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Die spontane Elektronenemission glhender Metalle und das glhelektrische Element.

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JG 13.
1915.
ANNALEN DER PHYSIK.
VIERTE FOLGE. BAND 47.
1. D$e spontane Elektronenern.Cs84om gliihender
MetalZe und das yliiheZebtrische EZement;
von W.SchZ4chter.1)
(Xtteilung aus dem Institut fur angewandte Elektrizitiit an der
Universitiit Gottingen.)
I n h a l t s v e r z e i c h n i s : E r s t e r A b s c h n i t t . Einleitung. I. Die
Aufgabe. 11. VerhLltnis d e r A r b e i t zu d e n bisherigen Untersuchungen. A. Spontane und erzwungene Wirkungsweise des Gliihelementes. Der spontane KurzschluDstrom. B. Problemstellung. C. Unter
v-elchen Bedingungen konnen siimtliche von der Gliihelektrode emittierten
Elektronen die Gegcnelektrode spontan erreichen und in dieselbe eintreten ? D. Die Gliihelektrode nach Erfiillung der genannten Bedingungen.
1. Verhalten der vollig reinen Elektrode. 2. Verhalten der nicht reinen
Elektrode. E. Notwendigkeit einer besonderen Untersuchung iiber die
spontane Elektronenemission. - Z w e i t e r Abschnitt. Untersuchungen
uber die spontane gliihelektrische Emission. I. Die Versuchsnnordnung. A. Die Heizmethode. B. Der iiltere Apparat. C. Storungen
durch den Heizstrom. D. Der neue Apparat. E. Die Zuleitungen. F. Die
geometrischen VerhLltnisse. G. Das Vakuum. H. Schaltungsschema und
MeDtechnik. 11. Die Versuche a n Platin. A. Anteil der positiven
Emission im spontanen KurzschluDstrom. B. Ein Kriterium fur die Reinlieit der Gliihelektrode. C. Die Abhlingigkeit des spontanen KurzschluDstromes von der Gliihtemperatur. Spontane Temperaturcharakteristik.
1. Der allgemeine Charakter. 2. Die spontanc Temperaturcharakteristik
unter reinen Verhliltnissen. a) Die Versuche selbst. b) Auswerteverfohren. 3. Die spontane Temperaturcharakteristik unter nicht reinen
Verhliltnissen. a) Allgemeines. b) Die noch neue Elektrode. c) Kiinstliche Beeinflussung durch Zulassung von Luft. d ) Ruckfall. e) Die mit
Salpetersliure behandeltc Elektrode. D. Diskussion und Zusammenfassung.
1. Geltung der thermodynamischen Ableitung des Emissionsgesetzes fur
die unreine Elektrode. 2. Okklusion und Adsorption von Gasen. 3. Zustand bei starker positiver Emission. 4. Der reine Endzustand. 5. Vergleich der spontanen Konstanten mit denen der Slittigungsstrommethode.
111. Versuche m i t Nickel. A. Versuchsbedingungen. B. Die positive
Emission. C. Das Verhliltnis vom spontanen Strom zum S&ttigungsstrom. D. Die Temperaturcharakteristiken des spontanen und des gesattigten Stromes. E. Die Endwerte der spontanen Temperaturcharakteristik. F. Versuche mit Wasserstoff. G. Reaktion auf Schwingungen.
H. Diskussion.
D r i t t e r A b s c h n i t t . Das gluhelektrische Element.
-
1) Gekiirzte Gottinger Dissertation.
Anoslen der Physik. IV. Folge. 47.
37
574
17. Schlichter.
I. E i n l e i t u n g . 11. D a s e i n f a c h e G l i i h e l e m e n t bei E n t n a h m e
e l e k t r i s c h e r Arbeit. A. Allgemeines Schema und Untersuchungsmethode. B. Theorie der Arbeitscharakteristik auf Grund der R i c h a r d so nschen Geschwindigkeitsverteilung. C. Die experimentellen Ergebnisse.
1. Versuche a n Platin. a) Versuche mit dem alteren Apparat. b) Versuche mit dem neuen Apparat. 2. Versuche an Nickel. 3. Zusammenfassung. 111. D i e E n e r g e t i k d e s e i n f a c h e n Gliihelementes. A. Der
thermodynamische KreisprozeB. B. Der gesamte UmsetzungsprozeB mit
Beriicksichtigung der Warmeleitung und Warmestrahlung. 1. Definition
des praktischen Nutzeffektes. 2. Die audere Leistung L,. 3. Die gesamte dem Element zugefiihrte Warmemenge. 4. GroBenordnung des
praktischen Nutzeffektes. C. Der ohne Beriicksiclitigung des Strahlungsverlustes sich ergebende Nutzeffekt. SchluB.
Erster Abschnitt.
Einleitnng.
1. Die Aufgabe.
Unter dem Namen ,,gluhelektrische Erscheinungen" sind
seit einer Anzahl von Jahren physikalische Vorgknge bekannt,
die sich im wesentlichen darin auBern, da13 im Vakuum
gluhende Korper, insbesondere Metalle, die Fahigkeit zeigen,
elektrisch geladene Teilchen auszusenden, die man auch ohne
Zuhilfenahme eines befordernden Feldes auf einer kidder gehaltenen, gegenubergestellten Elektrocle auffangen und in
einem BuSeren Kreis als Strom messen kann.
Wahrend die anfanglich besonders bei tiefen Temperaturen und weniger gutem Vakuum auftretende positive Emission verhaltnismaI3ig rasch mit der Zeit abklingt, bietet die
meist erst bei hoheren Gluhtemperaturen und gutem Vakuum
zu beobachtende negative Emission das Bild einer zeitlich
einigermal3en konstanten und auch sonst wohl definierten
Erscheinung. Die Trager der positiven Entladung sind positive Ionen; die nach Abklingen der positiven allein ubrigbleibende negative Emission dagegen besteht aus reinen Elektronen.
Diese verlassen nach Art eines Verdampfungsprozesses das - nnch Auffassung der Elektronentheorie der
metallischen Leitung - an freien Leitungselektronen reiche
Metal1 in einer durch die Natur des Metalles und die Temperatur bestimmten gesetzmaSigen Weise. 1)
Die von dem gluhenden Metal1 ausgehenden Elektronen
1) 0.W. R i c h a r d s o n , Jahrb. d. Radioaktivitlt u. Elektronik 1.
1904.
Die spontnne Elektronenemission gluhender Metalle.
576
laden die ihnen gegenubergestellte kuhlere Elektrode negativ.
wahrend die Gluhelektrode selbst durch den Verlust negativtr
Elektronen positiv wird : es entsteht zwischen beiden eine
Potentialdifferenz.
Verbindet man die heiBe und die kalte Elektrode durch
eine auBere Leitungsbahn, so stellt die Anordnung in bezug
auf diese ein Element dar, welches dauernd Energie an die
Leitungsbahn abgibt.
Diese Energie entstammt durch Vermittlung des Elektronenverdampfungsprozesses der Warmequelle, welche die
Temperaturdifferenz der Elektroden aufrecht erhalt. Prinzipiell ist hier also eine Moglichkeit gegeben, Warmeenergie
direkt in elektrische Energie zu verwandeln. Im Hinblick
darauf, da13 eine rationelle Methode dieser Art von groBer
technischer Bedeutung sein wiirde, veranlaljte niich Herr
Prof. H. Th. S i m o n , die Moglichkeit und die Arbeitsweise
eines solchen ,,Gluhelementes" experimentell und theoretisch
zu untersuchen.
11. VerhZiltnis der Arbeit a u den bisherigen Untersuchungen.
A. S p o n t a n e u n d e r z w u n g e n e W i r k u n g s w e i s e d e s
Gluhelementes. - Der spontane KurzschluBstrom.
I n Anbetracht der grol3en Zahl von experimentellen Untersuchungen, die zurzeit uber gliihelektrische Erscheinungen
vorliegen, mochte es zunachst scheinen, als ob die gestellte
Aufgabe im unmittelbaren AnschluB an diese in Angriff genommen werden konnte. Dies ist jedoch nicht der Fall. Allerclings sind eine Reihe wichtiger Resultate der bisherigen Forschung auch fur diese Arbeit als von grundlegender Bedeutung
erkannt und verwertet worden. Im ubrigen aber erwies es
sich als notwendig, die Untersuchungsmethode dem Ziel der
Arbeit entsprechend wenigstens in einem Punkte neu zu
orientieren.
Die Untersuchung der gluhelektrischen Erscheinungen
pflegt namlich im allgemeinen in folgender Weise vorgenommen
zu werden. Man schaltet, wie es Fig. la1) schematisch zeigt,
1) Um die VerhLltnisse vorlliufig nicht unnotig zu komplizieren,
ist dabei angenomruen,da13 die Elektrode nicht wie sonst iiblich elektrisch,
sondern durch Einstrahlung geheizt wird.
37 *
576
W . Schlichter.
in den aus Gluhelekt,rode, Vakuum, kalter Elektrode und Galvanometer gebildeten Stromkreis eine regulierbare elektromotorische Kraft von solcher Richtung ein, da13 sie die an
der Gliihelektrode erzeugten Elektronen befordert. Man erhalt
dann als Funktion dieser elektromotorischen &aft einen
Strom, der schlieljlich in bekannter Weise dem Grenzwert
der Sattigung zustrebt. Dn die Sattigung dadurch bedingt
ist, daB das Hilfsfeld ebenso viele Elektronen wegfihrt, als
in derselben Zeit erzeugt werden, so client der Sattigungsstrom
als ein Ma13 ftir die an der G l t h elektrode in der Zeiteinheit unter
diesen Bedingungen erzeugten Elektr onen.
Diese nach der Methode der
Sattigung
ausgefuhr ten
Un tersuchungen aber stehen, wie man
leicht einsieht, schon deshalb auljerhalb unseres Problems, weil das
Gluhelemcnt hier, vom energetischen
Standpunkt aus betrachtet, lediglich die Rolle eines Verbrauchers
von Energie spielt. Der in dieseni
Kreis flieBende gliihelektrische Strom
steht unter dem Zwang der eingefugten Hilfsspannung; wir wollen
Zur Pumps
ihn
cleshalb einen erzwungenen Strom
Fig. l a u. 1 b.
nennen, und allgemein in ditsem
G = Galvanometer
Fall von einer erzwungenen WrkungsQ = Regulierbare E.M.K.
A = Gliihelektrode
weise des Gliihelementes sprechen.
B = Gegenelektrode
Als Generator, im Sinne una = erzwungen
2, = spontan (kurzgeschlossen). serer Aufgabe, kann das Element
nur dann wirken, wenn die Elektronen ohne jede auljere Unterstiitzung die kuhlere Gegenelektrode erreichen, diese aufladen und unter derwirkungder so selbst
geschaffenen Potentialdifferenz clnrch den auljeren Kreis zur
Gliihelektrode zuriickstriirnen. Den einfachsten Fall dieser
Art zeigt Fig. 1b. Sie ergibt sich nus Fig. 1 a lediglich dadurch,
(la13 wir die Hilfsspannung ganzlich fortlassen und von den
Enden drr Elektrodenzufuhrungen unmittelbar zu den Klemmen
des iVel3galvanornetels gehen. Setaen wir dabei bis %uf weiteres
Die spontane Elektronenemission gluhender Metalle.
577
voraus - was bei der Sattigungsstrommethode nicht notwendig ist -, daB sowohl die beiden Elektroden, als auch
ihre Zuleitungen bis zu den auf Zimmertemperatur befindlichen
Punkten X und Y aus einem und demselben Material bestehen, so sind in diesem Kreis keinerlei besondere Spannungen
mehr wirksam. (Von den sehr kleinen, durch den Thomsoneffekt bedingten Potentialdifferenzen langs der Zufiihrungen
konnen wir, da diese selbst bei Temperaturdifferenzen von
1000 O nur etwa l/loo Volt betragen, absehen.)
In dissem Falle arbeitet also das Gluhelement vollkommen
aus sich selbst heraus. Wir wollen deshalb von einer spontanen Wirkungsweise des Gluhelementes sprechen und die in
einem solchen Kreis flieBenden Strome spontcme Strome nennen.
Diese spontane Wirkungsweise ist es, der sich im Gegensatz zur bisherigen Forschung unser eigentliches Interesse
zuzuwenden hat. Wir knupfen zunachst an die Schaltung l b
eine Bemerkung an. Der in diesem Kreis flieBende spontane
Strom hat gegeniiber denjenigen erst spater zu behandelnden
Fallen, wo erhebliche Widerstiinde in den Kreis eingeschaltet
werden, folgende speziellere Bedeutung. Der aus den Zuleitungen zu den Elektroden und dem Mefigalvanometer bestehende gesamte Widerstand w gibt zusammen mit dem sehr
kleinen gliihelektrischen Strom i, ein Oh msches Spannungsgefiille i,w, das stets kleiner sls l/looo Volt gehalten werden
kann. Da diese Spannung zugleich die Potentialdifferenz der
beiden Elektroden darstellt, verhalt sich bei dieser Schaltung,
wie aus spateren Uberlegungen genauer hervorgehen wird,
das Gluhelement praktisch genau so, als ob es vollig kurz
geschlossen ware. Wir nennen deshalb den bei der Anordnung 1b beobachteten spontanen Strom i, spezieller den
spontanen Kurxschluflstrom des Elements. Er stellt die eigentliche FundamentalgroBe unseres Gluhelementes dar, und unsere
Untersuchungen werden demgemaB von ihm ausgehen mussen.
B. Problemstellung.
Der soeben eingefiihrte spontane KurzschluBstrom pflegt
im allgemeinen nicht besonders untersucht zu werden. Er
erscheint lediglich als der Spezialfall, in dem die eingefugte
Hilfsspannung den Wert 0 hat. Gleichwohl kann man aus
denjenigen Versuchen, die sich mit der Abhangigkeit des
gluhelektrischen Stromes von der eingefugten Hilfsspannung
578
W . Schlichter.
beschaftigen, erkennen, dal3 der beim Einschalten der Hilfsspannung erzwungene Strom stets grBI3er ausfallt, als der
spontane KurzschluWstrom. Der spontane KurzschluBstrom
ist also auch stets vie1 kleiner als der zugehorige Sattigungsstrom. Dies gilt nicht nur etwa fiir eine erstmalig gegluhte Elektrode, bei der man noch mit einer erheblichen positiven Emission zu rechnen hat, sondern auch, wenn nach ofterem Ausghihen die Elektronenemission allein vorhanden ist.
Unter der befordernden Wirkung einer Hilfsspannung fliepen
demnach stets mehr Elektronen als unter spontanen Bedingungen.
Angesichts dieser allgemeinen Erfahrung erhob sich fiir
uns die grundlegende Frage : 1st dieser Unterschied zwischen
der spontanen und cler erzwungenen Wirkung lediglich darauf
zuruckzufuhren, daW spontan zwar ebenso viele Elektronen
aus der Gluhelektrode austreten, wie unter der Wirkung der
Hilfsspannung, aber zum Teil durch Bedingungen zwischen
den Elektroden verloren gehen unci erst durch die Hilfsspannung
auf die Strombahn gezwungen werden, oder aber werden unter
der Wirkung der Hilfsspannung auch an sich mehr Elektronen
emittiert, als ohne eine solche spontan aus der Gluhelektrode
austreten.
I m ersteren Falle ist der Unterschied zwischen spontaner
und erzwungener Wirkung ein mehr formaler. Es werden
gewisse Forderungen an die Versuchsbedingungen, insbesondere
hinsichtlich der geometrischen Verhaltnisse, des Vakuums u. dgl.
zu stellen sein, um zu ermoglichen, daB alle diejenigen Elektronen, die sonst erst erzwungen flieBen, auch schon spontan
die Gegenelektrode erreichen und in dieselbe eintreten. Im
zweiten Falle aber wiirde die Verschiedenheit der Zahl der
austretenden Elektronen auf eine Verschiedenheit des Anstrittsvorganges selbst hinweisen. Wir hatten dann in vie1
mehr prinzipieller Weise zwischen einer Elektronenemission
unter spontanen Bedingungen und einer solchen bei Sattigung
zu unterscheiden.
C. U n t e r welchen B e d i n g u n g e n k o n n e n s a m t l i c h e von
d e r G l i i h e l e k t r o d e e m i t t i e r t e n E l e k t r o n e n d i e Gegenelektrode spontan erreichen und indieselbe eintreten?
Es handelt sich dabei in erster Linie um folgencle
Pun kt e :
Die spontane Elektronenenzission gluhender Metalle.
579
1. Sollen alle emittierten Elektronen die Gegenelektrode
erreichen konnen, so miissen die geornetrischen Bedingungen
solche sein, dal3 die Gegenelektrode moglichst die ganze wirksame Winkeloffnung der Gluhelektrode besetzt halt, so daB
keine, oder nur vernachlassigenswert wenig Elektronen, von
der Gluhelektrode ausgehend, an der Gegenelektrode vorbeiflieg en konnen.
2. Das Vakuum mu13 so gut sein, dalj ein Elektron auf
seiner geradlinigen Bahn von der Gluhelektrode zur Gegenelektrode nicht mehr von Molekulen aufgehalten werden kann,
d. h. dal3 seine freie Weglange durch die Molekulschar grol3
ist gegen den von ihm zuruckzulegenden Weg. Da sich die
emittierten Elektronen nach den Richardsonschen Versuchen uber ihre Geschwindigkeitsverteilung1) wie ein ideales
Gas von der Temperatur der Gluhelektrode verhalten, so berechnet sich, wenn man die Elektronen im Vergleich mit den
Molekulen als punktformig betrachten darf, ihre mittlere freie
Wegliinge durch ein materielles Gas hindurch nach den Prinzipien der kinetischen Gastheorie als 1/4 der freien Weglange,
die den Molekulen des materiellen Gases bei der betreffenden
Temperatur unter sich zukomnit. 2,
Berechnet man danach die mittlere freie Weglange von
Elektronen, die sich als ein ideales Gas von Zimmertemperatur
in Luft von Zimmertemperatur bewegen, so ergibt sich folgende
Tabelle :
T a b e l l e I.
Luftdruck p
1
mmHg
0,1
7,
0,01
1,
9,
,,
1
Mittl. fr. Wegliinge der
Elektronen d. d. Molek.
0,03 cm
073
3
,,
7,
1 ) 0. W. Richardson, Phil. Mag. 16. p. 353 u. 890. 1908.
2) G. JLger, Die Fortschritte der kinetischen Gastheorie (Sammlung ,,Die Wissenschaft").
580
W . Schlichter.
emittierten Elektronen durch das zwischen den Elektroden
befindliche Gas von hoherer Temperatur als untere Grenzwerte beibehalten.
Wie man aus dieser Tabelle sieht, hat man bei dem ublichen
Elektrodenabstand von etwa 5 mm schon bei einem Vakuum
von p = 0,Ol mm Hg nicht mehr zu befiirchten, daB Elektronen von Molekulen aufgehalten werden. Ein solches Vakuum
ist aber bekannt-lich leicht zu erreichen und auch bei den
nieisten bisherigen Versuchen vorhanden.
3. Eine dritte Ursache, die in vielen Fallen fiir den Unterschied zwischen spontanem KurzschluBstroni und Sattigungsstrom verantwortlich gemacht werden muB, ist die beinahe
ausnahmslos bei den gluhelektrischen Versuchen angewendete
direkte elektrische Heizung. Die meist in Form eines Drahtes
oder eines schmalen dunnen Streifens vorliegende Gluhelektrode wird dabei von einem starken, elektrischen Heizstrom
durchflossen, der langs der Elektrode ein nicht unbetrachtliches Spannungsgefalle hervorruft. Abgesehen davon, daB es
unter diesen Umstanden schwer halt, das mittlere Potential
der Gliihelektrode immer gleich dem der Gegenelektrode zu
hnlten und so den spontanen Fall zu realisieren, verursacht
clas durch das Spannungsgefiille langs der Gluhelektrode vorhandene Feld eine Ablenkung der verhaltnismaBig langsamen
Elektronen, also eine Kriimmung der Flugbahnen, die die
einittierten Elektronen zum Teil wieder nach mehr positiven
Teilen der Gluhelektrode zuruckfuhren kann.
