwiihnten fruheren Inangriffnahme des
vorliegenden Problems dar.
Photographisch Wirkung naittelscheller Rathodenstrahlen
29
fl) Matter-Platte
Die mit der Matter-Platte beohachteten Yerhiiltnisse Jverden durch die Kurven der Fig. 6 veranschaulicht. Dieselben
zeiclinen sich durch groBe Regelm33igkeit und einen sehr befriedigenden dnschlu8 der MileDn-erte an einen glatten Kurvenzug
aus. Der Charakter der Kurven ist der gleiche vTie in Fig. 5.
I
I
1
Schwarzungskurven fur verschiedene Strahlgeschwindigkeit
Fig. G
Eine oberschneidung der den verschiedenen Geschvvindigkeiten
zugehtirigen Kurven tritt hier wohl infolge der grijBeren Schichtdicke (Tab. 5 ) nicht auf. Die VerzSgerung des Anstiegs nit
n-achsender Elektronenmenge rnacht sich bei allen Geschq-iudigkeiten besonders deutlich bemerkbar.
Die offensichtliche Ahnlichkeit der Kurrenforrn fur alle
untersuchten Geschwindigkeiten legt den Gedanken an eine
die Gesaniterscheinung zusammenfassende Grundkurre nahe.
30
A. Becker u. E. Kipphan
illan kiinnte zuntichst versuchen, die einzelnen Kurven durch
einen Transforni,ztionsfaktor ineinander iiberzufiihren. Man
erkeiint aber sofort, daB weder eine lieduktion der Abszisseu
nocli eine solche der Ordinaten zu einem befriedigenden Ergebnis fuhren kann, da der Gang der Gradation der einzelnen
Kiirwn nach gr6Beren Elektronenniengen hin ein sehr verschietleiier ist.
Iin Kurvenverlauf konimt zweifellos die Tatsache zum
hustlrack, da13 die von eiiier gewissen Elektronennienge verum so geringer wird, je gro13er
iiriachte ~chwiirzun~szunahnie
die bereits vorhsndene Schwiirzung ist, oder, kinetisch betrachtet, daB die Anzahl der Bromsilberkiirner, die von einer
gewissen Elektronenmenge entwicklungsfkhig gemacht wird,
mit der %ah1 der noch unbeeinfluRt vorhandenen Bromsilberliiirner gemeinsam ahnimnit. T'ersucht man aber, die Reohachtiingeri durch den aus diesen Gesichtspmikten sich ergebenden, bekannten Zusammenhang zwischeii Schw&rzung S
iiiid Elektronenmenge Q
S
. (1 - e-k*'J),
= Sm
wo Sm die maximal miigliche Schwtirzung und k eine Konstante ist, quantitativ darzustellen, so ergibt sich nur eine sehr
rolie Ann&herung, woraus hervorgeht, daB noch andere Vorgytnge eine Rolle spielen. Es fAllt insbesondere aid, dalj die
Zunahme der Schwarzung nacli griiBereii Elektronenmengeii
hin eirie starkere ist, als sie aus der exponentiellen Beziehung
nach dem Anfangslauf der Kurven zu erwarten i$-tire.
Urn die Verhaltnisse noch weiter uberblicken zu kiinnen,
haben wir den Schwkzungsverlauf nach erheblick groperen
Elektronenmengen hin verfolgt. I n Fig. 7 findet sich die Erweiterung des Mengenbereichs auf etwa das 10fache der in
Fig. 6 verzeichneten m'erte. Zur Erleichterung des cberblicks
haben wir hier die iihliche logarithmische Darstellung gewiihlt.
Jede Kurve ist das Ergebnis der aufeinanderfolgenden Exposition yon jeweils 2 Platten, die gemeinsam entwickelt worden
sind unci deren MeBwerte durch verschiedene Zeichen voneinander unterschieden sind. Nan sieht, dal3 die Angaben
beider Platten sich jeweils recht befriedigend aneinander anschliel3en. Der Anstieg der Schwarzung ist noch ein sehr he-
Photographische Wirkung mittelschneller Ii'athodenstrahlen
31
triichtlicher. Insbesondere bei den kleinen Strahlgeschwindigkeiten, deren Kurven in Fig. 6 einem relativ niedrigen Maximalwert sich anzunahern scheinen, wertlen bei wachsender
Elektronenmenge noch selir erhebliche SchwWmngen erreicht.
Fig. 7
Matter -P/affe
Schwiirznngskurven fur groBe Intensitaten
Fig. 8
Der Anstieg ist gerade bei den kleineren Geschwindigkeiten
besonders groR, wahrend bei den griiBeren Geschwindigkeiten
die Anniiherung an einen Grenz\l;ert angezeigt ist.
Wir haben einige Xurven schliefllich noch bis zu Elektronenmengen weiterverfolgt, die das 15faclie der in Fig. 7
verzeichneten Mengen erreichen. Das Ergebnis zeigt Fig. 8
A . Becker u. E. Kipphan
32
f u r zwei benachbarte Strahlgeschwiiidigkeiten. Die 22,5-kVKurve steigt xeiter an uiid scheint bei S = 1,4 einen Grenzwert zu haben. Die 2S76-kV-Xurve dagegen, die diese Schwiirzuiig vie1 fruher erreicht, steigt nicht weitcr an, sondern fiillt
van liier aus langsani ab. Damit ist offenbar der Beginii eiiier
Solarisationserscheinuny angezeigt, die beim Liclit riel leicliter
auftritt als bei den Kathodeiistrahlen.
Dem lang sich liinansziehenden Anstieg der Kurven n ird
gut eine Formel gereclit, die bislier mit Erfolg auf die
Schwkrznngskurven sovohl der Hoclifrequenzstralileiil) wie aucli
der p-Strahlen angewandt worden ist. Sie lautet
.
S = C log(a. Q
+ I)
wo a und C Konstanten sind. Es zeigt sicli. dal3 dieselbe
unsere Kuryen in aeitein Uinfaiig init fiberraschend guter Annglierung darzustellen verinag. Zur Veranscliaulicliung stellen
wir in Tab. 2 fur Elektroneiiniengen voii 0,l-20- 10-lo Coul/ciii2
die beobachteten mid die nacli dieser Forinel mit enipirisch
bestimmteii Konstanteri berechneten Schwarzungen fiir Tier
verschiedene Strahlgescli~~indi~keiteii
zusanmien.
Tabelle 2
Matter-Platte. Beohachtete und berechnete Schwiirzungen
Q Coul/cme
I
~
__
~
~
18 kV
~-
~
_
1
_
1
1,5
2
35
1
~
1
0,057
0,11
0,21
0731
0,38
0.42
0150
0.63
0.11
0.155 0.16
0;Zl 1 0;31 0;30
0,31 1 0,43 0,43
0,375 0,52 0,52
0,42 I 0,58 0,58
0,50
0,66 0,6i
0,59
0,'iti
0,79
0,73
0,90 0,96
0.86 , 1.03 I ,13
I
1
-
_
22,5 kV
1
28,6 kV
beob.
