close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Dispersionsuntersuchungen mit ungedmpften Ultrakurzwellen.

код для вставкиСкачать
M.Seeberger.
Dispersionsuntersuchungen usw.
77
DC-qpersComsuntersuchan geN
mit u n ged timpften UZtr-akrxweZZen
Pon M a x S e e b e r g e r
(Mit 19 Figuren)
I n ha1tsiib e r s i c h t : Einleitung. -I. Methodisches und Apparatives:
1. Lechersystem mit Innenkiivette ; 2. Feldriickwirkung im Fliissigkeitstrog ; 3. Lechersystem mit Endkuvette; 4. Absorptionsmessung mit
Kiivette. - 11. Messungen: 1. Vorbereitende Untersuchungen; 2. Mes-
sungen am Lechersystem rnit Innenkuvette: a) Voruntersuchungen am
Lechersystem ; b) Messungen an verschiedenen Fliissigkeiten; 3. Messungen der Feldruckwirkung im Fliissigkeitstrog; 4. Messungen am
Lechersystem mit Endkuvette: a) Restimmung des Brechungs- und Absorptionsindcx; b) Brechungs- und Absorptionsindex einiger wii6riger
Salzliisungen in Abhangigkeit von der Konzeotration ; c) Brechungs- und
Absorptionsindex einiger Alkohl- Wasser-Gemische ; d) Temperatur abhhgigkeit des Brechungs- und Absorptionsindex : a) von Wasser;
8, von Glyzerin; 5. Ahsorptionsmessungen mit der Kiivette: a) Allgemeines ; b) Propylalkohol; c) Glyzerin ; d) Wasser. - Zusammenfassung.
- Literaturverzeichnis.
Einleitung
Das gleichzeitige Auftreteri von Dispersion und anomaler
Absorption H e r t z scher Wellen in Flussigkeiten wurde erstmalig von D r u d e 3 ) festgestellt und in der Folgezeit durch die
systematischen Untersuchungen von Colley lo), I w a n o w l l ) ,
Rukops), W e i c h m a n n 12) u. a. vielfach experimentell bestatigt.
Die am meisten gemessenen Substanzm sind Flussigkeiten,
hauptsachlich Wasser und die ersten Glieder der einwertigen
aliphatischen Alkohole. AuBer diesen wurden vielfach nuch
Benzol, Glyzerin, Aceton und andere groRmolekiilig-eorganische
Stoffe bei einzelnen Frequenzen untersucht, und zwar meist
unter speziellen Gesichtspunkten, wie z. B. Temperaturgang
der Dielektrizitatskonstanten, Abhangigkeit des Rrechungsindex
und der Drelektrizitatskonstanten Tom Misehungsverhaltnis
mehrerer Komponenten.
I m Rereich von 1 bis etwa 100 cm Wellenlange konnten
meist nur gedampfte Rellen beniitzt werden. Mit ungedampften Wellen sind bisher sehr wenige Untersuchungen, und zumeist mit bedeutend groBeren Wellenlaiigen durchgefuhrt worden,
78
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 16. 1933
Eine Erklarung fur die Erscheinung der anomalen Dispersion und Absorption im elektrischen Spektrum versuchte
schon D r ude 3) durch die Annahme von Resonatoren mit
Eigenfrequenzen zu geben. Er verwies auch in diesem Zusammenhange auf die experimentelle Tatsache, daB vornehmlich Substanzen mit bestimmten chemischen Gruppen (insbesondere der Hydroxylgruppe) Neigung zu anomaler Absorption
zeigen.
In neuerer Zeit wurden hauptsachlich von 1> e b y e 19) auf
Grund der Dipolvorstellung eingehendere theoretische Untersuchungen uber diese Dispersionserscheinungen und ihre Temperaturabhangigkeit angestellt.
Der Mangel an experimentellem Material erschwert jedoch
zur Zeit noch sehr eine Entscheidung uber die Gultigkeitsbereiche der einzelnen theoretischen Vorstellungen.
Zur experimentellen Untersuchung der Dispersionserscheinungen eines Dielektrikums sind zwei verschiedene M’ege moglich,
namlich einerseits die Bestimmung der optischen Konstanten n
und x , andererseits die Bestimmung der elektrischen Konstanten E und B.*) Nach den aus der Maxwellschen Theorie
sich ergebenden Beziehungen
E = n2(1
- x 2 ) und n 2 x = 0 T
kann dann aus dem einen Paar der obigen Konstanten das
andere Paar berechnet werden.
I n der vorliegenden A4rbeit wurde die unmittelbare Bestimmung der optischen Konstanten n und x erstrebt. Dabei
wurden ausschliefilich ungedampfte Wellen verwendet, so daB
alle rnit der Anwendung gedampfter Wellen verbundenen
Fehlerquellen, wie die Unbestimmtheit der Wellenlange, die
Dampfung der Wellen und deren EinfluB auf die optischen
Konstanten der Dielektrika yon vornherein vermieden wurden.
I. Methodisches nnd Apparatives
1. Lechersystem mit Innenkuvette
Zunachst
bei der unter
eine Kiivette,
mit groBerer
wurde die Entwicklung einer Methode angestrebt,
moglichster Vermeidung von Beugungsstorungen
insbesondere zur Untersuchung von Dielektrika
Absorption, verwendet werden konnte. Dies
*) Es sei bemerkt, daB hierbei u nicht der gewohnlichen Gleichstromleitfahigkeit entspricht, sondern formal auch die dielektrischen Verluste, gemessen als die Wechselstromleitfahigkeit, mit umfadt.
M . Seebergey. Dis27ersionsunteysuchungen usw.