Schaltet man unter diesen Umstanden die befordernde
Spannung ein, so wird das zwischen den Elektroden geschaffene Hilfsfeld dahin wirken, d i d auch diese durch das
Oh msche Spannungsgefalle des Heizstromes abgelenkten Elektronen der Gegenelektrocle zugeftihrt werden ; der erzwungene
Strom muB also grol3er werden als der spontane.
Wie man sieht, verliert im Falle der direkten elektrischen
Heizung uberdies der spontane Strom seine sonst wohldefinierte
Bedeutung, da er ja von der zufalligen Starke des Heizstromes
und dem Widerstand der Gluhelektrode abhangig wird. Dieser
Umstand und die Schwierigkeit, die direkte elektrische Heizung
ganz zu entbehren, mag es mit sich gebracht haben, daB n u n
sich beinahe von selbst auf die Sattigungsstrommethode hingewiesen sah, und die an sich natiirlichere, spontane Methode
nicht ausgebildet wurde.
Die spontane Elektrclnenernission gluhender Metalle.
581
4. Nehmen wir nun aber an, die Bedingungen, die wir
soeben an die geometrischen Verhaltnisse und an das Vakuum
gestellt haben, seien erfullt, und wir heizten die Gkhelektrode
nicht direkt elektrisch, sondern rein thermisch, etwa durch
Einstrahlung von Warmestrahlen, wie es in den Figg. l a und 1 b
vorausgesetzt wurde, so ist zu erwarten, daB alle spontan aus
der Gliihelektrode austretenden Elektronen auch spontan die
Gegenelektrode erreichen.
Sie werden dann auch in dieselbe eintreten, wenn man
von einer Reflexion an der Metalloberflache absehen darf.
Uber diesen Gegenstand liegen auf gltihelektrischem Gebiete
keinerlei Untersuchungen vor. Aber auch auf lichtelektrischem
Gebiete scheint die Frage noch nioht genugend geklart zu
sein. l) Der Beobachtung H u l l s 3, daB die lichtelektrisch
emittierten Elektronen an Silberplatten zu weniger als 1 Proz.
reflektiert werden, stehen Untersuchungen B a e y e r s 3, gegenuber, die fiir das Vorhandensein einer Reflexion langsamer
Elektronen an Metallen gedetltet werden konnen. Wir mussen
daher die Entscheidung uber die Frage, ob fiir die glthelektrisch emittierten Elektronen eine solche Reflexion besteht,
spateren Ausfuhrungen dieser Arbeit4) vorbehalten und solange
die stets bei den gltihelektrischen Untersuchungen stillschweigend gemachte Annahme, eine solche Reflexion finde
nicht statt, ubernehmen.
Wir setzen also voraus, daB nach Erfullung der unter
1-3 genannten Bedingungen die spontan emittierten Elektronen nicht nur samtliche die Gegenelektrode erreichen, sondern
auch von ihr aufgenommen werden und somit samtliche im spontanen KurzschluBstrom gemessen werden.
D. Die G l i i h e l e k t r o d e n a c h E r f u l l u n g d e r g e n a n n t e n
Bedingungen.
1. Verhslten der v811ig reinen Elektrode.
Wenn also nach Erfullung der genannten Bedingungen
durch Einfugen einer Elfsspannung der gliihelektrische Strom
verstarkt wird, so kann man dies nur so verstehen, daB unter
1)
2)
3)
4)
P. L e n a r d , Ann. d. Phys. 40. p. 424ff. 1912.
A. W. Hull, Beibl. z. Ann. d. Phys. 37. p. 979. 1913.
0. v. Baeyer, Verh. d. Deutsch. Phys. Ges. 10. p . 9 6 ~ 953.
.
1908.
Vgl. Anmerkung auf p. 602.
588
W . Schlichter.
der Wirkung des zwischen den Elektroden vorhandenen Feldes
rnehr Elektronen als unter spontanen Bedingungen emittiert
werden.
Dies ist aber fur eine vollkommen metallisch reine Gliihelektrode unmoglich. Denn die Zahl der austretenden Elektronen ist vollig bestimmt durch den Elektronenmechanismus
im Innern des Metalles und unabhangig von dem erst jenseits
der Metalloberflache beginnenden Feld.
Die elektrischen
Krafte aber, die durch ein solches Hilfsfeld in der Oberflache
der Ghihelektrode selbst hervorgerufen werden, sind selbst
bei Hilfsspannungen von mehreren 100 Volt inimer noch verschwindend klein gegen diejenigen, welche die Elektronen auf
der Glfhelektrode zuruckhalten. Diese letzteren sind zu berechnen aus der Austrittsarbeit, die die Elektronen beim Verlassen des Metalles eu leisten haben und die nach der allgemeinen Erfahrung einer elektrischen Arbeit gegen eine in
der Oberflache vorhandene Potentialdifferenz von mehreren
Volt entspricht. Diese Potentialdifferenz ist innerhalb einer
Schicht von molekularen Dimensionen wirksam und stellt so
ein auBerordentlich starkes, nach dem Metallinneren zuruckziehendes Feld dar.
Wir kommen also zu folgender wichtiger Erkenntnis.
Fur eine metallisch tadellos reine G l ~ e l e k t r o d emul3te unter
den genannten Bedingungen zu erwarten sein, da13 die Zahl
der emittierten Elektronen von dem zwischen den Elektroden
vorhandenen Hilfsfeld unabhangig ist. Der spontane KurzschluBstrom mul3te gegen Einschalten von Hilfsspannungen
gilnzlich unempfindlich sein ; spontaiier KurzschluBstrom und
Sattigungsstrom wiirden identisch, ihr Verhaltnis gleich 1.
8. Verhalten der nicht reinen Elektrode.
Es ist von verschiedenen Seiten, in neuerer Zeit mit
immer groBerem Nachdruck, clarauf hingewiesen worden, daB
selbst eine lange ausgegluhte Elektrode keineswegs in so weitgehendem MaBe, wie soeben vorausgesetzt, als metallisch rein
angesehen werden kann. Man hat im allgemeinen damit eu
rechnen, daI3 in die Oberflache des Metalles eine wenig definierte
Schicht von adsorbierten Gasen u. dgl. gleichsam eingewoben
ist, die von wechselnder und zufalliger Zusammensetzung das
gluhelektrische Phanomen in auBerst unsteter Weise zu be-
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalle.
583
einflussen imstande ist. 1st diese Schicht vorhanden, so mu13
sie eine Brucke zwischen dem reinen Elektrodenmetall und
dem Vakuum bilden und so die vorhin vorausgesetzte scharfe
Grenze zwischen dem Metall und dem Vakuum verwischen.
Wir wollen in diesem Falle nicht den reinen Metallkorper
selbst, sondern das ganze aus diesem und der in ihn eingewobenen Schicht von Verunreinigungen bestehende Gebilde
als die insgesamt wirksame Glihelektrode betrachten. In
diesem Zustand stellt die Elektrode ein bedeutend komplizierteres System dar, als in rein metallischcm Zustand. In
der Regel wird beobachtet, da13 die durch Verunreinigungen
modifizierte Elektrode mehr Elektronen aussendet, als die
metallisch reine. Andererseits hat man mit der Moglichkeit
zu rechnen, da13 die in die Oberflache eingewobene und derselben zum Teil vorgelagerte, adsorbierte Schicht die aus dem
Metallinnern stammenden Elektronen aufnimmt und zuruckhalt.
Jedenfalls aber wird, wenn unter solchen Umstanden eine
Hilfssparnung eingefugt und so zwischen den Elektroden ein
Feld geschaffen wird, dieses zum Teil in diese Schicht fallen,
und sowohl die aus dem Metall stammenden und in der Schicht
verfangenen, als auch die etwa in der Schicht selbst erzeugten
Elektronen, in vermehrter Zahl in das freie Vakuum befijrdern.
Daraus ergibt sich allgemein : Die unreine Elektrode wird
unter der Wirkung einer Hilfsspannung stets mehr Elektronen
emittieren konnen, als unter spontanen Bedingungen.
E. N o t w e n d i g kei t e j n e r be s o n d e r e n U n t er s u c h u n g
u be r d i e s p o n t a n e E 1e k t r o n e n e m i ss ion.
Aus diesen Uberlegungen folgt, dafi die hier besonders
interessierende, durch den spontanen KurzschluBstrom gemessene Emission nicht dieselbe GroBe und auch nicht dieselbe
GesetzmaBigkeit zu zeigen braucht, wie die in der ublichen
Weise durch den Sattigungsstrom gemessene ; jener ideale
Reinheitsgrad aber, in dem beide Erscheinungen identisch
werden muBten, ist, wie die geringe Ubereinstimmung der fiir
kin bestimmtes Elektrodenmaterial erhaltenen Resultate zeigt,
schwer erreichbar und sicher bei den bis jetzt vorliegenden
Versuchen nur vereinzelt vorauszusetzen.
Die nach der
Sattigungsstrommethode durchgefiihrten Versuche konnen daher
584
W . Schlichter.
nicht ohne weitercs Auskunft daruber geben, wie sich die
entsprechenden VorgSinge unter spontanen Bedingungen abspielen wiirden.
Es ergab sich deshalb die Notwendigkeit, neue Versuche
unter dem durch unser Thema vorgeschriebenen Gesichtspunkt der spontanen Elektronenemission in Angriff zu nehmen,
um so die fiir die Behandlung des eigentlichen Themas unent behrliche physikalische Grundlage zu schaffen.
Zw ei ter A bs c h n i tt.
Untereuchungen iiber die spontane gliihelektrische Emission.
I. Die Versuchsanordnung.
A. Die H e i z m e t h o d e .
Die Untersuchung der spontanen gliihelektrischen Emission macht eine von dem bisherigen abweichende Versuchsanordnung notwendig. Es handelte sich vor allem daruni,
die allgemein angewendete direkte elektrische Heizung durch
eine solche von rein thermischem Charakter zu ersetzen. Die in
Fig. 1 dargestellteVersuchsanordnung ist praktisch wenig brauchbar. Ma,n kommt jedoch dem durch die Einstrahluxy regriiseritiertcn Ideal verh8ltnismaBig nahe, wenn man das VekuumgefaB aua
Quarzglas herstellt und die auf der Vakuumseite der Quarzwand
anliegende Glihelektrode durch die Quarzwand hindurch mit
einem a d e n angebrachten gewohnlichen elektrischen Widerstandsofen heizt. Nach diesem Priiizip wurden zwei Apparate
gebaut. Der altere Typ ist in Fig. 2a, der neuere in Fig. 2b
veranschaulicht. Beide Apparate wurden zunachst mit Platinelektroden ausgestattet und sollen der Einfachheit halber
unter dieser Voraussetzung beschrieben werden.
B. Der a l t e r e A p p a r a t .
Der altere Apparat besteht aus 2 koaxialen Quarzrohren,
deren an den Enden versiegelter Zwischenraum evakuiert
werden kann. Die so gebildete Doppelrohre wird mit geringem Luftzwischenraum in der zylindrischen Hohlung eines
elektrischen Ofens frei schwebend befestigt, so daB der mitt.lere
Teil der auBeren Rohre in gleichmafiiger Glut gehalten werden
kann .
Die spontane Elektronewmission gluhender Jletalle.
585
Auf der inneren Seite der aul3eren Rohre liegt die zu
gluhende Platinflache A i n Form eines geschlitzten Zylinder
elastisch an ; in der Figur schraffiert gezeichnet.
3.
Fig. 2a, b, c.
Der iiber dem mittleren Teil des engeren Quarzrohres
wie eine Hidse ubergcschobene Platinzylinder B bildet, ohne
Ber&ung innerhalb A schwebend, die kiddere Gegenelektrode.
B wird dadurch gekuhlt, dalj man durch die an den Enden
etwas vorstehende engere Quarzrohre unmittelbar flieBendes
Wasser schickt.
586
W . Schlichter.
C. S t o r u n g e n d u r c h d e n H e i z s t r o m .
Diese altere Konstruktion hat folgenden Nachteil. Durch
die gluhende Quarzwand, die heil3e Luft und die gluhende
Schamottemasse des elektrischen Ofens besteht unvermeidlich
eine verhaltnismaBig gute elektrische Leitung zwischen der
Gliihelektrocle A und dem Heiestromkreis. Bei der geringen
Warmeleitfahigkeit des Quarzes wird aber trotz Kiihlung
auch die Elektrode B durch die Zustrahlung von A oft bis
zur Rotglut erhitzt und dadurch die anliegende Quarzmasse
so warm, daB auch die Isolation zwischen der Elektrode B
und dem Kiddwasser ungeniigend werden kann. 1st dann einerseits der Heizstromkreis nicht erdungsfrei und anderseits die
Kiihlung der inneren Quarzrohre an die Wasserleitung angeschlossen, so kann sich eine vom Heizstrom stammende
Abzweigspannung in den ghhelektrischen Kreis eindrangen
und je nach ihrem Richtungssinn den spontanen Strom
schwachen oder verstarken.
Sind solche Storungen nicht vorhanden, so darf ein spontaner Strom seinen Wert nicht andern, wenn man den Heizstrom kommutiert, und er darf im Momente des Ausschaltens
des Heizstromes nur langsam und stetig mit sinkender Gliihtemperatur zuriickgehen.
Lange Zeit hindurch arbeitete der altere Apparat in dieser
Beziehung vollig storungsfrei. Erst nach langem Gebrauch,
vielleicht durch eine h d e r u n g des Quarzglases, traten diese
Storungen so stark in Erscheinung, da13 die Versuche unbrauchbar wurden. In dieser Arbeit sind nur solche Versuchsreihen der alteren &4pparatur verwendet worden, die weit vor
Beginn dieser Storung liegen, und abgesehen von der ab und
zu vorgenommenen Prufung durch die genannten Kriterien
auch schon in ihrem ganzen Charakter f i i r vollige Storungsfreiheit sprechen.
D. D e r n e u e A p p a r a t .
Der in Fig. 2b gezeichnete neue Versuchsapparat besitzt
gegeniiber dem alteren Typ den grol3en Vorzug, da13 die zu
kiihlende Elektrodc B die auBere ist und dadurch eine ungeerdete Kiddung ermoglicht. Der Apparat besteht wesentlich
aus einer doppelwandigen Quarzrohre, die in jhrer Grundform
Die spoiztane Elektronenemission gliihendcr Metalle.
587
etwa einem De warschen GefaB gleicht. Der Zwischenraum
der beiden Rohren wird evakuiert. Die Gluhelektrode A umkleidet in Form eines (bis zur gestrichelten Linie reichenden)
Platinbechers auf der Vakuumseite die unterste Kuppe der
inneren Rohre. Die schraffiert gezeichnete k&lere Elektrode B
liegt in Form eines weiteren und hoheren Platinbechers an der
Innenseite der BuBeren VC'andung an.
Die Heizeinrichtung besteht aus einem mit Platindrahten
durchzogenen kleinen Schamottekorper. Dieser Heizkorper
steckt selbst in einem seinen oberen Rand etwas uberragenden
Platinbecher E , der dann durch einen angeschweiaten Platindraht geerdet werden kann.
Diese ganze mit dem Erdungsbecher umhullte kleine
Heizeinrichtung wird bis in den untersten Teil der inneren
Quarzrohre hinabgelassen ; der ubrige Teil des Quarzrohres
wird mit Quarzsand aufgefullt, aus dem lediglich die zwei
Zufuhrungen des Ofens und der Erdungsdraht herausragen.
Das QuarzgefaB wird nach Einsetzung der beiden Elektroden
und ihrer noch zu besprechenden Zufuhrungen bis auf die
vier Quarzrohrchen vollig zugeschmolzen.
Zur Kuhlung der Elektrode B wird dieser ganze Apparat
zunachst in ein mit destilliertem Wasser gefulltes GlasgefaB
gestellt. Dieses dient jedoch nur als Kthlresewoir. Es wird
selbst g e k a l t durch die insbesondere den unteren Teil des
QuarzgefaBes umwindende Kuhlschlange K aus Glas.
Der Moglichkeit einer Storung durch den Heizstrom wird
bei dem Apparat auf zweierlei Weise begegnet. Erstens wird
durch den zwischen Gluhelektrode und Ofen eivgeschalteten
Erdungsbecher E die Gluhelektrode vor Wirkungen des Heizstromes elektrostatisch geschutzt ; ihr Potential ist auf ihrer
ganzen Ausdehnung konstant und gleich Null. (Man kann
dies durch auBere Erdung ihrer Zuleitung noch besonders
betonen.) Zweitens, selbst dann, wenn die Kiihlschlange, wie
tatsachlich der Fall, von geerdetem, der Leitung entnommenem
Kihlwasser durchflossen wird, bleibt B durch die kalte Glaswand der Kddschlange I< von Erde geniigend isoliert.
E. Die Zuleitungen.
Sowohl bei dem alten als such bei dem neuen Apparat
gehen nicht nur von der Ghhelektrode A , sondern auoh von B
W . Schlichter.
588
jeweils ein reiner Platindraht und ein Platinrhodiumdraht
nach auBen.. Die beiden reinen Platindrahte sind die eigentlichen Zuleitungen des Gluhelementes. Je ein Platinrhodiumtlraht aber bildet mit Clem von derselben Elektrode herausfiihrenden reinen Ylatindraht ein Thermoelement, das zur
Messung der Temperatur cler betreffenden Elektrode dienen
kann.
F. Die g e o m e t r i s c h e n Verhaltnisse.
Bei dem neuen Apparat betragt die gesamte gliihende
Flache der Elektrode A 23 qcm. Sie wird praktisch vollkommen von der Gegenelektrode B umschlossen. Der spontane
KurzschluBstrom i, durch 23 dividiert, gibt also die KurzschluBstromdichte j,.
Bei dem alteren Apparat liegt die gliihende Elektrode
auBen, die kuhlere innen. Die geometrischen Verhaltnisse
sind der nachstehenden Fig. 3 zu entnehmen. Die MaBe
sind in Millimetern gegeben. Die gluhende Flache A betragt
hier 4,s qcm. Aber nicht alle von dieser Flache ausgesandten
Elektronen konnen nach B gelangen. Es gehen namlich alle
diejenigen verloren, die, wie in der umstehenden Schnittfigur Fig. 4 angedentet, nahezu streifend A verlassen unrl an
B vorbei wieder in andere Teile von A znriickfliegen.
Q-$7F*
1
5
4
Fig. 3.
1
@
Fig. 4.
Um in solchen Fallen zu berechnen, welcher Teilfaller
emittierten Elektronen die Gegenelektrode geometrisch erreichen kann, mu13 man von dem yon R i c h a r d s o n fiir die
austretenden Elektronen gefundenen Geschwindigkeitsverteilungsgesetz 1) ausgelien, und daraus ein Richtuitgsverteilungsgesetz herleiten. Fuhrt man die etwas umstandliche, rein
formale Rechnung nus, so kommt man zu dem plausiblen
Ergebnis : fur die gliihelektrische Entission gilt genau dasselbe
Richtungs.Lerteilungsgesetz, wie fur die zIon derselbeiz Flache ausgehende Strahlung.
1) 0. W. R i c h a r d s o n , Phil. Mag. 16. p. 353 u. 890. 1908.
Die spontane Elektronenemission gluhender Metalle.
589
Die von A ausgehende Strahlung wiirde aber unter den
skizzierten Verhaltnissen gerade zur Halfte auf B auftreffen.
Ton der Gesamtheit der von A emittierten Elektronen konnen
also ebenfalls nur gerade die Halfte nach B gelangen, oder wie
w-ir auch sagen konnen: die in der Winkeloffnung nach B
gluhelektrisch wirksame Flache ist nicht 4,8, sondern nur
2,4 qcm. Wir erhalten also bei Benutzung des klteren Apparates die (auf 1 qcm glihender Flache bezogene) KurzschluBstromdichte j,, indem wir den beobachteten KurzschluBstrom
i, durch 2,4 dividieren.
G. Das Vakuum.
Die Evakuierung geschah mit Hilfe einer (Quecksilber-)
Gaedepumpe. Die bei der Pumpe befindlichen Schliffe und
Hahne waren mit Ramsayfett gefettet. Am Apparat selbst
und in seiner nachsten Nahe wurde ausschliel3lich mit Siegellack gedichtet. Der Apparat befand sich stets zwischen Mac Leod
und Pumpe. Dank der Reinheit der verwendeten Materialien
- Quarz und Platin - lief3 sich nach langerem Gliihen bei
hoher Temperatur ein Vakuum von dem Druck p < lO-3mm
Hg, bis etwa p = lO-*mm Hg erreichen, und bei unausgesetztem Pumpen wahrend der Versuche dauernd erhalten.