-_her. -
0,18
0,17
0,30
0,5l
0,73
0,85
0,29
0,50
0,72
0,91
1 ,oo
0,92
1,06
1,23
1,47
-
_
-
O,l.lO-*o
012
0,5
-
Sehwarzung S
___
1,09
I ,I9
-
0,83
__ __
27,O-lO'"
1,Ol
I ) A B o u w e r s , Ztsehr. f. Phys. 14. S. 374. 1923.
2) C.D.Ellis L A . W. W o o s t e r , I'roc. Roy.Soc. A. 114.S. 266. 1927.
Phofographische Tirlcung mittelschneller Kathodenstrahlen
33
Man kann sagen, daB die Formel die Kurven rollkomnien
darstellt in demjenigen Schwiirzungsbereich, welches fur die
praktisclie Anmendung iiberhaupt in Betracht kommt. Bei
Schwgrzungen, die dem erfahrungsgemafl vorhandenen Maxinialwert nahekommen, mussen sich naturgemiih Abweichungen
ergehen, da die Formel theoretiscli ein stgndiges Anwachseii
der Schwiirzung mit der Elektronenmenge angibt.
y) Gelatinearn Platte
W-ir haben mit dieser Platte zunachst nur eiiie beschdnkte
Zahl Ton Beobachtungen ausgefuhrt, da die technische Schwieriglteit der Erziclung ausreichend liomogeiier Schichten vorerst
die Zahl der fiir
die Versuche geeigneten Platten
begrenzte. DieErgebnisse einiger
Versuche fintleii 2 sich in Fig. 9.
Diese Ergebnisse sind sehr 75bemerkenswert,
da sie in alleii
7Fiillen bis zu
Schwiirzungen
von etwa S = 1,Fi
eine strenge Proportionalitat der
coC///,2
SchwLrzung mit
I
,
I
,
l
,
I
2
4
6
8
7Qlu-’o
der auftreffenden
Gelarinearme Platteo
Elektronenmenge
Fig. 9
xeigen, von der
die Kurven aucli
hei griiBeren Schwiirzungen nur allmiihlich abweiclien. Der EinfluB der Strahlgeschwindigkeit auf den Kurvenanstieg ist aucli
hier im Gebiet kleinerer Gescliwindigkeiten sehr betrachtlich ;
er tritt aber bei hiilieren Geschwindigkeiten rasch stark zuriick.
und es scheinen hier iihnliche Verhaltnisse aufzutreten, mie
sie bei der Agfa-Platte beobaclitet worden sind.
Annalen der Physik. 5. Folge. 10.
3
A. Becker u.
34
E. Kipphan
b) A b h iln g i g k e i t d e r photograph i s c h e n E m p fi n d li c h k e i t
v o n der S t r a h l g e s c h w i n d i g k e i t u n d v o n der P l a t t e n s o r t e
Unter der photographischen Empfindlichkeit verstehen wir
die Gradation der Schwarzungskurve, d. h. diejenige Schwkzungsiinderung, welche eine festgehaltene kleine Elektronenmenge hervorruft. Unsere Beobachtungen zeigen, daB diese
Enipfindlichkeit ini allgemeinen sehr erheblich abhkngt Ton
der Gesamtelektronenmenge, die die Schicht empfangt. Fiir
den beabsichtigten Vergleich der Empfindlichkeiten bei verschiedener Strahlgeschwindigkeit und verschiedenem Schichtmaterial kijnnen dalier zunkchst iiur diejenigen Werte in Betracht koiiinieii, welche der ursprunglich unbestrahlteii Schiclit
zukonimen, und die wir als Anfangsempjindlkhkeiten bezeichnen kijnnen. Man erhalt dieselben aus der Neigung der
Tangeiiten an die Schwarzungskurven (mit h e a r e r Abszisse)
:m der Stelle des ersten Anstiegs. Ilire Ermittlung ist, wie
man ohne weiteres erkennt, mit um so groDerer Genauigkeit
durchfuhrbar, je weniger der erste Anstieg der Schwarzungskiirven an sich auf inerklicher Strecke voii der Geradlinigkeit
abweicht. Auch ist es erforderlich, daB die Xurven an der
fraglichen Stelle durch geniigend Beobachtungspunkte gesichert
siiid, daD insbesondere auch die vorliaiidene Schleierscliw~irzung
Tabelle 3
Reaiproke photographische Anfangsempfindlichkeit
Hathodenstrahlgeschwindigkeit
kV
Elektronenladung Q Coul/cm* fur S = 0,l
Agfa-Platte
-. . .__--
-
18
20,8
22,5
26
28,6
30,2
39,l
48
53,7
ti4
70
84,s
93
98
~
-.
Matter-Platte
Gelatinearme
Platte
~
0,1(i5.10-'0
0,163
0,165*10-'O
1,366.10-'0
0,111
0,066
0,040
0,307
0,026
0,160
0,018
0,133
0,038
0,026
0,017
0,013
0,012
0,0124
0,0116
0,0110
Photographische Wirkung mittelsehneller Kaihodenstrahlen
35
miiglichst gering und ihr EinfluD auf die Schwiirzung der Fleclte
zutreffend (vgl. 1 a) korrigiert ist.
Die Tab. 3 faBt die so gefundenen Anfangsempfindlichkeiten fur eine Reihe von Strahlgeschwindigkeiten zusanimen,
und zwar gibt sie (in reziproker Dnrstellung) jeweils diejenige
Elelrtronenladung Q an, die beim vertikalen Auftreffen auf die
Flacheneinheit der Schicht gerade die Schwarzung S = 0.1
hervorruft. Wir nehmen absichtlich Bezug auf diesen kleinen
Schwarzungswert, meil die zugehiirigeri Ladungen in diesem
Fall ohne weiteres die tatsiichlichen praktischen Verhaltnisse
Abhtingigkeit der Plattenempfindlichkeit von der Strahlgeechwindigkeit
Fig. 10
wiedergeben, d. h. weil in allen betrachteten Fallen bis zu
dieser Schwiirzung tatsachlich Proportionalitiit zwischen S und
Q vorhanden ist.
Zur besseren Veranschaulichung der Verhaltnisse verzeichnen wir noch in Fig. 10 die reziproken Werte der hier
angefiihrten Zahlen, d. h. die wahren Aufangsempfindlichkeiten,
in ihrer Abhlingigkeit von der Strahlgeschwindigkeit. Die
Ordinatenwerte geben diejenige Schwiirzung S, welche jemeils
von der Elektronenladung
Coul/cm2 veranlaBt wird. Die
fur die gelatinearme Platte geltenden Daten sind mit 10facher
Erhohung des OrdinateninaDes eingetragen.
