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Die Photophorese.

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a 10.
1918.
ANNALEN DER PHYSIK
1. m
6
.Ph.Q#~hOTC386;
v m Peel40 Ehremhaft.
(Subventioniert von der We. Akademie der Wiaaenachaften in Wien
aw dem Legate Schole.)
(Hhmh M 1-17.)
Inhalt: 8 1. Rriifte erater und Krilfte zweiter Art, p. 81. - 8 2.
Kurze Beschreibung der Versuchsenordnung, p. 84. - 8 3. Qditativer
Teil: Grundversuche iiber die Photophorese. p. 88. - 0 4. Quantitativer
Teil. p. 97. - 6. Silberkugeln im Lichtfelde. p. 101. - 0 0. Untersuchung iiber die Natur der lichtpositiven und lichtnegativen Bewegungsnrsachen, p. 102. - 7. Ist die lichtpositive Bewegnng eine Wirkung dea
Maxwe'llschen Strahlungedruckes. p. 111. - 8 8. Die Energie des einfsllendes Strahles, p. 116. - 8 9. Messung der Energiedichte des Strahles.
p. 117. - 8 10. Vergleich der a u ~der Geschwindigkeit im Lichtatral.de
gememenen photophomtiechen &aft mit der thwmtisch a m dem S h h lungedruckmaximum gefolgerten sowie GrU3enbestimmnng der Kiigelchen
au~
der lichtpositiven Photophorese. p. 123. - 0 11. Noch einiges iiber
die lichtnegativen Krgfte. p. 127.
1.
K r W erster und KrHSte aweitor Art.
Strahlung kann a d die Materie bewegende Kriifte amiiben; doch ist die direkte Beobachtung der dureh die Strahlung verursachten progressiven Bewegung der ponderablen
Materie bisher noch nicht ausgefiihrt worden.
Wenn solche Bewegungen einwandfrei mchgewiesen werden
konnen, so muS durch die anzustellenden Versuche aufgekliirt
werden, welcher Teil der beobachteten Bewegung in jedem
Falle einesteils auf die direkte Wirkung der Strahlung m
ziihlen ist, welche beim Durchstrahlen des absolut leeren
Raumes auf die ponderable Materie auftrifft und wieviel
von der Bewegung andererseits auf Rechnung indirekter WirBung der Strahlung in gaserfiillten Riiumen zu setzen ist.
Unter dieser indirekten Wirkung wiirde man etwa durch die
Strahlung eingeleitete Bewegung des um die Materie befindlichen Gases, radiometerartige Vorgiinge, zu verstehen haben,
h d e n daPhpik. IV. pblge. 66.
6
82
F . Ehrenhaft.
die ihrerseits wieder auf die Materie wirken konnen, und
alle ubrigen eventuellen Sekundareffekte.
Beide vorerwahnten Arten von Ursachen der Bewegung
sind moglich. Wir wollen diese Bewegungsursachen Kriifte
erster Art und Krilfte zweiter Art nennen. Im absolut leeren
Raume kann die Strahlung auf den Probekorper nur durch
eine Kraft erster Art wirken, da die Krtifte zweiter Art verschwinden miissen.
Im absolut leeren Raume zu beobachten und auf diese
Weise eventuelle Krafte zweiter Art ganzlich zu unterdrucken,
scheint aber aussichtslos, weil eine derartige Leerheit des
Raumes praktisch nicht herstellbar ist. Sind doch im Bilde der
kinetischen Gastheorie beirn Drucke von 0,0001 mm Hg noch
immer 4 . 10l2 Molekeln im Kubikzentimeter vorhanden.
Es sollen daher die Versuche so eingerichtet werden,
da13 beobachtete Bewegungen durch bindende Schldweisen
entweder auf Kriifte der ersten oder zweiten Art zuruckgefiihrt werden konnen.
Zu diesem Ziele kann. der Anted jeder der beiden Ursachen der Bewegung aus den hderungen der Wirkungen
erschlossen werden, die zunachst im gaserfiillten und dann
im immer weiter verdunnten Raume von der Strahlung auf
die Materie ubertragen werden.
Betrachten wir nun einen im Gase eingebetteten Probekorper, mit dem wir die Krafte untersuchen wollen, welche
die Strahlung auf ihn ausubt. In bezug auf diesen Korper
ist die Dichte - der Verteilungszustand - des Gases ein
relativer Begriff, wenn wir das Gas als atomistisoh konstituiert
ansehen. Denn bei demselben Zustande des Gases wird man
dasselbe noch als dicht in bezug auf einen groBen Probekorper
betrachten miissen, in welchem es in bezug auf einen sehr
kleinen Probekorper bereits als verdiinnt gelten kann. Man
erhiilt BUS der kinetischen Theorie ein anschauliches Bild,
indem man das Verhaltnis der mittleren Weglilnge der den
Probekorper umgebenden Molekeln zu dessen mittlerer Dimension als Ma13 fiir die Dichte festsetzt.
Man wird daher, wenn man die von der Strahlung auf die
Mziterie ubertragenen Kriifte untersuchen will, auf mogZkhst
kleine, jedoch einzeln immerhin noch praz6e wahrnehmbare und
verfolgbare Probekorper der GroBenordnung
bis 10-6 ern ver.
Die Phobphrese.
83
wiesen, weil an solchen schon bei Gasdrucken von Bruehteilen der
Atmosphiire Versuchsumtande eintreten, bei welchen die mittlere Wegliinge groB ist gegen die Dimensionen d w Probekorpers.
Aber auch noch von einem zweiten Standpunkte aus
diirften solche Probekorper besonders geeignet sein, Einblick
in die theoretisch zwar vielfach durchdachte, aber bisher experimentell noch so wenig untersuchte Wechselwirknng von Strahlung und Materie zu gewahren.
Denn die Krafte der Strahlung - im sllgemeinen schr
klein zu erwarten
sind jedenfells der Oberflache der bestrahlten Probekorper proportional, die andere stets auch
einwirkrndc Kraft, die Schwerkraft, dem Volumen derselben.
Bei Probekorpern vorerwahnter GroBenordnung wird nun
das Verhaltnis der Oberflache zum Volumen bereits so gro.6,
daS sie durch die vermuteten Krafte der Strahlung i n progressive, an einzelnen Piobekorprn direkt beobachtbare Bewegung vrrsetzt werden konnm.
Es sind also zwei relevante Gesichtspunkte, wtlche die
Beobachtung der Wechselwirkung zwisehen Strahlung und Materie
a n sokh kleinen Probekiirpem. aussichtsreich erscheinen lassen.
SchlieBlich war cliese Art der Untersuchung aul3erordentlich nahegelegt, seitdem S v s n t e A r r h e n i u s die universelle
Bedeutung der durch die Strahlung auf kleine Materieteilchen
iibertragenen Bewegungsgroh fiir die kosmische Physik erkannt und diese Gedanken zuerst in seinen Studien ,,Uber
die Ursachen des Nordlichtes"l) und im ,,Werden der Welten"
niedergelegt hatte. Vorliegencle Untersuchung wird nun solche
in kosmischcn Vorgiingen fortwahrend ablaufende Piozesse
in Laboratoriumsriiumen wiederholen und damit in die direkte
Untersuchung der Fragen eintreten.
Allerdings weicht der Weg, den ich im folgenden betrete,
von den herkommlichen Verfahren a b ; aber er wird von
solcher Empfindlichkeit sein, daB Krafte von der GroSe
lo-" Dyne und darunter, also vide millionen Male klrinere
Kriifte als jene, die jemals gemessen wurden, noch mit Exaktheit zur Messung gelangen werden.2)
-
1) Phyaikal. Zeitachr. 2 p. 81, 97. 1900.
2) Die Bewegung dieeer Probekorper im Lichte habe ich zum emten
Male im Jahre 1910 rtngegeben (vgl. Sitzungsber. d. Wiener Akad. d.
Wissensch. 119 (IIa), p. 836. 1910). - Vgl. ferner Phyaik. Zeitschr. 16.
tl*
84
F. Ehrenhaft.
Der Probekdrper befinde sich im Gasraume von Atmospharendruck oder von Bruchteilen desselben ; jede Bewegung
erfolgt dann bekanntlich als Bewegung im widerstehenden
Mittel gleichformig (vgl. diese Annalen I), die Geschwindigkeit
des Probekorpers ist der auf ihn wirkenden &aft proportional. Die Proportionalitiitskonstante ist die Beweglichkeit
des Partikels, welche nach den versohiedenen von mir bereits
1. c. erorterten mechanischen und optischen Verfahren bestimmt werden h n n .
Gelingt es nun etwa, die auf einen geladenen Probekorper angreifende Gravitationskraft durch eine vertikal nach
aufwiirts gerichtete elektrostatische &aft zu kompensieren,
so daB derselbe nur unter Einwirkung jener Kriifte steht,
welohe die Strahlung auf ihn ubertriigt, dann ist die Messung
letaterer Kriifte auf die einfachste physihlische Messung, auf
die Messung einer gleichformigen Geschwindigkeit des Probekorpers zuruckgefiihrt.
Die Versuchsanordnung, welche dies ermoglicht, beschreibe
ich im fokgenden und gebe hierzu auf p. 85 u. 86 noch
eine detaillierte Skizze sowie eine Photographie (Taf. I)
derselben.
Q 2. Kurse Beaohreibung der Vereuohsenordnung.
Durch drei Apochromatobjektivlinsen werden die Strahlen
einer Bogenlampe konvergent gemacht und schlieBlich durch
ein Mikroskopobjektiv, Apertur O,S, Aquivalentbrennweite
17 mm geleitet. Aus diesem Objektive tritt in horizontaler
Richtung der in Taf. I V erste Photogr. photographierte Doppelkegel der Strahlen aus. Dieser Strahlenkegel ist mit Mikrometerschrauben nach der Richtung von drei hartesischen
Koordinaten verstellbar, und m a r in die Richtung seiner Fortpflanzung nach vor- und riickwiirts, sich selbst parallel in die
Hohe aufwhrts und abwiirts und ferner seitlioh rechts und
links.
Spiegelbildlich dam wird ein gleich intensiver, ebenso
verstellbarer Strahl einer meiten Bogenlampe dem ersten
p. 608-610. 1914; Wiener Akademischer Anzeiger 11. 7. Mai 1914; E’UDnote der Physik Zeitmhr. 16. p. 962. 1914; Wiener Akademischer Anzeiger
Nr. 4, 3. Februar 1916.
1) F. Ehrenheft, Ober die Teilbarkeit der Elektrizitiit $6. 1918.
Stiluder fur Beleuchtungaobjektiv
GrundriB
achiebuog in Richtung des Strahles
11 Mikrometerschraube fur horizontale Schlittenverechiehung asukrecht zur Riohtung des Strahlea
10 Mikrometersehraube fur horizontale Schlitteaver-
9
7 brahtaueloser
8 Projektionsobjektiv, 55 mm Brennweite
6 Segtoi.enmolnentverschluS
.iFliissigkeitastrahlenfilter
1 GleichstrornbogenIampe, 20-25 Amp.
2 Robrenformige Blende
3 Plankonvexlinse, Durchm. 3 6 m q Brennweite 50mm
4 Projektionsobjektiv, 80 mrn Brennweite
7
Vorderansicht
i: }
Grundri6
Beleuchtungsobjektiv, Lquivalentbrennweite
17 mm num. Apert. 0,s
14 Beobachtungsmikroskop; Objektiv; bquivalentbrennweite 17 mm num. Apert. 0,3; 1Compensokular 12 Zeisa
15 Kammer (Eondeneator) ~ g lDetailzeicbnung
.
p. 86
16 Zur Pumpe
Barometer ZUP Druckrnesaung
19 Glashilbne zur Zuftihrung und Ableitung dee Qaastromes mit don Substansen
20 Sohiene der optischen Bank.
13
12 Mikrometerschraube fur HGhenvorstellg.dea Strahlea
Darstallung I. Anordnung Bur Beobachtang und Mesaung der photophorethchen Krafte.
2 Mikvometerschraube
m r horizontalen Verstellnng des Seblittms (2a)
3 Mikmmeterecfiraube zur vertikalen Verstellung des Schlittens (Sa)
4 Stnhlfeder
5 Scbraube zur Neigung des Kondensators urn
eine zum Strahle parallele horizontale
Achse
6 Schraube zur Neigung des Bondensatora urn
eine zum Strahle eankrechte 4orizontala
Achse
7 Ebonitgehhse der Kammer (Rondensator)
i Fliigel znm Anschrauben
W1
fk die
drei Mikroakopobjekiive
10 Glaefenater
11 Libelle
12 Ansatz f i r die Evakuationspumpe
13 Zwei GlashShne znr Zuflihrung und Ableitung das Gasstrornes mit den Substanzgn
14 Klemmschrauben fiir die Spannungszuleitung
9 Drei Ausnehmungen des Ebonits
liert und vergoldet sind
8 Vergoldete Metallstifte, deren ebene End&hen 81s Kondeoeatorplatten fein po-
Darstellung 11. Detailzeichnung der Kammer (Rondensator) mit Einatellvorrichtung.
Vorderansicht des Kondensators mit einer auf horizontal
m
gestelltern Mikroskopstativ anachrctubbarea EinstehngavorQ3
richtung f ~ die
r Kammer (Rondensator)
Seitenansicht von rechts
Seitenmnsicht von links
Die Photophorese,
81
Btrahle entgegengerichtet. Durch die Verstellvorrichtungen
ist es moglich, diese beiden Strahlenbiindel einander so entgegenlaufen zu lassen, daB sie exakt koaxial werden und
einander entgegenlaufend zur Deckung gebracht werden konnen.
Eine einfache automatische Vorrichtung gestattet, zwei Momentverschlusse b, und b, so zu schlieBen, dal3 zu jedem Zeitpunkte
entweder nur Strahl 1 oder nur Strahl 2 wirkt, oder aber,
daB die beiden entgegenlaufenden Strahlen gleichzeitig wirken.
Der Kreis K stellt den im Gesichtsfeld dee Mikroekopes
wr Abbildnog gelangenden Ranm dar.
Fig. 1.
Diese horizontal justierten Strahlen passieren ein homogenes, vertikales, elektrisches Feld, das duroh die kreisformigen
Platten PI und P, (vgl. Fig. 1, p. 87) eines mit Libellen
horizontal montierten Kondensators gebildet wird. Der Kondensatorraum selbst schliel3t luftdicht und hat drei Glasfenster
fur die zwei koaxialen Beleuchtungsstrahlen sowie zur Beobachtung durch das senkrecht zu ihnen justierte Objektiv des
Be0bachtungsmikros kopes . Zum Innenraum des Kondensators
fiihrt eine Zufiihrung und Abfiihrung fiir die einzuleitenden
Gase und schliefilich eine Bohrung durch die obere Platte
zur Evakua tionspumpe.