Quecksilberdampfe waren zugelassen; sie haben nach R i c h a r d son keinerlei EinfluB auf die Emission. l)
H. S c h a l t u n g s s c h e m a u n d MeBtechnik.
Das in Fig. 2c gezeichnete Schaltungsschema gestattet in
bequemer Weise sowohl den gluhelektrischen Kreis kurz zu
schlieBen, als auch Widerstande und Spannungen in denselben
einzufugen und die in diesen Kreisen flieBenden gluhelektrischen Strome mit dem stets eingeschalteten Galvanometer
zu messen. Gleichzeitig konnten, ohne diese Hauptmessungen
zu storen, sowohl die Temperatur der gliihenden als die der
ktihleren Elektrode thermoelektrisch bestimmt werden.
P, und P, sind Paraffinblocke mit Quecksilbernapfen.
P, erhhlt von rechts die vier vom Gliihelement kommenden
Zuleitungen. Die Zuleitungen der Gliihelektrode sind mit der
Brzeichnung ,,heiB", die der gekihlten Elektrode mit der
1) 0.W. Richardson, Phys. Zeitschr. 1913. p. 793.
38
Aanslen der Phynik. IV. Folge. 47.
5 90
W . Schlichter.
Bezeichnung ,,kalt" versehen. ,,PlatinheiB" und ,,Platinkalt"
sind identisch mit den Polen des Gliihelementes X und Y
der Fig. 1 b. Man kann die diesen Punkten zugehorigen Napfe
erstens direkt mit den nach dem Galvanometer fuhrenden
Napfen verbinden, oder aber zweitens Y zwar direkt nach
dem Galvanometer fiihren, von X aber erst nach dem Punkte
U gehen und zwischen U und V durch den Schalter P, entweder Spannungen S oder Widerstande T einfugen. T bedeutet eine Reihe von besonders abgestuften Tuschewiderstanden, S eine Batterie von Trockenelementen.
Das Galvanometer wurde bei den alteren Messungen
direkt verwendet. Die Empfindlichkeit war dann 1 cm = 7,5
10-9 Amp.; bei den neueren Versuchen wurde es stets zusammen mit einem A y r t on schen Nebenschlufiwiderstand benutzt. Dieser gestattete die normale Empfindlichkeit 1 cm =
10-8 Amp. auf l/&, lll0,l/lm, l/looo und l/loooo abzustufen. In
allen diesen Fallen war der Spannungsabfall der glhhelektrischen Strome langs des Galvanometerwiderstandes so klein,
daB er unbedenklich vernachlassigt werden konnte.
Zur Messung der Temperatur diente das Zeigergalvanometer Th. Es wurde durch Vorschaltwiderstand R auf genugend hohen Widerstand gebracht, so daB die h d e r u n g des
Widerstandes der Thermoelemente dagegen vernachlassigt und
das Instrument selbst zur Messung der elektromotorischen
Kraft der Thermoelemente verwendet werden konnte. Fiir
die vier Zuleitungen des Gliihelementes sind die von H e r a e u s
besonders fiir thermoelektrische Temperaturmessung fabrizierten Drahte verwendet worden. Die dazu beigegebene, auf
die Untersuchung der Reichsanstalt zuriickgehende Eichtabelle ist der Konstruktion der Eichkurve des Instrumentes
Th zugrunde gelegt worden.
Die Genauigkeit, mit der die absolute Hohe einer bestimmten G l ~ t e m p e r a t u rbestimmt werden konnte, betrug,
bei Beriicksichtigung aller Faktoren, etwa & 100 C. Die relative
Beobachtungsgenauigkeit aber, mit der beispielsweise eine bestimmte Temperatur konstant gehalten werden konnte, war
natiirlich vie1 grol3er. Da einer Fortschreitung um looo ein
Weiterriicken des Zeigers um etwa 6 Skalenteile entsprach
und noch
Skalenteile geschatzt werden konnten, war die
Genauigkeitsgrenze, innerhalb der eine Temperatur konstant
gehalten werden konnte, etwa & 2O C.
-
Die spontane Ekktronenemission gluiihender Metalk.
591
Besondere Sorgfalt muB bei solchen gliihelektrischen
Untersuchungen auf die Isolation gelegt werden. Die Leitungen
und die Instrumente wurden stets so gut erdschluB€rei gehalten, daB der zwischen A und B gelegene Isolationswiderstand in kaltem Zustand des Elementes groBer als 4-1O1O Ohm
war, wahrend der groBte verwendete Tuschewiderstand etwa
108 Ohm hatte.
Als Beispiel einer Schaltung ist in Fig. 2c diejenige angezeichnet, bei der in den gliihelektrischen Kreis die zwischen
0 und 4 gelegenen Tuschewiderstande eingeschaltet sind, und
bei der gleichzeitig mit dem Instrument Th die Temperatur
der gluhenden Elektrode gemessen wird.
11. Die Vereuohe an Platin.
A. A n t e i l der p o s i t i v e n E m i s s i o n im s p o n t a n e n
K u r z s c h lu B st r o m.
Es ist bekannt, daB eine erstmalig gegliihtePlatinelektrode
aul3er negativen Elektronen auch reichlich positive Ionen aussendet.1) Dies gibt sich stets darin zu erkennen, daB beim
Einschalten einer Hilfsspannung nicht nur, wenn die Spannung
in elektronenbeforderndem Sinne, sondern auch wenn sie
entgegengesetzt gerichtet ist, starke Galvanometerausschlage
erhalten werden.
In diesem Zustande wird die Elektrode auch spontan
nicht nur Elektronen, sondern auch Ionen aussenden; der
KurzschluBstrom wird als ein Differenzstrom eines positiven
und eines negativen Anteiles aufzufassen sein.
Um einen tieferen Einblick in die Art und Weise zu gewinnen, in der bei einer neuen Elektrode die positive und
die negative Emission im KureschluBstrom zusammenwirken,
war es notig, bei konstanter Gliihtemperatur uber groaere
Zeitraume hin Beobachtungen des KurzschluBstromes mit
solchen der bei eingelegten Hilfsspannungen erhaltenen erzwungenen Strome zu verbinden. Dabei haben wir hier zu
unterscheiden zwischen positiv erzwungenen Stromen, wenn
namlich die Spannung in Richtung einer Beschleunigung der
positiven Ionen, und negativ erzwungenen Stromen, wenn sie
1) 0. W. Richardson, Jahrb. d. Radioaktivit&t u. Elektronik 1.
1904.
35 *
W . Schlichter.
592
in Richtung der Beschleunjgung von Elektronen eingeschaltet ist.
Diese Untersuchungen erwiesen sich jedach einer systematischen Behandlung wenig zuganglich. Bei dem unruhigen
Charakter aller in diesen Anfangszustand fallenden Vorgange
war insbesondere der spontane KurzschluBstrom meist wenig
bestandig. Zudem lieBen sich weder auf der Seite der positiv
erzwungenen, noch auf derjenigen der negativ erzwungenen
Strome eindeutige Sattigungswerte erhalten.
Erst spiiter, nach ejnigem Gluhen und bei dauernder
Verbesserung des Vakuums, nimmt der KurzschluBstrom bestimmtere Werte an, und die erzwungenen positiven und
negativen Strome niihern sich bei Steigerung der Spannung
genugend definierten Sattigungswerten, die wir kurz den
positiveq und negativen Sattigungsstrom nennen wollen.
Im folgenden mogen zwei mit dem neueren Apparat
erhaltene Versuchsreihen wiedergegeben werden, die verhiiltnismaBig gliicklich gelungen sind und menigstens den allgemeinen
Verlauf der Vorgange genugend zu charakterisieren vermogen.
Bei der ersten, in Tabelle I1 dargestellten Versuchsreihe,
wurde nach Erreichung einigermal3en definierter Verhaltnisse
die Temperatur der noch neuen Elektrode wahrend 7 Stunden
auf 900° C. konstant gehalten. Es bedeutet io den spontanen
i, den positiven, - i, den negativen
KurzschluBstrom,
Siittigungsstrom, p den am Mac Leod abgelesenen Gasdruck
in mm Hg.
Tabelle 11.
+
+ i,
1=10-*L4
+ 170
-
P
0,001
- i.
- 3,s lo-'
*
47
40
30
26
22
18
14
9
0,0005
- 0 , l - 10-
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalle.
595
Man sieht, der spontane KurzschluBstrom ist positiv und
klingt mit der Zeit ab. Gleichzeitig erhalt man einen starken
positiven, aber nur einen sehr geringen negativen Sattigungsstrom. Daraus ist zu schlieBen, daB auch im KurzschluBstrom
hauptsachlich Ionen rind nur sehr wenig Elektronen gefihrt
+:
X
i,: 1 = 10-88
+ i, :1 = i o - 7 a
x
Diagramm 1.
werden. Es ist hier also ziemlich rein der Fall verwirklicht,
wo die Elektrode zwar reichlich positive Ionen aussendet, wo
aber doch die Temperatur noch so niedrig ist, daB eine merkliche Elektronenemission noch nicht auftritt.
Die in Tabelle I1 wiedergegebene Beobachtungsreihe ist
im Diagramm 1 graphisch dargestellt worden. Sieht man von
der geringen Elektronenemission ab, so gibt die den KurzschluBstrom darstellende Punktfolge ein Bild von dem allmiihlichen
Abklingen der hier allein vorhandenen positiven Emission.
W . Schlichter.
594
Dieser Abklingungsvorgang befolgt ein Exponentialgesetz von
der Form
io=a + b e - y t .
-
Die im Diagramm 1 eingezeichnete Kurve gibt i,, als die
Funktion:
i0 -- 1 CJ . 10-8 + 14. 10-8. e-0,665t,
9
t ist dabei in Gluhstunden einzutragen.
Abgesehen von dem ersten Punkt, der wahrsoheinlich
noch zu sehr in jenem wenig definierten Vorstadium liegt,
ist die Ubereinstimmung sehr befriedigend.
Wie man uberdies erkennt, gilt dasselbe Gesetz mit
einiger Annaherung auch fiir den positiven Sdttigungsstrom,
der dem spontanen Strom sehr nahe proportional verlauft.
Der Proportionalitatsfaktor
is :i, ist im Mittel 7,5.
AnschlieBend an diesen Versuch wurde die Gliihtemperatur
auf 1 1 O O O C . gesteigert und wahrend etwa 24 Stunden konstant gehalten. Die in dieser Zeit aufgenommenen Werte des
spontanen KurzschluBstromes io sind zusammen mit erganzenden Beobachtungen des positiven und des negativen Sattigungsstromes + i s und -is in Tabelle I11 wiedergegeben,
bzw. in Diagramm 2 graphisch dargestellt.
Die daselbst ausgezogene Kurve gibt den Verlauf des
spontanen KurzschluBstromes als Funktion der Gluhzeit.
Wie man sieht, ist auch bei dieser verhaltnismafiig hohen
Temperatur der spontane KurzschluBstrom zunachst noch
positiv.
T a b e l l e 111.
+
Gliihdauer Xuhteminstunden peratur
0
0,5
295
5,25
595
65
7,75
9,75
21,5
23,5
24,26
1100
1100
1105
1100
1103
1100
1103
1100
1100
1100
1100
-i,
+i,
-i,1io
-~
+ 73,5
+ 61,O
+ 20,o
- 8,O
- 8,2
- 5,9
- 15,l
- 49,O
- 60,O
- 51,s
- 43,O
-1 = Druck
n m m Hg
- 137
- 137
- 118
- 130
- 180
- 130
- 116
- 107
+ 74
+ 78
+ 70
+ 60
+ 46
+ 28
+ 28
+ 28
17,O
16,7
20,o
8,6
3,68
2,16
2,24
2.5
0,0017
0,0013
0,0008
0,0005
0,00025
0,0001
0,0001
0,Oool
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalle.
595
Der Galvanometerausschlag uberschreitet erst zwischen
der 5. und 6. Gluhstunde den Nullpunkt, um dann nach der
negativen Seite anzusteigen. Der Ubergang von der positiven
zur negativen Seite ist nicht ganz eindeutig, doch bestimmen
die vier dort aufgenommenen Punkte wenigstens den allgemeinen
Verlauf der Kurve mit geniigender Sicherheit.
x io: 1 = 10-8-4
f + i , : l =10--8A
@ konstruiert auB
+
..
I
x
yo
100
Diagramm 2.
Sehen wir zunachst von dem Verlaufe der Kurve uber C
hinaus ab, so fallt auf, daB der Teil A B einen Abklingungsvorgang genau von derselben Art darstellt, wie er im
Diagramm 1 fiir die positive Emission allein erhalten wurde;
es s c h i n t d s o , ab ob liLngs A B die positive Emission allein
vorhanden ware und a b ob erst dann, wenn diese auf einen
kleinen Betrag abgeklungen ist, die negative Emission enktehen
kiinnte. Nehmen wir also probeweise an, von A bis B bestehe
der spontane KurzschluBstrom lediglich aus positiven Ionen,
von B an aber werde er gebildet durch die Differenz der
596
w.Schlichter.
positiven Emission und der eben unter dieser vorbrechenden
Elektronenemission.
Der positive Anteil dieses Differenzstromes ist offenbar
nichts anderes, als die weiter abklingende positive Emission.
Konnten wir diese auch nach ihrer Uberdeckung durch die
Elektronenemission noch weiter verfolgen, so ware es mogljch,
die mangelhaft gegebene Kurve A B zu verlangern. Dies gelingt, wenn man annimmt, daJ3 der spontane positive Anteil
wie in Diagramm 1 durch den 7,5ten Teil des positiven Sattigungsstromes gegeben ist. Fuhrt man die Konstruktion durch,
indem man die zwischen B und C aufgenommenen Werte von
i, durch 7,5 dividiert, so erhalt man die mit Kreisen umzeichneten Punkte, die uberraschend gut den Verlauf der
Kurve A B fortsetzen helfen. Zwischen 20 und 25 Gluhstunden
ist der Wert + i s konstant = 28, also der positive Anteil des
Differenzstromes etwa = 4; d. h. die positive Emission ist auf
etwa 4 - 10-8 gesunken, wghrend dieser Endwert bei 900° etwa
1,3 10-8 betragen hatte.
Der durch die Kurve A B B’ insgesamt dargestellte Abklingungsvorgang i d , wie bei 900 0, darstellbar durch eine
Exponentialfunktion. Es ist :
i0 4 . 10-8 + 70 . 10-8 . e-464t
-
+
-
die Funktion, die im Diagramm eingezeichnet ist.
Dieses Resultat ist um so plausibler, als die beiden Exponentialkoeffizienten in beiden Fallen ungefahr gleich sind.
Fiir die positive Emiesion ergibt sich also folgendes
Resultat: Bei ungestortem Verlauf klingt die positive Emission des Platins unabhangig von der ev. gleichzeitig vorhandenen negativen Elektronenemission nach einem Exponentia,lgesetz folgender Form a b :
i = a + b e--0,Gt
t : Gllihstunden.
(Fiir den Exponentialkoeffizienten ist der
Mittelwert beider Beobachtungen eingesetzt.)
Die Versuche geben aber auch ein Bild von der Art und
Weise, in der sich die Elektronenemission aus der anfanglich
allein vorhandenen positiven Emission entwickelt. AUS Differenz und positivem Anteil ergibt sich der die Elektronenemissionen allein darstellende negative Anteil in Form der
nach 3,8 Gliihstunden sich ergebenden gestrichelten Kurve.
Die spontane Elektmnenemission gliihender Metalle.
597
Diese Versuche sprechen, wie ich glaube, mit Deutlichkeit
dafiir, daB solange noch positive Ionen emittiert werden, nicht
einfach eine Superposition der positiven und der negativen
Emission stattfindet, sondern daIj negative Elektronen uberhaupt erst dann emittiert werden konnen, wenn die positive
Emission genigend klein geworden ist . Bei Anwesenheit der
positiven Emission miissen also in der Oberfldche der Elektrode
solche Bedingungen vorhanden sein, dap der freie Austritt von
Elektronen verhindert oder wenigstens gehemmt w i d .
B. E i n K r i t e r i u m f u r die R e i n h e i t d e r Gluhelektrode.
Vergleicht man nun in Tabelle I11 die Werte des spontanen KurzschluBstromes i, und des negativen Sattigungsstromes - i, von demjenigen Zeitpunkt an, in dem der spontane KurzschluBstrom selbst negativ geworden ist, so erkennt
man allgemein, dal3 der negative Sattigungsstrom nicht nur
erheblich groBer ist als der zugehorige KurzschluBstrom, sondern
auch groBer als der nach Abzug der positiven Emission verbleibende negative Anteil des spontanen KurzschluIjstromes
fiir sich genommen. Wie man aus Diagramm 2 erkennt, setzt
sich beispielsweise fiir t = 6,5 der KurzschluBstrom aus einem
positiven Anteil von etwa 9 Einheiten und einem negativen
Anteil von etwa 20 Einheiten zusammen; der Kurvenpunkt
i, ergibt etwa -11.
Der zugehorige negative Sattigungsstrom ist -is= - 118 (vgl. Tab. 111), also auch groBer als der
durch die Elektronenemission allein reprasentierte negative
Ariteil des spontanen KurzschluBstromes von 20 Einheiten.
Diese Bemerkung gilt, wie Tab. I11 zeigt, auch ftir den
weiteren Verlanf des Versuches, doch erkennt man, daB mit
wachsender Gliihdauer bis zur Zeit t = 21, d. h. bis zum
Punkt D i n Diagramm 2 Sattigungsstrom und KurzschluBstrom sich nahern, ohne allerdings vollkommen gleich zu
werden. Im Punkte D hat das Verhlltnis der beiden Strome,
- i, / i, = 2,15, den kleinsten beobachteten Wert. An dieser
Stelle ist der spontane KurzschluBstrom beinahe ein reiner
Elektronenstrom; die positive Emission ist bis zu dem im
Vergleioh zu io = 60 kleinen Betrag 4 zuruckgesunken und
andert sich von da an, wie die auf B' folgenden Werte zeigen,
nicht mehr.
598
W . Schlichter.
Wir sehen also, auch dann, wenn die positive Emission
so weitgehend abgeklungen ist, ist der Sattigungsstrom noch
immer etwa 2mal so grol3, als der zugehorige spontane KurzschluBstrom. Nennt man nun die Zahl der unter Sattigungsbedingungen aus einem Quadratzentimeter gliihender
Elektrodenoberflache emittierten' Elektronen 2, und die entsprechende Zahl im spontanen Fall Z,, so ist, da bei dem
hier verwendeten Apparat die geometrischen Verhilltnisse
(vgl. p. 588) den auf p. 579 genannten Bedingungen genugen,
- is :i, = 2, : 2,. Die Verschiedenheit won Xattigungsstrom und
spontanem Strom zeigt hier also an, dap unter Sattigungsbedingungen mehr Elektronen emittiert werden, als unter spontanen Bedingungen.
Da unseren fruheren Uberlegungen nach fiir eine tadellos
metallisch reine Elektrode in beiden Fallen gleich vie1 Elektronen ausgesandt werden muJ3ten und demzufolge Z,/Z,=
- is / i, = 1 sein sollte, so 1aBt sich schlieBen, dal3 selbst im
Punkte D, also nach 21,5 Stunder? dauernden Glihens, diese
ideale Reinheit noch nicht vollig erreicht ist. Aber man
erkennt a,ndererseits an den bis zu diesem Zeitpunkt immer
kleiner werdenden Werten - is:i, (vgl. Tab. 111), wie allmahlich bei wachsender Gliihdauer diese Reinheit angenahert w i d
Diese Beobachtung regte zum erstenmal dazu an, das
Verhaltnis 2, :2, zwischen der unter Sattigungsbedingungen
und der unter spontanen Bedingungen stattfindenden Emission
unmittelbar als ein Kriterium f i u den Reinheitsgrad der
Glihelektrode einzufuhren. Wir werden also eine Gluhelektrode
als um so reiner anzusehen haben, je kleiner diese VerhaZtniszahl im gegebenen Fall ausfallt und als den idealen Grenzfall
denjenigen anzusehen haben, i n dem dies Verhaltnis gleich 1 w i d .