3*
36
A . Becker u. E. Kipphan
a) Wir haben das sehr bemerkenswerte Ergebnis, daB die
Empfiindlichkeit bei allen untersuchten Platten rnit zunehmender Strahlgeschwindigkeit erst langsam, dann in der Nahe von
25 kV (Anregungsspannung des Silbers) beschleunigt anwachst,
nm dann eine liingere Strecke mit der Strahlenergie proportional
weiterzusteigen, wie dies aus der Lage der Beobaclitungspunkte
zu den eingezeichneten gestrichelten bzw. punktierten Geraden
zu ersehen ist. Bei den grol3ten benutzten Geschwindigkeiten
verlangsamt sich der Anstieg wieder.
Der Versuch einer Deutung dieser Verhiiltnisse wird von
der Vorstellung auszugehen haben, dab die in der Plattenschicht
erzielbare photographische Wirkung von der GroBe der Energie
.zbh&ngenw i d , welche die einfallende Strahlung auf die Schicht
iibertriigt. Diese Energie stimmt in keinem Fall rnit der Gesamtenergie der auftreffenden Strahlung, aiif deren Ladung
alle angegebenen Schwarzungen bezogen sind, iiberein. Deiiii
zunachst ist stets mit einem gewissen Betrag an riickdijjundierter Energie zu rechnen, welcher sich der photographischen Ausnutzung entzieht. Ware dieser ein bei allen Geschwindigkeiten
gleicher Bruchteil der einfallenden Nnergie, so wiirde die in
der Schicht ,,festgehaltene" Energie ebenfalls der einfallenden
proportional bleiben, solange die Schichtdicke mindestens gleich
der Grenzdicke fur die jeweilige Strahlung ist. Das letztere
ist bei den Gelatineplatten bis zu etwa 50-60 kV in guter
Anniiherung der Fall. Bis zu dieser Geschwindigkeit kiinnen
wir hier also mit ,,totaler" Wirkung der Strahlen rechnen,
womit wir die Tatsache bezeichnen, daB die nicht riickdiffuntlierte Energie innerhalb der Schicht total zur Absorption
kommt. Bei groBerer Geschwindigkeit wird ein Teil der
Strahlen von der Glaswand aufgenommen. Da dieser Teil zuniichst nur einen sehr geringen Bruchteil der gesamten Strahlenergie besitzen wird, so wird sich der durch ihn verursachte
Energie.verlust innerhalb der Schicht rnit wachsender Strahlgeschwindigkeit nur allmahlich in einer Abweichung der Wirkung von der erwahnten Proportionalitiit bemerbar machen.
Die totale Wirkung wird aber schlieBlich in die ,,dij"erentiale(~
iibergehen, wenn die Strahlgeschwindigkeit so hoch geworden
ist, daB die photographische Schicht nur noch einen kleinen
Bruchteil tler Gesamtenergie festzuhalten verinng. Da dieser
Photographische Wdrkung mittelschneller Knthodenstrahlen
37
Bruchteil aber mit waclisender Strahlgeschwindigkeit abnimmt,
SO ist also schlieBlich mit einem Abfall der photographischen
Empfindlichkeit nach groBeren Geschwindigkeiten hin zu rechnen.
Mit diesen Erwiigungen ist der Verlauf der von uns festgestellten Empfindlichkeit insofern in guter fjbereinstimmung,
als er sowohl die genannte Proportionalitat als auch nach
grogeren Geschwindigkeiten hin die zu erwartende Abweichung
von der Proportionalitat erkennen la&. Unerklart ist dagegeii
der eigenartige Empfindlichkeitsverlauf unterhalb 25 kV. Der
entgegen unserer obigen vereinfachten Annahme tatsachlich
vorhandene Gang der Ruckdiffusion mit der Strahlgeschwindigkeit ist zu wenig ausgepragt’), als daB er die gesuchte ErklLrung bringen konnte. Auch ist, da wir nur kleinste, mit
der Elektronenmenge linear wachsende Schwarzungen in Betracht ziehen, nicht anzunehmen, da8 eine Erschapfung an
beeinfluflbarem Bromsilber innerhalb der fiir langsame Strahlen
rnaggebenden diinnsten Schichtteile der Emulsion fiir das Zuriickbleiben der Wirkung verantwortlich zu machen ist. Ebensowenig kann daran gedacht werden, anzunehmen, daS die Art
der Verteilung der Energie auf die Bromsilberkonier und die
Gelatine dabei eine ausschlaggebende Rolle spielen kiinnte ;
denn die eigenartige Erscheinung findet sich bei der gelatinearmen Schicht in nicht weniger ausgepragtem MaBe. In welcher
Weise die Anregung der Eigenstrahlung des Silbers, auf deren
Einflufl die Kurven hinzuweisen scheinen, die im photographischen ProzeB sich BuBernden energetischen Verhkltnisse im
beobachteten Sinne bestimmt, entzieht sich noch unserem Einblick. Vielleicht mu8 auch die bei den langsamen Strahlen
in verstiirktem MaBe durch das Alnminiumfenster verursachte
Geschwindigkeitsinhomogenitkt fiir die verminderte Wirkung
wenigstens zu einem Teil verantwortlich gemacht werden.
p) I n der bisherigen Literatur finden sich nur zwei Untersuchungen, aus denen wir versuchen kiinnen, einige Angaben
aus anderen Geschwindigkeitsgebieten in unser Bild rnit aufzunehmen. Allerdings ist hervorzuheben, daB die betreffenden
Angaben nicht derart sind, dafl sie unmittelbar mit einer
unseren eigenen Peststellungen vergleichbaren Sicherlieit uber1) Vgl. K. H. Stehberger, Ann. d. Phys. 86.
S. 856. 1928.
38
A . Becker u. E. Kipphalz
noinnien werdeii kijniiten ; auch bezielien sie sicli auf eili anderes Plattenmaterial.
Bus der einen, das Geschwindigkeitsgebiet von etwa 0,7
bis 10 kY behandelnden Untersuchung I) entnelimen wir, daW
bei 1,5 kTT der Schwiirzung X = 0,l griiBenordnungsmiiBig
Coul/cinz entsprechen sollen. Dies ergibt eine Ordinatenliohe S/10-l2 = 0,0,1, die an der niit Pfeil bezeichneten Stelle
tler Fig. 10 sich finden wiirde. Es ist schwer zu beurteilen,
01) es als befriedigender AnschluB an unsere Messungen bctrachtet werden kann, daB dieser U'ert nur rund
des ~ ' 0 1 1
uns bei 15 kV beobachteten betrggt, da sicli die in der gleiclicii
Untersuchung findenden Angaben iiber den Gang der SchwFirzung mit der Strahlgeschwindigkeit bei festgehaltener Elektronenmenge nicht leicht auf unsere Betrachtungsweise an\venden lassen.