Durch das senkrecht zur Richtung der beiden koaxialen
Strahlen 1 und 2 montierte Mikroskop mit horizontaler Achse
konnen die Vorgange in jener Vertikalebene beobachtet werden,
welche durch die Achse der beiden koaxialen Strahlen sowie
durch die Achse des Kondensators gebildet wird; ein Verstellen des Mikroskopes in die Richtung seiner Achse gestattet
die Beobachtung von Vorgiingen in Ebenen, welche zu der
vordefinierten parallel sind.
F. Ehrenhcaft .
88
Da die Strahlen je eine 10 om dicke Wasserschicht passieren miissen, gelangen alle ultraroten Strahlen mit Wellenliingen
L >12.
cm
nicht ins Beobachtungsfeld.
Die Glasbestandteile des Lichtweges absorbieren bekanntcm.
lich ultraviolettes Licht bis ca. L = 4 .
Wir haben es also bloB mit Lichtwellenliingen des Intervalles
4 . lO-Scm < L < 12.10-5 cm
zu tun. Das Energiemaximum der Bogenlampenstrahlung
liegt nach dem W ienschen Verschiebungsgesetze bei
Am=. = 7,10-6 om,
also zirka in der Mitte dieses Intervalles.l)
In den $5 8 und 9 werden wir genauere Angaben uber
die Energie der beleuchtenden Strahlen erhalten. Wir nehmen
vorweg, daB die mittlere Energiedichte des Strahles 1 in der
Zone engster Einschniirung (Brennfliiohe) ca. 327mal groBer
ist als die Energiedichte der unkonzentrierten Sonnenstrahlung
uber die Erdatmosphiire. Die Energiedichte nimmt natklich
gegen das Zentrum der BrennflLche hin zu. Die Methode zur
Bestimmung des Gradienten der Energiedichte in der Brennfliiche werden wir spater erortern.
Die Photographien des Strahles (Taf. IV) habe ich amgefiihrt, indem ich durch den Kondensator Rauch flieSen
lieB ; das von den Rauchpartikeln senkrecht zur Richtung
der beleuchtenden Strahlen abgebeugte Licht schwiirzte die
photographische Platte eines an Stelle des beobachtenden
Auges justierten photographischen Apparates nach ca. . dreiviertel Stunden. Die so entstandene Photographie ist also
ein Dunkelfeldbild.
8
3.
Qualitativer Teil.
Versuche uber Photophorese.
Die im folgenden beschriebenen Versuche sind durchaus an
Materieteilchen von der GroDenordnung 20.
bis 3 .
om
Radius ausgefuhrt worden.
1) 0. Lummer, Verh. d. D. Physik. Ges. 1. p. 236. 1899.
Die Photophorese.
89
Gundversuch I .
Es sei nur Strahl 1 wirksam, der Strahl 2 durch den SektorenmomentverschluS geschlossen.
Ein Probekorper von bestimmtem Materiale fiillt im gaserfiillten Raume mit einer konstanten mittleren Geschwindigkeit herab, er gerat in den Kegel des intensiven Strahles tmd
wird aus der lotrechten Fallrichtung 6m S k e der Fortpflanzung der auffallenden Strahlung fortgefiihrt ; nachdem
Fig. 2.
er den intensiven Teil der Strahlung verlassen hat, fallt er
wieder lotrecht herab. Im intensivsten Teile, der Achse des
Strahles, bewegt er sich oft geradezu in horimntaler Richtung.
Dieses Verhalten zeigen z. B. Goldkugeln, Silberkugeln, Quecksilberkugeln, welche durch galvanische Zerstiiubung in reinem,
trockenstem Stickstoff erzeugt wurden, Terpentinrufiteilchen,
Kampferqualm in Luft usw. usw. der hier untersuchten
Grol3enordnung.l) In Wg. 2 ist die Bahn ekes solchen Probekorpers gezeichnt.
1) Nachtrag bei dcr KmekccSr: Einer Fortsetzung vorliegender
Unterauchungen, welche ich mit G . Laski ausfiihre und die tan dieser
Stelle emcheinen wird, sollen hier einige E r g h m g e n vorliiufig entnommen mrden. Vom Lichte weggedriickt werden u. a. Kalium verdampft
in N. Hadmium in N, ferner Natrium und Magneeium in N (die beiden
letzten zeigen blo13 schwaohe Wirkung). Vgl. ferner Mnoten p 90
und 92.
w
F. Ehrenhaft.
Grundversuch I I .
Ein anderes Partikel derselben GroBenordnung fiillt im
Gravitationsfelde vertikal nach abwiirts, kommt in den Strahlenkegel und wird von diesem der ~ortpflanxungsrichtung der
auffallenden Strahlung entgegengefiihrt. Nach Verlassen des
intensiven Teiles des Lichtkegels fallt es wieder lotrecht herab.
Vertreter solcher Art von Materieteilchen sind Schwefelkugeln,
Selenkugeln, erzeugt durch Verdampfung im reinsten Argongase (uber die Selenkugelchen wird spater noch einiges zu
Fig. 3.
berichten sein), Salpetersauretropfchen bzw. Zersetzungsprodukte derselben in atmosphiirischer Luft, Nebeltropfchen
(erzeugt durch Durchleiten von Stickoxyden durch Wasser) ;
ausgezeichnete Demonstrationso bjekte sind die Rauchpartikel
einer Zigarre oder Zigarette , Verbrennungsprodukte des
Holzes usw. l)
ZU Grundversuch I und II.
Ohne iiber die Natur der Erscheinungen damit etwas aussagen zu wollen, bezeichnen wir die Probekorper dieser GroBenordnung, welche Bewegungsimpulse i m Sinlze der Fortpflanzungsrichtung der Strahlung erhalten, als Zichtpositive, solche, welche
1) Nadtrag bed der Kowekkr: Zum Lichte werden ferner gefiihrt
Jodkiigelchen verdampft-inN, ebenso Wismut. Thallium, Phosphor, Blei.
alle hegestellt durch Verdampfung der S ~ h s t a nin~reinstem trockenstem
Stickstoff. Die Wirkung auf Blei ist sehr schwach. Beziiglich des Verhaltens von Tellur, Arsen, Antimon vgl. die FuBnote p. 92.
Die Phtophorese.
91
clieser Richtung entgegenlaufen, als lichtnegative. Die Figg. 2
und 3 stellen die Zeichnung solcher Bahnen dar. Der Pfeil
gibt die Einfallsrichtung der Strahlung an.
Fig. 4.
Fig. 5.
Versuch I I I und IV.
Die beiden Strahlenkegel werden ubereinander justiert.
Die Figg. 4 und 5 zeigen die Bahnen eines lichtpositiven
(z. B. Silber) bzw. eines lichtnegativen (z. B. Selen) Probekorpers. Diese fallen zunachst vertikal nach abwiirts, geraten
in den Kegel des Strahles 1 und werden in demselben je nach
Materieart in seine Richtung oder entgegengesetzt getragen ;
nach Verlassen des Strahles 1 fallen sie im unerbuchteten
Raume wieder vertikal nach abwtirts, um im Bereiche des
92
F . Ehrenhaft.
Strahles 2, welcher sich der Richtung des Strahles 1 entgegengesetzt fortpflanzt, wieder von der Strahlung fortgefiihrt zu
werden. Auf diese Weise beschreiben die Probekorper die in
den Figuren reproduzierten U-formigen Bahnen.
Grundcersuch V .
Es gibt Materiepartikel, welche sich mit der mir bisher
zur Verfiigung gestandenen Strahlungsenergie und in der beobachteten GroSenordnung weder im Sinne der einfallenden
Strahlung noch dieser entgegengesetzt bewegen. Wir bezeichnen
diese als lichtneutral. Vertreter dieser sind :Wassernebeltropfchen
im Sauerstoff, hergestellt durch Elektrolyse, ebenso solche
Tropfchen in Wasserstoff usw.
Grundversuch V I .
In einem Gemische lichtpositiver und lichtnegativer Materie
werden durch den intensiven Strahl Partikel dieser beiden
Materiearten gleichzeitig einander entgegengefuhrt. Solche Versuche habe ich mit Mischungen von Gold und Rauch, Silber
und Schwefel ausgefiihrt. l)
Ein eigentiimlicher Spezialfall dieser Erscheinung liegt
bei Selen vor. Durch Verdampfung in reinstem Argongase hergestellte Selenkiigelchen verhalten sich aufierordentlich stark lichtnegativ. Jedoch entsteht unter Umstiinden
duroh Verdampfung bei hoherer Temperatur eine Selensuspension, bei der sich einzelne Selenkiigelchen mit fiir
Selen typisch roter Farbe besonders intensiv lichtpositiv
bewegen, whhrend gleichzeitig die lichtnegative Bewegung der
anderen Selenkiigelchen anhiilt. Es scheint sich hier um eine
' allotrope Modifikation des Selens, die sich lichtpositiv verhiilt, zu handeln. Die Erscheinung ist zurzeit in niiherer
Untersuchung .2)
1) Ebenso kam leicht beobachtet werden, daB ein Partikel ein anderes von derselben Materialart wegen bedeutend groJ3erer Geschwindigkeit in benachharter Bahn iiberholt.
2) Nachtrag bei der Korrektur: ghnliches Verhalten wie die Selenkugelchen zeigen Tellur-, Amen-, Antimonkugelchen, erzeugt durch Verdampfen in kleinen Quarzsiederijhren in reinstem trockenstem Stickstoff
oder Wasserstoffgas. Auch bei diesen Substaszen gibt e8 Modifikationen,
Die Photopizorese.
98
Es kann also o h bwbachtete Phtinonzen der khtposdim?~
und lichtnegativert Bewegulzg ersichtlich nkht durch Stromungm
des umgebenden Gases erkliirt werden.
Nachfolgende Fig. 6 stellt die gleicheeitig erfolgende Bewegung eines lichtpositiven und eines lichtnegativen Teilchens dar.
Fig. 6.
Es werden also Substanzen durch das k h t geschieden.
Grundversuch V I I .
Die beobachtete Erscheinung der Fdewegung der Materie
im Lichte, will ich der Kiirze helber Phtophmese nennen.
Wir legen u s nun die Rage vor, wovon die Photophorese
abhtingt bzw. welcher Natur die Kriifte sind, welche die Photophorese bewirken. Sind die photophoretkchen Krafte insbesondere
solche erster oder zw&ter Art?
Hiingt die Erscheinung z. B. von der elektrischen Ladung
der Probekorper ab oder nicht?
Durch Verdampfung hergestellte Probekorper (Schwefel,
Quecksilber, Selen) sind beim Fehlen anderer ionisierender
Wirkungen vollkommen ungeladen und bleiben es auch in
die eich lichtpoeitiv bzw. hhtnegativ verhalten. Sie zeiohnen sich alle
dnroh etclrke Effekte Bus, Eine Det&ilunbrsuchnng tiber Selen and
Schwefel d u d I. Parankiewicz w i d in knrzer Zeit hier veraffentlicht
werden.
94
F . Ehrenhaft.
unserem Lichtstrahle vorbeschriebener Art. Es lieBe sich
jede Auf- oder Abladung bei jedem einzelnen Probekorper
sofort konstatiereq.
Die liohtpositive wie lichtnegative Photophorese ist auch
bei vollkommen ungeladenen und auch so bleibenden Probekorpern vorhanden.
Die Probekorper werden nunmehr mit einem ionisierenden Priiparate aufgeladen, so daB sie positive oder negative
Ladung tragen. Die Erscheinung der Photophorese wird durch
den Umstand, daB dieselben Probekorper nunmehr Ladungen
tragen, weder qualitativ noch quantitat'iv gegndert. Denn wird
die Geschwindigkeit der Bewegung eines geladenen oder ungeladenen Probekorpers im Lichtstrahle bestimmt, sodann die
elektrische Ladung desselben Probekorpers gegndert und seine
Gesohwindigkeit im Lichtstrahle erneuert bestimmt, so zeigt
sich, daB die Geschwindigkeit, mit der das Teilchen im Lichtfelde bewegt wird, von der elektrischen Ladung des Probekorpers unabhangig ist.
Die Photophorese hat also nichts zu tun mit der elektrisohen Ladung der Probekorper bzw. mit deren Auf- und
Abladung. Die Photophorese kann daher ebensogut an ge*
ladenen wie an ungeladenen Probekorpern untersucht werden.
Versuch V I I I .
Ein geladener Probekorper kann durch ein vertikales elektrisohes Feld beliebig oft gehoben werden und fgllt bei ausge-
Die Photophorese.
95
schaltetem Felde wieder im Schwerefelde herab. Konzentrieren
wir das Licht auf einen so bewegten Probekorper derart, dab
die photophoretischen Kriifte wirksam werden , dann stellen
die in beifolgenden Figg. 7 und 8 abgebildeten Bahnen die
Bewegung eines lichtpositiven b m . eines lichtnegativen Probekorpers dar.
Fig. 8.
T7ersuch I X .
Man justiert beide einander entgegengerichtete Strahlen
exakt in dieselbe Horizontale. Die Fallbewegung eines geladenen Partikels wird durch ein entsprechendes elektrisches
Feld aufgehoben. Das Kugelchen wird im Raume gewissermaBen frei aufgehiingt. Die Momentverschliisse gestatten das
gleichzeitige Abblenden des einen und das Offnen des entgegengerichteten Strahles. Auf diese Weise kann ein lichtpositiver
Probekorpr in der Richtung der einfallenden Strahlen, ein
lichtnegativer dagegen gegen die Richtung der einfallenden
Strahlen oftmals hin- und hergefiihrt werden. Bei Probekorpern, bei welchen die photophoretischen Kriifte wesentlich
groBer sind als die vertikal wirkende Erdschwere, kann der
Versuch auch bei ungeladenem Probekorper oder ohne da8
die Erdschwere durch ein elektrisohes Feld kompensiert wird,
wiederholt durchgefuhrt werden. Denn er hat im Lichtstrahl
eine groBe Strecke zuriickgelegt, ehe er um ein merkbares
Stuck herabgefallen ist.
F . Ehrenhaf t.
96
Verswh X .
Die Bewegung des Probekorpers wird durch den Strabl
sofort eingeleitet. Sie wgchst bzw. nimmt ab mit der Intensitat
des wirkenden Strahles. So wurden z. B. gleiche Wege von
11,8 lo-* om von einem lichtpositiven b m . von einem lichtnegativen Korper in in nachfolgender Fig. 9 angefiihrten
Sekunden zuruckgelegt. Die kiirzesten Zeiten beziehen sich auf
die Zonen engster Einschniirung des Strahlenkegels, die Geschwindigkeiten nehmen
Sdber
ab gegen den breiten Teil
R/rbtung
8 6 ~my
d e s ~ r r a ~ e s u des Strahles. Die auf einer
derhveyung
kr.rpaelke/.