(Die Einfuhrung des Kriteriums kann an dieser Stelle
allerdings nur mehr probeweise erfolgen. Seine tatsachliche
Richtigkeit kann erst durch wiederholte Anwendung bei densamtlichen im folgenden mitgeteilten Versuchen bestatigt und so im
Zusammenhang des Ganzen uberzeugend nachgewiesen werden.)
Die in Tab. I11 bzw. Diagramm 2 dargestellte Versuchsreihe selbst ist nicht geeignet, diesen Gegenstand weiter
zu verfolgen. Da es sich lediglich darum handelte, die Mitwirkung der positiven Emission nach Moglichkeit aufzuklaren,
und dies bereits im Punkte C erreicht war, wurde wahrend
Die spontane Elektronenemission gluhender Metalle.
699
der zwischen C und D gelegenen Nacht nicht beobachtet.
Am nachsten Morgen nahm ich den Punkt D auf, der bestatigt, dab wahrend der Nacht sich die Verhaltnisse nicht
wesentlich mehr verschoben haben. Danach habe ich noch
die auf D folgenden Punkte erhalten, in denen der Strom
wieder etwas zuriickgeht. Gleichzeitig aber steigen die Werte
- is/ i, von neuem an, obwohl die positive Emission ungeandert dieselbe bleibt.
Die Anwendung des eben &USgesprochenen Kriteriums scheint darauf hinzuweisen, dal3
auf irgendeine Weise die Reinheit der Elektrode von neuem
gestort wurde. Da spatere Untersuchungen gezeigt haben,
daB sich bei storungsfreiem Verlauf die Emission mit
wachsender Reinheit einem unter diesen Bedingulngen etwa
bei 70.10-sAmp. gelegenen Wert nahert, habe ich iiber C
hinaus die Kurve in dieser von der beobachteten Punktfolge
abweichenden Form extrapoliert. Die Berechtigung dieses Verfahrens muB den spateren Erorterungen vorbehalten b1eiben.l)
C. Die Abhiingigkeit des s p o n t a n e n K u r s s c h l u h t r o m e s
von d e r Gliihtemperatur. - S p o n t a n e T e m p e r e t u r c h a r a k teris t i k.
1. Der allgemeine Charakter.
Wie unsere Versuche gezeigt haben, liif3t sich bei Platin
die storende positive Emission durch langes Ausgliihen bei
moglichst hoher Temperatur und gutem Vakuum bis auf einen
gegen die negative Emission kleinen Betrag herunterdrucken.
1st dies erreicht, so ist der spontane KurzschluBstrom ein
praktisch reiner Elektronenstrom und zeitlich einigermaaen
konstant .
Wir untersuchen nun die Abhangigkeit des spontanen
KurzschluBstromes von der Gliihtemperatur. Sie stellt eine
die Wirkungsweise des Gliihelementes charakterisierende Beziehung dar, und wir wollen sie deshalb kurz die Temperaturcharakteristik des betreffenden Glidmlementes nennen, und
zwar zur Unterscheidung von der mit Sattigungsstrom aufgenommenen entspre'chenden .Funktion die spontane Temperaturcharakteristik.
Diese spontane Temperaturcharakteristik braucht nicht
allgemein mit der bei Siittigung aufgenommenen Temperatur1) VgL Aamerkung p. 620.
6 00
W . Schlichter.
charakteristik ubereinzustimmen. Vielmehr ist nach unseren
fruheren Uberlegungen zu erwarten, daB fiir die nicht vollig
reine Elektrode die unter spontanen Bedingungen und die
unter Sattigungsbedingungen beobachteten Elektronenemission zwei verschiedene physikalische Vorgange darstellen
konnen. So wie nun der Sattigungsstrom als ein MaB der
gesattigten Elektronenemission anzusehen ist, dient uns der
spontane KurzschluBstrom als ein Ma13 f i i r die spontane
Elektronenemission.
Die Untersuchungen mit dem spontanen KurzschluBstrom laufen also denjenigen mit Sattigungsstrom genau parallel. Wenn daher die mit Sattigungsstrom erhaltenen Temperaturcharakteristiken, wie sich bisher
stets erwiesen hat, das gluhelektrische Verhalten eines Stoffes
hinsichtlich der unter Sattigungsbedingungen stattfindenden
Elektronenemission eindeutig zu beschreiben vermogen, so
werden die zugehorigen spontanen Temperaturcharakteristiken
in entsprechender Weise das Verhalten desselben Stoffes hinsichtlich der spontanen Elektronenemission bestimmen.
Der allgemeine Charakter dieser spontanen Temperaturcharakteristiken lieB sich aus den zahlreichen Vorversuchen
schon deutlich erkennen. Nennt man den auf 1 em2 Gliihflache berechneten Sattigungsstrom die Sattigungsstromdichte i,
und den von derselben Flache erhaltenen spontanen KurzschluBstrom die spontane KurzschluBstromdichte joyso lieB
sich nach Abklingen der positiven Emission durch weitercs
Gliihen das f i i r die Reinheit der Gluhelektrode maBgebende
Verhaltnis Z , / Z o = j 8 / j o bis etwa auf den Wert 1,5 verringern,
und war dann, wenn auch etwas schwankend, doch im grol3en
und ganzen zeitlich konstant und fur alle Temperaturen gleich
gro/3. Der spontane KurzschluBsti om verlief dann also dem
Sattigungsstrom genau proportional.
N u n gilt f i i r die Abhangigkeit des Sattigungsstromes von
der Temperatur das von R i c h a r d s o n eingefiihrte und in
allen Fallen bestltigte empirische Gesetz:
-
- BI
j , = A, T'Iz e T
Hierin bedeutet is die oben eingefuhrte Sattigungsstromdichte, T die absolute Gliihtemperatur, A , und B, zwei das
gliihelektrische Verhalten des Stoffes bestimmende Konstante. l)
(1)
a
1) 0.W. Richardson, Jahrb. d. Radioaktivitiit U. Elektronik 1.1904.
Die spontane Elektronenemission gluhender Metalle.
601
Nach der durch Wilson angegebenen thermodynamischen
k
Begriindung dieser Form kann man die Konstante B,= a,/
setzen, wobei
die mittlere Austrittsarbeit des einzelnen
Elektrons in Erg, k die auf das einzelne Elektron bezogene
Gaskonstante, k= 1,35 10-ls Erg/O, bedeutet. Formel (1) laBt
sich, daher auch in der Form:
-
(2)
j , = A , . T’lae
- -@,
kT
schreiben, in der jetzt statt A , und B,, A , und
als Materialkonstante erscheinen.
(Von der wenig sicheren ph ysikalischen Deutung der
GroBe A , als proportional der Dichte der freien Elektronen im
Innern des Metalles sol1 hier abgesehen werden.)
Da wir nun im vorliegenden Falle jo proportional j. gefunden haben, mu13 auch fiir io eine Formel dieser Art gelten,
die wir schreiben wollen: .
(3)
j , , A~F l a e
--@
kT.
Die Proportionalitat erscheint dann lediglich in der Verschiedenheit der GroBen A , und A , wahrend @=@, sein
mu13 und so der eigentliche Charakter der Funktion ungeandert
bleibt. Der Unterschied zwischen spontaner und gesattigter
Elektronenemission ist hier also nur wenig tief.
Die durch Formel (3) gegebene spontane Temperaturcharakteristik unterscheidet sich demnach von der gestittigten
Ternperaturcharaktcris tik der Formel (2) lediglich durch die
Proportionalitat der GroBen A, und A , wtihrend 0 = @a sein
muB und so der eigentliche Charakter der Funktion ungeiindert bleibt. Dies gilt aber, wie man beachten moge, zunachst nur fiir einigermabn reines Platin.
’I.Die epontane Temperaturoharakteristik nnter reinen VerhHltnissen.
a) Die Versuche selbst.
Die mit dem alteren Appamt unternommenen Versuche
gestatteten noch keine genugend genaue und sichere Bestimmung der spontanen Konstanten A und @.
Sowohl die
geringe wirksame Flache yon 2,4 qcm als auch die erreichbare
Hochsttemperatur von nur etwa 10000 C. bedingten, daB der
602
W . Schlichter.
spontane KurzschluBstrom unter reinen Verhaltnissen einen
etwa 2 om groBen Galvanometerausschlag nicht iiberschritt.
Dahingegen lieBen sich mit dem neueren Apparat wenigstens
voriibergehend Temperaturen bis iiber 1200 0 C. erreichen. Bei
dieser Temperatur hetrug der spontane KurzschluBstrom, den
die 23 qcm groBe Glfhflache lieferte, etwa 10-5 Amp., entsprechend einem Galvanometerausschlag von 1000 em, so daB
die Empfindlichkeit des Instrumentes bis zum l/loooTeil der
normalen Empfindlichkeit abgestuft werden konnte. So wurde
es moglich, mit diesem Apparat einerseits wegen der hohen
Gliihtemperatur zu aul3erordentlich reinen Bedingungen zu
gelangen, andererseits die Messung selbst mit vie1 grol3erer
Genauigkeit durchzufiihren.
Eine unter besonders reinen Verhaltnissen mit diesem
Apparat aufgenommene spontane Temperaturcharakteristik
moge deshalb hier ausf&rlicher yiedergegeben werden.
Nach einer langeren Gliihperiode wurde j s / j o (= is/io)
zuerst noch zu 1,5, spater zu 1,22 gemessen, und als nach den
Versuchen 220 Volt Spannung angelegt wurden, war zuemt
j s / j o etwa = 1,2, sank aber bei dauernd eingeschaltetem i,
immer mehr nach 1. Der kleinste dann beobachtete Wert
betrug etwa 1,1, ein Wert, der also noch weit unterhalb des
mit dem alten Apparat erhaltenen Minimalwertes 1,5 gelegen
war. Damit ist, MTje man sieht, jener hohe Reinheiisgrad,
in dem spontaner KurzschluBstrom und Siittigungsstrom identisch werden, soweit praktisch moglich, erreicht. l)
Die Aufnahme der Tcmperatiircharakteristik m d e formal
etwas kompliziert durch eine Nebenerscheinung, die bei den
alteren Versuchen nicht bemerkt worden war. Es zeigte sich
namlich, da8 es fiir die Aufnahme dsr Temperaturcharakteristik
nicht gleichgidtig war, ob sie bei fallender oder ansteigender
Temperatur aufgenommen wurde. Stets waren die bei fallender
1) Daraus scheint 'mir auch hervorzugehen, daB eine Reflexion der
Elektronen an der Metalloberfliiche nicht stattfindet. Wire niimlich
eine solche vorhanden, und wiirde sie, was das Wahrscheinlichere ist,
nicht vollig isenergetisch verlaufen, so wiirden die spontan reflektierten
Elektronen durch das Hilfsfeld ebenfalls auf die Gegenelektrode gezwungen werden, was einen entsprechenden Unterschied des spontanen
Stromes und des Siittigungsstromes zur Folge h5itte.
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalle.
603
Temperatur gewonnenen Werte von i, etwas groBer, als die
bei ansteigender Temperatur beobachteten.
Der Unterschied war um so kleiner, je langsamer die
Temperaturanderung vorgenommen wurde, aber auch dann,
wenn sowohl fiir das Absteigen als auch fiir das Ansteigen
zwischen 900, und 1200O je */4 Stunden angesetzt wurden,
nicht vollig zu beseitigen. Wahrscheinlich ist dies Verhalten
nicht auf eine eigentliche Tragheitseigenschaft des gliihelektrischen Effektes, sondern lediglich darauf zuruckzufthren,
daB die gesamte Glihflache mit ihrer mittleren Temperatur
einer Temperaturanderung nicht so rasch zu folgen vermochte,
als die diinnen Thermodrahte.
Inwieweit dadurch der Verlauf der Temperaturcharakteristik beeinflukit werden kann, zeigen die in Diagramm 3
gezeichneten Kurven.
Sie sind samtlich in diesem reinen Endzustand unmittelbar
nacheinander uber das ganze Interval1 von uber 9OOOC. bis
etwa 1200O C. aufgenommen und besitzen bei etwa 1212 O C.
den gemeinsamen Punkt i,= 1420 10-8. (Im Diagramm ist
der Deutlichkeit wegen nur ein Interval1 von 1030 bis 1200O C.
zur Darstellung gebracht worden.)
Kurve 1 stellt eine bei langsam sinkender Temperatur,
d. h. bei allmahlicher Schwachung des Heizstromes, erhaltene
Charakteristik dar.
Kurve 2 ist bei ebenso langsam ansteigender Temperatur
aufgenommen.
3 stellt eine Kurve dar, bei der der Heizstrom bei 12120 C.
vollig ausgeschaltet und bei Abkiihlung beobachtet wurde.
Dabei fie1 die Temperatur so schnell, daB etwa schon in
8 Minuten 9000 C. erreicht waren.
NaturgemaB ist hier die Abweichung von dem normalen
Verlauf am groflten, doch sollte die Kurve deshalb wiedergegeben werden, weil sie beweist, daB auch dann, wenn gar
keine elektrische Energie dem Apparat zugefiihrt wird, also
bei ganz einwandfrei thermischem Betrieb, das Element ebenso
groBe (her scheinbar noch groBere) Strome liefert als in indirekt elektrisch geheietem Zustand. In der Tat wurde auch
weder beim Kommutieren noch beim Ausschalten des Heizstromes irgendeine auffallige Storung des Galvanometerausschlages beobachtet.
-
604
w.SchliidLter.
Urn die, wenn auch geringe, Abhiingigkeit der io-Werte
vom Temperaturgang zu eliminieren, sind fiir die Auswertung
der Tempereturcharakteristik diejenigen io-Werte zugrunde
gelegt, die sich als Mittelwerte je zweier zur selben Temperatur
gehorigen i,-Werte derjenigen Versuchsreihen ergeben, die a h
Kurven 1 und 2 in D i a g r a m 3 eingezeichnet sind. Diese
Mittelwerte sind es, die in der zweiten Spalte von Tab. IV, abhangig von der in der ersten Spalte veraeichneten ebsoluten
Gliihtemperatur T angegeben sind.
Die spontane Elektronenemissiolz gliihender Metalb.
Tabelle IV.
-
=
+k T
T
-_
~-
1195
0.15
1211
0,42
1227
0,78
1243
1,35
1259
2,47
1275
4,17
1291
6,3
1307
9,Q
1323
15,75
27,5
1339
1355
47
1371
76
1387 106
1403 168
1419 268
1435 400
1451 550
1467 785
1483 1090
1499 1430
- y = lg i,
-&IgT
___
~
lo-'
0,176-9
,, 0,624--9
,, 0,892-9
,,
0,131-8
,,
0,393-8
,,
0,620-8
,,
0,800-8
,, 0,996-8
,,
0,197-7
,, 0,440-7
,,
0,672-7
,,
0,881-7
,, 0,026-6
,, 0,225-6
,,
0,428-6
,,
0,602-6
,, 0,740-4
,, 0,895-6
,, 0,038-5
,, 0,155-5
Gasdruck p = 0,0005 mm Hg, wtihrend
0,837 *
0,826
0,815
0,805
0,794
0,785
0,776
0,766
0,756
0,747
0,738
0,729
0,721
0,713
0,704
0,697
0,689
0,682
0,675
0,667
605
y+ll
- -
1,539 0,637-11
0,637
1,082 1
1,542 0,082-10
1,644E 0,3475-10
1,3471 2
1,547 0,584-10
1,584' 3
1,550 0,843-10
1,843 4
1,553 0,067-9
2,067 5
1,555 0,245-9
2,246 6
1,558 0,438-9
2,438 7
1,561
0,636-9
2,636 8
2,877 9
1,563 0,877-9
1,566 0,106-8
3,106 10
1,568 0,313-8
3,313 11
1,571 0,455-8
3,456 12
0,652-4
1,573
3,652 13
1,576 0,852-8
3,852 14
1,578 0,0267
4,024 15
1,581 0,159-7
4,159 16
1,683 0,312-7
4,312 17
1,586 0,452-7
4,452 18
4,506
1,589 0,666-7
der Beobachtuogmeihe konstant.
'
b) A us w er t e v e r f a hr en.
Zur moglichst genauen Bestimmung der GroSen A und
@ aus diesen Werten und insbesondere zur Beurteilung der
Konstanz von 0, empfahl sich bier die Anwendung des von
R i ch a r d s o n angegebenen Verfahrens. l)
Wir gehen aus von der auf die gesamte wirksame Gliihflache bezogenen Formel:
--CP
j,
= A'. ~ I e S k T
(wobei in unserem Fall A' = 23. A ist).
Es ist d a m :
lgi,, = 1gA' + T1l g T -
FTlge
@
(lg sei wieder das Zeichen fiir den l0er-Logarithmus).
1) 0.W. R i c h a r d s o n , Phil. Tram. A. 201. p. 497. 1904.
Annalen der P h m . IV. Folge. 47.
39
W . Schlichter.
606
Daraus folgt :
lgi,
1
- -lgZ"=
2
@
1
lg8'- -lge.--.
k
T
Wir setzen:
1
lgio-TlgTmJ;
1
-=sG.
T
@
=b
lg8'- a; - -1ge
k:
und' erhalten so :
y=a+bx.
Sind A und 0, und deshalb a und b, konstant, so stellt
diese Gleichung die Gleichung einer geraden Linie dar.
Die aus der vorliegenden Beobachtungsreihe berechneten
neuen Variabeln y und x sind in Tab. IV verzeichnet. Zur
Vermeidung negativer Logarithmen ist dabei statt y, y 11
gewahlt worden. Die dadurch gegebene Beziehung awischen
+
4Y+11
4-
*.
3-
--.
--..
4-
Q
-
-=-.
1-
0
0.65
0.65
0.70
0.70
0.75
0.80
--.
0.85 xlU'
X
-
Diagramm 4.
y und 5 ist zur Prufung der Linearitat durch die in Diagramm 4
eingezeichnete Punktfolge dargestellt worden.
Die Punkte liegen in der Tat, mit Ausnahme der beiden
iiuBersten, sehr genau auf einer Geraden, fiir die a=8,46,
b = - 2,22 lo4 wird.
Nach den Definitionsformeln fiir a und b folgt aus den
Werten :
-
Die spontane Elektronenemission gluhender Metalle.
und
607
a = 8,46 und b = - 2,22 * lo4
1
Ig A' 3 8,46; A' = 28,8 10'; A = 8' = 1,25 lo7
23
@=--
bk
'ge
2,22 lo' 1,35
- lo-''
0,434
= 6,90. 10-18.
Als reine Metallkonstanten ergeben sich also
A = 1,25 10'; @ = 6.90.
Erg.
Darj wie in Diagramm 4 die licrjersten Punkte nicht auf
der Geraden liegen, ist auch von R i c h a r d s o n ofter beobachtet worden. Es sind dies jedoch lediglich die besonderen
Verhiiltnisse an den Enden des Temperaturintervalls, die die
Linearitlt der Beziehung an sich nicht in Rage stellen.
Wendet man niimlich im vorliegenden Falle aLf die nach Ausschlurj der zwei aurjersten Punkte ubrig bleibenden 18 Wertepaare die Methode der kleinsten Quadrate an, so liirjt sich
keine Abweichung von der Linearitiit fcststellen.
a und b und deshalb A und 0 sind also tafsdichlich innerhalb der Beobachtungsgenauigkeit konstant.
3. Die spontane Temperatorchsrakteristik nnter nicht reinen
Verhtlltnissen.
a) Allgemeines.
Auch die nicht reine Gliihelektrode liefert, wenn nur die
positive Emission soweit abgeklungen ist, daB man den spontanen KurzschluBstrom als praktisch reinen Elektronenstrom
ansehen kann, spontane Temperaturcharakteristiken, die in
der Form:
j,= A . T % e
--k0T
darstellbar sind; die zugehorigen Konstanten A und 0 aber
konnen, je nach dem durch die Verunreinigungen modifizierten
Zustand der Gluhelektrode, sehr verschieden ausfallen.