Die zweite Untersuchung*) niacht relative Angaben iibcr
den Gang der photographischen Wirkung von P-Strahlen niit
cleren Geschwindigkeit. Dieser Gang entspricht einer Abnahme
der Wirkung, wie wir sie in den obigen Erwiigungen fiir sehr
rasche Strahlen gefolgert haben. Um diese Ergebnisse mit
iinseren Beobachtungen einigermaoen quantitativ vergleichvn
zu kiinnen, haben wir versucht, die zugeliijrigen absoluten Werte
zu finden. Wir sind hierzu folgenderniafien vorgegangen: Du
es sich bei den sehr raschen Strahlen, wie oben bemerkt, iini
pine differentiale Wirkung handelt, so ist zu erwarten, daW
dieselbe beziiglich ihrer Abhangigkeit von der Strahlgeschwindigkeit etwa der differentialen Sekundarstrahlung parallel gelit,
nie sie beispielsweise fur Luft bekannt i ~ t . ~Die
) Priifung bestiitigt dies in einiger Annaherung. Uni dies zu seigen, gehen
wir in Tab. 4 die von dein Verf. mitgeteilten Werte der relativen photographischen Wirkung zusammen mit den den betreffenderi Strahlgeschwindigkeiten zugeh6rigen ahsoluten und
relativen Werten der differentialen Sekiuidiirstralilung in Luft.
Wenn die fibereinstimmung zwjschen der 3. und der
5. Kolonne auch zahlenmiiiliig keine sehr grol3e ist, so diirfte
1) &I.J. N o c k e n , Phys. Ztschr. 31. S. 296. 1930.
2) C. D. Ellis u. G. H. A s t o n , Proc. Roy.Soc. A. 119. S. 645. 1928.
3) Vgl. P. L e n a r d u. A. B e c k e r , Haudb. d. ESP. Physik 14.Bd.
S. 253. 1927.
Photographische Wirkung mitte lschneller Iiathoden straMen
39
sie doch fiir unseren Zweck ausreichen, zumal zu beachten ist,
dad die Sicherheit der empirischen Daten in beiden Fiillen
keine allzu groWe ist. Es ist insbesondere hervorzuheben, daW
die Aussagen uber die photographische Wirkung sich nicht
auf die Anfangsempfindlichkeit beziehen sondern von der nicht
exakt zutreffenden Auffassung der Verff. beinflufit sind, dafi
der relative Gang von der Hohe der Schwarzung, bei welcher
der Vergleich ausgefuhrt wird, unabhangig sei.
Strahlgeschwindigkeit
W)
tJ
---__
photographische
Wirknng
~
Diff. Sekundiirstrahlung
a b m ~ a t * q relativ
______-_____-
Gemeasen in Bruchteilen der Licbtgeschwindigkeit.
Anzahl der von je einem Primtirelektron in Luft von Atmospharendruck auf 1 cm Weg befreiten Sekundtirelektronen.
*)
**)
Auf Grund dieser Betrachtungen haben wir nun den der
Strahlgeschwindigkeit 0,762 zuzuschreibenden Absolutwert der
photographischen Empfindlichkeit zu dem bei 98 kV von uns
direkt beobachteten Absolutwert in das gleiche Verhaltnis gesetzt, wie es durch die entsprechenden Werte der differentialen
Sekundarstrahlung gegeben ist. Das ist zwar nicht streng
richtig, weil wir bei 98 kV noch nicht reine differentiale
Wirkung in der Platte haben. Es diirfte aber doch in einiger
Annaherung das Richtige treffen, worauf es uns zunkchst nur
ankommen kann. Schlieden w ir an diesen neuen Absolutwert
die anderen Werte im tatsachlich gefundenenverhaltnis an, so
gelangen wir zu den in Fig. 10 durch Punkte (.) bezeichneten
Eintragungen. Es ist zu beachten. dad die Abszissenwerte
nicht maWstablich angetragen sind, daW also in Wirklichkeit
sowohl die Distanz der Punkte von unserer eigenen Kurve als
auch unter sich eine sehr vie1 grodere sein wiirde. Das so
erhaltene Gesamtbild entspricht ganz der Ehvartung, wonacli
die Empfindlichkeitskurve zun&chst ansteigen, dann ein wahr-
40
A. Becker u. E. Kipphan
scheiiilicli relativ breites Maximum erreiclien und danach
wieder allmahlich abfallen mu&
7) Vergleichen wir jetxt die photographische dnfangsempjindlichkeit der verschiedenen von nns benutzten Plattensorten, so zeigt sich, daB die beiden Gelatineplatten sicli sehr
nalie gleich verhalten. Man wird den geringen Unterschied
nicht a1s typisches Merkmal der beiden Sorten anselien mussen,
da schon geringfiigige Verschiedenheiterl in der technisclien
Rehandlung sowohl bei der Herstelluiig l) als bei der Entwicklung zweifellos ahnliche Unterschiede bei der gleichen
Plattensorte verursachen konnten. Die gelatinearme Platte
ist dagegen fur alle Geschwindigkeiten erheblich - etwa iin
VerhAltnis 1 : 7 - unempfindlicher.
Man erkennt hieraus, daB es niclit zutreffend wiire, weiiii
man die durch die entwickelbare Schwarzung definierte relative
Kmpfindlichkeit von Emulsionen etwa einfach durcli don relativen Gehalt der Gesamtmasse an Bromsilber ausdriicken wollte.
Wean auch naturgemaB der fur die photocliemische Wirkung
verlorene Energieanteil der Strahlen mit abnehmendem Gelatinegehalt sich verringern wird, so wird die Schwkzung doch ausschlaggebend durch die Silberausbeute bestimmt, welclie die
wesentlich vom GelatineeinfluB abhangige Molekulkomplesbildung beim EntwicklungsprozeB zur Folge hat.
Es ist sehr bemerkenswert, daB die Empfindlichkeit eiirer
Schicht gegenuber Kathodenstrahlen dnrchaus nicht parallel
geht derjenigen fur Licht. Das ist fur die Fiille ohne xeiteres
verstbdlich, wo die Lichtenipfindliclikeit weseiitlich durch
Sensibilisierung beeinfiuat ist. Dal3 dagegen aher auch bei
normalen Schichten sehr groBe Unterschiede bestehen kiinnen,
zeigt das Verhalten unserer gelatinearmen Emulsion, deren
Empfindlichkeit gegenuber sichtbarem Liclit nielir als 1000 ma1
geringer ist als bei den Gelatineplatten.
d) Es sei nun noch kurz die Absolutempfindl,it.hkeit iinscrw
Platten gegeniiber Kathodenstralilen betrachtet. Handelt es
sich um eine Elektronenmengenbestimmung (vgl. auch den folgrnden Abschnitt 4), so wlclist deren Enipfindliclikeit his iihw
1) Wir haben jeweils nnr Platten einer einzigen Liefermig bxw.
Herstellung benutzt.