Priizisionsuhr wiederholt
gestoppten Zeiten desselR,ch,51ung
ben Probekorpers sind die
besten Zeugen der Verla BBw~"ngsf~cht"ng
&r Pyt&e/
lichkeit der Messung. Die
Schwankungen sind nie
Fig. 9.
groSer als die durch die
Bro wn sche Bewegung bedingten.
.
D-a
U6Y
717
-
-
Versuch X I .
Die gleichen Erscheinungen sind auch in spektral zerIegtem Lichte oder in durch konzentrierte CuS04-Losung
filtriertem oder in monochromatischem Lichte zu konstatieren.
Allerdings wird bei geringerer Intensitiit der wirksamen Strahlen
die Erscheinung entsprechend schwlicher, doch lessen sich
die Erscheinungen noch messend verfolgen.
Die Erscheinung hiingt auch nicht von der schwachen
Konvergenz des Doppelkegels des in Photographie 1, Tef. IV
reprodmierten Strahles ab, denn sie tritt auch in dem in
Photographie 2, Taf. IV reproduzierten Parallelstrahle auf.
Grundversuch X U .
Wir erniedrigen den Gasdruck stufenweise; es wurde dies
vom Atmosphiirendruck bis 14 mm Quecksilber ausgefiihrt.
Die lichtpositiven Materieteilchen bleiben lichtpositiv, ebenso
behelten die lichtnegativen Probekorper diese Eigenschaft h i .
Die Geschwindigkeit der Photophorese im Felde des Lichtstrahles
mirnmt aber mit zunehmendem Grade der Verdiinnung des urnliegenden Gases wesentlich zu.
Die Photophorese.
97
Die Erscheinung ist ferner unabhangig von der Art des
den Probekorper umgebenden Gases. Die Photophorese in
Wasserstoffgaa ist z. B. dem geringeren Widerstande, den
dieses Gas der Fortbewegung des Probekorpers entgegensetzt
entsprechend , ersichtlicherweise bedeutend groSer als die des
glc.ichartigen Probekorpers in Stickstoff, in letzterem wieder
groBer als in Argon.
Wir gehen nunmehr zur quantitativen Bestimmung drr
Kriifte iiber, welche die 8trahlung auf die Probekorper
ubertriigt.
8
4.
Quantitativer T e a
An einem solchen Probekorper konnte ich bisher nachfolgende Ortsiinderungen erkennen : 1. Die gerichtete Bewegung
infolge der Erdschwere. 2. Die gerichtete Bewegung der geladenen Pro bekorper infolge wirkender elektrostatischer Kriifte.
3. Die gerichtete Bewegung infolge der Einwirkung des Lichtstrahles (lichtpositive und lichtnegatiw Bewepung). 4. Die
ungeordnete Bro wnsche Bewegung.
Zur Erforschung der sie hervorrufedeu Kriifte miissen
die Versuche so geleitet werden, dab jede einzelne Kraft durch
entsprechende Abstufung oder Komyeusation der iibrigen
Kriifte bzw. der von ihnen hervorgerufenen Ortsiinderungen
untersucht werden kann; die Bro wnsche Bewegung kann
allerclings erfahrungsgemaB nur in geringem Ma& (Druckgnderung, Temperaturiinderung) bc c influfit wrrdcn.
Will man z. B. elektrische Latiungen tier Partikel messen,
so wird man alle Steig- und Fallbeobachtungen nicht im
intensiven Teile des Lichtkegels, in welchem sich die bewegenden Krlifte des Lichtes bemerkbar machen, ausfiihren,
sondern im breiten, verhaltnisma Big lichtschwachen Teile des
Xegels bzw. in diffusem Lichte. Dort ist die Einwirkung der
dritten Bewegung vollkommen zu vernachl&ssigen.l)
Wir schreiten nun zur Berechnung der Kriifte, welohe
von der Strahlung auf den Probekorper ausgeiibt werden.
Beschriinken wir uns fiir den Augenblick auf ein geladenes
Psrtikel oder Kiigelchen und kompensieren die auf dieses
wirkende Schwerkraft dnrch eine von einem vertikal naoh
safwi-irts gerichteten Felde herriihrende elektrische Kraft. Der
1) F. Ehrenhaft, Sitzungsber. d. Wiener A M . d. Wissenech. 119.
p. 836. 1910.
Annrlen der Phydk. IV. Folge. 66.
7
98
F. Ehrenhaft.
auf d a s Partikt.1 wirkende Strahl ist horizontal gerichk t. Daniit
hatten wir jenen Fall experimentell realisiert, den Maxwell
in 5 793 seines Lehrbuches in dem Satze: ,,. . . konzentriertes
elektrisches Licht werde wahrscheinlich einen noch groBeren
Druck ausiiben als die Sonnenstrahlung, und es ware nicht
unmoglich, daB die Strahlen eines solchen Lichtes, wenn sie
auf ein cliinnes metallisches Blattchen, das im Vakuum feiii
aufgehangt ist, fallen, an diesem pinen beobachtbaren mechanischen Effekt ausuben konnten" aussprach.
Im Felde homogener Strahlung gerlt dieses Kiigelchen
in gleichformige , horizontale Bewegung und hat daher seine
Endgeschwindigkeit im widerstehenden Mittel sofort erreicht.
Ein weiterer Spezialfall ist der, daB die von der Strahlung hervorgerufene Geschwindigkeit Echon an und f i b sich
SO groB ist, daB die Fallgeschwincligkeit nur einen kleinen
Bruchteil derselben betragt oder gegen diese ganz verschwindet.
Die Bewegung eines solchen Partikels erfolgt dann in horizontaler Bahn mit einer gleichformigen Geschwindigkeit v,,
welche der auf tlas Partikel wirkendcn &aft proportioiml
und mit ihr duich die Gleichung
(1)
BL = BpL
vrrkniipft ist. Hier ist B tiie Beweglichkeit, die Geschwincigkeit der Bewegung d ~ Probekorpers
s
im Gase bei der treibevcien
Kraft Eins.
Da diese Beweglichkeit sich durch drei verschiedene
Methoden aus der Fallgeschwindigkeit unter Zugrundelegung
der Widerstandsgesetze, aus der Farbe des abgebeugten Lichtes
und aus der Brownschen Bewegung bestimmen la&, so ist
aufolge der Beziehung
tiie Bestimmung der GroBe der Krafte
lediglich auf die
Messung der Geschwindigkeit zuriickgefiihrt, mit d'er der
Probekorper im homogenen Strahle bewegt wird und die
Richtung der &aft durch die Richtung der von ihr hervorprufenen Geschwindigkeit gegebtn.l)
1) Praktische Durchfuhrung einer Messung. - Bei dem durch Photographie 1, Taf. IV gekennzeichneten Strahle ist die Wirkung der Strahlung in der engsten Zone groD, so da13 bei vielen Partikeh die Krafte
Die Photopfiores 6.
99
Damit ist die aiischeinrnd kouiplizierte Aufgabc der
Messung der von der Strahlung auf die Materie ubertragenen
bewegenden Kriifte auf einr einfaclir physikalische Messung,
der Strahlung diejenigen der Schwerkraft 1tbert.reffen. Daher erscheint
es am einfachsten, ein Partikel zun&chst nicht, im intensiven Strahle,
sondern auBerhalb desselben in der diffusen, schwachen Beleuchtung
des obern oder untern Qesichtsfeldes ins Auge zu faasen und dort eine
Serie von’ Fallzeiten und Steigzeiten im Schwere- bzw . im elektrischeu
Felde zu messen. W i d dann das Partikel durch daa elektrische Feld in
den intensivsten Strahl gemgen oder dieser mit den drei Mikrometerschreaben so eingestellt, daB dss Partikel in die engste Zone des Strahles
zu liegen kommt, so w i d der F’robekorper von den Reaktionskrilften
des Strahlungsfeldes je nach der B r t des Materials des Partikels entweder
vom Lichte oder zum Lichte horizontal getragen. Durch Kommutieren
der Strahlrichtung , (Offnen bzw. SchlieBen der Momentverschliisse)
(p- 85) kam daa Partikel mehrmals hin- und hergefiihrt und jedesmal
die Passagezeit iiber eine horizontale Strecke gemessen werden. Bei geniigender Apertur des auf daa Teilchen scharf einstellbaren Beobachtungsmikroskopes i s t im intensiven Strahle die Kernfarbe des von dem Partikel
abgebeugten Lichtes leicht zu konstatieren. Damit sind experimentell
alle jene Daten gegeben, welche zur Rerechnung der Ekweglichkeit des
Partikels nach drei Methoden notig sind.
Ein Beispiel illustriere den Fall : Silberkiigelchen in reinem, trockenstem Stickstoff gemessen mit Objcktiv AA, Apertur 0,3, Aquivalentcm, Farbe
brennweite 17 mm, eiri pars des Okularrasters s i t 11,8.
des Kugelchens gelb.
Das Partikel wird in1 Sinne der Fortpflanzung der Strahlung durch
das Gevichtsfeld getragen und braucht zur Paasage der 11,8. le3
cm
voneinander entfernten, aufeinander folgenden Strichmarken des O h l a m
0,67, 0.62, 0,66, 1,17, 1,70 Sek.; i m homogenen intensiven Lichtfelde
bewegt sich daher daa Kiigelchen niit einer Geschwindigkeit
Durch Kommutiereii der Strahlenrichtung wurde das Partikel wieder in
die entgegengesetzte Richtung zuriickbefGrdert, hatte aber den intensiven
Teil des Strahles bereits verlassen, so daB die Zeiten iiber die Rasterabschnitte im entgegengesetzten Strahle 3,00, 1,6, 2,l Sek. betrugen.
Sodann wurde dao negativ geladenc Partikel aus dem Bereiche intensiver Strahlung gezogen und iiberdies der intensive Teil des Strahles
mittels der Mikrometerschraube aus dem Gesichtsfelde gebracht, so ds13
dae Teilchen i n diffusem Lichte sichtbar blieb; so mrde es dann von
den Kraften der Strahlen nicht affiziert und konnte einer Serienmessung
von Steig- und Fallzciten unterzogen werden (vgl. Anbang: Messungsprotokoll Nr. 17, p. 130). I n vielen FLllen wurde nach solchen Serienmessiingen nochmals eine St(rah1unpnmessungaungefiihrt, indem die beiden
’I*
F. Ehrenhaft.
100
auf die Messung der Geschwindigkeit, zuruckgefiihrt, mit der
sich ein Korperchen im mikroskopischen Gesichtsfelde bewegt .
Die Aufgabe wird aber nicht komplizierter, wenn die auf
das Partikel wirkende Schwerkraft von der GroBenordnung
der von der Strahlung ubertragenen Kraft ist.
ES setzt sich in diesem Falle die Geschwindigkeit b,
des Teilchens zufolge der Schwerkraft mit der Geschwindigkeit bL sls Wirkung der Lichtkriifte vektoriell zusammen.
Es gilt dann
of
=Bmg,
bL = BVL,
Di
Fig. 10.
so daB durch Messung der Geschwindigkeit des Teilchens in
der gegen den Horizont geneigten Bahn und durch Messung
des Neigungswinkelc, a bei Kenntnis der Beweglichkeit sowohl
das Gewicht als auch die Strahlungskraft ermittelbar ist.
SohlieDlich kann man z. B. auch ein Partikel vom Gewichte mg von einem vertikal nach aufwiirts gerichteten
Strahle treffen lassen.
Unter diesen Voraussetzungen lauten die Bewegungsgleichungen :
1
mg = - b.
B 1'
1
pBL
-m y =B b'
worin b, die Fallgeschwindigkeit bloB unter dem Einflusse
der Erdschwere, U die Steiggeschwindigkeit bei dem durch
die Schwerkraft teilweise kompensierten Lichtdrucke bedeutet.
Hierin sind b, und b meBbar, B nach einer erorterten Methode
bekannt, so daB aus den beiden Gleichungen mg und VL berechenbar sind.
Dieser Versuch scheint darum von besonderem Interesse
zu sein, weil er eine experhentelle Nachahmung der der Theorie
der Kometenschweife zugrunde gelegten Vorgiinge darstellt (vgl.
Strahlen dumh die aechs Mikrometemchrauben wieder mit ihren intensivsten Teilen auf daa Partikel eingestellt d e n . Die der& gemessenen
Daten sind ausreichend, um mch allen drei eingangs erorterten Methoden
die Beweglichkeit und damit die von der Strahlung iibertragene &aft
und auch die Ladung des Probekorpers zu errechnen.
Die Photophorese.
101
S v a n t e A r r h e n i u s , Bredechin). Da wir in dem Grundversuche auch Probekorper fanden, die sich zum Lichte bewegen,
so werden nicht nur jene Kometensohweife erkliirlich, die
sich von der Sonne ab-, sondern auch solche, welche sich
ci ieser zuwenden.
Es wiiren auf diesem Wege also auch Schliisse uber die
chemische Beschaffenheit der Kometenschweife nicht ausgeschlossm .
J 5. Silberkugeln im Lichtfelde.
Um aus den Versuchen, welche die Bewegung der Silberkugeln im Felde des Lichtstrahles aufkliiren, einen Anhaltspunkt uber die Abhiingigkeit der photophoretischen Kriifte von
der GroBe dieser Silberpartikel zu gewinnen, ordnen wir alle
Messungen an solchen Kugeln nach steigenden Fallgeschwindigkeiten, d. h. nach steigender KugelgroSe.
Diese Reihenfolge der Partikeln wurde schon 1. c.') angegeben, nls die Fallzeiten der Kiigelchen mit den Farben
des von ihnen ausgestrahlten Lichtes in Zusammenhang gebracht wurden. In nachfolgendev Tabelle ist m jedem Partikel
noch die Geschwindigkeit bL hinzugefiigt, mit der es im Sinne
des Lichtstrahles fortgefiihrt wurde.
T a b 11e
(2
der Farben, Fallgeschwindigkeiten b, und Gsschwindigkeiten
im Lichtstrahle bL.
~.
Silberkugel
Nr.
-__
~-
Fen- Igelb
gelb gelb
__^-___
Farbe des
ab ebeugten
fdichtes
bL
*
108 sec
~
-
19
I
1
18
I
I 21
I
4
1
I
gelb
Fallgeechwindigkeit
1,23 1,41
cm
0, * 108 sec
Geechwindigkeit
d",L?ZEg
cm
17
1 1 2 2
1,69 1,99
I ' W
11,24 11,23 18,15 11,68
12,55
1 ) F. Ehrenhaft, Ann. d. PhyH. 66. p. 62. 1918.
7,33
7,08
102
F. Ehrenhaft.
Mit zunehmender Fallgeschwindigkeit verschiebt sich die
Farbe des von den Partikeln abgebeugten Lichtes zu langeren
Wellenliingen. Langsam fallende Pstrtikel erschienen gelbgriin,
die ngchst rascheren gelb , die folgenden orangegelb und
schlieljlich die raschesten orange ; kleinere Partikel konnen
kurzwelligere Strahlen zerstreuen, wahrend die langwelligeren
Strahlen um das Partikel gleichsam noch herumwogen und in
ihrer geradlinigen Ausbreitung durch das Hindernis nicht gestort werden.