Es wurden sowohl mit dem iilteren, als auch mit dem
neueren Apparat unter den verschiedemten Umstanden solche
Charakteristiken aufgenommen. Die aus ihnen gewonnenen Konstanten A und @ sind, soweit mit dem &lteren Apparat aufgenommen, in Tab. V, soweit mit dem neueren Apparat erhalten,
in Tab. VI zusammengestellt worden. Um einen Vergleich zu
ermoglichen, wie stark die Elektrode in den verschiedenen
39*
608
w.Schlichter.
Zustanden emittiert, wurde zu jedem Wertepaare A und @
die bei einer Temperatur von 1000° C. vorhandene Kurzberechnet ; wir wollen diese GroBe
schluflstromdichte jOtlOOO~
kurz die Emissionsstarke nennen. AuBer diesen 3 GroBen
sind erganzende Beobachtungen von js bzw. is/jo beigefiigt
worden.
Die Versohiedenheit der in den Tabb. V und VI wiedergegebenen Werte A und @ ist, wie ausdrucklich betont werden
muB, nicht etwa auf Unterschiede des xwischen den Elektroden
herrschelzden Gasdruckes zuriickzufiihren. Auoh wenn Zustandsanderungen durch Zulassung von Luft herbeigefart wurden,
sind doch die Temperaturoharakteristiken selbst erst naoh
Wiederherstellung des Hochvakuums, namlich bei Drucken die
kleiner sind als 0,001 mm Hg,aufgenommen worden, bei denen,
wie sich leicht durch Abstellen der Pumpe zeigen lieB, im
Einklang mit unseren friiheren Abschatzungen, die Erscheinung
vom Druck vollig unabhangig war. In allen Fallen handelt
es sich also um Zustandsanderungen der Elektrode selbst und
die diesen entsprechenden h d e r l m g e n der Konstanten.
b) Die noch neue Elektrode.
Nr. 1, 2, Tab. V gelten fiir eine noch neue Elektrode, die
nur soviel ausgegliiht wurde, daB die positive Emission praktisch genugend abgeklungen ist, die aber, wie die hohen Werte
jl/jo zeigen, doch noch weit von dem rein metallischen Zustand
entfernt ist. Nr. 3, Tab. V ist unter ziemlioh reinen VerhSiltnissen aufgenommen.
Unter ahnlichen Bedingungen, wie die Nrn. 1 und 2 in
Tab. V, sind die Nrn. 1, 2, 3, 4, Tab. VI, erhalten worden,
wahrend die Werte 5 derselben Tabelle identisch sind mit den
ausfiihrlich besprochenen Resultaten p. 602f f., die mit dem
neuen Apparat unter reinsten Bedingungen erhalten wurden.
Wie der Vergleich der Nrn. 1, 2, Tab. P mit 3 derselben
Tabelle und der Nrn. 1, 2, 9, 4, Tab. VI, mit 5 daselbst zeigt,
besitzt die noch neue Elektrode gegenuber dem reinen Endzustand groBe Emissionsstiirke io, bei kleineren Werten A
und @. Mit ofterem Gliihen nimmt dann die Emissionsstlirke
allmahlich ab, A und @ wachsen und j s / j o nahert sich, kleiner
werdend, dem Werte 1.
Die spontane Elektronenemission gluhender Metalle.
609
Tabelle V.
Bemerkungen
~~
2
i , g . 103 /5,1
3
1,4 10'
__
l
~~
Gliihelektrode in noch neuem
Zustand
j , noch wenig konetant
j.ijo > 5
= 1,5. Ziemlich reiner
Endwert
i
10-12
l
7,08*10-" 5,5 '*'0.1
Einlassung von Luft.
Wiederherstellung
kuums :
des Va-
nach kurzer Tlitigkeit
der Pumpe:
nach llingerer Tgtigkeit
der Pumpe:
nach weiter einstiindig.
Tiitigkeit der Pumpe:
Bei p = 0,l mm H g und 9780
Gliihtemp. jo= 3,5 10-9
Amp. j,/jo = 12
p = 0,06 mm Hg und 995O
Gliihtemp. jo = 5
ca. p = 0,0008 mm Hg, 1O1Oo
Gliihtemp. j , = 20 10-0
ca. p = 0,0005 mm Hg, 1O1Oo
Gliihtemp. j , = 70
jo eteigt nicht mehr merklich,
eondern h a t sich konstant.
Anschliefiend Charakteristik 4
j,/jo = 5.
Gas okkludiert.
AuSerdem aber starke rdsorbierte Grraechicht
-
1
1
1
4
Zunlchst dieeelben Werte wie
bei Charakteristik 4.
Nach mehratlind. Qliihen:
5
__
6
2,O 10' 16,5
- lo-'$[ 58 - loL0
Abermaliges mehratiindiges
Qliihen.
7
8
I 1
7,75 * lo' 6,82.10-19 17,5* lo-'
Gas haupteiichlich
Verkleinerung des Wertes
j&Vgl. Tab.VII1. Dsrauf:
= 2. Ziemlich reine Verh&ltnisee
Rtickfall d u d Neuaufnahme
von Gasen wghrend der
Ruhe
I
w.Schlichter.
610
Datum
3)
4)
5)
9./11. 13
lO./11. 13
12.111. 13
j, 1000° C.
Q,
3,9 lo6
5,6 lo6
1,25. lo7
-
-
8,67
6,73 *
6,90 * lo-'*
'
1,74*
1,7
1,6
Bemerkungen
j , / i o= 1,6
j,/jo = 1,6
j,/jo = 1,2
reine Endwerte.
c) Kiinstliche Beeinflussung dur ch Zulassung v o n Luft.
Die Versuchsreihen 4, 5, 6, 7, Tab. V sind nach folgender
Behandlung erhalten worden. Es war in den Apparat absiohtlich Luft bis zu einem Druck von 1mm Hg eingelassen
worden, die dann wahrend einiger Gliihstunden und wfihrend
einer Nacht in kaltem Zustand auf die Gluhelektrode gewirkt
hatte und darauf wieder weggepumpt worden war.
Wie die darauf folgenden Notizen vom 18., in Tab. V,
zeigen, ist danach der spontane KurzschluBstrom noch nicht
erheblich groBer als in reinem Zustand, doch hat j s / j o schon
wieder einen merklich hoheren Wert angenommen. Erst im
Laufe mehrstiindigen Glihens bei hohem Vakuum steigt der
spontane KurzschluBstrom auf etwa den zehnfachen Betrag
seines unter reinen Verhaltnissen beobachteten Wertes und
halt sich dort einigermaaen konstant.
Die dann aufgenommene Charakteristik 4 zeigt etwas
hohere Werte A und 0 als in reinem Zustand, und auch am
nachsten Tage werden diese selben Werte noch einmal angetroffen (jedoch nioht verzeichnet) ; doch verschoben sich an
diesem Tage wahrend mehrstiindigen Gliihens die Verhaltnisse
so, da13 am Ende dieser Glaperiode Charakteristik 5 erhalten
wurde, die schon wieder kleinere Werte A und @ zeigt, als in
reinem Zustand und insofern etwa der Charakteristik 2 derselben Tabelle der noch neuen Elektrode vergleichbar ist.
Diese selben Werte lieferte die am nachsten Tage aufgenommene
Charakteristik 6.
Die spontane Eklctronenemission gluhender Metalle.
611
Erst nach einer weiteren, langeren Gluhperiods wurden
am 21. die unter Nr. 7 verzeichneten, dem reinen Endzustand
wieder nahekommenden Werte erhalten. Diese letzte Gliihperiode ist besonders zu einer genauen Prtdung unseres
Ihiteriums fiir Reinheit geeignet. Die in dieser Zeit abgelesenen Werte i, und i, und die aus ihnen berechneten Verhaltniszahlcn j s / j o l) sind in Tab. VII dargestellt worden. Man
sieht daran sehr deutlich, wie mit allmahlich nach dem
reinen Ehdwert abnehmender KurzschluBstrornstarrkee auch
die Zahlen j s / j o immer kleiner werden, um schlieSlich bei
einem etwa bei 2 gelegenen Wert Ealt zu machen, der unter
diesen Bedingungen, d. h. vor allem bei dieser Temperatur
nicht mehr unterschritten werden konnte.
T a b e l l e VII.
I}
I
0
60
6,4
6,35
5,38
,I
372
3,175
2,69
965'
c.
Die Gliihtexpperabnr wird allmiihlich auf 997 O C. gesteigert.
16,5
64,O
3,88
1,94
9970 c.
18,O
78,8
4,37
2,185
998O
235 Minuten
300
9,
i
1
I
1
I
c.
d) Riickfall.
Versuch 8, Tab. V endlich zeigt eine Charakteristik, die
nach einigen Tagen der Ruhe aufgenommen worden ist, wahrend
welcher Zeit sich wieder etwas Gas bis zum Druck p = 0,05 mm
angesammelt hatte. Die nach Wiederherstellung des hohen
1) Man hat dahei im Sinne der Ausfuhrungen auf p. 588 zu beriicksichtigen, daB unter den bei dem iilteren Apparat vorhandenen geometrischen Bedingungen im spontanen Strom nur die Halfte der Gliihfliche, im Sattigungsstrom dagegen die game Gliihflache wirksam ist,
80 dal3
jo = xo * a = i0/2,4,
dagegen
j , = X. * 8 = i,/4,8,
also
zu setzen isf.
W. Schlichter.
612
Vakuums erhaltene Charakteristik zeigt abermals groBere
Emissionsstarke und kleinere Werte A und 0 und groBeres
is/j,. Wir haben es hier also mit einem durch die geringe Gasaufnahme veranlafiten Ruckfall zu tun.
e) Die m i t Salpetersgure beh&ndelte Elektrode.
AnschlieBend an die Endwertversuche des neuen Apparates wurde das ganze GefaB mitsamt Elektroden und Zufihrungen eine Viertelstunde energisch mit konzentrierter
Salpetersaure ausgekocht, gespult, getrocknet und wieder eingebaut. Eine so behsndelte Platinelektrode zeigt nach Wilson
ein wesentlich anderes Verhalten als in gewohnlichem Zustand.*)
Tatsachlich ergab sich, daS der Zustand der Gliihelektrode
durch diese Behandlung vollig geandert worden war. Sie
lieferte vor allem eine auffallend starke positive Emksiolt. Die
spontanen KurzschluBstrome waren bei allen Temperaturen
positiv, und auoh durch Hilfsspannungen lieBen sich nur
starke positive Strome, dagegen keine bemerkenswerten negativen Strome erzwingen.
Es wurde versucht, diese positive Emission wie friiher
durch dauerndes Gluhen bei gutem Vakuum zu beseitigen.
Dies gelang auch in einer 20 Stunden dauernden Gliihperiode
bei 1000° C. soweit, da13 der positive Sattigungsstrom von
etwa 6000 10-8 auf 240 - 10-8 Amp. zuruckging, doch ging
die Annaherung an diesen Wert asymptotisch vor sich, so daB
schlieBlich keine Hoffnung bestand, den Effekt auf diese Weise
zu entfernen. Der verbleibende Restwert ist etwa lOmal so
groB, als er fiir dieselbe Temperatur fiir die positive Emission
einer frischen Elektrode im natiirlichen Zustand beobachtet
wird. Die Beseitigung der positiven Emission gelang in vorliegendem Falle nur soweit, dal3 der spontane KurzsohluSstrom
gerade eben negativ wurde, aber doch noch vie1 geringere
Werte hatte, als er f i i r die reine Elektrode beobachtet wird;
uberdies ging er, wenn er dauernd eingeschaltet blieb, innerhalb
kurzer Zeit auf 0 zuriick.
SchlieBlich wurde versucht, ob nicht etwa durch Zulassung von Wasserstoff die Elektronenemission von neuem
gesteigert werden konnte. Aber weder ltingere Einwirkung
-
1) 18. A. W i l s o n , Phil. Trans. A. 202. p. 243. 1904.
Die spontane Elektromnemission gliihender Metalk.
613
im gliihenden, noch solche in kaltem Zustande vermochte an
den bestehenden Verhiiltnissen irgend etwas zu andern.
Es war nicht moglich, in diesem Zustande eine brauchbare
spontane Temperaturcharakleristik zu erhalten. Wurde niimlich
die Temperatur gesteigert, so stieg zwar der negativ gewordene
spontane KurzschluBstrom zuerst schnell, spiiter aber langsamer an, erreichte bei derjenigen Hochstbernperatur, bei der
man zur Vertreibung der positiven Emission gegliiht hatte,
ein Maximum und fie1 von diesem bei weiterer Temperatursteigerung ab, um schliefilich bei noch hoherer Temperatur
wieder positiv zu werden. D. h. fiir die hohere Gliihtemperatur
gewann die positive Emission von neuem die Oberhand. Sie
auch bei der hoheren Temperatur durch dauerndes Gliihen
bei dieser zu beseitigen, uberstieg aber die Leistungsfahigkeit
und die Lebensdauer der Heizeinrichtung.
D. Diskussion u n d Zusammenfassung.
1. Geltang der thermodynamlschenAbleitung des Emissionsgesetzes
nir die unreine Elektrode.
Es sol1 nun versucht werden, die samtlichen mitgeteilten
Versuche unter einem einheitlichen theoretischen Bild zu
ordnen. Wir gehen dazu aus von dem schon ofter betonten
Gesichtspunkt, dab nicht eigentlicich das Metall selbst, sondern
das aus diesem und irgend welchen Verunreinigungen bestehende Gesamtgebilh als emittierendes System anmehen
ist. Fiir ein solches gilt die von Wilson angegebene thermodynamische Ableitung des Emissionsgesetzes ebenso wie fiir
eine reine Elektrode, solange nur der Vorgang der Elektronenverdampfung rein thermischer Natur bleibt, solange also beispielsweise nicht auch chemische Energiequellen (z. B. etwa
Reaktionen zwischen den Verunreinigungen unter sich) und
auch nicht elektrische Vorgange (z. B. seitens des Heizstromes bei elektrischer Heizung oder seitens einer Hilfsspannung) dabei mitspielen. Daraus folgt, dafi auch f i i r die
unreine Elektrode in der formal bestatigten Formel :
j, 3 A5!'%e
--@
kT
der GroSe 0 die Bedeutung der mittleren Austrittsarbeit oder,
was dasselbe ist, der inneren latenten Verdampfungswiimne
614
W . Schlichter.
zukommt, wahrend A durch den Elektronenmechanismus und
Elektronengehalt im Innern irgendwie bedingt ist.
(Diese prinzipielle Betrachtung wiirde auch f i j r den Fall
gelten, wo gleichzeitig positive Ionen emittiert werden, wenn
man dann nur unter io nicht den gesamten KurzschluBstrom,
sondern den lediglich der Elektronenemission entsprechenden
negativen Anteil des spontanen KurzschluBstromes allein versteht.)
2. Okklnsion nnd Adsorption von Gasen.
Bei einer bestimmten Zusammensetzung besitzt dann das
emittierende System, wie wir gesehen haben, eine bestimmte
Temperaturcharakteristik, d. h. bestimmte Konstante A und 0.
Die Zusammensetzung der Gliihelektrode ist im allgemeinsten
Fall bestimmt : 1. durch innerlich aufgenommene Fremdstoffe ;
2. durch die after erwahnte, an die Oberflache angelagerte
Schicht, auf deren Vorhandensein wir wegen des von 1 abweichenden Wertes js/io schliefien mufiten.
Sehen wir zunachst von denjenigen Fallen ab, in denen
die gleichzeitig vorhandene positive Emission besondere Verhaltnisse bedingt, so zeigen unsere Versuche zunachst allgemein, dap die unreine Elektrode eine hohere Emissionsstarke
besitzt als die metallisch reine. Dies gilt sowohl ffir die noch
neue Elektrode (1, 2, Tab. V; 1, 2, 3, 4, Tab. VI) als auch
ffir die ausgeglhhte nach erneuter Gaszufuhr, sei es, daS diese
zufallig in geringem MaBe in kaltem Zustand (8, Tab. V), sei
es, daB sie absichtlich in starkerer Einwirkung in gluhendem
Zustand erfolgt (4,5, 6, Tab. V).
In allen diesen Fallen ist zugleich die Austrittsarbeit @
kleiner a b bei der rein metallischen Elektrode; nur in einem
Fall, namlich bei cler ersten nach cler Zulassung von h f t
erhaltenen Charakteristik (4, Tab. V) ist @ groper als unter
reinen Verhaltnissen.
Untersuchen wir nun diesen Zustand etwas naher, indem
wir auf die dieser Charakteristik voraufgehenden Beobachtungen von j o zuriickgreifen. Es wurden (vgl. Tab. V) am
Morgen des 18. die Versuche bei einem Druck p = 0,l mm Hg
begonnen. Dabei war jo ebenso grol3 wie im reinen Zustand,
und nur der hohe Betrag i,/jo = 12 gab Kunde davon, daB
man es nicht mit diesem zu tun hatte. Der im Vergleich mit
den hernach beobachteten Betragen geringe Wert der Emis-
Die spontane Ebktronenemissiolz gluhender Metalle.
61 5
sion ist jedoch nicht lediglich durch die Zuruckhaltung durch
Gasrnolekble mischen den Ekktrodem zu erklken. Denn auch
bei einem Druck p = 0,0008, bei dem erfahrungsgemiif3 ein
EinfluB des Druckes langst nicht mehr vorhanden ist, und
bei der konstanten Glfihtemperatur 10100 C. steigt der spontane Strom innerhalb einer weiteren Glixhstunde von 20 auf
70 Einheiten gleichmiiBig und stetig an. Dieser Anstieg sieht
vielmehr gerade so aus, als ob anfanglich etwa an der Oberflache des Metalles eine Hemmung von dauerhafterem Charakter vorhanden gewesen ware, bei deren allmiihlicher Entfernung durch anhaltendes Gliihen in hohem Vakuum nach
und nach die an sich betrachtliche Elektronenemission der
unreinen Elektrode frei geworden ware.
Eine solche Hemmung ist, wie ich glaube, am einfachsten
folgendermaBen zu erklaren. Es ist bekannt, daB Metalle an
ihrer Oberflache Gase bis zu einem Druck von mehreren
Atmospharen zu adsorbieren vermogen. Eine solche Adsorption
wird vermutlich, wenn auch in geringerem MaBe, auch dann
eintreten, wenn ein Metal1 einige Zeit bei Anwesenheit von
Gasen geglliht wird. Wahrend des Gliihens in Luft vom
Druck p = 0,l mm Hg wird also die Platinelektrode Gase
adsorbiert haben, die auch nach Wiederherstellung des hohen
Vakuums und bei fortgesetztem Gliihen nur langsam wieder
abgegeben werden. Selbst wenn diese adsorbierte Schicht im
vorliegenden Falle nur einen Druck von einigen Millimetern Hg
haben sollte, so wiirde bei solcher Dichte die Schicht imstande
gewesen sein, eine aus dem Metallinnern stammende, starkere
Elektronenemission bib auf den beobachteten geringeren Betrag
abzuschwkchen. Mit der Entfernung dieser adsorbierten Schicht
muBte dann der spontane Strom im selben MaBe ansteigen,
als die Oberflache wieder freier wurde. Der von der adsorbierten
Schicht durchgelassene Teil der Elektronen aber muB naturgemal3 eine hohere Austrittsarbeit @ su leisten haben, wie er
tatsiichlich in der unmittelbar anschlieBend aufgenommenen
Charakteristik 4 noch festgestellt werden konnte.
1st diese Deutung richtig, so wird ansunehmen sein, dal3
adsorbierte Gasschichten , und wahrscheinlich allgemeiner
jegliche an die Oberflache angelagerte Verunreinigungen, die
Elektronenemission nicht erhohen, sondern herabsetzen. Daraus
aber folgt, daB die bei der unreinen Elektrode beobachtete
616
W : Schlichter.
starkere Elektronenemission nicht der Mitwirkung solcher angelagerter Schichten , sondern derjenigen des okkludierten Gehaltes an Fremdstoffen zu verdanken ist.
Wir kommen so zu folgender These:
Eine Elektrade von vorzoiegend okkludiertem Gehalt a n
Fremdstof f en zeigt, wenn keine positive Emission vorhanden
ist, stets kbinere Austrittsarbeit CD und groperes Emissionsvermogen als in reinem Zustand. Wir konnen eine solche Elektrode wie eine Legierung des Metalles mit den Fremdstoffen ansehen, der eine geringere Zatente Elektronenrerdampf ungswame @
und ein hoherer Elektronendampfdruck zukomrnt a h dem reinen
Metall.