Photographische Wirkung mittelschnelbr Kalhodenstrahlen
41
100 kV mit der Strahlgescliwindigkeit. Bei unseren Gelatineplatten wiirden Strahlen von 50 kV die noch sehr gut wahrnehmbare Schwiirzung S = 0,l hervorrufen, wenn eine Menge
von rund 2
Coul/cm2 vorlage; das wiirde beispielsweise
bei eineni empfindlichen Quadrantelektrometer niit 100 cm
Xapazitiit und einer Spannungsempfindlichkeit von 0,Ol Volt
fiir 1 cin der Skala einem Skalenausschlag voii 2 cin entsprechen. Da diese Schwkzung aber auch noch anf 1 nim2
mit gleicher Genauigkeit feststellbar wiire, so wurden also
iioch Mengen photographisch gut ermittelbar sein, fur die das
erwiihnte Elektrometer nur 0,2 nim Skalenausschlag erbrkichte.
Der Vorteil der photographischen Bestimmung wird natiirlich
dann besonders g o b , wenn es sich urn sehr geringe Strahlciichten handelt, uber die in langeren Zeiten summiert werden
muW. Bei vie1 kleineren Geschwindigkeiten biiWt die photographische Intensitatsbestinimnng allerdings stark am Empfindlidikeit ein.
Zu beacliten bleibt auch, da8 die photographisclie Empfiindlichkeit mit zunehmender Schwiirznng im allgemeinen erheblich abnimmt, wie dies aus den mitgeteilten Schwkzungskurven ersichtlich ist. Da die gelatinearme Platte dagegen
den Vorteil iiber eiiien groWen ScliwBrzungsbereich konstant
bleibender Einpfindlichkeit besitzt, so kann ihre Empfindlichkeit bei groBeren Schwiirzungen diejenige der Gelatineplatten
sogar iibertr effen.
4. Die quantitative photographieche Kathodenetrahluntereuohung
Die im vorstehenden mitgeteilte lienntnis lehrt, daS der
Versuch der quantitativen Aussage ails photographischen Eindriicken auf dem Gebiet der Kathodenstrahlen ebenso nur
unter gaiiz bestimniten Voraussetzungen erfolgversprechend ist,
wie dies bereits aus den Untersucliungen der photographischen
Licht- und Hochfrequenzstrahlwirkung bekanrit ist.
Zuniichst darf der groWe Vorteil dcr Giiltigkeit des Reziprozitatsgesetzes hervorgehoben werden.
In1 iibrigeri liegeri die Verhiiltnisse zweifellos am vorteilhaftesten, wenn eine photographische Emulsion vorliegt, deren
Schwarzungskurve (S-Q) auf gr6Werer Strecke linear ist. Eiiic
solche Emulsioii ware immer vorzuziehen, selbst wenil ihre
42
A. Becker u. E. Kipphan
absolute Empfindlichkeit diejenige andrer verfiigbarer Schichten
nicht erreichte. Wir haben eine solche in der gelatinearmen
Platte I) kennengelernt und zweifeln nicht, daB auch andere
technisch weniger schwer in honiogener Schiclit herstellbare
Kmulsionen zu finden sein werden, die, vielleicht erst nach
besonderer huswahl des Entwicklungsverfahrens, ebenso get + p 4 hind.
a) Bei Verwendung einer solcken Platte mit konstanter
Gradation wiirde also jede innerhalb der normalen, leicht ausiiieWbaren Gr6We bleibende Schwarxung bei konstant gehaltener
Strahlgeschwindigkeit einfach der auffallenden Elektronenmenge
proportional sein. Da es vielfach, wie etwa bei Strenungsbeohachtungen, nur auf Mengenvergleiche ankommt, so miiI3te
der Proportionalititsfaktor im allgemeinen nicht bekannt sein.
Die Schwierigkeiten beginnen erst, wenn es sich uni den
I'ergleich von Strnhlen verschiedener Gesdcwindigkeit handelt.
Lyige ein die gleiche Plattenstelle bestrahlendes Geschwindigkeitsgemisch vor, was im Zweifelfall durch magnetisclie Ablenkungsbeobachtungen zu konstatieren ware, so wgre eine
photographische Mengenbestimmnng aussichtslos, es sei denn,
dab es sich nur um Mengenvergleiche von Strahlen eines konstant hleibenden Geschwindigkeitsgemischs handelt. Dagegen
w%re eine angeniiherte Energiebestimmung des Strahlenbiindels
tlurchfiihrbar, solange die vorkommenden Geschwindigkeiten
innnerhalb destjenigen Rereiclis liegen, fur welches ungefalir
Proportionalitiit der Empfindlichkeit init der Elektronenenergie
besteht (Fig. 10). Diese Methode der Energiemessung muB
ihrer Einfachheit halber als besonders vorteilhaft bezeichnet
M-cr d en.
Fdlt ein Strahlengemisch auf die Platte, dessen Geschwindigkeiten ort lich getrennt sind, so ist eine Mengenbestimmung mit Hilfe der Empfindlichkeitskurve durchfiihrbar,
falls die einzelnen Geschwindigkeiten bekannt sind 3,wie dies
1) Deren weiterer Vorteil der ist, da6 sie, wie erwahnt, gegen
Lichteindrucke auaerordentlich wenig empfindlich ist.
2) Diese Voraussetznng ware bei Geschwindigkeiten zwischen
schiitzuiigsweise 100 und 150 kV kauin erforderlich, weil dort mit migeiiaherter Unabhtngigkeit der Empfindlichkeit von der Strahlgeschwindigkeit gerechnet werden kann (Fig. 10).
Photographisch Wirkung milielschneller Ir'athodenstruhlen
43
beispielsweise bei der Untersuchung magnetischer Spektren
der Fall ist.
Bei Streuungsmessungen kann man in der Weise vorgehen, daB man sich zuniichst durch eine photographische
Absorptionsbeobachtung iiber die GroBe der Geschwindigkeitshomogenitat orientiert. Man hedeckt zu diesem Zweck einen
Teil der photographischen Schicht mit eiiier diinnen homogenen Folie, so dab ein Teil des im allgemeinen eine gewisse
Symmetrie aufweisenden Streubildes hinter dieser Folie zur
Abbildung kommt. Dann laBt der Vergleich des Schwarzungsgangs im bedeckten und im unbedeckten Bild sofort einen
SchluB auf die Homogenitat der Geschwindigkeiten zu. Das
Ergebnis ist bei der Deutung der auftretenden Schwarzungen
zu heriicksichtigen.
p) Besitzt die Platte keine uber einen nierklichen Schwiirzungshereich konstante Gradation, so ware sie mit Erfolg gewissermaBen nur als Nullinstrument zu verwenden, welches
diejenigen Elektronenmengen bzw. Strahlenergien anzugeben
vermochte, welche gerade gut wahrnehmbare kleine Schw&rzungen hervorrufen. I n allen Fallen wird man bis S = 0,l
etwa mit linearem Anstieg der Schwkzung rechnen konned.
Bei groBeren Strahlgeschwindigkeiten ware es unbedenklich,
unter der gleichen Voraussetzung bis etwa S = 0,3 zu gehen,
falls man sich nicht besonders versichert hat, dab die Platte
bzw. das Entwicklungsverfahren noch wesentlich weiterzugeheii
gestattet. I n welchem MaBe die von uns benutzten Gelatineplatten durch veranderte Entwicklungsweise ein gegeaiiber
unserer Beobachtung abweichendes Verhalten zeigen wiirden,
haben wir nicht verfolgt.