Vergleicht man mit diesen Reihen der gemessenen Fallgeschwindigkeiten jene Geschwindigkeiten, mit welchen die
Partikel im Sinne cles Lichtstrahles fortgefiihrt wurden, dann
erkennt man, da13 die Geschwindigkeiten im Lichtstrahle von
tlem den kleinsten Partikeln zugcordneten Werte 2 . 10-3cm/sec
bei den Partikeln mittlerer Griige zu eninem M a x i m u m 18 . lod3
m l s e c anwachsen, um bei den gropten Partikeln wieder auf einen
cmlsec herabzusinken.
Wert 7 .
Wir kommen xu dem wichtigen Ergebnnisse, dap ein deutlich
ausgeprligtes M a x i m u m der Fortfiihrungsgeschwindigkeit im Lichtstrahle fiir bestimmte mittlere Fallgeschwindigkeiten oder fiir
bestimmte mittlere Partikelgroflen vorhanden ist.
Damit ist die Frage der Abhangigkeit der Lichtkrafte
von der Grolje des affizierten Probekorpers an einem Materiale
in einer GroBenordnung erortert.
Wir konnen nun die grundsatzliche R a g e entscheiden,
o b die lichtpositiven und lichtnegativen Krilfte solche erster
oder zweiter Art in1 Sinne unserer einleitend erorterten Gesichtspunkte darstellen.
8
6. Untereuchungen uber die Natur der lichtpoeitiven und
lichtnegativen Bewegungsursachen.
Den grundlegenden Anhaltspunkt in dieser Frage wird
die Abhiingigkeit der Erscheinungen vom Gasdrucke geben.
Das qualitative Experiment XI1 zeigte, daS die durch die
Strahlung hervorgerufenen Bewegungserscheinungen vom Druck
des Gases insofern unabhiingig sind, als eowohl lichtpositive
wie lichtnegative Probekorperchen der bisher untersuchten
GroBenordnung bei Abnahme des Druckes des umgebenden
Gases ihre Eigenschaft, sich je nach der Materialart lichtpositiv oder lichtnegativ zu verhalten, beibehalten. Diese
Die Photophorese.
103
Tatsache wollen wir durch cline z:tlileumi~iiBige Uutersuchung
erganzen untl sehen, ob die voni Lichte herriihrenden Erscheinungen von einer Kmft zweitci Art breinfluBt wrrden.
In jetlein Falle wird ( I ie Bwwgiiiig elties Kiigelchens unter
dem Einf1ux-r tier Lichtkraft tiulch die (~It~icIiiirig
beschriebcn werden; B ist, t* iw tlei. Bt.iburrg in1 Qasr r n tsprechende GroBti, tiie voni R d i w tle:: Kugelchms und iiifolgr
t1C.r auftretencien Qleitung voni Gastlrucke abhangig ist. Diese
Abhangigkthit w i k , wie bewits c.rwBlint, c,rst beinrucken beinerkbar, bei mtlchen tiie sogenannt,e rnitklrre iiiolekulare Wrglange
dtvi Gases wit dom Radius des Khgrlclirns vergleichba,r w i d .
Riihrt die uom Kugelchen un>terdem Einflusse des Oichtes
erreickte Geschwindigkeit vL nmr oon Kraften erster Art und nicht
von E’inwirkungen des umgebenden Gases (Kraften xweite TArt) her.
so mub dns Experinbent die Unnbhangigkeit der Grofle dieser Krafte
PpLvom Gusdrucke ergeben, wenn, die Gleitung berucksichtigt w i d .
Tritt aber c.ine Abhangigkeit tier I<riift,cs ?&voiu Gas(1 I ucke t i n , dann sind die von tier Stmhlung uhertragenen
Kmftw-irkungen znmindest Zuni Trsil voni unigebentlen Gase
bzw. von Sekuntiarwirkungen h twd n en d . (Bewegung dei,
Ma terie als Folgeerscheinung der Bpwegung von Gasschichten
u111 die Partikel, C roo ktisrche Krtlfk, Radionieterkiafte oder
antlere hypthetische Krafte.) l)
Die ciic Kraftt. zweiter Art Mreffende experimentelle
Literatur ist zwar BuBerst umfangreich 3,jedoch zu einer
rinheitlichen Behandlung im Hinblick auf theoretische Ausbtaute wenig geeignet. Die exprrirurntelle Literatur iiber die
Krafte wster Art beschrankt sich dagegrn lediglich auf die
B: statigung ties Maxwellschen Strahlungstlruckes durch L r b e d~ w3) und fl.rner durch Nichols iind Hu11.3 Um so be1 ) Solchr Versuche wurden bis 16 mni Hg gefiihrt. Zu noch kleineren
Drucken iiberzugehen, ist blol3 eine Frage der Geduld. Doch lohnt ea
sich h u m , da fur F’robekorper aserer thobnofdnung das Gas bei
diesen Drucken schon als hochevakuiert zii betrachten ist.
2) Vgl. u. a. nur Poggendorff, Beibljitter 1. p. 73. 1877.
3) P. Lebedew, Die DruckkriLftcX des Lichtes. Ann. d. Phys. 6.
p. 433. 1901; 32. p. 411. 1910.
4) E. F. Nichols u. G. F. H u l l . Ann. tl. Phys. l?. p. 223. 1903.
104
F . Ehrenhaft.
stimmter sind aber die bisher uber die Kriifte erster Art gemachten theoretischen Aussagen.
Wir wollen nun versuchen, die experimentellen Arbeiten
iiber den Strahlungsdruck als KrBfte erster Art kurz von
einem einheitlichen Standpunkte (GroBe des durch Einstrahlung bewegten Korpers im Vergleich zur mittleren molekularen Weglange .des diesen umgebenden Gases) aus zu betrachten, ein Gesichtspunkt, der bisher unerortert blieb, um
uns zu vergegenwiirtigen, was zur Scheidung der beiden obigen
Kraftwirkungen bei den Versuchen Lebedews und Nichols
u. H u l l s beitragen konnte.
Lebedew hat eine alleinige Wirkung der Lichtkrlifte
(Krafte erster Art) durch hohes bis 0,0001 mm Hg getriebenes
Vakuum, dem eine mittlere Weglange der Gasmolekeln von ca.
70cm entsprache, rm erreichen gesucht. Die Fliigel einer Torsionswage, die er mit konzentriertem Lichte bestrahlte, hatten &en
cm.l)
Durchmesser von 0,5 em, eine Dicke von 10-1 bis
Die Dimension dea Korpers, den er durch Strahlung in
Bewegung setzte, war demnach klein gegen die mittlere Wegliinge der Molekeln des Gases, in welchem diese auf der Drehwage in Bewegung gesetzt werden sollten.
Lebedew kam zu dem Schlusse, daB die auf Metallfliigel einwirkenden Kriifte zweiter Art im Sinne unserer
Definition innerhalb seiner Beobachtungsfehler gleich Null z u
setzen seien.l)
Bei den Versuchen von Nichols und H u l l dagegen hatten
die Fliigel einen Durchmesser von 1,28 em, eine Dicke von
1,7.
em unil ein Gewicht von 0,51 mg. Die Oberfliiche
tier Hiigel war versilbert, um ein moglichst hohes Reflexionsverniogen zu erreichen. Durch die geringe Absorption der
Warme wird ein Ansteigen der Temperetur auf der Fliigeloberfllche vermieden.
Um unter den moglichen Kraftwirkungen, die bei der
Aufhangung von solch groBen Fliigeln und ihrer einseitigen
1) Solche Kriifte waren der Temperaturdifferenz zwischen belichteter und unbelichteter Seite des Fliigels proportional oder fur zwei Rugd
von gleichem Materiale und Oberfliiche der Dicke der Fliigel proportional.
Eine Korrektur schien ihm nur bei platinierten (geschwiirzten) Fliigeln
notig. Bei Metallflugeln war die Radiometerwirkung gegen alle Envartung
verschwindend klein und gar nicht zu beriicksichtigen.
Die Photophorese .
105
Bestrahlung im gaserfiillten Raume in Betracht kommen, die
Wirkung des ,,Strahlungsdruckes", also die Kraftwirkung
erster Art, abscbiitzen zu konnen, muBten die Autoren den
nachfolgenden Umstiinden Rechnung tragen :
1. Da es unmoglich ist, ein solches Scheibchen absolut
vertikal aufzuhiingen, konnten aufsteigende Luftstromungen
je nach der Stellung des Scheibchens eine saugende oder abstokiende Wirkung ausuben.
2. Es konnte die einseitige Erwarmung dcr Fliigel eine
sogenannte Radiometerwirkung zur Folge haben.
Die Autoren arbeiteten bei verschiedenen Gasdrucken
und kamen zu dem Schlusse, daS bei 16 mm Hg Druck die
Einwirkung des die Fliigel umgebenden Gases ein Mininum sei.
Die Versuchsverhiilt8nisseliegen hier aber anders als bei
den Lebedewschen Vwsuchen, denn hier sind die D i m e n s i o n e n d e r F l u g e l s e h r groB gegen die mittlere Wegliinge
der Gasmolekeln, welche bei diesem Drucke noch 5.10-4 ern
betrSgt .
Nichols und H u l l schlossen ferner, daB der Strahlungsdruck (Kriifte erster Art) seinen vollen Wert sofort erreichen
miisse, wogegen Krafte zweiter Art (Einfliisse des umgebendrn
Gases) zuerst unmerklich klein sein miiBten und sodann mit
der Dauer der Bestrahlung anwachsen.
Sie suchten daher die konstante Kraftwirkung (&aft
erster Art) von diesen Kraften zweiter Art, die mit der Zeit
ihre Intensitat wechseln, zu trennen ; nach ihren Ergebnissen
waren die Kraftwirkungen zweiter Art bei 16 rnm Hg ein
Minimum.
Gegen alle diese Versuche scheint nun in der Messung
von Kriiften an Kugeln im Gase schon darin ein Fort,schritt
gelegen, daB die Kugel derjenige Korper ist, dessen Beweglichkeit im Gase von bestimmteni Drucke genau bekannt ist.
Zudem fallen alle aus. der Aufhangung resultierende uiid
nur schwierig zu berucksiehtigende Krafte mit einem Sohlage
weg. Denn eventuslle durch Xrwarmung der Kugel bewirkte
naoh aufwarts treibende Krafte sind, wie G. Jiiger berechnet
hat, bei diesen Probekiigelchm unnierkbar k1ein.l) Auch konnen
1) G. Jiiger, Wiener Akademieberichte 188. p. 867. 1914. Vgl.
ferner Ful3note dieser Abhandlung p. 122. Experimentell wurde diese
Tabache von D. Konstantinowsky (vgl. hier Ful3not.e p. 123) erwieseo.
106
F. Ehrenhaft.
Radionieterkriifte bei so kleineii Pro bekorpern keine Rolle mehi.
spielen, weil erstrns cine Tc mpeiaturiliffertnz zwischen ,belichteter und unbelichteter S( ite fuglich night mehr angenomnitn werclen kann und zweitens weil die Kugelchen schon hei
Atmosphart ndruck von tier Grohnordnung tier mittleren Weglange der sie umgebenden Gasmolekeln sind; schon bei geringen Evakuationsgraden sind diese Probekorper wesentlich
kleiner als die mittleren Wegliingen c1t.s sie umgebenclen Gases,Das Ma xwellsche Grundexpc iiment ist in vollkommenster
Form gelungen; denn das Kugelchen, a n dem der Lichtdruok
beobachtet wird, wird gleichsam durch die elektrostatischen
Krafte im Raume ,,aufgehangt".
Wir wollen den Druck des Gases stufenweise herabsetzen
und dabei die durch die Wirkung der Strahlung hervorgerufene
Geschwindigkeit der Kugelchen, ~ J L ,messend verfolgen.
Es ware wohl am besten, die a n einem und demselben
Kiigelchen im Lichtfelde bei versehiedenen Diuoken hervorgerufene Geschwindigkeit zu messen. Dieser Versuch ist jedoch
zuniichst schwer ausfiihrba#r, weil kin Kugelchen, das man bei
einem Drucke der Messung unterzogen hat, durch die Veranderung des Druckes leicht aus dem Gesichtsfelde gefiihrt
wird. Es wurde aber bereits erwiesen, daJ3 Probekorper des
gleichen Materials und gleicher Resonanzfarbe gleiche Beweglichkeit haben. Man kann daher die Abhangigkeit der durch
die Lichtwirkung liervorgerufenen Krafte vom Gasdrucke des
Mediums auch verfolgen, indem man die Geschwindigkeiten
von vielen Partikeln gleichen optischen Verhaltens bei gleicher
Intensitat der wirkseincn Striihlnng und versehiedenen Gasdrucken bestimmt.
Zu clieeen Versuchen wahlte ich als Reprasentanten der
lichtpositiven Probekorper Silberkugeln in Stickstoff von der
em.
GroBenoidnung Radius a =
Als Reprasentanten von lichtnegativen Piobekorpern sollen
Schwefelkugelchen l) in Argon verwendet werden, welche ich
1) Solche Schwefelpartikel habC ich auf einem Objekttrjiger niedergeschlagen und mit Apertur 0,95 mikrophotographiert. Die photogmphischen Reproduktionen 2 u. 3 Taf. I1 beweisen die exakte Kqelgestalt.
L&Bt man solche kugelformige Niederschliige auf der Glasplatte unberiihrt,
dann springen erst nach 10-12 Stunden die am Photographien 4 u. 5
Taf. 1II ersichtlichen Schwefelkristalle ein, die sich aua den Kugeln der
Umgebung aufbauen. Diese Kristdle sind gleicheeitig das beste Test-
Die Photophorese.
107
durch Verdampfen von 8chu-efel in einem Heinen Siederohr
in reinstem trockenstem Argongase herstrllte. Dabei wurden
hierzu nur lichtorange bzw. weiSr Kugelchen mit Radius
2.
cni verwendet, welche yon den Stra,hlungskriiften
stark uffieiert werden.
In Fig. 11 sind die Mittelwerte der Zeiten, welchr die
Probekorprr zur Passage iibrr tliwelbr Strecke 11,4 .
ern
objekt f i i r die Kugelform der iibrigen Partikel; man beachte die scharfen
Spitzen und Kanten dieser kleinen Kristalle. Auch bei Selen ist die
exakte Kugelform der Probekorper mit Spertur 1,3 bei Einbettung
der auf Glas niedergelegenen Probekorper nachweisbar. Die Kugeln selbst
zeigen bis zu den Wellenlingen des Lichtes herunter Karminfarbe ( h d d e
Farbenskaln Karrnin f g h). Die kleinen Kiigelchen zeigen im Dunkelfelde die bekannten Resonanzfarben.