Dieser Zustand kann aber durch die gleichzeitige Anwesenheit einer a n die Oberflache angelagerten Schicht so modifiziert
werden, dap unter Vergroberung der Austrittsarbeit der Elektronenaustritt bis auf einen bedeutend kleineren Betrag abgeschwticht w i d .
Tatsachlich gelingt es von dieser Vorstellung aus, alle
die in den beiden Tabellen verzeichneten Versuchsresultate
zu verstehen.
Meist befindet sich die unreine Elektrode in einem Zustand, in dem die hemmende Wirkung der ja stets vorhandenen
angelagerten Schicht gegen die die Emission steigernde des
okkludierten Gehaltes zuriicktritt. Wir konnen diesen Zustand als den regularen der nicht ganz reinen Platinelektrode
bezeichnen. In diesem Zustand befindet sich stets eine neue
Elektrode, wenn man die positive Emission geniigend weit
beseitigt hat, und in ihn fiihrt auch eine langsame Gasaufnahme
seitens der kalten Elektrode, wie Versuch 8 (Tab. V) zeigt,
aus dem reinen Endzustand von selbst zuriick.
Wenn daher bei Charakteristik 4 (Tab. V) die Wirkung
einer starken adsorbierten Schicht beobachtet wurde, so scheint
dies darauf zuriickzufiihren zu sein, daB die Gasaufnahme
wtihrend des Gliihens, also bei viel innigerer Beriihrung erfolgte,
als bei kalter Elektrode. Bei dieser Gelegenheit wird aber
zweifellos auch Gas okkludiert worden sein, das dann natiirlich
viel langsamer entweicht, als das adsorbierte, so daB bei Beseitigung dieses letzteren die Elektrode sich abermals in jenen
regularen Zustand begeben muB, in dem Gas vorwiegend
okkludiert vorhanden ist, und in dem die Elektrode wegen
kleinerer Austrittsarbeit @ immer noch starker emittiert als
in reinem Zustand.
Die spontane Elektronenemission gluhender Metalle.
617
Aus diesem regularen Zustand fidxt, wie man sieht, fortgesetztes Gliihen, dadurch, daI3 sich allmahlich auch das
okkludierte Gas entfernt, in allen Fiillen zum rein metallischen
Zustand
Alle diese Zustandsanderungen werden von entsprechenden
hderungen der Konstanten A und @ in bestimmter eindeutiger
Weise begleitet : @ wird durch okkludierten Gehalt uerkkinert,
durch adsorbierten vergropert ; die Konstante A folgt dabei den
Bnderungen von 0 stets im selben Sinne.
.
3. Zustand bei starker positiver Emission.
Bei der soeben durch Gasaufnahme bewirkten kiinstlichen Beeinflussung ist es wohl moglich, einen Zustand &hnlich demjenigen hervorzurufen, den man bei der neuen Elektrode nach Beseitigung der posjtiven Emission anzutreffen
pflegt, jenen als regular bezeichneten Zustand, der dumb
erhohte Emission bei kleiner Austrittsarbeit charakterisiert
ist; aber es ist nicht moglich, auf diese Weise jenen ganz zu
Anfang beobachteten Zustand zuriickzurufen, in dem man
die vorherrschend positive Emission beobachtet. Nach Versuchen von Richardson1) scheint man nun annehmen zu
diirfen, daD die positive Emission hauptsachlich durch die
Verdampfung der in einer neuen Elektrode stets in Spuren
vorhandenen leichter fluchtigen Stoffen, Verbindungen von
Leichtmetallen, besonders Alkalisalzen, zustande kommt. Danach erscheint es aber durchaus verstandlich, wenn die einmal
abgeklungene positive Emission durch so schwache Mittel,
wie die Aufnahme von Gasen, nicht mehr zuriickgerufen
werden kanh.
Es gelingt dies aber unter der das Metal1 vie1 stfrker
angreifenden Wirkung der Salpetersaurebehandlung. Die so
neu geschaffene positive Emission ist, verglichen mit jener
naturlichen, im Anfangszustand beobachteten, sogar auBerordentlich groB und bedeutend dauerhafter.
Schon Ric h a rd s on hat gegenuber der Wilson sohen
Auffassung, daB die Platinelektrode durch die genannte Behandlung metallisch r e i y r und deshalb weniger gliihelektrisch
wirksam wiirde, die Vermutung ausgesprochen, die durch die
1) 0.W. Richardson, Phil Mag. 20. p. 981. 1911.
,
618
w.Schlchter.
Salpetersaurebehandlung verringerte Elektronenemission sei
nur eine scheinbare, namlich dadurch bewirkt, daB sich an
der Oberflache des Metalles eine Sauerstoffschicht bilde, die
die aus dem Innern kommenden Elektronen festhalte.
Das Wesentliche dieser Auffassung scheint mir darin gelegen zu sein, daki sich danach die mit Salpetersaure behandelte
Elektrode nicht in einem metallisch reineren, sondern in einem
durch Mitwirkung anderer Stoffe komplizierten Zustand, also
in einem unreineren Zustand, befande.
Der durch die Salpetersaurebehandlung hervorgerufene
Zustand wird hier also durch die allgemein beobachtete, hemmende Wirkung einer adsorbierten Schicht erklart. Andererseits aber 1aBt sich das Verschwinden der ElektronenemissioD
auf das Vorhandensein der positiven Emission zuruckzufiihren.
Wir haben ja fruher festgestellt (vgl. 11, A), da13 diese sich
der Elektronenemission nicht einfach uberlagert, sondern den
Elektronenaustritt hindert. Diese Wirkung ist vielleicht so
zu verstehen, da13 die aus dem Innern verdampfenden Stoffe
als positive Ionen sich Tor ihrer volligen Loslosung von der
Elektrode in deren Oberflache ansammeln und dort mechanisch
und elektrostatisch die Elektronenemission auffangen.
DaB diese positiven Ionen mit der von R i c h a r d s o n
vermuteten Sauerstoffschicht identisch seien, ist zwar nach
der von Richardson1) beobachteten spezifischen Ladung
nicht ausgeschlossen, jedoch wegen der aufierordentlichen
Hartnackigkeit und auch wegen der Unempfindlichkeit gegen
Wasserstoffzufuhr ziemlich unwahrscheinlich. Es erscheint
plausibler, anzunehmen, daki durch die Salpetersaurebehandlung das ganze Elektrodenmaterial mehr in die Tiefe gehend
angegriffen und irgendwie umgestaltet wird, so dab sich positive Ionen aus dem Innern loslosen konnen.
Nach dieser Auffassung ist dann der durch die Salpetersaurebehandlung hervorgerufene Zustand von dem anfanglich
bei einer ganz neuen Elektrode angetroffenen nur seiner Stkke
nach, im ubrigen aber nicht wesentlich verschieden.
Konnte man unter diesen Bedingungen den wenn auch
geringen negativen Anteil des spontanen KurzschluBstromes
allein beobachten und fiir diesen die Temperaturcharakteristik
bestimmen, so wiirde zu erwarten sein, daB wegen der hem1) 0.W. R i c h a r d s o n , Phil. Mag. 20. p. 545. 1910.
Die spontane Elektronenemission gluhender Metalle.
619
menden Wirkung der an der Oberflache vorhandenen positiven Ionenschicht 0 sehr groB ausfiillt. TatsLchlich ergaben
auch die von Wilson mit ,Sattigungsstrom erhaltenen Charakteristiken Werte Q 8 , die erheblich groBer sind als in reinem
Zustand (vgl. Tab. X I am Ende diems physikalischen Teiles).
Inwieweit auch die mit Siitt?gungsstrorn bestimmte GroBe O8
als ein MaB fiir die Austrittsarbeit angesehen werden kann,
wird weiter unten besprochen werden. I)
4. Dew mine Endmetend.
Wie unsere Versuche zeigen, gelingt es im allgemeinen,
durch dauerndes Gliihen die Elektrode in den regularen unreinen Zustand uberzufiihren, und &us_diesem durch fortgesetztes Gl&en den metallisch reinen Znstand weitgehend
anzunahern. DaB dies auch f i i r die mit Salpetersaure behandelte Elektrode gelungen w a e , wenn die’ Heizeinrichtung
die Erreichung hoherer Gliihtemperaturen gestattet hatte,
geht daraus hervor, daB sich durch 2Ostiindiges Gliihen bei
10000 C. der Zustand schon deutlich in der Richtung nach
dem regularen Zustand hin verschoben hat.
Die h a h e r u n g an den rein metallischen Zustand BUS
dem regularen geschieht, wie man aus den Tabellen erkennt,
stets so, daB A und 0 waichsend, i0 abnehmend, bestimmten
Grenzwerten zustreben, wahrend sich gleiohzeitig iJi0 dem
Wert 1 nahert.
Diese Anniiherung an den Endzustand wurde dreimal
beobachtet. Die drei Endwertcharakteristiken sind Tab. V,
Nr. 3 u. 7, Tab. VI, Nr. 5. Dabei stimmeq die Endwertkonstanten Tab. V, Nr. 3 u. 7, unter sich befriedigend uberein, weichen jedoch von denjenigen der Tab.VI, Nr. 5 etwas
ab. Bei der Ungenauigkeit der mit dem alteren Apparat moglichen Bestimmung von A a d 0 werden wir uns allerdings
auf den Vergleich der direkt beobachteten Emissionsstarken
beschranken miissen. M3n erkennt dann, -daB die im Endzustand mit dem neuen Apparat beobaohtete Emissionsstarke
kleiner ist als die mit dem alten Apparat beobachtete. Diese
Tatsache ist aber leicht verstandlich dadurch, daB man eben
mit dem neuen Apparat, wie der Wert j J j 0 = 1,l zeigte, dem
metallischen Zustand durch die Erreichung hoherer Tempe1) Vgl. p. 621ff.
W . Schlichter.
6 20
raturen vie1 naher kommen konnte als mit dem alteren, fiir
den j e / j o nicht unter 2 bzw. 1,5 herunterging.
Wir werden deshalb die KonstantenA und CDdes Endzustandes 5
Tab.VI als diejenigen zu betrachten haben, die denen des reinen
Metalles eon allen am nachsten kommen.
Der in diesem reinen Endzustand beobachtete KurzschluBstrom ist gegen die geringste Zustandsanderung, wie sie z. B.
stets bei Verschlechterung des Vakuums eintreten muB,
auBerst empfindlich, jedoch durch noch so langes und ofteres
Glixhen nicht mehr merklich zu verkleinern. Es geht dies am
besten aus folgender Tabelle hervor.
Tabelle VIII.
i,, bei 12000 C.
Tag der Beobachtuog
-
lo-' Amp.
nach 2 etund. Gliihen:
1,20 . 10-5
9.
0,95
10.
12.
0,975
-
* lo-'
1,Ol *lonach l e t h d . Gliihen:
1,m. 10-5
nach 2 'Ip stood. Cluhen :
1,38 *
io bedeutet den an verschiedenen Tagen beobachteten
spontanen KurzschluBstrom, den die 23 qcm groBe Gliihflache des neuen Apparates bei 1200O C. lieferte.
Wie man sieht, werden Tag fur Tag nahe dieselben Werte
fur i,, angetroffen, die, sei es durch hderungen des Reinheitsgrades, sei es durch kleine Temperaturunterschiede etwas
schwanken, keifiesf alls aber Neigung zeigen, im ganzen zu fallen.
Wir haben es also sicherlich zum mindesten mit einem pralctisch
unveranderlichen Zustand zu tun.l) Wenn es nun vielleicht
auch moglich ist, durch besondere Hilfsmittel (extremstes
Vakuum, hohere Gliihtemperatur) dem metallischen Zustand
noch etwas naher zu kommen, so scheint mir doch die ganze
Art und Weise, in der hier die gliihelektrischen GroBen nach
diesem Zustand konvergieren, geniigend iiberzeugend dafiir
zu sprechen, dab ein bestimmter von 0 verschiedener Etementar1) Diese Tatsache berechtigte dam, die in Diagramm 2 gezeichnete
Kurve in der genannten Form zu extrapolieren. .
.
.
I
Die spontane Elektrcmenemission gliihender Metalle.
621
effekt des reinen Metalles tatsachlich existiert, und dap die hier
gemessenen Konstanten von denjenigen des reinen Metalles nicht
mehr merklich verschieden sein konnen.
6. Vergleich der spontanen Konstanten mit denen der SBtttignngs-
strommethode.
Da im reinen Endzustand, wie beobachtet; spontaner Strom
und Sattigungsstrom identisch werden, miissen auch die aus
der Endwertcharakteristik berechneten spontanen Konstanten A
und d, mit denjenigen Konstanten A, und 0,ubereinstimmen,
die unter ebenso reinen Bedingungen mit Sattigungsstrom
erhalten werden.
Die bis jetzt bekannten Konstanten A , und Q8 sind zusammen mit den daraus fiir 1000O C. berechneten Sattigungsstromdichten j,, die wir als die Emissionsstgrke bei Sattigung
bezeichnen konnen, in Tab. XI am Ende dieses Teiles zusammengestellt. Die von uns gefundenen reinen Endwerte
A = 1,545 lo7, d, = 6,90 10-l2, j o = 1,6stimmen am
besten mit den von R i c h a r d s o n gefundenen A = 1,2-107,
d, = 6,65 * 10-l2, is = 6,8 *
iiberein. Der Vergleich wird
allerdings besser nicht hinsichtlich der erst aus den Versuchen
berechneten Konstanten, sondern hinsichtlich der unmittelbar
beobachteten Emissionsstarke vorgenommen werden.
Die etwas hohere Emissionsstarke sowie der kleinere
Wert
R i c h a r d s o n s sprechen dafiir, daB die R i c h a r d sonsche Charakteristik bei nahezu, aber nicht ganz reinen
Verhaltnissen aufgenommen worden ist. Sie wiirde etwa einem
Zustande nahe kommen, wie er durch die Charakteristiken 5
u. 6, Tab. V , gekennzeicbnet ist, und der etwa zwischen
den Charakteristiken 2 und 3 derselben Tabelle gelegen sein mag.
Aber auch unter nicht ganz reinen Verhaltnissen werden
bei Platin die spontanen und die Siittigungskonstanten nahe
ubereinstimmen miissen; da in allen diesen Fallen eine
von der Temperatur unabhangige Proportionalitat zwischen
spontanem Strom und Sikttigungsstrom besteht, mussen die
Konstanten d, und CD8 genau, A und A, bis auf diesen im Vergleich mit den groBen Schwankungen dieser GroBe an sich
kleinen Proportionalitatsfaktor gleich sein.
Bei Benutzung dieser wichtigen (allerdings zunachst nur
fiir Platin geltenden) Tatsache konnen leicht auch die ubrigen
in Tab. X I verzeichneten, bei Siittigung erhaltenen Resultate
-
-
Annalen der Phyaik. IV. Folge. 47.
40
622
W . Schlichter.
zur Erganzung unserer spontanen Untersuchungen herangezogen werden. Die von Wilson an der in Wasserstoff
gluhenden Platinelektrode gemachten Beobachtungen beispielsweise zeigen, wie von uns allgemein beobachtet wurde, daB
durch Gasaufnahme die Elektronenemission erheblich gesteigert
werden kann. Diese Steigerung ist allerdings fiir geringen
Wasserstoffgehalt, d. h. geringe Gasdrucke nur etwa ebenso
groB wie bei Aufnahme von Luft ;doch gestatteten die Sattigungsstromversuche, den EinfluB des Wasserstoffgehaltes auch bis
zu Gasdrucken zu verfolgen, fiir die eine spontane Untersuchung
wegen der Verminderung der freien Weglange der Elektronen
illusorisch wiirde. Man sieht, eine in Wasserstoff gliihende
Platinelektrode verhalt sich wie eine solche von vorwiegennd
okkludiertem Gehalt, und zeigt dementsprechend hohere Emissionsstiirke bei kleineren Konstanten A und @.
Das Gegenstuck dazu bilden die ebenfalls von Wilson
gemachten, schon erwahnten Beobachtungen an der mit
Salpetersaure behandelten Elektrode. Die Elektronenemission
ist hier sehr vie1 geringer als bei der gewohnlichen Elektrode;
gleichzeitig aber sind A , und @, gros. Eine solche Elektrode
verhalt sich also wie diejenige, an deren Oberfliiche Fremdstoffe angelagert (vielleicht Gase adsorbiert) sind , die moglicherweise mit positiven Ionen identisch sein konnen.
Ob auch die von Deininger erhaltenen hoheren Werte A ,
und 0,vielleicht auf eine Behandlung mit Salpetersaure zuriickzufiihren sind, konnte aus jener Arbeit nicht ersehen werden.
III. Versuche mit Nickel.
A. Ver suchsbedingungen.
Urn naoh derselben Methode wie Platin auch Nickel zu
untersuchen, wurden in dem neueren Apparat die Platinelektroden durch Nickelelektroden derselben Dimensionen ersetzt.
Diese Nickelelektroden bestanden aus besonders reinem Nickel.
Firma Heraeus gibt an, daB das Metal1 hochstens 1 Proz. Verunreinigungen enthalten konne, als welche hauptsachlich Eisen
und Kobalt in Betracht kommen. Als Zuleitungen wurden
auch jet& Platindrahte verwendet, die zusammen mit Platinrhodiumdriihten ganz analog wie bei den Platinversuohen die
Temperaturen der Elektroden zu bestimmen gestatteten. Als
Gliihelement betrachtet, ist deshalb die Anordnung nicht
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalle.
623
streng gleichartig mit derjenigen, wie sie bei den Platinversuchen
benutzt wurde. Die beiden Nickelelektroden sind jetzt nicht
wieder mit Nickel, sondern mit Platin zu einem aul3eren Kreis
verbunden. Zwischen den beiden Nickelelektroden herrscht
also eine Potentialdifferenz, gebildet dwch die Differenz der
Kontaktspannungen zwischen Nickel und Platin und einer
moglicherweise vorhandenen Thomsonspannung. Die Gesamtheit
dieser Spannungen ist aber nur von der GroBenordnung der
thermoelektrischen Kraft des Thermoelementes Platin-Nickel,
vermindert um eine Thomsonspannung, also jedenfalls so
klein, daf3 sie ebenso wie beispielsweise der Ohmsche Spannungsabfall langs des Galvanometerwiderstandes vernaohlassigt
werden kann.
(Die strengere Begriindung kann ebenfalls erst in einem
spateren Kapitel erfolgen.)
Wir konnen deshalb diese Anordnung doch vollkommen als
gleichwertig mit einer solchen ansehen, bei der die beiden
Nickelelektroden durch Nickeldrahte miteinander zum auJ3eren
Kreis verbunden waren.
In Anbetracht der ausflihrlichen Darstellung der Platinversuche sollen hier nur die Resultate im groBen und ganeen
mitgeteilt werden.
B. Die positive Emission.
Die positive Emission ging so rasoh zuriick, daB ihre genaue Untersuchung weder moglich war, noch verlohnt hiitte.
C. Das Verhiiltnis v o m s p o n t a n e n S t r o m zum
Sii t t i gsungstrom.
Nach Abklingen der positiven Emission wurden in kurzer
Zeit sehr konstante, ruhige Verhaltnisse erzielt. Die 23 qom
groBe Gliihflache gab dann bei 1000°C. einen spontanen Kurzs,chlubstrom io = 40 * lo4 Amp. Diesem spontanen Kurzschlupstrom stand aber, in auffallendem Gegensatz zu dem Verhalten
des Platins, ein auperordentlich starker Sdttigungsstrom gegen-
iiber. Derselbe betrug bei 1000°C. zuerst 4,5-10-3 Amp. und
sank im Lrtufe von 2 Gliihstunden, wahrend welcher Beit er
dauernd eingeschaltet blieb, nur auf 0,78 l0-g nach weiteren
14 Gliihstunden auf 0,16-10-5 Amp.
Der spontane KurzschluSstrom betrug auch nach dieser
langen Gliihzeit immer noch wie etwa zu Anfang 58 10-8 Amp.
-
-
40
62 4
W . Schlichter.