5. Die photochemieche Auabeute
Im AnschluB an die Untersuchung der mehr praktischen
Fragen haben wir uns noch nkher den mechanischen und
energetischen Vorgiingen der Kathodenstrahlwirkung auf unsre
photographischen Schichten zugewandt.
P1at t en k o n B t an ten
Wir geben unter dieser Bezeichnung eiiiige charakteristische
Bestimmungsstiicke unsrer Bromsilbereniulsionen an, so wie wir
a)
A . Becker u. E. Kipphan
44
sie selbst erniittelt h b e n und wie sie fiir die Reurteilung des
Verhaltens der Platten wissenswert sind. Die einzelneii Daten
sind als Durchschnittswerte anzusehen, wie sie sich aus den
von uns entnommenen Proben ergeben haben.
Tabelle 5
I
,
_-___
~-
Dicke der Schicht . .
Emulsion *) . . . . . .
Bromsilber**) . . . .
Silber ***) . . . . . . . .
.....
Gelatine .
Mittlere Dichte:j-)
der Emulsion . . . . .
der Gelatine . . . . .
I
Agfa-
I
MatterPlatte
- .~ _____ -_--_
I
'Gelatinearme
-.
.
. .
..
mm
g : cm'
g : cma
g :cmp
g :om4
0,0185
0,00317
0,00151
0,0008'i
0,00166
0,027
0,00507
0,00237
0,00136
0,00270
0,004
0,00173
0,00170
0,00097
0,00003
.
g : cm8
6 : cmS
1,71
1,107
1,86
4,32
-
1,08
*) Durch WIgung der einen Tag lang im Exsikkator iiber P,O,
gestandenen Platte bestimmt. Dae Gewicht der Gelatineplatten wird sehr
merkbar von der Luftfeuchtigkeit beeinflult; bei der gelatinearmen Platte
zeigt sich kein aolcher EinfluS.
**) Durch Ausfixieren der Platte bestimmt.
***) Aus der Bromsilbermenge berechnet.
'
j-)Aus dem Gewicht und der allerdings nur mit bescheidener Genauigkeit bestimmten Dicke hergeleitet.
Bei den Gelatineplatten ist das Gewichtsverhdtiiis von
Bronisilber nnd Gelatine nicht vie1 von der Einheit verschieden.
Ilagegen zeigt sich der Gelatinegelialt der gelatinearmen Platte
so geringfiigig, daW man, gewichtsm$Wig besehen, f:itst von
Gelatinefreiheit sprechen darf. Trotzdem muR wohl diese geringe Menge noch eine wesentliche Rolle bei der durch die
erhebliche Plattenempfindlichkeit angezeigten Komglexbildung
des Silbers spielen.
Von Interesse ist auch die Feststellung, daB der Bromsillier- bzw. Silbergelialt aller 3 Platten von Lhnlicher GriiBe
ist, w n n auch in der Dichte erhebliclie Unterschiede vorhanden
sin(]. I)er Obergang von der totalen zur differentialen Wirlrung
wird bei der gelatinearmen Platte offenbar bei kleinerer Stralilgesclirvindigkeit einsetzen als bei der Agfa-Platte nnd hier wieder
bei kleinerer als bei der die grijl3te Masse auf der Pliiclteneiiilieit besitzenden Matter-Platte. lhrer srlir geringen Dickr
wegen liefert die gelatinearme Platte besonders scharfe Bilder.
Photographiscb Wirkung mittelschneller Iiaihodenstrahlen
45
b) E n t w i c k e l b a r e S i l b e r k o r n z a h l und Schwiirzung
Um die Beziehung zwischen der auffallendenElektronenmenge
und der durch sie hervorgerufenen, bei der Entwicklung auftretenden Silherkornzahl zu finden, liaben wir zuniichst den
Zusammenhang zwischen der letzteren und der durch sie verursachten Schwarzung quantitativ verfolgt.
Die Kornzahlung haben wir mit gutem Erfolg stets in
der Weise vorgenommen’), daB wir einen Fleck bekannter
Flache und bekannter Schwkzung mit Wasser erweichten, dann
von der Platte abschabten, in einigenKubikzentiinetern einer stark
verdiinnten Gelatinelosung auflosten, alles miiglichst gleichmHBig
uber eine 9/12-Glasplatte ausgossen 2) und die getrocknete Platte
unter dem Mikroskop bei etwa 300 facher LinearvergroBerung
untersuchten. Mit Hilfe eines ini Okular befindlichen Mikrometerquadrats wurden bei jeder Platte 30-50 verschiedene
Stellen ausgezghlt und der Mittelwert unter Beriicksichtigung
der Flachenverhaltnisse auf die Flacheneinheit des urspriinglichen Flecks umgerechnet. Eine gewisse Unsicherheit der
Zahlung ist dadurch bedingt, daB es mituiiter schwer fallt, die
Zahl der Einzelkorner anzugeben, welche in kleinen Zusammenballungen auftreten. Die Tab. 6 enthdt die Ergebnisse.
Tabelle 6
Silberkornzahl 12 und Schwgrzung S. Matter-Platte
kV
Fleckflache
~
22,5
22,5
22,5
28,6
39,l
39,l
39,l
,
- -.
~--. - - ..-
1,005
0,378
0,744
0,542
0,381
0,864
1,104
Mittel
1,47 cms
1,32
1,45 .
1,32
1,32
1,35
1,44
1,38
-
1) Vgl. €
AI
r.
e n s u. K. Kipphan, Ztschr. wiss.Phot. 28. S.237. 1930.
2) Der Riickstand wurde besonders bestimrnt und in Rechnung
gesetzt.
A . Beclcer u. E. Kipphan
46
Innerhalb des betrachteten Geschwintligkeitsbereiclis zeigt
sich eine befriedigende Xonstanz der auf die Einheit der
Schwiirzung kommenden Iiornzahl. Man darf also, wahrscheinlich
auch noch bei grijBeren Schw%rzungen,niit einer Proportionalitiit
tler briden GriiDen rechnen.
c) E n t w i c k e l t e S i l b e r m e n g e u n d Schwliraung
%ur Bestinimung der innerhalb der Flecke entwickelteii
absoluten Silbermenge haben wir im ganzen 17 Titrationen
ausgefuhrt. Das Verfahren war dieses, daB wir einen Fleck
oder bisweilen auch mehrere gemeiiisani in wenigen Tropfeii
Salpetersgure liisten, die Liisung in einige Kubikzentimeter
ktrnzentrierter und mit reichlich Salpetersiiure versetzter Ferriainmonsulfatlosung einfiihrten und niit 0,0017 n-Rhodanammonliisung titrierten. Die Ergebnisse finden sich, nach der Plattensorte und nach Strahlgeschwindigkeiten geordnet , in Tab. i.