Um den einheitlichen Zusammenhang zwischen E’allgeschwindigkeit
der Schwefelkiigelchen und der Farbe das von denselben im Dunkelfelde
abgebeugten Lichtes zu erforschen, habe ich und G. Laski die Fallgeschwindigkeit vieler farbiger Schwefelkiigelchen in reinstem trockensten Argongase im Dunkelfelde gerneusen. Seither hat I. P a r a n kiewicz (Physik. Zeitschr. 18. p. 567. 1917) sich der Aufgabe unterzogen, den Zusammenhang von Farbe und Fallgeschwindigkeit der
Schwefel-, Helen- und (Juecksilberkugeln in einer eigenen Spezialuntersuchung theoretisch und experimentell festzustellen, welche zu Resultaten fiihrte, die mit meinen ursprunglichen in nachfolgender Tabelle
wiedergegebrnen iibereimtimmen.
6 c h w efe 1kugel n i n Argo ngas.
Fallstrecke 11,4
cm.
-
-
Fallgeschwindigkeit I Radius lo6 em
Farbe des von
den Kiigelchen
cm
1 belgchnet naeh
D / ’ 103G I Stokes-Cunningham
abgebeugten Lichtes
~_____
~
hellgliinzend; Eigenfarbe des Schwefels
weit3
weil; Stich ine Orange
tiefgelb
gelbgriin
griin
blao
-.
~
--
__
__
-~
.
-7
I
-
1,95
1,32
0,70
0,56
0,42
0,32
~
I
3,s
23
292
125
193
111
079
Es folgt also. daB sich der itbnehnienden Fallgeschwindigkeit der
Schwefelkugelndie Farbe cles von ihnen abgebeugten Lichtes in eindeutiger
Reihe von liingeren zu kurzeren Wellen zuordnet. uo daD Schwefelkiigelchen
gleicher Farbe gleiche Beweglichkeit zukornnit. NaturgemiiB geshtten
iiiir kleine Kugeln derartige Aussagen, weil alle griihren Schwefelkugeln
dic. Farbe des Rchwefels zeigen.
F. Ehrenhaft.
108
benotigten, als Funktion des Gasdruckes aufgetragen ; d w
Verlauf zeigt, daB bei abnehmendem Gasdrucke die Passagezeiten sowohl der lichtpositiven (Silber) wie lichtnegativen
(Schwefel) Probekorper stark abnehmen ; man beachte, daB
beide Kurven zum Koordinatenursprung gerichtet sind und
daher darauf hinweisen, daB solch kbine Probekorper bei sehr
kleinen Drwken von der Strahlung mit sehr groper Geschwindigkeit in oder gegen die Richtung der Strahlung gefuhrt werden.
Nunmehr konnen die
Psessgezeiten in Sek. uber die Strecke Beweglichkeiten der K&
11,8 * lo-* Cm ate Funktion dee GSSfk diese ~~~~k~
druckee.
und infolgedessen auf
Grund der Gleichung (l),
5 1) p. 98, auch die KrBfte
45. bestimmt werden, welche
bei normalem und bei ver10 inindertem Drucke von der
35
Strahlung auf die Kiigelchen ubertragen werden .
Die nachfolgende Ta20
belle enthalt fur solche
Silberpartikel die mittleren Geschwindigkeiten v,
im Lichtstrahle, die Be05
weglichkeit dieser Kiigel0 , b O *CL, 3fh 4& 5&
7":
8;ornhj
then fur Stokes -Gunningham f = 0 , sowie die
Fig. 11.
so auf Grund von
s
,
&
I
fiir verschiedene Drucke berechneten KrBfte in Kolonne 4.
Die auf Silberkugeln der GroBenordnung 1 . l O - 5 ern ausgeubten Kriifte '@A im Lichtdrucke sind durchaus von der
GroSenordnung 1 .
Dyne.
Die Konstanz dieser Krafte bei Verminderung des Gasdruokes ist uberrafichend,
Nur die letzte Beobachtung bei 100 mm Hg- Druck
weicht um 9 Proe. ab. Aber auch dieses Ergebnis liegt ganz
im Sinne unserer Ausfiihrungen; clenn bei 100mm Quecksilberclruck ist, im Bilde der kinetischen Theorie gesprochen, die
Die Phtqhorese.
109
T a be11ti.
Die Abhiingigkeit der von der Strahlmg auf Silberkugeln auageiibten &aft
vom Drucke des #arms. (T= 294O; a = 8.10-* cm).
___Knudsen-Weber
Druck in
mm H g
- p
760
550
400
320
220
100
-~ .
0,073
0,089
10,4
0,108
0,126
0,166
0,321
niittlere Weglange 7,7 . 10-6cm schon erheblkh groper als die
Dimension des bewegten Kiigelchens. Es muD in diesem Falle
statt der nsch S t o k e s - C u n n i n g h a m mit f = 0 definierten
Beweglichkeit die in diesen Annalen 55, p. 10, E'ormel ( 5 ) , angefiihrte Definition der Beweglichkeit eintreten, wie sie von
Knudsen-We ber auf Grund rein mechanischer Versuche festgestellt wurden.
Tatsbhlich is t nach dieser Definition der Beweglichkeit die
Konstanz der Krafte
auch fiir niedereDiucke genauerfiiUt,wie
diewerte in der Tabelle p. 109in der vorletzten Kolonne zeigen-l)
Zu gnnz denselben Ergebnissen fiihrte die Erfahrung an
den lichtnegativen Sehwefelkugelohen vom mittleren Radius
2 . l O - 5 cm in reinstem Argongase ; die diesbeziiglichen Re.ultate sind in nachfolgender Tabelle angeordnet, in welcher dem
jeweiligen Drucke der Kolonne 1 die gemessene lichtnegative
Geschwindigkeit in Kolonne 2 und die nach Sto kes-Cunningh a m definierte Beweglichkeit in Kolonne 3 zugeordnet ist.
Auch hier folgt die Konstanz der photophoretischen Krafte
@
' = b/B in geradezu erstaunlicher Weise. Die Kraft fallt an
Schwefelkugeln vom Radius 2 . 10-6cm in die Grohnordnung
1,3 . 10-lo Dyne. Die vorangefiihrten Messungen waren die
ersten diesbeziiglich unternommenen.
1) Hier weicht nur der erste Wert bei normalem Drucke ab. Dies
ist w i d e r verstiindlich, weil bei diesem Drucke die Voraussetmmgen
der Knudsen -Webersohen Bewegliohkeitsdefinition (mittlere Weglgnge
groB gegen den Radius der Partikel) noch nioht erfiillt sind.
F. Ehrenhaff.
110
Tabelle
uber AbhZingigkeit der lichtnegativen photophoretischen Kraft der Schwefelkugeln vom Gasdrucke.
_ _ _ _ ~ _ _
Re weglichkeit
B . 10-9
~ L , l O I O Abweichung
Druck in Geschwindigkeiten
bL lo8 cm
mm H g
nach
Dyne
im Lichtstrahle Stokes-Cunningham
-
1 1 vo~nT:e'
-
...
.
743
500
338
203
2,39
2,62
2,72
3,36
6,27
9,37
101
68
' 1,41
0,0169
0,0194
0,0230
0,0304
0,0483
:;$
1,lO
1,30
1
f 94
417
8,5
- 14,7
-
+ 0,8
Neuerdings hat I. P a r a n kiewicz l)' die Abhangigkeit
der verschiedenfarbigen Schwefelkiigelchen erneut in einer
Spezialstudie bestimmt .
Ich gebe riech folgender Tabelle die Ubersioht dieser
Messungen an orange und blauen Kugeln, &us der die Konstanz der Kxafte PL erhellt.
Tabelle
uber lichtnegative photophoretische &aft an Schwefelkugeln
bei verschiedenen Drucken.
Druck in
mm Hg
760
496
354
143
55
i
I
1
~.
Orange Partikel (Radiue = 19
I
cm
D ~ 103.
sec
1,70
1197
2,23
3,93
8,08
I
B . 10-7
j
I
i
1,77
2,lO
2,40
4,20
8,90
Blaue Partikel (Radius = 9
760
496
354
143
55
0,60
0,80
0,98
1,57
4,09
cm)
6,48
I
34,25
0,96
0,94
0,93
0,94
0,91
-
cm)
0,13
0,12
0,12
0,12
0,12
1) Die diesbeziigliche susfuhrliche Abhandlung w i d in den Sitzungsb.
d. Wiener Akad. d. Wissemch. wid in diesen Annden erscheinen. Vgl.
meinen Vortrag ,,Zw Physik des millionstel Zcntimeters". Physik. Zeitschr.
18. p. 352-368. 1917.
Uic Photophorese.
111
Es ergibt sich also daraus das wichtige und fur unsere
Schliisse bedeutsame Resultat, dap sowohl die lichtpositiven wie
die lichtnegativen photophoretischen Krafte 6 vorn Drucke des
das Kiigelchen umgebenden Gases nicht abhangen und bloB durch
.tiie Int.c.nsit.at (:er Einstrehlurig nriti crie physikalische Beschafft.nht it (11 s Kiigelchens bt.stiinnit8werden.
W i r haben. es in. diesem E'alle mit K?afi?en erstczr Art in1
Sinntt unwrer tinleitenden Ausrinantlt I . zuugen zu. tun.l)
Es fragt sich nun, inwiewcJit, die Erklarnng tier beobachteten Tat,sschc-n clus dem Rahmm tlvr heute forriiulierten
Theorien geschopft werden kann. Die lichtpositiven Bewegungen
kiinnten ihre Erklaiung wohl aus den lierrschenden Thtorien
finden. Sowohl Emissionstheorien wie Undulationsthe orien der
Stsahlung l a , w n solche 1icht.positive Bewegungen erwarten.
Naturlich folgt sie auch aus den Max wrll-He rtz s c h e n Feldgleicliungen rowie aus deren Erweiterungen iin Sinne der
Elekt,ronentheorie von A. H. Lo I r n t z .
G:iViiz anders ist es mit, cler uufgefundenen uixl in den
V(mucl:en I-X untl sociami in deli $5 3 und 6 besprochenen
lichtnegativen B ~ w c - ~ LSie
I I ~ist,
~ .zuiiiiclist uberraschend , stellt
eine neuurtige Erscheinurig Oar, die aber clurch einfaclie Beobacl;t8ungen +tet,s wieder reproduziert werden kann. Da sie
biPhei unbekannt war, kann sie in den Ansatzen der bisherigen Theorien a,uch noch nicht8 mtl-ialten sein.
5
7. 1st die lichtpositive Bewegung eine Wirkung des
Maxwellechen ,,Strahlungedruckee"?
Wir gthen zur Erorteiung tier liclitycjsitiven Krafte uber.
Nach den Hypothtsen, welche Bai t o l l unti B o l t z n i a n n
einfaiiten. uni the Giiltigkeit c l t i zmcitcn Hauptsatzes zu
erlialtt n sowie uach cit 1' Maxwellwhc 11 Theorica. ubt ein auf
1 ) Sehr intcressant scheint inir die Tatsache, (la13 bpi iicht.nepativcn
Selenkiigelchen der lichtnegative Effekt zeitlich vollkommen korlstant
bleibt. dagcgen bei gewisseii lichtpositiven Selenkiigelchen cler lichtpositive Effekt in durch Mesming verfolpbarer Weise abnimmt. Es diirfte
dies mit einer auch von anderen Seiten her bekannten VeriLiideriingen
der beziiplichen Sclenmonifikation (Ubergaug in die stabilvrc Modir
dr.9 S!lens durch Licht) zuEammenfikation, Anderung d , ~ Eigenschafttw
hiingen. (Vgl. dariiber die demnlchst. crscheinende Spezialuntersuchung
iiber den lichtpositiven und lichtiiegativen Effekt von Schwefel und
Selen von J. P a r a i i k i e w i c z . )
112
F. Ehrenhaft.
eine ebene KorperflLche auffallendes Biindel paralleler Strahlen
einen Druck in der Richtung der Fortpflanzung der Strahlen
aus. Die Theorie idealisiert die Beschaffenheit der Korperoberfliiche und unterscheidet zuniichst die absolut schwarze,
die gesamte Strahlung absorbierende und die ideal spiegelnde,
die gesamte Strahlung reflektierende Oberfliiche des Korpers.
Auf einen ebenen kreisformigen Teil der Oberfliiche eines
schwarzen Korpers vom Radius a wird ein Druck
s
!&ohwars
= m a2- = a aaw
0
ausgeubt. Hierin bedeuten S die pro Sekunde einfallende
und giinzlich absorbierte Energie, G die Lichtgesohwindigkeit
und demgemiiB w die Energiedichte der Strahlung.
Auf eine die Strahlung ideal reflektierende Flache soll
ein doppelt so grol3er Drnck ausgsiibt werden
qmflekt. = 2 a a' * *
J e nach dem Reflexionsvermogen d t s Korpers liege der Druck
zwischen diesen beiden Grenzfiillen.
Betrachten wir zuniichst anstatt ebener Korperfliichen
Kugeln, deren Radiw so groS gegen die Wellenliinge der auffallenden Strahlung sei, da.6 die Beugung der Wellen vollkommen zu vernachliissigen ist, dann erleidet die absolut
schwarze Kugel vom Radius a im Sinne der Fortpflanzung
der einfallenden Strahlung einen Druck von der GroBe
PPschwarc
= 'IG a 2 w *
Auch eine absolut reflektierencle Kugel erleidet lzur dease2ben Druck
PBrebkt. = 'IG a2
Denn wohl wird in diesem Falle an der Stelle, wo die
reflektierende Kugel von der Strahlung zuerst getroffen wird,
ein doppelt so starker Druck ausgeubt als auf eine vollkommen
schwarze Kugel; nach den Seiten hin nimmt aber dieser
Druck vie1 rascher ab, weil bei flachen Inzidenzen die Druckwirkung der reflektierten Welle die der einfallenden zum Teil
wieder aufhebt, wie S c h w a rz sc h i l d schon auseinandersetzte.
Diese Kriifte '$ sind identisch mit dem Maxwellschen
,,Lichtdruck", und man kann den Ansatz uber die GroBe des
auf groBe Kugeln ausgeubten Lichtdruckes, wenn unter W der
Mittelwert der Energie, die in der Langeneinheit des die
Kugel urnschliehnden Kreiszylinders enthalten ist, verstanden
wird, gemaB der Gleichung
11s
Die Photophorese.
(4)
auch folgendermahn aussprechen: Bei groBen Kugeln ist das
Verhiiltnis V des Lichtdruckes zur auf die Kugel auffallenden
Energie W gleich Eins.
Wenn aber die Kugeln in ihren Dimensionen an die Lichtwellen heranreichen, dann spielt in diesem Probleme die Beugung pine entscheidende Rolle.
uber diesen Gegenstand schrieb Schwarzschild eine
mathematische Studie ,,ober den Druck des Lichtes auf kleine
(die Strahlung absolut reflektierende) Kugeln", welche De bye
spiiter auf Kugeln beliebigen Materials erweiterte, und bernerkte
einleitend : ,,Irgendwo in der Welt muJ3 es ja vorkommen, dsB
ein kleines Teilchen im leeren Raume dem Drucke des Lichtes
ausgesetzt ist, und daher ist dem Resultate der Rechnung
in jedem Falle die physikalische Anwendbarkeit gewiB."