D. Die T e m p e r a t u r c h a r a k t e r i s t i k e n d e s s p o n t a n e n
und des gesiittigten Stromes.
Bei der betrachtlichen Verschiedenheit zwischen spontanem Strom und Sattigungsstrom und bei der Aussichtslosigkeit, das Verhaltnis beider durch dauerndes Gluhen erheblich
zu andern, war es zweckmafiig, die Untersuchungen der spontanen Temperaturcharakteristik durch vollstiindige Aufnahmen
von Sattigungscharakteristiken zu erganzen.
Tab. I X gibt die samtlichen an den verschiedenen Versuchstagen aufgenommenen spontanen Temperaturcharakteristiken
und zwei Sattigungscharakteristiken ihren nach der graphischen
Nethode ermittelten Resultaten nach wieder. Wie man daraus
sieht, sind nach einigem Gluhen sowohl der spontane Strom als
auch der Sattigungsstrom und damit auch die glthelektrischen
Konstanten nicht mehr bemerkenswert zeitlich veranderlich.
T a b e l l e IX.
Datum
15./2. 14
20./2.14
21./2.14
21./2.14
22.12. 14
22./2.14
Temperaturcharakteristiken
des spontanen Stroms
I
Datum
1
Temperaturcharakteristiken
des Siittigungsstroms
0,25 3,ti8.10-'* 4,2*10-'
2,7.los 7,10*10-'2 1,2-10-'
2,3.10' 6,57*10-" 2,0.10-"
1,0*1076,52*10-" 1,8.10-"
1,8.108 7,05*10-'* 1,8*10-'
1,O.lo-'
1,O.lo* 7,05. lo-''
p stets kleiner als 0,001 mm Hg.
Der wesentliche Unterschied von den bei Platin erhaltenen
Resultaten liegt darin, dal3, wie schon bemerkt, is/jakeine
merkliche Neigung mehr zeigt, kleiner werdend dem Wert 1
zuzustreben; j s / j o bleibt bei 1000°C. dauernd etwa gleich 1000(!).
AuSerdem aber sind nicht nur die Konstanten A und A,,
sondern auch di und dig sehr verschieden. Vor allem fallt auf,
dal3 di8 stets erheblich kleiner ist als di. Dadurch wird bedingt,
daB der Temperaturanstieg der gesattigten Elektronenemission
langsamer erfolgt als der der spontanen Emission. Berechnet
man daher die Verhaltniszahl j s / j o fiir verschiedene Gluhtemperaturen, so wird diese bei hohen Temperaturen kleiner
msfallen als bei tieferen.
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalle.
625
E. Die E n d w e r t e d e r s p o n t a n e n T e m p e r a t u r c h a r a k t eri s t i k.
Zur genaueren Feststellung der spontanen Endwertkonstanten wurde wie bei den Platinversuchen die letzte
spontane Temperaturcharakteristik mit besonderer Sorgfalt
aufgenommen. Wieder wurde bei auf- und bei absteigender
T a b e l l e X.
Tern] - a h
T abs.
c.
888
896
904
912
920
928
936
944
952
960
968
976
984
992
1000
1008
1016
1161
1169
1177
1185
1193
1201
1209
1217
1225
1233
1241
1249
1257
1265
1273
1281
1289
0,33
0,40
0,58
0,75
0,975
1,35
138
2,36
3,1
4,05
597
7,1
995
11,75
15,25
19,5
0,985
1,067
1,328
1,338
1,451
1,590
1,713
1,838
1,946
2,061
2,207
2,302
2,427
2,518
2,630
2,735
Temperatur beobachtet, und es wurden die Mittelwerte beider
Versuchsreihen der Auswertung zugrunde gelegt. Diese Werte
finden sich in Tab. X verzeichnet. Aus ihnen sind wieder
die Hilfsveranderlichen 5,y berechnet und die sich so ergebende
Beziehung y = a b z in Diagramm 5 eingetragen. Es er
geben sich auf diese Weise die Konstanten A = 1 , O - lo8 und
@ = 7,05.10-12; dazu gehort jolMx)oc.
= 1,O. l o 4
(vgl.
letzte Beobachtungsreihe Tab. IX).
Wie man a n dem gut geradlinigen Verlauf der Punktfolge
erkennt, isi auch fiir Nickel @ als konstant anzusehen.
+
F. Versuche m i t Wasserstoff.
Um schlieBlich festzust,ellen, ob ebenso wie Platin auch
Nickel durch Okklusion von Wasserstoff zu einer stkkeren
w.Schlichter.
626
I
.
0.77
0.78'
0.7s
0.80
0.81
0.82
483
984
@B6 086
Q87XW'--1-4
Diagmmm 6.
Elektronenemission befahigt wiirde, wurde nach mehreren
Tagen der Ruhe der Apparat bis zu Atmospharendruck mit
Wasserstoff aufgefullt und mehrere Stunden stehen gelassen.
Darauf wurde von neuem bis auf Hochvakuum ( p < 10-8 mm).
ausgepumpt. Es ergab sich dann bei 10000 C. genau derselbe
spontane KurzschluBstrom wie fruher, namlich io= 40 * lo4.
Auch der Sattigungsstrom hielt sich auf der friiher beobachteten Hohe.
Auch dann, wenn der Wasserstoff einige Zeit auf die
gliihende Elektrode eingewirkt hatte, wurde nach ' Wiederherstellung des Vakuums eine h d e r u n g der Elektronenemission nicht beobachtet.
G. R e a k t i o n auf Schwingungen.
Bei der groBen Empfindlichkeit der Nickelelektrode gegen
Einfugen von Hilfsspannungen wirkt der gliihelektrische Kreis
als Detektor elektrischer Schwingungen. Es wurde beobachtet,
daB wenn im Nachbarlaboratorium Schwingungen erzeugt
wurden, der spontane Galvanometerausschlag auf bedeutend
starkere Werte anstieg. Doch ist dieser Gegenstand nicht
weiter verfolgt worden.
H. Diskussion.
Bei der Elektronenemission der Nickelelektrode haben
wir es nit einem Fall zu tun, in dem, wie schon in dem einleitenden Abschnitt vorbereitet, die spontane Elektronen-
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalle.
627
emission von der bei Sattigung beobachteten nicht nur durch
eine einfache Proportionalitat, sondern ihrem eigentlichen
Charakter nach verschieden ist. Der durch die Hilfsspannung
veranlaBte Anstieg der Emission ist, wie man sieht, nicht auf
eine VergroBerung der Konstanten A (A, kleiner als A ) , sondern
allein auf die Verkleinerung der Austrittsarbeit Q, zuruckzufiihren. Man wird also annehmen miissen, daB bei der unter
Sattigung beobachteten Emission eine von der Hilfsspannung
herruhrende elektrische Energieform tatig ist, die aich irgendwie fiir die Erleichterung des Elektronenaustrittes einsetzt.
Dies ist, wie frther besprochen, f i i r eine metallisch tadellos
reine Oberflache nicht moglich. Es muB also, selbst wenn die
Elektrode im Innern metallisch rein gewesen sein sollte, mindestens eine der Oberflache angelagerte Fremdstoffschicht
vorhanden gewesen sein. DaB diese aus adsorbierten Gasschichten bestiinde, ist wegen der beobachteten Dauerhaftigkeit sehr unwahrscheinlich. Man konnte sich aber vielleicht
denken, daB das Metal1 von einer feinen Haut umkleidet sei
die aus Nickeloxyden, Hydroxyden oder anderen Nickelverbindungen bestehen konnte.
Eine derartige E€ektrode zeigt, wie das Beispiel der mit
Calciumoxyd oder Bariumoxyd uberzogenen Platinelektrode
(der sog. Wehneltelektrode) lehrt, wenigstens bei elektrischer
Heizung und bei Sattigung ein ganz anderes glhhelektrisches
Verhalten als die rein metallische Elektrode unter denselben
Bedingungon. Die in Tab. X I fiir Calciumoxyd, Bariumoxyd,
sowie fiir das bekanntlich stets mit einer Oxydhaut uberzogene
Tantal angegebenen Werte A , und cD8 sind bei hoherer Emissionsstkke samtlich kleiner als bei Platin. Diese Stoffe verhalten sich also tatsachlich ganz iihnlich wie die hier beobachtete Nickelelektrode.
Welche spontanm Konstanten diesen Oxyden zukommen
wiirden, ist nicht bekannt. F re d e n h a g e n l ) hat jedoch darauf
hingewiesen, daB eine rein thermisch geheizte Oxydelektrode
sich gltihelektrisch anders verhalt als in elektrjsch geheiztem
Zustancl, und daraus den SchluB gezogen, es konnte die gesteigerte Elektronenemisdion der Oxydelektrode auf einer
elektrochemischen Zersetzung beruhen, die der durch die
Oxydschicht abzweigende Teil des Heizstromes daselbst be1) K. Fredenhagen, Physik. Zeitmhr. 1912. p. 639.
W . Schlichter.
Zusammenstellung der bis j e t z t bekannten gluhelektrischen
H o n s t a n t e n in Tabelle XI.
Tabelle XI.
Stoff
4
Platin (gewohnl.)
Platin
Platin (24 St. mit
HNO, gereinigt)
Platin (1 St. mit
HN0,gereinigt)
Platin (in Hsvon
0,0013 mm Hg)
Platin (in H, von
0,112mm Hg)
Platin (in H, VOD
133 mm Hg)
1,2 -10'
1,25.108
6,O -10'
-
6,65 lo-'*
8,08.10-'*
o,j .lo-'*
6,9 *lo' 8,9 lo-'*
i,o . l o 7 8,l -lo-'*
5,3
011
.lo4
-
Richardson ')
Deininger*)
6,8 10-9
1,5.10-'*
1,0.10-19
7,s
- lo-"
Wilson
1,3.10-'e
'
5,s *lo-'*
4,0-10-'
2,4
3,2. loW6 OhneStittigung,aber
noch ohne StoSionen bei 40 V.
- lo-'*
)
Hilfespannung
Richardson ')
1,6-10-'8 Berechnet aua Wer1,2 -10''
ten j . b. PringParker4)
1,9 -10s 7,3 .lo--'* 2,4.10-9
Deininger 3,
Kohle
5,8 e l O K 5,9 *lo-'* 2,5.10-'
Nernstfa. _n
owens)
~~i~~~~
mit
Wechselatrom
3,5*lo-"
i,9 .lo4 6,45 * lo-''
Nernstfaden
Deininger
Taotal
i,i .lo4 5,8 lo-'* 8,9.10-10
Wehnelt6)
5,8 lo-'*
5,5 10-6
Calciumoxyd
7,5 - 1 0 7
Deininger")
Calciumoxyd
4,4 -10s 5,7 .lo--'* 1,6Wehnelt6)
2,l. 10-6
Bariumoxyd
1,2 .lo8 6,05.
1,54-10' 5,05.
10
Bredenhagen?)
Natrium
Thermiech geheizt
1,97.10-1p lo-* (?)
Kalium
24 (7)
Die angegebenen Werte sind fast ausnahmslos den Originalarbeiten
direkt entnommen oder aus ihnen berechnet. Das bei Richardsons)
sich findende Verzeichnis wnrde dabei vergleichend herangezogen. Die
der Arbeit von Deininger entnommenen Werte sind m a den von dem
Verfasser wiedergegebenen Diagrammen direkt bestimmt worden, da
zwar die von dem Verfasser zusamrnengestellten Werte der in der Oberfliiche zu uberwindenden Potentialdifferenz richtig, dagegen die Werte
0 selbst versehentlich falsch ermittelt sind (einFehler, der auch im Handworterbuch der Naturwissenschaften und auch in dem Buch von Baedecker: ,,Die elektrischen Erscheinungen in metallisohen Leitern" iibernommen ist).
Kohle
Kohle
.lo-'*
9,65.10-'*
ca. 10" 0,5
-
ca. 10-9
-
]
1) 0. W. Richardson, Phil. Trans. A, 201. p. 497. 1904.
2) H. A. Wilson, Phil. Trans. A, 202. p. 243. 1904.
3) F. Deininger, Ann. d. Phys. 25. p. 286. 1908.
4) J. N. Pring und S. Parker, Phil. Mag. 28. p. 196. 1912.
6) G. Owen, Phil. Mag. 8. p. 230. 1904.
6) A. Wehnelt, Ann. d. Phys. 14. p. 426. 1904.
7) K. Fredenhagen, Physik. Zeitschr. 1911. p.'407.
8) 0. W. Richardson, Jahrb. d. Radioakt. u. Elektr. I, 1904.
Die sponfane Elektronenemission gliihender Metalle.
629
wirkt. Wenn nun ein Heizstrom in einer solchen Schicht tatsachlich auf elektrochemischem Wege besondere Elektronen
mobil machen kann, so wird dies auch bei rein thermisclicr
Heizung durch die zum Teil in diese Schicht fallende Hilfsspannung bewirkt werden konnen.
Spielen aber irgendwie solche elektrische Energiequelleri
mit, so verlauft der Austrittsvorgang nicht mehr rein thermisch,
und die Wilsonsche thermodynamische Ableitung des Emissionsgesetzes serliert ihren Sinn. Der Konstanten @* kann
daher nicht mehr die Bedeutung der bei rein spontaner Verdampfunq zu leistenden Austiittsar beit zukommen, sondern
sie wird von der Starke der Hilfsspannung abhangig sein. Fiir
jede zwischen 0 und der Sattigungsspannung gelegene Hilfsspannung werden sich also individuelle, durch die Hilfsspannung
bestimmte Werte von @ ergeben mussen.
Als die eigentlichen thermodynamischen Konstanten konnen
also offenbar nur diejenigen betrachtet werden, die bei Abwesenheit elektrischer Energiequellen, d. h. durch die rein
spontane Temperaturcharakteristik ermittelt werden.
Diese Konstanten werden im vorliegenden Fall auch nicht
mit denjenigen des reinen Nickels ubereinstimmen. Auch sie
werden durch die Anwesenheit der angelagerten Verunreinigungen modifiziert sein ; aber sie werden denjenigen des reinen
Metalles doch sicher bedeutend naher kommen als die mit
Sattigungsstrom erhaltenen.
Die auf dem Gebiete der Gliihelektrizitat, der Lichtelektrizitat und der Kontaktpotentialdifferenzen gemachten
Erfahrungen legen allgemein die Vermutung nahe, daS sich
die Austrittsarbeiten @ zweier Metalle umgekehrt zueinander
verhalten wie die Atomradien bzw. wie die dritten Wurzeln
aus den Atomvolumina. Die auch von R i c h a r d s o n befiirwortete Anwendung dieses Prinzipes wiirde aus dem zweifellos
reinen Wert fiir Platin (@ = 6,90 1 0-l2) fiir vollig reines
Nickel den Wert ds = 7,7.10-12ergeben, dem, wie man sieht,
tatsiichlich der hier gefundene spontane Wert 7,O 10-12 betrachtlich niiherkommt als derjenige der Siittigungsstrommethode 0,= 4,68 10-l2.
Fiir die Ermittlung der eigentlkhm Metallkonstanten
sind also nur spontane Temperaturcharalcteristikerc ohne weiteres
-
630
W . Schlichter.
verwendbar. Die Slittigungscharakteristiken liefern n u r in solchen
Fallen richtige Werte, in d m n sie bei hoher Reinheit des Metalles
mit den spontanen Charakteristiken identisch werden.
Dritter Abschnitt.
Dae gliihelektrieche Element.
L Einleitung.
Die Untersuchung uber die spontane gliihelektrische
Elektronenemission hatte ergeben, daB sowohl die Platinals auch die Nickelelektrode, und daher vermutlich auch jeder
andere einigermaBen definierte Stoff, bei dauerndem Gliihen
bestimmten Endzustbden zustreben, an denen sich d a m
bei noch so lange fortgesetztem Glihen niohts mehr wesentlich andert. Die in diesem Zusand beobachtete Emission ist,
wejl durch die Versuchsanordnung die Mitwirkung elektrischer
Energiequellen ausgeschlossen war, rein thermischer Natur.
Als Gliihelement aufgefapt, kann also die bei unseren Versuchen
benutxte Anordnung dauernd Warnzeenergie in elektrische Energie
umsetzen.
Unsere bisherigen Untersuchungen haben also die Moglichkeit gliihelektrischer Elemente geniigend sicher gestellt. Sie
beschriiskten sich dabei auf einen besonderen Typ von Gliihelementen, der bei den Platinversuohen streng, bei den Nickelversuchen sehr angenahert vorlag, niimlich denjenigen, bei dem
beide Elektroden samt ihren Zufuhrungen aus einem und demselben Material bestehen. Wir wollen diese speziellen Gliihelemente einfache Gliihelemente nennen.
Solche einfache Gliihelemente wollen wir auch weiterhin
behandeln, aber nunmehr unter dem durch das Thema vorgezeichneten Gesichtspunkt ihrer elektrischen Arbeitsleistung.
II. D ~ einfache
E
Gluhelement bei Entnahme elektriecher Arbeit.
A. Allgemeines Schema u n d U n t e r s u c h u n g s me t h o d e .
In dem bisher betrachteten kurz geschlossenen Zustand
ist die von dem Gliihelement geleistete elektrische Arbeit
verschwindend klein. Sol1 das Element Arbeit leisten, so
muB den Elektronen, wenn sie durch den liul3eren Kreis zur
Gliihelektrode zuruckstromen, Gelegenheit geboten werden,
eine elektrische Gegenspannung zu uberwinden.
Die spontane Elektronenemission gluhender Metalle.
681
Dieser Fall moge unter der einfachen Voraussetzung,
daB diese eine Ohmsche Gegenspannung sei, an dem Schema
der Fig. 5 erortert werden. Die Gliihelektrode werde, wie
in den Figg. l a und l b , als eine durch Einstrahlung geheizte
kleine Platinscheibe angenommen, der eine groBere, kiihler
gehaltene, ebenfalls aus Platin bestehende Gegenelektrode
parallel gegeniibersteht. Diejenigen Punkte X und Y der
Zuleitungen, in denen die Temperatur gleich der Zimmertemperatux geworden ist, sind als die Klemmen des Gliihelementes zu betrachten.
Wird der Kreis zwischen X und
G
Y durch einen Widerstand w ge- x
Y
schlossen, und flieBt dann der spontane glhhelektrische Strom i, so stellt
sich zwischen X und Y die 0h m sche
Gegenspannung i. w ein. Die ihr ent
gegengesetzt gleiche Spannung zwischen X und Y ist die Klemmenspannung K des Elementes. Diese
ist von der zwischen den Elektroden
herrschenden Potentialdifferenz V nur
1
um den langs der Zufiihrungsdrahte
Zur P u m p
bis zu den Punkten X und Y vorFig. 6.
handenen Spannungsabfall verschie- ~f Qalvanorneter.
den. Wir wollen bis auf weiteree w = OhmscherWideretand.
annehmen, der Widerstand der Zuleitungen sei, wie dies bei den bisherigen Versuchen ja auch stets der Fall war, klein
gegen den zwischen X und Y gelegenen. Dann ist auch der
Spannungsabfall langs der Zufiihrungen gegen denjenigen
zwischen X und Y zu vernachlassigen, und es ist : K = V.
Der experimentellen Untersuchung des so skizzierten
Elementes sol1 im folgenden getreu den Grundsatzen der angewandten Elekt,rizit&tslehredie Aufnahme der Charakteristik
zugrunde gelegt werden. Man'versteht darunter die Abhilngigkeit des arbeitenden Stromes i von der Klemmenspannung K.
Wir wollen diese Beziehung speziell die ArbeitscharaTcteristik
des Gluhelementes nennen.
Sie tritt zu der schon im vorigen Abschnitt eingefiihrten
(spontanen) Temperaturcharakteristik und vermag pit dieser
-
~e~~~$~''e.
zusammen die Arbeitsweise des Gluhelemen tes vollstandig zu
beschreiben.
B. T h e o r i e d e r A r b e i t s c h a r a k t e r i s t i k auf G r u n d d e r
R i c h a r d s o n s o h e n Geschwindigkeitsverteilung.