‘I’abelle i
kv
I
Mittelwert
mg/cm* Ag
Schwarzung S
+
+
+
0,473 0,666 + 0,598
1,535
1,455 1,176
0,811 + 0,618
0,807 0,871
1,146 + 0,983
0,110
0,195
0,177
0,116
0,147
0,170
22,5
22,5
223
22,5
22,5
28,6
28,6
39,l
39,l
,5) Matter-I’latte
1,076
1,205
0,788 0,847
0,612 + 0,633
0,310 0,452
0,687 0,897 0,9%
1,332 + 1,416
1,248
0,692 0,949 + 1,032
0,183
0,228
0,153
0,103
0,089
0,148
0,252
0,175
0,145
53,7
1,412
+
+
+
+
+
y) Gelatinearme Platte
+ 1,881 + 2,525 f 2,173
1
0,310
mg/cmqAg :8
’
,1
1
~
I
0,180
0,190
0,127
0,135
0,163
0,175
0,160
U,l61
0,170
0,189
0,187
0,180
0,233
0,17(i
0,183
0,140
0,163
0,180
0,155
Photographische Wirkung mittetschneller Iiathodenstrahkn
47
Die Aiizahl dtr jeweils gemeinsam titrierten Flecke ist
aus der Zahl der in Kolonne S aufgefiihrten Einzelwerte zu
ersehen. Diese sind meist von Lhnlicher Gr68e, so daB es
unbedenklich ist, die gemessene Gesamtsilbermenge auf die
Flacheneinheit der Flecke umzureclinen. Die hereinstimmung
der Ergebnisse ist infolge der Xleinheit der festzulegenden
Silbermenge zwar keine sehr groSe; man darf aber immerhin
schlieBen, daB systematische Giinge etwa init der Absoluthiihe
der Schwiirzung oder mit der Strahlgeschwindigkeit, falls solche
iiberhaupt vorhanden sein sollten, in unserem MeSbereich nur
geringfiigig sein konnen, da sie aus unsren Daten nicht erkeunbar werden. Da es uns zuniichst auf eineii ersteii Einblick
ankomnit, so erscheint es offenbar zuliissig, daS in genugender
Anniiherung mit einem Mittelwert gerechnet wird. Die Verschiedenheit der einzelnen Platteiisorten iiiacht sich iiur in
geringem MaB bemerkbar ; vielleicht sind die Unterschiede der
Mittelwerte iiberhaupt nicht als reel1 zu betrachten.
Vergleichen wir die in den geschwarzten Flecken festgestellte Silbermenge mit der im ganzen in der Schicht vorhandenen (Tabb. 5 u. 7), so zeigt sich, daB die Schwiirzung
S = 1 eine Silbermenge beansprucht, welche bei der AgfaPlatte 0,19, bei der Matter-Platte 0,13 und bei der gelatinearmen Platte 0,16 - im Durchschnitt also rund 'I, - der
insgesamt vorhandenen Menge betragt. Ein vollsfandiger Verbrauch der letzteren ware theoretisch naturgem&S nur bei
solchen Strahlgeschwindigkiten miiglich, dereri Grenzdicke die
Schichtdicke nicht merklich unterschreitet.
Wir kiinnen nun auch eine Aussage machen uber die
Masse und Grope des Silberkorns. F u r die Matter-Platte findet
sich, daB 11,6 107 Silberkiirner 0,180 mg wiegen; hieraus ergibt
sich die Masse eines Silberkorns zu 1,55. 10-l2 g. Ein Silberkorn enthalt hiernach 0,87 1O1O SiEberatome; es stellt also
einen auDerordentlicli groBen Atomkomplex dar.
Rechnen wir mit dem normalen spezifischen Gewicht des
Silbers, so ergibt sich bei Voraussetzung von Kugelgestalt der
Radius des Silberkorns zu 3,28.
cm.
Unter der gleichen Voraussetzung wird der Querschnitt
eines Silberkorns 33,8. 10-lo cm2 und die Querschnittsumme
auf 1 cma der Schicht fiir S = 1 0,39 cm2. Wiirde die
-
A. Becker u. E. K i p p k a n
48
Schwkzuiig S = 1 dadurch zustantle kominen, da13 */lo der
Plattenfliiche mit Silber bedeckt und 'Ilo frei wiire, was aus
optischen Griinden indes nicht streng zutreffend sein wird,
so muBte man fur die betreffende Querschnittsunime der
Silherkijrner den R e r t 0,9 erwarten. Der V.ergleich xeigt, ttnB
immerhin eine Ubereinstimmuiig unsres gefundrnen Wertes his
auf nahe die Halfte des zu erwartenden vorhanden ist. In1
Hinblick auf die Wege, die zu unsreni Ergehnis gefuhrt haben,
rnuB diese ,411niiherung als befriedigend bezeichnet wertlen,
zumal die wahren Verhaltnisse von den Voraussetzungen tier
Berechnung (insbesondere bezuglich der Form der Kiirner) wahrscheiiilich in tlein Siiine ahweichen , daB grijBere Ileckquersclinitte resultieren.
d) Silbermenge und Elektroneneahl
Ns liegt am n b h sten , die entwickelbare Silberkornzahl
init der Anxahl der auffallenden Elektroneii zu vergleicheii, die
durch die direkte Messung bekannt ist. Wir nehmen hierzii
beaug auf Fig. 10 und lnenutzen die T'atsaclie, tlaB die tlort
festgehaltene Elektronenladung von
Cod. 0,63 l o *E&ktronen zukommt. Diese Elektroiienzahl ist fu r die MatterPlatte bei 52 kV gerade mit der zugehijrigen Kornzahl identisch,
d. h. es kommt bei dieser Strahlgeschwindigkeit auf jedes auffallelide Elektron gerade 1 entwickelbares Silberkorn. Da
wegen der Ruckdiffusion und der Strahlabsorption in der
Gelatine die auffallende Elektronenmenge b z ~ Energie
.
nicht
u1)ereinstimmt mit der im Bromdlber durchschnittlich voll
mr Wirkung kommenden, so kann nicht rnit der gleichen
Sicherheit angegeben werden, wieviel Silberkorner eineni absorbierten Elektron zukommen. Wir werden indes nicht sehr
tehlgehen , wenn wir unter Mitberucksichtigung der Mengenverhiltnisse von Bromsilber und Golatine annehmen, daB bei
mittleren Strahlgeschwindigkeiten etwa nur die Hiilfte der auffallenden Elektronen als voll wirksam zu ziihlen sein wird.
1%werden daher bei rund 50 kV jedein absorbierten Elektrnil
etwa 2 Silberkorner zuzuordnen sein.
Dieser Befund trifft vorziiglich mit den Angaheri tler
Herren E g g e r t u. Notldackl) uber die Quantenausbeute bei
9
1) J . E g g e r t u. W . N o d d a c k , Ztschr. f. Phys. 43. S. 222. 1927; 51.