Fiir vollkommen reflektierende Kugeln hat er dortselbst
das Verhalten folgendermahn gekennzeichnet :
,,Das Verhiiltnis V des Lichtdruckes Sp, zur einfallenden
Energiemenge W = z a2 w steigt von dem fiir groJ3e Kugeln
giiltigen und auch von S v a n t e A rrh e n i n s benutzten Werte 1
zunachst langsam an, wenn man den Kugelradius verkleinert.
Ist der Kugelhalbmesser etwa auf ein Drittel der Wellenllinge
herabgesunken, dann erfolgt ein merkwiirdiges rapides Anwachsen, welches bei Kugeln von ca. l/e Wellenllinge Halbmesser z u einem Maximum bei 2,5 fiihrt. Bei weiterer Verkleinerung des Kugelhdbmessers sinkt das Verhiiltnis V noch
plotzlicher ab, als es vorher angestiegen ist. Fiir Kugelradien
vom Zehntel der Wellenliinge ist es bereits wieder unter die
Einheit zuriickgegangen und nimmt slsbald wieder verschwindend kleine Werte an."
Aus dieser Schwarzschildschen Kurve folgt etwa bei
cm fur das Verhiiltnis
der mittleren Wellenlange 7
.
als Funktion des Kugelradius ein Magmum fiir Kugeln vom
Radius um 1 0 . loe6 em. In den Versuchen p. 101 wurde
ohne jeden Hinblick auf diese Theorie das Vorhmdensein
eines Maximums der Geschwindigkeit der Silberkugeln bestimmter GroSe im Lichtfelde beobachtet.
Annden der Phydt IV. Pol-
66.
8
114
F. Ehrenhaf t .
Auf Grund des Schwarzschildschen Maximums laSt
sich also, wie vorausgesehen, eine erneuerte GroSenbestimmung
der Silberkugeln durchfiihren, ohne daS die einfallende Lichtenergie bestimmt zu werden braucht.
Wohl kommt Silber dem Grenzfalle der Theorie absoluten
Reflexionsvermogens am nachsten. Um aber noch dem Umstande Rechnung zu tragen, daB Silberkugeln das Licht nicht
vollkommen reflektieren, wollen wir die optischen Konstanten
des Silbers (seinen komplexen Brechungsexponenten) zur Berucksichtigung bringen.
Das Problem des Lichtdruckes an kleinen Kugeln hat
denselben historischen Entwicklungsgang genommen wie das
Problem der Beugung des Lichtes an kleinen Kugeln selbst.
Bei letzterem wurde zunachst das elastische Beugungsproblem 1)
behandelt (Clebsch, R a y l e i g h - Blau des Himmels). Sod a m wurde es fur die absolut reflektierende Kugel berechnet
(J. J. Thomson)2) und angewendet (Ehrenhaft)3) und
schlieBlich fiir Kugeln von beliebiger Materialeigenschaf t, speziell
auch fur Metalle vom komplexen Brechungsexponenten N
durchgefiihrt (Mi e),3'
Ganz ebenso fand Schwarzschilds Untersuchung des
Lichtdruckes auf kleine absolut reflektierende Kugeln dieselbe
Vervollkommnung durch P. De bye s 6, Berechnung des Lichtdruckes auf Kugeln von beliebigem Material. Fiir eine metallische Kugel mit dem komplexen Brechungsexponenten N
ist nach diesem das Verhaltnis T' des Lichtdruckes $L zur
auffallenden Energie W = z a2 w gegeben durch
1) A. Clebsch, Crelles Journal 61. p. 196. 1863. - Lord Rayleigh, Phil. Mag. 41, 42. 1871.
2) J. J. Thomson, Rec. res. p. 361.
3) F. Ehrenhaft, Sitzungsber. d. Wiener Akad. d. Wissensch.
11%p. 232. 1903.
4) G. Mie, Ann. d. Phys. 26. p. 377. 1908.
6) P. Debye, Anh. d. Phys. 30. p. 67. 1909.
Die Photophorese.
115
wobei auf der rechten Seite der Gleichung der reelle Teil des
Klammerausdruckes m nehmen ist. In diesem bedeut,en an1
bereits definierte Briiche.l) Ferner ist
zu setzen. Im ubrigen sind die Bedeutungen cler GriiBen
sehon in diesen Annalenl) festgelegt worden.
Von Interesse ist zunachst bloB die L a g e des Lichtdruckmaximums, d. h. die Kenntnis jener Radiengrolje metallischer
Silberkugeln, welche vom Lichtdruck am starksten affiziert
wird, wenn diese Kugeln von Licht der mittleren Wellenlgnge
7 . l O - 5 em bestrahlt werden.
Diese habe ich zuniichst auf dem Wege niiherungsweiser
Berechnungen erschlossen, welche ergaben, daB das Maximum
der Funktion gL/W fiir Strnhlung der Wellenlllnge 650 pp
bei Kugelrndien 8,3 .
em, fur Strahlung von der Wellenern zu liegen kommt. Fiir die
lBnge 750 pp bei 10,6
.mittlere Wellenlange 700 ,up ist das M a x h u m von V bei
Radien 9,5.
cm also, wie zu erwarten, nahezu bei dersetben Kugelgrofle gelegen wie fiir die ideal spiegeZnnde Kugel.
Bei diesen KugelgroBen ware also auch die maximale Photophorese zu gewartigen.
Im speziellen hat
G e r d a L a s k i nach
Formel ( 5 ) den Zusammenhang der GroBe
g / z a 2 w als Funktion
des Kugelradius fiir
Silberkugeln vo m kom
plexen Brechungsexponenten N fiir die bei
den Versuchen verwendete mittlere Wellenliinge berechnet. Aus
diesen Rechnungen folgt, dab fiir die Strahlung der von mir
verwendeten Wellenliinge die maximale Wirkung des Licht-
-
--
1) Der horizontale Strich bedeutet die konjugiert komplexe GroSe.
Vgl. F. Ehrenhaft, Ann. d. Phys. 66, p. 46. 1918.
8*
F. Ehrenhaft.
116
druckes durch die Beugung des Lichtes an diesen Silberkugeln
beim Kugelradius
a = 9,8.
cm
erfolgen muB, wie Fig. 12 beweist.
3
8.
Die Energie dee einfallenden Btrahlee.
n b e r ein Bolometer.
Wir wollen von dem Resultate, daB nach der Theorie
das Maximum von V bei Kugelradien
a = 9,8.
cm
liegt, nicht eher zur Anwendung ubergehen und diese Tatsache zu einer neuerlichen, schon mehrmals erwiihnten Grundlage der GroBenbestimmung der Probekorper machen, bis
die &age behandelt ist, ob die aus der Bewegungsgeschwindigkeit bL im Lichtfelde nach
gemessene Kraft in die GroBenordnung der auf Grund der
Ma xwellschen Gleichungen berechneten Kriifte
(7)
(pL)berecbnet = 393 aaw
fiillt.
Die Bestimmung der Kraft V L aus (1) erheischt lediglich d k Messung der Geschwindigkeit bL des Kiigelchens im
Lichtfelde und die Kenntnis der Beweglichkeit desselben.
Die Bestimmung von VG aus (7) erfordert die Kenntnis
des Kugelhalbmessers a, also im Prinzipe wieder der Beweglichkeit des Kiigelchens, ferner der optischen Eigenschaften
des Kiigelchens und die Kenntnis der Energiedichte des auffallenden Strahles w.
Wenn also die Theorie den Zusammenheng zwisohen
Energiedichte der auffallenden Strahlen und der von diesen
auf die Materie ubertragenen ponderomotorischen Kriif te wiedergibt, dann ist damit eine empfindliche und einfache Methode
mgebahnt, um die Energiedichte der Strahlung selbst in
cm)
bisher ungeahnt kleinen Bereichen (a = 2 . l O - 6 bis 2
5u messen.
Dies ergibt sich unmittelbar &usder gleichzeitigen Giiltig-
.
Die Photophorese.
117
keit der beiden Gleichungen (1) und (7) (p. llS), zufolge
welcher
1
= ~k B n asL.'
wird ;hierin ist k, im speziellen hier behandelten Falle, zufolge
Fig. 12 bei Silberkugeln vom komplexen Brechungsexponenten N
fiir das Maximum 3,3 zu setzen; fur andere Materialien ware
k zufolge Gleichung ( 5 ) , p. 114, unter Zugrundelegung der
beziiglichen optischen Konstanten berechenbar.
Die GroBe
C=-
1
kBnaP
ist eine bloB von der physikalischen Beschaffenheit eines solchen
Probekorpers abhhgige und fiir jeden bestimmbare Konstsnte,
die ,,Bolometerkonstante" des Kugclchens.
Die Kenntnis dieser GroBe C ermoglicht, die Energiedichte der auffallenden Strahlen w nunmehr durch die Beviegungsgeschwindigkeit bL der Partikel allein im Felde dieser
auf f allenden Strahlen zufolge
21)
= Cb,
zu messen.
Da es nun ohne weiteres gelingt, ein geeignetes Kiigelchen
im Sehfelde zu halten, ist damit, eine Methode festgelegt,
welche auf weite Bereiche in der Pbysik angewendet werden
kann: so wird man z. B. diese Methode zu einer verhlltnismiiBig raschen quantitativen Festlegung der spektralen Energieverteilung irgend einer Lichtquelle verwenden konnen.
Hatte H. R u b e n s l ) ein geladenes Metallteilchen im
vertikalen elektrischen Kondensator als das empfindlichste
Elektrometer bezeichnet, so wird man nicht fehlgehen, auf
Grund der erorterten Methode der Energiemessung ein solches
Kugelchen als empfindliches Bolometer w bezeichnen.
9. Xeeeung der Energiedichte dee Strahlee.
Um die beiden Krlfte in den Gleichungen (1) und (7)
(p. 116) auf Grund der Maxwellschen Theorie zu vergleichen,
ist einerseits bL/B, andererseits 3,3 3c a2 w durch Messung
festzulegen.
1)
H. Rubens, Physik. Zeitschr. 18. p. 1034. 1914.
118
F. Ehrenhaf t.
Etierin sind alle GroDen bis auf die von dem in Photographie 1 Taf. IV reproduzierten Strahle transportierte Energiedichte w bereits bekannt.
Die Bestimmung der Energiedichte w teilen wir in zwei
Teile :
1. In die Messung der mittleren Energiedichte des kreisformigen Strahlquerschnittes vom Radius b = 5 , s . 10-s ern
(vgl. Photographie 1 Taf. IV).
2. In die Festlegung des Gradienten der Energiedichte
vom zentralen Teile, dem ,,Brennpunkte" nach dem Rande hin.
Die Feststellung des ersten Teiles, der absoluten Energiemessung der mittleren Energiedichte des Strahles, ist eine
Aufgabe, die bereits in der mehrfach erwiihnten Abhandlung
von Lebedew ausgefiihrt wurde.l) Wir werden uns an dieses
Verfahren anschlieBen, bemerken aber gleich, daB diese Messung an Sicherheit ihres Resultates mit den ubrigen in dieser
Schrift eingeschlagenen Methoden kaum in eine Reihe gestellt
werden kann. Auch Lebedew z, scheint sich dieses Umstandes bewuBt gewesen zu sein.
Dieses Verfahren besteht im Prinzipe in der Bestimmung
der (mit bezug auf Verluste korrigierten) Temperaturerhohung
eines Korpers (Kupferwiirfel und Thermometer bekannten
Wasserwertes, in unserem Falle 1,29 g), welches dieser wiihrend der Bestrahlung unter moglichst vollkommener Absorption
der auftretenden Strahlen pro Sekunde erfahrt. Diese Temperaturerhohung bestimmt sich fiir unsere Anordnung pro
Minute zu 0,067 Grad.S) Die der pro Sekunde eingestrahlten
1) 1. c.
2) Er schreibt in einer FuDnote: Fur Energiemessungen haben sich
Siemens ,,A"-Kohlen der auastrahlenden Bogenlampe gut bewiihrt.
Mit minderwertigen Kohlen sind Energiemessungen kaum ausfiihrbar.
3) Ann. d. Phys. 6. p. 433. 1901. Das von una benutzte Kalorimeter bestand aus einem parallelepipedischen Kupferkorper (Kmten
9,l x 9,0 x 27,O mm), in dessen vertikaler Bohrung sich das GefiiD eines
m 0,l Grad geteilten Thermometers befand. Der kleine Zwischenraum
zwischen Kupfer und Thermometer war mit Quecksilber auagefullt.
Der empirisch ermittelte Gesamtwasserwert dieses Systems betrug
1,29 g (der berechnete 1,23 g). Die den Strahl absorbierende Fliiche war
vollkommen beru8t.
Die Messungen selbst wurden wie bei Lebedew auf zweierlei Art
ausgefiihrt.
Die Photophorese.
119
W7%rmemenge Bquivalente Ergzahl ergibt die Energie der
St,rahlung. (Fig. 13).
An die Stelle der Kammer (Kondensator) Fig. 1, p. 87, in der
umere Lichtdruckmessungen vorgenommen worden waren, trat das oberwiihnte Kalorimetersystem ; daneben war ein Vergleichsthermometer
montiert. Daa Kalorimeter wurde von dem vom Objektiv austretenden
Strahle getroffen und der Temperaturanetieg des Kalorimeters sowie
eines Vergleichsthermometers durch ca. 20-30 Minuten von Minute zu
Fig. 13.
Fig. 14.
Minute durch ein Fernrohr abgelesen; sodann wurde die Bestrahlung
unterbrochen und der Ruckgang des Thermometers von Minute zu Minute
registriert. Man triigt hierauf auf Koordinatenpapier die durch Einstrahlung hervorgerufene Temperatur sowohl wiihrend der Erwiirrnungs- d s
Abkiihlungsperiode des Systems ale Funktion der Zeit auf, wie dies z. B.
Fig. 14 darstellt. Fur bestimmte mittlere Temperaturen des Kalorimeters ist dann die Erwiirmungs- bzm. Abkiihlungsgeschwindigkeit durch
die Tangenten gegeben. Die Sdmittpunkte solcher Tangenten mit den
zwei ihren Beruhrungspunkten z@ehorigen Ordinaten ergeben jene Temperaturdifferenz, die in der zu den zwei Ordinaten gehorenden Zeitdifferenz erreicht wurde, wenn die beiden bezuglichen Geschwindigkeiten
konstant wiiren. Vgl. diesbeziiglich Lebedew.