Die Form der Arbeitscharakteristik bestimmt sich durch
die Geschwindigkeitsverteilung der aus der Gluhelektrode austretenden Elektronen. Bei einer bestimmten Elektrodenpotentialdifferenz V wird, wenn wir uns a n die in Fig. 5 angenommenen geometrischen Verhaltnisse halten, nur derjenige
Teil der von der G l ~ e l e k t r o d eausgehenden Elektronen die
Gegenelektrode erreichen konnen, die in Richtung senkrecht
zur Austrittsflache einen genugend hohen Betrag an kinetischer
Energie besitzen. Wird also die Geschwindigkeitskomponente,
die das Elektron unmittelbar nach Verlassen der Gliihelektrode
scnkrecht zu deren Oberflache besitzt, mit u, seine Masse
mit m bezeichnet, so werden nur diejenigen Elektronen die
Gegenelektrode erreichen konnen, fiir die :
(1)
ist.
&WhU2Z&B
Nach den Untersuchungen R i c h a r d s o n s verlassen. die
Elektronen die gluhende Oberflache in derselben Geschwindigkeitsverteilung, wie wenn sie aus rinem Raume von der bekannten (raum1ichen)Ma xwe llschen Geschwindigkeitsverteilung
und der Temperatur der Gliihelektrode heraustreten wiirden.l)
Die sich daraus speziell fiir die Komponente u ergebende Verteilung ist derart, dal3, wenn die Zahl der ausgesandten Elektronen pro Zeiteinheit und pro Quadratzentimeter Gliihflache 2,
genannt wird, die Zahl derjenigen Elektronen, die der obigen
Ungleichnng (1) genugen,
(2)
2- Z o . e
v
_z_
kT
betragt. Der zur Potentialdifferenz V gehorige Arbeitsstrom
betragt also pro Flacheneinheit :
- -EV
j = Z . & r : Z O . & . ekT.
SchlieBt man das Element kurz, d. h. ist V = 0, so ergibt
1) 0.W. Richardson, Phil. Mag. 16. p. 353 u. 890. 1908.
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalle.
j = 2,.
also :
E
=
io
633
die spontane Kurzschlufistromdichte; es ist
und somit :
.
.
z=z,,.e
-.
kT
der Wert des von der gesamten Gliihflache bei der Potentialdifferenz V erhaltenen Arbeitsstromes.
Fur V = K ergibt sich so die Arbeitscharakteristik des
Elementes in der Form:
.
.
- -e K
(3)
1 = zom e
kT.
Diese Beziehung hat R i c h a r d s o n unmittelbar experimentell
bestatigt, indem er das Gluhelement ein Elektrometer aufladen lief3 und durch graphische Differentiation der Abhangigkeit des Potentials von der Zeit die GroBe i = C * d V / d t
(C = Elektrometerkapazitat) als Funktion von V ermittelte.
Daran kann sich natiirlich nichts andern, wenn man die Elektrometerspannung durch die Ohmsche Gegenspannung ersetzt.
Fiir die experimentelle Bestatigung ist es nach dem Beispiel
R i c h a r d s o n s zweckmafiiger, nicht diese Form selbst, sondern
die logarithmierte Form zu verwenden. Es ergibt sich:
i =
Ig 2,
- 1,585
- lg .e
.K= - -0,4341,35
* lo-''
k 1'
!.f
oder
lg
i
.
1
= - 0,51 10-4T
20
K
T
- K (elektromag. Einb.)
(Ig = gewohnlicher l0er-lg), oder wenn K in Volt ausgedriickt
wird :
i
- o,ji 104. .K .
T
lg ili, ist also, als Funktion won K betrachtet, eine Gerade, deren
(4)
1g
=
20
Geftille umgekehrt proportional ist der zugehorigen absoluten
Temperatur.
C. Die e x p e r i m e n t e l l e n E r g e b n i s s e .
1. Versucthe an Platin.
a) Versuche m i t dem iilteren Apparat.
Eine solche bei 1000° C. mit dem alteren Apparat fur
Platin erhaltene Charakteristik findet sich in Tab. XII.
w.Schlichter.
654
Tabelle XII.
w (Ohm)
0
1,72 * lo6
4,28 10'
8,84 * 10'
2,63 - 10'
9,34 . 107
d (Amp.)
€474
4,56
--
2,88 *
2,015
0,99 *
0,39 *
K (Volt)
-
10-8
0
0,0785
2,o
lo-'
lo-*
0,124
0,1785
1,520
1,362
10-8
10-8
0,261
1,054
0,365
0,649
1,717
Es bedeuten w die nacheinander eingeschalteten Tuschewiderstande l), i die zugehorigen Werte des Arbeitstromes;
K = i . w ist die daraus berechnete Klemmenspannung. Die
Werte dieser letzteren sind in Diagramm 6 als Abszissen, als
Ordinaten aber dieZahlen 2 +lg i/io
1ooooc.
f 2 + Ig C ~ / i l J ,
(io = KurzschluSstrom fiir w = 0)
aufgetragen worden.
Wie man sieht, liegen die
Punkte befriedigend auf einer Geraden. Ihr Gefalle ist dabei ein
wenig kleiner als theoretisch gefordert. Sie schneidet auf der
GrOBe 1 bei einem Werte 9, =
0,271, der etwas groDer ist als
der theoretisch geforderte 0,25.
0.1
02
0.3
0.4
Voll
In dieser Weise sind mit dem
-K
alteren Apparat in der Gegend
Diagramm 8.
von 10000 C. eine groBere Zahl
solcher logarithmischer Charakteristiken aufgenommen worden.
Stets ergab sich, dal3, wenn keine merkliche positive Emission
mehr vorhanden ist, d. h. im ganzen regularen Zustandsgebiet die logarithmische Charakteristik geradlinig verlauft.
In allen diesen Fallen stimmt das Gefalle der logarithmischen
Geraden mit dem von der Theorie geforderten nahe iiberein;
die experimentell erhaltenen Geraden verlaufen dabei im allgemeinen, wie bei dem obigen Beispiel etwas weniger steil
als theoretisch zu erwarten ware. Die Abweichung erfolgt
1) Die Tuschewiderstiinde waren zusammen mit einem Trockenmittel in versiegelten GlasgefiiBen eingeschlossen und hielten sich so
einigermaden konstant; doch d e n sie zur Sicherheit unmittelbar vor
oder nach Aufnahme einer Charakteristik jeweils einer Kontrolleichung
unterzogen.
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalb.
695
also stets in einem fiir die Wirkungsweise des Gliihelementes
giinstigen Sinne.
b) Versuche m i t dem neuen Apparat.
Mit dem neuen Apparat ergaben sich in der Gegend von
1000O C. Arbeitscharakteristiken, die genau denselben Verlauf
wie die soeben bei dem alten Apparat besprochenen zeigen.
Dagegen wichen die bei hoheren Temperaturen erhaltenen
Charakteristiken von dem theoretisch geforderten Verlaufe ab.
Diese Abweichungen sind wahrscheinlich darauf zuriickzufuhren, daB bei hoherer Temperatur gewisse Fremdstoffe
von der Gliihelektrode zur Gegenelektrode hinuberdestillieren,
wodurch sich in den Kreis eine Kontaktpotentialdifferenz eindrangt. Da diese Abweichungen ebenfalls in einem fiir das
Gluhelement giinstigen Sinn erfolgen, sol1 hier nicht naher
auf diesen Gegenstand eingegangen werden.
2. Versnohe an Niokel.
Die mit dem neuen Apparat bei Nickelelektroden in der
Gegend von 10000 C. aufgenommenen Arbeitschaxakteristiken
zeigen im groBen und
ganzen denselben Verlauf, der bei derselben
Temperatur auch bei
Platin beobachtet worden war. Eine solche
Charakteristik ist in Diagramm 7 wiedergegeben.
Auch hier ist das Gefalle
der experimentell gefundenen Geraden etwas
kleiner als theoretisch
Diagram 7.
eu erwarten. Die Gerade sollte auf der Abseisse statt bei 0,54 bei 0,50 einschn eiden .
Versuche bei hoherer Temperatur lieBen sich, weil die
Heizeinrichtung durch die langen Gliihperioden verbraucht
war, leider nicht mehr ausfiihren.
3. Znsammenfassung.
Zusammenfassend kann man diesen Versuchen entnehmen,
daB allgemein die Arbeitscharakteristik des einfachen G l d elementes tatsachlich den durch die Formel:
636
w.Schlichter.
.
. --eK
k 1’
z=zOe
dargestellten Verlauf zeigt.
Dies gilt, wenn man sich der fiir die beobachtete Ausnahme vorgeschlagenen Erklarung anschlieDt, auch fur hohere
Temperaturen, sofern nur auch dann noch der Charakter des
einfachelz Gliihelementes erhalten bleibt,.
Diese Form der Arbeitscharakteristik scheint auch nicht
streng damn gebunden zu sein, daB die Elektroden wie in
Fig. 5 ebene Fliichen sind, sondern diese konnen auch gekriimmt sein, wenn sie nur einander nahe und parallel verlaufen.
Abweichungen aber von dieser Form sind nur in einem
fiir die Leistungsfahigkeit des Gleichelementes giinstigen Sinne
beobachtet worden.
111. Die Energetik dee einfaohen Gluhelementes.
A. Der t h e r m o d y n a m i s c h e KreisprozeB.
Unsere bisherigen Untersuchungen mufiten sich, entsprechend den angewandten Methoden darauf beschranken,
die Arbeitsweise des Gliihelementes mehr oder weniger phanomenologisch zu beschreiben, ohne schon daruber AufschluD
zu geben, wie und in welchen Betr&gen im Glrihelement l) thermische und elektrische Energie ineinander ubergefiihrt werden.
Es wird deshalb Aufgabe einer rein energetischen Betrachtung
sein, die bisherigen Uberlegungen in dieser Richtung abschliel3end zu erganzen.
Wie beim Thermoelement, so ist auch beim Gluhelement
der i m Raume sich vollziehende Kreislauf der Elektronen mit
einer Reihe von Zustandsanderungen verbunden, deren Gesamtheit als ein thermodynarnischer Kreisprozep angesehen
werden kann. Sowohl beim Thermoelement als auch beim
Gliihelement ist jedoch dieser ProzeB nicht vollig rein vorhanden, sondern begleitet von Warmelei tungs- und Warmestrahlungsprozessen.
Als solche kommen hier in Betracht:
1. Eine Warmeleitung, die die emittierten Elektronen
selbst durch Abgabe eines uberschusses mittlerer kinetischer
1) Darunter ist, wenn nicht ausdriicklich anders bemerkt, das einfache Gliihelement zu verstehen.
Die spontane Elektronenemission gliihender Metalb.
637
Energie von der Gliihelektrode nach der Gegenelektrode ubermitteln, dic wir kurz als die innere Wlimzeleitung des Elernentes
bezeichnen wollen. Die pro Zeiteinheit dadurch ubertragene
Warmemenge sei Qj.
2. Die durch die 51nBere Zufiihrung von der Gliihelektrode
aus direkt stattfindende metallische Warmeleitung. Sie sei
als die uupere Wiimzebeitung des Elementes, der dadurch pro
Zeiteinheit bedingte Warmeverlust mit Qa bezeichnet.
3. Die durch Warmestrahlung von dei Ghhelektrode
zur Gegenelektrode direkt ubertragene Warme ; der pro Zeiteinheit dadurch bedingte Verlust sei Q,.
Alle diese drei Formen von Energieubertragung sind
irreversibler Natur und entziehen sich als solche der eigentlichen thermodynamischen Behandlung. Wir sehen uns deshalb, wie in der Thomsonschen Theorie der Thermoelektrizitat, zur Annahme genotigt, daB diese Prozesse, ohne
irgendwie zur Erzeugung elektrischer Energie beizutragen,
dem eigentlichen ArbeitsprozeB unabhangig uberlagert und
deshalb als auBerhalb des thermodynamischen Kreisprozesses
stattfindend zu betrachten sind.
Nach Abtrennung dieser Sekundarprozesse stellt sich der
eigentliche ArbeitsprozeB folgendermaaen dar (vgl. dazu etwa
wieder Fig. 5):
1. Ein Quantum (z. B. ein Grammolekul) Elektronen
werden bei der absoluten Temperatur T , der Gliihelektrode
isothemzisch verdampft.
2. Sie gelangen, ohne mit der Umgebung Warme auszutauschen, d. h. adiabatisch zur Gegenelektrode B.
3. Dort werden sie bei der absoluten Temperatur TI der
Gegenelektrode isothemzisch ,,kondensiert".
4. Dann flieBen sie durch die auBere Leitungsbahn zur
Gluhelektrode zuruck.
Dieser letztere Ubergang ist verbunden mit der durch
den Thomsoneffekt bedingten Warmetonung, erfolgt also an
sich nicht adiabatisch. Diese Wkmetonung ist jedoch allgemein gering gegen diejenige der Verdampfung bzw. diejenige der Kondensation. Nehmen wir beispielsweise an, die
Zuleitung zur Gliihelektrode bestehe aus Platin, rind die Temperaturdifferenz an ihren Enden betrage 10000, so ergibt sich
aus der fur Platin bekannten Thomsonwarme, daB das in
Annalen der Physik. IV. Folge. 47.
41
638
W . Schlichter.
diesem Temperaturgefalle aufsteigende Elektron auf seinem
ganzen Weg von Zimmertemperatur bis zur Gl~elektrode
ein Wkmemenge 1,42.10-14 Erg. absorbiert, d. h. eine
Warmemenge, die weniger als 1 Proz. von derjenigen ausmacht, die mit der Verdampfung bzw. mit der Kondensation
des Elektrons verbunden ist (@ = 6,9 * 10-l2 Erg.). ilhnliche
Verhaltnisse wiirden sich auch bei Verwendung anderer Metalle
ergeben. Wir konnen daher unbedenklich auch die Zustandsanderung 4 als adiabatisch erfolgend betrachten.
Der ganze KreisprozeB setzt sich dann aus zwei isothermischen und zwei adiabatischen Zustandsanderungen zusammen. Er stellt also einen einfachen Carnotschen Kreisprozep dar.
Sofern man nur diesen thermodynamischen KreisprozeB
der Elektronen in Betracht zieht, ist der Nutzeffekt der im
Gliihelement stattfindenden Umsetzung wie bei einem Carnotschen KreisprozeB
TP - TI
No = ___
T*
'
also unabhgngig vom Material, allein bestimmt durch die
absoluten Temperaturen der beiden Elektroden.
B. D e r g e s a m t e UmsetzungsprozeB init Berucksichtigung der Warmeleitung und Warmestrahlung.
Der aus der thermodynamischen Betrachtung sich ergebende
Nutzeffekt besitzt jedoch lediglich ideelles Interesse. Zur
Diskussion der Frage, inwieweit der im Gliihelement stattfindende UmsetzungsprozeB von Warmeenergie in elektrische
Energie auch o3conomisch verlauft, ist es vor allem notig, die
genannten, durch Warmeleitung und Warmestrahlung bedingten Energieverluste einzeln zu bcrechnen und ins besondere
diejenigen Bedingungen aufzusuchen, unter denen der praktische
Nutzeffekt moglichst groD wird. Die ausfiihrliche Wiedergabe
dieser Untersuchung mit den einzelnen Berechnungen und
abzweigenden Uberlegungen wiirde jedoch zu weit fiihren.
Wir mochten uns daher darauf beschranken, nur den Gedankengang selbst kurz zu skizzieren.
1. Definition des praktischen NntzeEektes.
Als praktischen Nutzeffekt werden wir das Verhaltnis
der BuBeren Nutzleistung La zu der gesamten, dem Apparat
Die spontane Ebktronenemission gluhender Metalb.
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pro Zeiteinheit zugefiihrten Warmemenge Q betrachten miissen.
Es ist also: N = La/Q.
2. Die llnfsere Leistung L,.
Die iiuBere Nutsleistung La ist, wenn wieder mit IF die
Klemmenspannung bezeichnet wird, La = K * i. Sie war bei
unseren bisherigen Untersuchungen, da wegen Vernachlassigung
des Widerstandes der Zuleitungen K = V (V = Elektrodenspannung) gesetzt werden konnte, gleich der gesamten Leistung :
L = i * V. Diese Voraussetzung laBt sich jedoch im folgenden
nicht mehr beibehalten. Wir miissen damit rechnen, daI3 die
Zuleitungen einen gewissen nicht zu vernachlassigenden Widerstand besitzen, den wir als den inneren Widerstand des Elementes ansehen konnen. Dieser sei w,;der auf ihm stattfindende
Leistungsverbrauch werde Lt genannt. Dann ist L = L, La,
oder La = L - Li. La l&St sich folgendermaBen berechen:
Nach der aus der Richardsonschen Geschwindigkeitsverteilung folgenden Beziehung
+
. . -_
z = zOe k T
1aBt sich L schreiben:
_ -E V
L = i . V = & V . e kT.
Aus einer bes timmten Elektrodenspannung V folgt also
ein bestimmter Wert des arbeitenden Stromes i , daraus L
und fur einen] vorgegebenen inneren Widerstand w', der
Wert Li = i2 w i ,also auch La = L - Li .
0
3. Die gesamte dem Element zngeftihrte Wllrmemenge.
Die gesamte dem Element pro Zeiteinheit zugefuhrte
Warmeenergie Q besteht auBer der zur Erhaltung des eigentlichen thermodyna-mischen Kreisprozesses zugefiihrten Warmemenge, die wir mit Qt bezeichnen wollen, aus den schon vernierkten Wkmeverlusten durch innere und BuBere Warmeleitung und Warmestrahlung. Es ist also:
Q=Qt
+Qi +Qa
+
Qa
*
4. Gr'dBenordnnng des praktlsehen NntzeBektes.
Dieser gesamte praktische Nutzeffekt
&&?=
L,
Qt + Qc + Qa + Q*
Q
ist nun wegen des alles uberwiegenden Strahlungsverlustes Q8
aufierordentlich gering. Im Falle des Platingluhelementes be41*
640
W . Schlichter. Die spontane Elektronenemission uszo.
trug beispielsweise die maximale Leistung, die dem Element
bei 1000° C. und 23 qcm Glfihflache entzogen werden konnte,
etwa 1,5 10-0 Watt; die gesamte dem Element zugefuhrte
Heizenergie aber betrug 150 Watt, wovon etwa 100 durch
die Gliihelektrode selbst ausgestrahlt wurden. Es ist also in
diesem Fall N = 1,5 lo-,,.
-
C. D e r o h n e B e r u c k s i c h t i g u n g d e s S t r a h l u n g s verlustes sich ergebende Nutzeffekt.
Da es aussichtslos erscheint, den praktischen Nutzeffekt
seiner GroBenordnung nach erheblich zu verbessern, und da
andererseits die Strahlung mit der gluhelektrischen Umsetzung
vie1 weniger innig zusammenhangt als die schon genannten
Verluste durch innere uiid a d e r e Wiirmeleitung Qi und Q,,
so war es nicht uninteressant zu ermitteln, welchen Nutzeffekt das Element geben wurde, wenn ma,n von dem Strahlungsverlust ganz absehen konnte.
Zur Berechnung des danach ubrigbleibenden Nutzeffektes
Nl = Qt+
Qi+Qa
sind aul3er La noch Q t , Qi und Q, zu berechnen.
Dies geschieht fiir &, durch die nahere Erorterung des
t hermodynamischen Kreisprozesses. Qi aber ist durch die
Richardsonsche Geschwindigkeitsverteilung ebenfalls bestimmt. Q, schlieBlich hiingt von der Wahl des inneren
Widerstandes wi ab. Verfugt man uber diesen so, daB N , ein
Maximum wird, so nimmt auch Q, einen bestimmta Wert an.
Es zeigt sich nun, daB der sich so ergebende Nutzeffekt
N , betriichtliche Werte annehmen kann, die fur gewisse Betriebszustande des Elementes nahe an den idealen C a r n o t schen Nutzeffekt heranreichen.
LlchluB.
Unsere Untersuchungen fuhren somit zu folgendem Ergebnis :
Gluhelemente sind an sich moglich. Wegen des unverhii1tnisrniiBig hohen Strahlungsverlustes arbeiten sie im ganzen
vollig unokonomisch. Doch ist die Strahlung die einzige Ursache der Unmoglichkeit ihrer praktischen Verwendbarkeit, denn
innerhalb der nach Abzug der Strahlung verbleibenden Naturgesetzlichkeit arbeiten sie mit betriichtlich hohem Nutzeffekt.
(Eingegangen 14. Juni 1915.)
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