S. 796. 1928.
Photographische Wirkung mittebchneller Kathodenstrahlen
49
der Wirkung von Rontgenstrahlen auf Silberbromid zusammen. Sie
finden, daB jedes absorbierte Energiequant von Rontgenstrahlen,
die mit 50 kV erzeugt sind, im Falle kleiner Schwkzungen
etwa 1Silberkorn entwickelbar macht (ihre Einzelwerte schwanken
zwischen 0,3 und 4, und der Mittelwert ihrer in der erstgenannten Arbeit gemachten Beobachtungen betragt etwa 2).
Da die Wirkung der Rontgenstrahlen diejenige ihrer lichtelektrisch erzeugten Elektronen ist, so hat man es in beiden
Fallen in der Tat mit dem gleichen Grundvorgang zu tun.
Da die Eigenschaften des einzelnen Korns mit der Strahlgeschwindigkeit innerhalb des von uns untersuchten Bereichs
nicht wesentlich zu variieren scheinen - sie sind offenbar in
der Hauptsache durch die Beschaffenheit der Emulsion bestimmt - so ist aus unsrer Untersuchung zu schlieBen, dab
zwischen 30 und etma 100 kV bei unseren Gelatineplatten
Proportionalitat besteht zwischen der Energie eines Elektrons
und der von ihm durchschnittlich erzeugten Silberkornzahl und
dab also letztere beispielsweise im Zustand der Anfangsempfindlichkeit der Matter-Platte bei 30 kV etwa den Wert
1,2, bei 100 kV den Wert 4 besitzt.
E s bleibt jetzt noch die Frage nach der urspriinglichen
Silberausbeute i m latenten Bild. U'ir haben zu ihrer Untersuchung 3 Matter-Plattenstreifen auf jeweils 10 x 1,5 cm2Fliiche
sehr intensiv mit einer gemessenen Elektronenmenge von 28,6 kV
bestrahlt, darauf unentwickelt in alkalischem Natriumthiosulfat
h i e r t und d a m fur jeden Streifen nach dem von den Herren
E g g e r t und Noddack') angegebenen Verfahren eine Silberbestimmung gemacht. Es ergab sich, dab bei Elektronenmengen
der GroBenordnung 1012 Silbermengen von etwa 0,002 mg.
entsprechend einer Silberatomzahl der GroBenordnung 10lo zu
titrieren waren. Die Geringfugigkeit dieser Silbermenge schlieBt
eine genaue Bestimmung aus, und so haben wir uns vorerst
mit der angenaherten Festlegung der GroBenordnung zufrieden
geben mussen. Um weiter zu kommen, ware es erforderlich,
groDere Flbhenstiicke zu bestrahlen, wie es bei der Erregung
durch Licht und auch durch Hochfrequenzstrahlen ungleich
leichter durchfuhrbar ist.
1) J . E g g e r t u. W . N o d d a c k , Ztschr.f.Phys. 20. S. 309. 1923.
4
Annalen der Phyelk. 6. Folge. 10.
50
A . Reeker u. E. Kipphan
Wenn ein Elektron der genannten Geschwindigkeit
104 Silberatome befreite, so kame im Durchschnitt f u r mittlere
Strahlgeschwindigkeiten auf 1 Atom eine Energie von etwa
3 Volt, welchen Wert wir zur Zeit allerdings noch als sehr
roh anzusprechen haben. Eine eingehendere Untersuchung
dieser Beziehungen ist anzustreben.
Wenn im latenten Bild eineni Elektron lo4 Silberatome
zukonimen, im entwickelteii Bild aber 1Olo Atome, so ergibt
sich der ,,Entwicklungsfaktor" unter den Bedingungen unsrer
Versuche groBenordnungsmaBig zu lo6.
Zusammenfassung
1. E s wird die photographische Wirkung voii Kathodenstrahlen des Geschwindigkeitsbereichs 15-100 kTT auf 3 verschiedene Bromsilberemulsioneii untersucht. Die Untersuchung
erstreckt sich auf:
a) die Priifung des Reziprozititsgesetzes ;
b) die Feststellung der Schmarzungskurven, welche den
Zusammenhang ergeben zwischen der absolut gemessenen auffallenden Elektronenmenge und der durch sie verursachten
entwickelbaren Schmarzung;
c) die Anfzeigung derjenigen Bedingungen, unter denen
eine quantitative photographische Mengen- bzw. Energiemessung
an Kathodenstrahlen durchfiihrbar ist;
d) die Ermittlung der photochemischen Ausbeute, d. h. des
Zusammenhangs zwischen der wirksamen Elektronenzahl bzw.
-eiiergie und der Anzahl im latenten Bild befreiter Silberatome
bzw. entwickelbarer Silberkorner.
2. Die wesentlichen Ergebnisse der Beobachtung sind
die folgenden :
a) Die Giiltigkeit des Reziprozitiitsgesetzes wird bestatigt.
b) Unter den Schwarzungskurven zeichnen sich die der
nahe gelatiriefreien Emulsion durch weitgehend lineares Anwachsen der Schwiirzung mit der Elektronenmenge aus.
c) Irn allgerneinen wachst die Schwiirzung S verztigert mit
der Elektronenmenge Q an. Sie kanii bis nahe zum auftreten
solarisationsartiger Erscheinungen mit guter Genauigkeit durch
eine Beziehung der Form S = C log (a Q + 1) dargestellt werden,
in welcher a und C Koiistanten sind.
.
Photographisdu! Wirkung mitteEschneUer Kathodenstralden
51
d) E s wird ein erster 'herblick iiber den Gang der photographischen Empfindlichkeit mit der Strahlgeschwindigkeit
fur das ganze Geschwindigkeitsspektrunl gewonnen (Fig. 10).
Besonders hervorzuheben ist die Tatsache, daB die photographische Snfangs- (Schwellen-)Empfindlichkeit aller benutzten
Schichtea zwischen etwa 30 und 100 kV der auffallenden
Elektronenenergie proportional ist.
e) Der A4bsolutwert der Aiifangsempfindlichkeit betragt
f u r Kathodenstrahlen von 50 kV bei den benutzten gelatinehaltigeii Platten etwa S = 0,1 fur 2 .
Coul/cm2Elektronenladung. Die Empfindlichkeit der gelatinearmen Schicht ist
etwa '1, dieser GrijBe.
f) Bei 50 kV kommt auf jedes auffallende Elektron gerade
1 entwickelbares Silberkorn. Die Zahl der letzteren ist zwischen
30 und 100 kV ebenso wie die Anfangsempfindlichkeit der
Elektronenenergie proportional.
g) Die Zahl der von je 1 Elektron mittlerer Geschwindigkeit
befreiten Silberatome im latenten Bild hat die GroBenordnung 10'.
Der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft, der
Helmholtz-Gesellschaft und der Gesellschaft der Freunde der
Universitiit Heidelberg haben wir fur die Unterstutzung der
Arbeit sehr zu danken.
H e i d e l b e r g , Radiol. Institut u. Theoret.-Physikal. Apparat.
(Eingegangen 28. M%rz1931)
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