Die Summe dieser beiden gibt sodann die geaamte auf Verluste
korrigierte Temperaturerhohung des Kalorimeters. Als solche erhielt ich
beispielsweise
O,OOo + 0,13O = 0,13O,
0,03O + 0,OSo = 0,1lo,
0,05O + 0,Mo = 0,1lo
pro 2 Minuten, also i m Mittel 0,12O pro 2 Minuten.
F. Ehrenhaft.
120
So folgt die pro Sekunde auffallende Gesamtenergie S
(vgl. p. 112) zu
$
-0,067
'
4>2 ' lo'
1729.
.
= 6,037 104 __
60
sec
Aus dieser Gesamtenergie des Strahles findet man die mittlere Energiedichte pii aus
s
a = -nb'c
'
worin c die Lichtgeschwindigkeit und b = 5 , s .
cm der
der Photographie 1 Taf. I V entnommene Radius des Strahles
in seiner engen Zone bedeutet.
eine ca. 300mal groBere Energiedichte als die der unkonzentrierten Sonnenstrahlen, welche si'ch uber der Erdatmosphare,
wie bekannt, zu 7 .
Erg/cm3 ergibt.l)
Aw allen analogen Messungen ergab sich die auf Verlmte korrigierte
Temperaturerhohung pro Minute zu
0,072O, 0,0780, 0,05S0, 0,06S0, O,0SO0, 0,060°,
also eine mittlere Temperaturerhohung von 0,067O pro Minute.
Die selbst bei konetanter Lichtbogenstromstilrke ca. 10 Proz. betragenden Schwankungen sind vor allem auf die nie vollkommen gleichastige Einetrahlung durch den Kohlenlichtbogen zuriickzufiihren. Wesentlich einfacher und vor allem vie1 weniger zeitraubend envies sich die
zweite Methode zur Bestimmung der absoluten Energie des Strahles.
Liter Waaser auf
Das ganze Kalorimeter wurde in ein mit ca.
Zimmertemperatur gef iilltes MessinggefiiB der in Fig. 7 bsi L e b e d e w ,
1. c. p. 445,skizzierten Form, also in einen Ram konstanter Temperatur
gebracht. Das Kalorimeter im Innern des Gehiiuses wurde mit einem
'hopfen Ather befeuchtet und durch einen Luftstrom unter die Tem'peratur seiner Umgebung abgekiihlt urid hiemuf sofort bestrahlt.
Die Temperatur des im Kupferwiirfel befindlichen Thermometers
wurde als Funktion der Zeit in einer Kurve featgelegt. Die an diese
Kurve in jenem Punkte angelegte Tangente, in welchem die Temperatur
des Bades und des Halorimeters gleich werden, gibt die wahre Erwarmungsgeschwindigkeit des Kalorimeters. Solche Messungen ergeben Temperaturerhohungen 0,06O, 0,06O, 408 O pro Minute, also Werte, die mit den vorhergehenden ausreichend iibereinstimmen.
1) Vgl. E. Riecke, Experimentalphysik. 6. Auflage. 2. Bd. p. 737.
1912. - Vergleichen wir ferner daa Zitat aus Maxwells Lehrbuch hier
Bd. 2. p. 402.
Die Photophorese.
121
Nun gehen wir zum zweiten Teile der absoluten Energiemessung uber und bestimmen das GefZille der Energiedichte
im Strahle.
Zu diesem Zwecke denken wir uns die kreisformige Brennfliiche des Strahles (Photographie 1 Taf. IV) in acht konzentrische Zonen geteilt, deren erste ein Kreis vom Radius
rl = 0,66
cm, jeder folgende eine Kreisringzone von der
Breite r2 - r1 = 0,66
om
cm usw. bis r, - r, = 0,66 .
ist. Innerhalb jeder dieser Zonen wollen wir die Strahlungsdichte als homogen betrachten. Nun ist die Energiedichte in
den acht Zonen, also w,,w 2 . . . w,, zu bestimmen.
Zu diesem Zwecke verwenden wir die Silberkugel selbst
als Bolometer; denn bei Kiigelchen anniihernd gleioher GroSe
und gleicher optischer Beschaffenheit ist nach den erorterten
Grundsiit'zen die Energiedichte der Geschwindigkeit der Kiigelchen im Lichtfelde proportional, also
w=Cb
zu setzen.
Daher verhalten sich die Energiedichten in den acht
Zonen wie die mittleren Geschwindigkeiten der gleichartigen
Kiigelchen im Lichtstrahle in diesen Zonen, also wie
~1
z
~2
WS
. . . W, = b,
b2 z
. . . b, .
Bei vergleichenden Messungen mit Teilchen gleicher Beweglichkeit konnen an Stelle der KrZifte die diesen proportionalen Geschwindigkeiten treten. Nun bewegt sich ein Teilchen bei horizontal wirkendem Lichtstrahle auf einer Bahn,
/
/
'
'h,
__r
Li&tstrSh/
VmSJ
*V
v,
-L
-
Fig. 15.
deren Richtung jeweils durch die Resultierende der zwei auf
das Partikel angreifenden Kriifte, der vertihlen Schwerkraft
und der horizontalen photophoretischen Kraft, festgelegt ist.
F. Ehrenhaft.
122
Nun lassen sich graphisch aus den Bahnen solcher Teilchen
die zu gleichen Fallstrecken in den verschiedenen Zonen gehorenden bL, welch letztere gegen den zentralen Teil des
Strahles erheblich zunehmen, festlegen. (Fig. 15).
Eine solche Bestimmung ergab fiir die Verhaltnisse der
Gesohwindigkeiten im Lichtstrahle in den acht Zonen
. . b,
bl: b2: b,.
= 15,O: 3,7:
2,l : 1,5;1,0: 0,7:0,6: 0,5;
sine andere beobachtete Reihe ergab fiir diese Zahlen wie:
14,8 :2,O :2,O :1,7 :1,l :0,9:0,7 :0,4.
Aus diesen folgen, da die gesamte einstrahlende Energiedichte
bekannt ist, die Werte der Energiedichteverteilung in den
acht Zonen l), wie sie nachfolgende Tabelle enthalt.
Ta, belle.
Energiedichte
Erg
lo=7
cm
1) Es mu13
279
52
rIs IT wl + (rs - rl)2z w9 +
... = W n ba
sein. Da nunmehr die Energiedichte des Strahlea bekannt ist, kann man
arif eine interessante von G. Jiiger (Sitzungsber. d. Wiener Akad. d.
Wissensch. 123. p. 867. 1914) aufgeworfene &age eingehen.
Von der Erwiigung ausgehend, daB ein fester Korper, dessen Temperatur hoher ist als jene der umgebenden Luft, die anliegenden Luftschichten durch Leitung erwlirmt und ausdehnt, so daD eine aufsteigende
Stromung entsteht, welche auf den Korper eine &aft nach oben ausiibt
und so einen scheinbaren Gewichtsverlust desselben bewirkt, gelangt
Jliger zur Berechnung des scheinbaren Gewichtsverlustes einer in der
Luft suspensierten, bestrahlten Kugel.
Unter Zugrundelegung der Gleichung (6) der zitierten Abhandlung,
an welcher wir noch die dortselbst nicht angebrachte Korrektur S t o k e s Cunningham f = 0 einfiihren, erhalten wir fur eine Silberkugel vom
Radius 1
cm, welche mit der mittleren Energiedichte W bestrahlt
wird, fur daa Verhliltnis des scheinbaren, durch aufstromende Luft hervorgerufenen Gewichtsverlustes zum Gewichte der Kugel einen Wert 0,009.
Vgl. diese Abhandlung p. 25.
.
Die Photophorese .
123
Man sieht die erhebliche Zunahme der Energiedichte
gegen die Achse des Strahles, den Brennstrahl. In der innersten
Zone betragt die Energiedichte
wl = 279
*
Erg
cm' '
also ist sie hier ca. 4000mal groBer als die Energiedichte der
unkonzentrierten Sonnenstrahlung uber der Erdatmosphiire.
8 10. Vergleich dee aue der Qeechwindigkeit im Lichtetrahle
gemeeeenen Lichtdruckee mit dem theoretiech sue dem Strahlungedruckmaximum gefolgerten, sowie OriiBenbeetimmung der
Kiigelchen aua der lichtpoaitiven Photophoreee.
Wir berechnen nunmehr die auf die Silberkiigelchen von
der Strahlung ubertragenen ponderomotorischen K.r&ft,eunter
Zugrundelegung der im Lichtstrehle gemessenen Geschwindigkeit bL (vgl. Tabelle p. 101) und der Beweglichkeit des
Kiigelchens, wie sie aus der Fallgeschwindigkeit baw. aus dem
optischen Bilde nach den erorterten Methoden sich ergibt auf
Grund der Beaiehung
Zur leichteren Ubersicht seien nochrnals die notigen Daten in
einer Tabelle vereinigt; die Werte fiir die IGLfte sind in
Kolonne 12 der Tabelle p. 124 angefiihrt.
Aus der S c h w a r z s c h i l d -De byeschen Kurve war zu
entnehmen (vgl. p. 115), daB das Verhaltnis V des LichtEs folgt also auch theoretisch die Tatsache, daB selbst im intensiven
Teile des Strahles solche durch hypothetische Temperaturdifferenz zwischen
&gel und Gas angenommene Stromungen keinen beobachtbaren Effekt
bewirken konnen, wie dies auch experimentell auf einfache Weise gezeigt
wurde (vgl. D. Konstantinowsky, Sitzungsber. d. Wiener Akad. d.
Wissensch. 1%. p. 1706. 1914).
Hinsichtlich der von u n ~dieser Berechnung zugrunde gelegten
Energiedichte io sei noch bemerkt, daB fur die Beobachtungsserien der
Fall- bzw. Steigbewegung (GroBen- bzw. Ladungsbestimmungen) h u m
der 30.40. Teil dieser Energiedichte zu nehmen ist, da solche Serien
im diffusen Lichte ausgefiihrt werden (vgl. p. 99).
Wir kommen selbst unter Zugrundelegung der Energiedichte 5
mit der von G. Jiiger gezogenen Folgerung, daS der von ihm gekennzeichnete Effekt vie1 zu klein ist, als daO man ihn beriickeichtigen miilte,
in obereinstimmung.
..a
Q:
Q)
rl
W
,
W
N
..
9
W
CD
c
-N
$ g
cec
w s o
N
W
c
c
c
"
0
P
( 0 4
..!
W
W
e
.!!
N -c
W - Q ) C R * " N
".
N ( O - 4 4
c
"- "w
r
w
"-p
t: 2 2
I-
W
N
,
2
-0-
va
OKI-
%
0
"
4
0,
c
%
0
"4
Q)
P D W W 4 r l
0)
P .?
-4 "Q) W
"
m Q ) W
- !
m N
CrC
MittlereFallgeechwinigkeil
lo* cmlsec.
Geschwindigkeit im Licht.
strahle
lo8 cmlsec.
-
aus der Farbe
r, aus dem Widerstandsgesetz von
r, Stokeidhnningham
CI
c
c
c
4 m r . s
w
aue der Brownschen Bewegung
+
c
0
0
w
N
0
0
c
N
va
__
sn
-
01
0
c
-0
2
0
c
c
0
UI
+
"!
c
"oc
P
f
Lg
.
+
+
I-
taz
N
~
I
0,
aus dem Wider-1
standsgesetz von'
Stokes-Cunning-3
ham
Or;.
B
m
01
-
I
""
o c
0
Q)
"w
r, e loLo
el. st. E.
II
aua dem Geeetz
q v o n Stokes-Cunningham
"Z "E "Z
.g "g "E
II
k
r
I -
c
Die Photophese.
125
vpL
druckes
zur auf die Silberkugel auffallenden Energie na2w
ein Maximum bei Kiigelchen vom Radius
a = 9,8.
cm
haben mul3.
Bildet man nun diese Werte unter Zugrundelegung der
gemessenen Daten aus
%
7= W
b,
.- a1P w , '
I
-
B
n
indem rechter Hand slle gemessenen GroBen (bL die gemessene
Geschwindigkeit im Lichtstrahl, a der Radius BUS der Fsllgeschwindigkeit oder aus der Farbe des gebeugten Lichtes,
schlieBlich w1 = 279 . 10-3 Erg/cmS, die Energiedichte in der
Achse des Strahles) verwendet werden, so ist ersichtlich, daB
diese Werte V in der nach zunehmender Fallgeschwindigkeit
geordneten Partikelreihe ansteigen, bei den Kiigelchen Nr. 16,
17, 19, 18 ein deutliches Maximum erreichen und dann bei
groSeren Kugeln wieder abfallen.
Dieses Maximum mup nun nach der Beuguystheorie der
Strahlung seinm Hochstwert bei Kugeln 00112 Radius
a = 9,8
.
cni
erreichen.
Damit gelangen wir zu dem fiir uns wichtigen SchluB,
zur GroBenbestimmung submikroskopischer Gebilde BUS dem
photophoretischen Maximum. Von den bisher durchgefiihrten
Grohnbestimmungen (nach Wideistandsgesetz St o k es -Cun ningham f = 0 und Farbe des sbgebeugten Lichtes aus
Widerstandsgesetz f = 1, und schliel3lich aus der Brownschen Bewegung) ist iene erneuert gestutzt, welche fiir
das Kiigelchen, bei dem das Verhliltnis des Lichtdruckes
zur auffallenden Energie ein .Maximum erreicht (Partikel 17),
den Radius 9,s.
cm ergibt (vgl. Tabelle p. 124, Kolonne 15).
Das trifft zu bei den Resultaten, die auf Grund der oberen
Grenze deP St o ke s -Cunning h a msehen Widerstandsgesetze
und der beobachteten Farben ubereinstimmend ermittelt
wurden, wie nachfolgende Tabelle zeigt.
F. Ehrenhaft.
126
Ta belle
iiber Radienbestimmung des Kiigelchens
aus dem
Widerstandageaetee
der
Farbe
f=0
I
I
f=1
Nr. 17, Rndins
aus der
Brown mhen
Bewegung
(N=60-1OP8)
I
106 ern
aus dem
&rahlmgsdru&maximum
1
I
15
9,8
W ~ersehen
T
das wicktige Resultcat, dap die Gropenbestimmung
nach der oberen Grenze des Stokes-Cunninghomschen Widerstandgesetzes (f = 0) mit der Gro@enbestimmung aus der Farbe
und am dem Strahlungsdruckmaximum ubereinstimmen; die
Bro wnsche Bewegung gibt unter Zugrundelegung obiger
Loschmidtscher Zahl einen zu groSen, die untere Grenze
des Widerstandsgesetzes einen zu kleinen Radius.
Dieselben Verhiiltnisse finden sich bei allen ubrigen Metallkugelchen vor, so daB dieses Kugelchen als typisches Beispiel
zu betrachten ist.
Damit sind sber drei voneinander unabhiingige Wege
zur GroBenbestimmung submikroskopischer Partikel gewiesen,
der mechanische, dessen VerliiBlichkeit schon durch rein mechanische Versuche nahegelegt war, der optische, und der strahlungstheoretische, welch letzterer neu betreten wurde., In ihren
Grundlagen und in der Art ihrer experimentellen Erforschung
voneinander unabhiingig, stimmen sie uberein und stutzen einander deshalb wechselseitig.
Wir konnen nun auch zum Vergleich der Beziehung der
auf die Silberkugelchen ausgeubten Strahlungskriifte ubergehen, welche sich erstens aus
>und zweitens fiir Silberkugelchen nahe dem Lichtdruckmaximum zu p~= 3,3 R a2w, bestimmen lassen.
Bei Partikel Nr. 17 im Maximum der Photophorese ergibt sich ersterer Wert
)5BL=-Der Wert 3,3
.7c
B
- 323
Dyne.
a2 w1 = 278. 10-l2 Dyne.
Die Photophorese.
127
Auch die iibrigen Werte der Kurve stimmen der GroBenordnung nach uberein. Um in dieser Frage ein Uiteil abgeben zu konnen, will ich die Bogenlanipe durch eine konstante Strahlungsquelle ersetzen und monochromatische Strahlen
vemenden .
Erst nach Ausfuhrung derartiger Versuche sollen auch
aus diesen Resultaten weitsere Schliisse gezogen werden, von
welchen die hier durchgefiihrt,e GriiBenbestimmung der Kiigelchen, sowie die Nachweise iiber die Art der lichtpositiven und
lichtnegativen Krafte, wie schon erortert, unabhiingig sind.
11. Noch einiges uber lichtnegative Kriifte.
Es erubrigt nunmehr, noch einige Bemerkungen uber die
lichtnegative Bewegung zu machen. Auch hier ist sofort ersichtlich, daB Kugeln bestimmter GroBe selektiv beeinflukit
werden. Buch bei Schwefel- und Selenkugelchen erreicht der
lichtnegative Effekt bei Kugelchen bestimmter GroBe ein
Maximum.
Aus meinen Beobachtungen ftihre ich noch an, daB ich
auch an sehr kleinen Schwefelkugeln deutliche lichtnegative
Photophorese btobachten konnte. Ein blaues Kugelchen -sein
Radius betrug ca. 8 .
em - wanderte beispielsweise in
70,9 Sekunden die Strecke 3 . 1 1 , 4 .
em zum Lichte,
rin griines Schwefelkiigelchen die Strecke 5,5.11,4.
ern
in 29,9 Sekunden. Es waren dies Beobachtungen im reinsten
trockensten Argongase bei normalem Drucke.
Die groBeren Schwe'felkiigelchen, bei welchen man noch
lichtnegative Photophorese messen konnte, hatten einen Durchem. Bei dieBen
messer von der GroBenordnung 1-2 .
durfte der Bengung keine ausschlaggebende Rolle mehr zukomnien.
Es ware daher die Frage zu ent,sclieiden, o b die lichtnegative Bewegung auch noch an Probekorpern konstatiert
werden kann, deren Dimensionen so hohe Vielfache der Wellenlange des Lichtes betragen, daB die Beugung der Strahlen
uberhaupt keine Rolle mehr spielt.
Daraus ergibt sich die weitere Problemstellung, o b es
nicht etwa groBe Fliichen bestimmter chemischer Zusammensetzung gibt, die, vom Lichte bestrahlt, entweder gar nicht
F. Ehrenhaf t.
128
affiziert oder angesogen, aber nicht abgestoBen werden, wie
dies letzteres allein nach den Hypothesen von B a r t o l i und
B o l tz m an n , welche sie zur Aufrechterhaltung des zweiten
Hauptsatzes der Warmelehre in die Grundlagen der physikalischen Wissenschaft einfiihrten, zu erwarten ware.
Vorliegende Untersuchungen weisen darauf hin, daB die
Kiaftwirkungen zwischen Msterie und Strahlung vie1 komplizierterer und mannigfacherer Art sind als jene Druckwirkung
des Lichtes, welche sllein bisher vorausgesetzt wurde.
Hier habe ich versucht einen Weg anzubahnen, der zur
Erforschung der Wechselwirkung zwischen Strahlung und
Materie dienen konnte. Im Anhange gebe ich einen Auszug BUS meinen Messungsprotokollen wieder, soweit diese vorgehenden Erorterungen
zur Basis dienten uhd nicht anderwarts publiziert werclen.
Anhang.
Ag in
Fmbe: griingelb
Ladung: negativ
Beleuchtungsoptik: Objektiv AA
Beobachtungsoptik: Objektiv A A,
Okul&r 1 2 m Restrum
N Nr. 1.
aLlchtdr. = 11,44.
cm
sFpll= 11.80. lov8 em
d = 0,392 em
= 122 Volt
v
Lichtdrckmessung.
Strahl rechta: 4,9* 5,4* 4,0* 6,3* 6,2* 8,3* 6,3* 3,9*.
Fallzeit:
9,& Sek.
Steigwiten: 0,76 Sek., 0,70 Sek.
A g in N Nr. 4.
d = 3,92mm
V = 126 Volt
Farbe: orange
Ladung: negativ
aLichtdr. = 1 1 , 4 .
sFd = 11,s.
cm
em
LicbMruckmessung.
Strahl rechte: 1,90*, 1,65*, 1,70*, 1,70*, 1,20*, 1,70*, 1,30*, 1,50*, 1,80*.
Fallmiten: 3,76 3,40
3,30
1,80 Sek
1.80 Sek
Steigzeiten: 1,40 1,55
Die Photophorese.
Ag in N Nr. 14.
Farbe: gelb
Ladung: negativ
aUcht*. = 11,s.
cm
= 11,44. 1P8cm
Lichtdruckmessung.
Strahl rechts: 0,9*,
1,2*.
Fallzeiten.
5,3
62
6,3
Steigzeiten.
1,9
2.4
129
d = 0,392 cm
V = 23 Volt
992
A g in N Nr. 16.
Farbe: gelb
J d u n g : positiv
sLiChtdr.
= 11,s.
sFall= 11,44
d = 0,392 cm
= 23 Volt
V
cm
cm
Lichtdruckmessunfr.
2,95*.
Strahl rechts: 1,95*
Fallzei ten.
5990
8,80
8,65
i.40
4,50
4,230
7,40
11,80
5,90
5,70
4,30
7,lO
11.3B
Steigzeiten,
4,20
2.70
3,lO
2,45
2,80
8,55’)
3,36
3,30
.
7,50
G,85
8,30
3,16
A g in N Nr. 18.
Farbe: gelb
d = 0,392 cm
Ladung : p s i tiv
V = 16,s Volt
aLichtdr. = 11,s. lo-* cm
aFou = 11,44.
cm
Lichtdruckmessung.
RtrRhl links: 1,4,
l,m, 0,63
,, rechts: l,lO, 1,05*, 1,20.
Fallzeiten.
6,ZO
7990
4,OO
4,OO
8,05
3,20
7,17
4,OO
6,35
7,40
5.90
8.00
7,45
4,20
4,00
5,oo
4,30
6,GO
6,40
5,235
Steigzeiten.
3,20
2,75
1,95
2,lO
2,65
2.7h
2.60
2900
1,80
3950
3,M
3940
1,90
2,80
2990
1) fber drei Fallstreeken.
Annalen der Physik. IV. Folge. 56.
9.
F. Ehrenhaft.
130
A g in N Nr. 17.
d
Fsrbe: gelb
Ladung:
- negntiv
-
0,392 cm
V = 117 Volt
= 11,s SF.^ = 11,M.
cm
cm
Lichtdruckmessung.
Strahl rechts: 1,70 1,17 0,66* 0,62* 0,67*.
Fallzeiten.
4,09
5,70
7,74
4,55
7,08
4,08
4,31
5,40
5,57
4,62
5,O9
3790
3,46
3,39
4,32
7,23
4,91
530
5,77
4,64
4.02
4,68
4,17
Steigzeiten.
2,73
2,16
2,53
2,30
2,32
3,OO
2,62
2,90
2,54
2,63
3,05
2,73
1,98
2,95
2,80
2,66
4,28
2,97
2,73
3,75
2,92
2,97
ttLlchtdr.
5,45
4,60
339
4,15
6,OO
2,68
3,21
4,31
3,68
3,07
A g in N Nr. 18.
Farbe: orange
Ladung: negativ
8nc,,*. = 11,80.
= 11,44.
d = 0,392 cm
v = 18 Volt
cm
cm
LichMruckmessung.
Strahl rechts: 0,83* 1,00* 1,00*.
Fallzeiten.
7,06
3,99
3.22
3,70
5,OO
4,04
3,06
5,73
6,46
Steigzeiten.
1,07
1,26
1,30
1,lO
1,14
1,04
4,65
4,05
644
1,33
1,40
1.00
Ag in N Nr. 10.
Farbe: gelb
Ladung: positiv
ttLiChtar. = 11,8.
ttFd = 11,44.
cm
cm
Lichtdruckmessung.
1,33,
0,85
Strahl links: 0,62,
,, rechts: l,lS*, O,%*,
1,W*
d = 0,392 cm
v = 77 Volt
D i e Photophorese.
4,26
5,15
4,56
4,50
7.05
4,91
3,94
$61
5,90
11,62
5,95
6,83
4,93
7,75
131
Fallzeiten.
5.85
7,OO
3,36
5,OO
4,77
5,71
3,50
4,65
4,65
Steigzeiten.
5,95
7,83
6,60
3,ii
6,lO
5,lO
6,96
6,lO
A g in N Nr. 21.
Farbe: orangegelb
d = 0,375 cm
Ladung: poeitiv
V = 35,6 Volt
sLichtdr.
= 11,8. 10-3 cm
sFdl = 11,44.
cm
Lichtdruckmessung.
Strahl rechts: 1,90* 2,02* 1,59* 2,14* 0,77* 1,22*.
Fallzeiten.
2,06
3,94
4,35
Steigzeiten.
0,8i
0,79
Ag in N Nr. 22.
Farbe: gelb
d = 0,375 cm
Ladung: positiv
v = 34,5 Volt
sLiohMr.
= 11,s.
cm
aFdl = 11,44. 10-3 cm
Lichtdruckmessung.
Strahl rechts: 1,79* 3,27*.
Fallmiten.
8,45
8,35
8,92
5,37
Steigzeiten.
7,40
L i c h t p o s i t i v e photophoretische Passagezeiten d e r S i l b e r kugelchen bei verschiedenen Stickstoffgasdrucken.
(Paasageseiten auf eine im Lichtstrahle zuriickgelegte S h c k e von
8 = 11,8. 10-3 cm reduziert.)
Normaier Druok 760mm Hg.
Passrrgezeit in Sek.:
2,20
1,60
0950
3.35
0,80
1,70
1,20
1,30
1,25
1,450
0,90
1,50
560mm Hg.
0,6
28
12
0,s
08
3,@
1,8
2,o
195
0,8
1.9
1,o
LO
1,2
198
28
0,4
13
096
1,5
400Hg.
2,80
0,40
2,40
0,30
1,40
0,80
1,lO
1900
1,oo
0,80
0,40
9*
F. Ehrenhft. Die Photophorese.
132
0,40
1,20
1940
0,60
0,80
0.20
0,80
0,40
0,40
0,70
320mm Hg.
0,80
0,60
440
0,230
0,80
220mm Ha.
0,50
l,oo
0,90
0,50
0,20
0,30
0,30
0,20
0,30
0,30
100mm Hg.
0,50
0,50
0,20
0,20
0,40
O M
l,oo
2,80
0,40
0,50
0,40
2,40
1,30
l,oo
0,50
0,70
0,30
0,40
0,10
Lichtnegative photophoretische Passagezeiten d e r Schwefelkiigelchen bei verschiedenen Argongasdrucken.
(Pamagemit in Sekunden auf eine gegen das Licht zuruckgelegte Strecke
von 8 = 11,8.
cm reduziert.)
743mm Hg.
9,80, 7,60, 6,70, 6,60, 6,80, 6,60, 5,90, 5.30, 6,00, 4,70,
4,88, 5,40, 5,50, 3,04, 4,50, 4J8, 3,83, 412, 3,45, 4,70,
2,80, 3,30, 4,02, 3,10, 3,70, 6,08, 3,30, 5,10, 4,58, 4,42,
6,32, 4,93, 6,70, 4,30.
500mm Hg.
5,70, 3,66, 4,90, 6,60, 4,48, 3,64, 6,08, 4J8, 3,64, 4,38,
5,50, 3,70, 4,13, 4,18, 2,10, 5,80, 4,20, 4,85, 5,10, 4,80,
416, 5,00, 3,80, 3,68, 4,91, 3J7, 4,83, 3,00, 7,28, 3,72,
4,62, 2,92,
338mm Hg.
3,50, 2,30, 4,56, 5,25, 3,36, 2,20, 3,06, 3,66, 3,50, 3,30,
3,52, 2,40, 3,52, 4,80, 6 3 , $40, 3,76, 490, 6,00, 480,
2,40, 4,76, 4,40, 6,30, 4,20, 4,10, 2,90, 3,52, 4,70, 5,55,
8,80, 6,40, 7,OO.
203mm Hg.
3,78, 2,18, 3,96, 334, 430, 2,48, 3,64, 2,81, 3,08, 330,
1,M, 3,34, 3,78, 3,76, 2,80, 341, 4,68, 408, 5,00, 3,38,
3,30, 4,22, 5,95, 5,30, 3,22, 3,24, 3,56, 2J6, 3,20, 2,70,
2,38, 4,32, 240, 3J0, 4 3 % $24, 3,44, 2,72, 22% 5,10,
2,32, 4,86, 3,80, 3,00, 3,60, 3,m, 3,60, 2,50, 3J1, 3,00,
3,20, 7,20, 2,90, 2,70, 3J6, 430, 3,60, 2,76, 4,10, 3,93,
3,18, 4,50, 2,70, 4,00, 2,24, 2,70, 2,25, 3,64 3,30, 346,
6,30, 3,00, 2,95, 380, 650, 3,00, 3,56, 3,0, 4,20, 3,60.
103 mm Hg.
2,08, 1,90, 1,86, 2,00, 1,88, 2,40, 1,00, 1,50, k70, 1,84,
1,60, 1,40, 1,50, 1$6, 2,00, 1,70, 233, 230, 3,60, 1,60,
2,60, 1,76, 1,98, 1,85, 1,70, 2,12.
68mm Hg.
1,50, 1,60, 2,08, 1 3 , 1,75, 0,95, 1,50, 0,80, 0,70, 186,
1,14, 1,25, 0,96, 1,40, 1,40, 1J2, 1,32, 1,40, 1,28, 1J6,
1,20, 1,70,
1,24, 1,36, 1,08, lJ6, 132, 1,40, 1,00,
0,90, 0,96, 1,40, 1,20, 1,30.
Wien ; Universitat, Juli 1917.
(Eingegangen 14. Januar 1918,)
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