79
wurde dadurch zu erreichen gesucht, dalj durch die Kuvette
ein L e c h ersches Paralleldrahtsystem gefiihrt wurde.
I m einzelnen war die Anordnung so gedacht, dalj die
gefuhrten Wellen die planparallele Schicht d eines Dielektrikums mit dem Brechungsindex n durchsetzen, sodann nach
einem weiteren Weg in Luft an einer Plattenbriicke reflektiert
werden, und zwischen letzterer und der Schicht stehende
Wellen bilden sollten, deren Resonanzlage rnit der Plattenbriicke zu ermitteln war. Durch Austausch des ersten Dielektrikums gegen ein zweites mit dem Brechungsindex n'
wird die optische Lange des Systems urn einen Betrag 6
geandert, der sich gleich der zur Erzielung der neuen Resonanzlage notigen Verschiebung der Plattenbriicke ergibt.
Dernnach besteht das angestrebte Prinzip dieser Methode
darin, daD bei verschiedenen Fullsubstanzen die verschiedenen
optischen Langen der Kiivette verschiedene Resonanzeinstellungen der Plattenbriicke bewirken, die ihrerseits wieder zur
Bestimmung des Brechungsindex der Fullsubstanzen dienen
konnen.
Die experimentelle Verwirklichung obiger Uberlegungen zeigt
Fig. 1im AufriB. Die Lecherdrahte (L)(blank Messing, 2 mm stark, 30 mm
6
Fig. 1. Lechersystem mit Innenkiivette
gegenseitiger Abstand) waren auf der Senderseite an Schraubenkopfe
gelotet, durchsetzten sodann isoliert durch Bohrungen die Schirmplatte
(S),die Kiivette ( K ) und die Plattenbriicke (P),
um in axial gebohrte
Gewindestifte (G) einzumunden. Die Schirmplatte hatte den Zweck, das
ubrige MeBsystem vor direkter Strahlung des Senders zu schutzen.
Durch die engen Bohrungen konnte noch so vie1 Energie hindurchtreten,
daB sie zu den beabsichtigten Messungen ausreichte. Die Kiivette fiir
die MeBfliissigkeit war als Ganzes durch einen Schlitten (A%) langs des
Lechersystems mikrometrisch verschiebbar. Die wirksame Schichtdicke
konnte durch den Kupferniederschlag aus einer eingefiillten Kupfervitriollosung auf den zur Durchfiihrung der Lecherdrahte durch die
MeBkiivette dienenden Messingrohrchen nach jeder Meheihe bestimmt
80
Annalen der Ph,ysik. 5. Fotge. Band 16. 1933
werden. Die verschiebbare Plattenbriicke (P)war durch besondere
Federklemmen mit den Lecherdrahten gut metallisch verbunden. Der
MeBdetektor ( E ) wurde bei Verschiebung der Plattenbriicke in konstantem Abstand zwischen den Paraileldriihten mitgefuhrt.
Die Ankopplung des Mefisystems an den Sender war immer so
lose genommen, daS praktisch keine Ruckwirkung auf den Sender erfolgte. Die Konstanz des Senders wurde noch durch einen besonderen
Kontrolldetektor Uberwacht.
2. F e l d r u c k w i r k u n g i m Fluseigkeitstrog
Diese Methode benutzt die Erscheinung 18), daB der Anodenstrom einer normal betriebenen Kurzwellensenderohre periodisch
schwankt, wenn man den Abstand einer reflektierenden Wand
von der Senderohre jeweils urn A12 (stehende Welle!) andert.
Macht man demnach diesen Versuch erst in Luft und dann
in einer Flussigkeit , so 1aBt sich der Brechungsindex der
1
berechnen, wobei 1, die Wellenlange in
letzteren aus n = 0
il
Luft und i, die Wellenlange in der Flussigkeit bedeutet.
Als Vorziige dieser Methode konnen gelten: 1. Sie ermoglicht eine zweifelsfreie Absolutbestimmung des Brechungsindex, 2. ein besonderer Empfanger ist uberflussig, da der
Sender selbst zugleich als Indikator dient, 3. sie gestattet die
Anwendung freier Wellen.
Dagegen besitzt diese Methode den Nachteil, daB groBere
Substanzinengen benatigt werden (z. B. bei Wasser und A,, = 14 cm
etwa 5 Liter), und dab die Anwendbarkeit auf Substanzen rnit
nicht zu groBer Absorption beschrankt
ist, damit uber eine
Entfernung von einigen Wellenlangen gemessen werden kann.
Fig. 2 zeigt die
hierzu entwickelte Versuchsanordnung. In die
MeBfliissigkeit wurden
die Senderiihre ( K ) und
eine ebene Metallplatte
Fig. 2. Versuchsanordnung
(R),
die die Welle auf die
zur Methode der Feldriickwirkung
Senderohre zuriickzuwerfen hatte, eingetaucht. Zum Schutze der Riihre vor Kurzschlussen und zur Vermeidung
groaerer Temperaturgefiille in der MeBfliissigkeit wurde die Rohre in
einen Glaszylinder fest eingesetzt. Die Reflexionsplatte war senkrecht
zu ihrer Ebene mikrometrisch verstellbar.
M . Xeeberger. Dispersionsu,ntersuchzcnge?z uszu.
s1
3. L e c h e r s y s t e m rnit E n d k u v e t t e
Die Erfahrungen der ersten Methode, der Verwendung von Drahtwellen, und der zweiten Methode, der freien Wellen im Fiiissigkeitstrog,
fiihrten nun zur Versnchsanordnung der Fig. 3. Es wurde ein vertikales
Lechersystem (L)von gleicher Dimensionierung wie bei der ersten Rlethode
verwendet. das an seinem oheren Ende mit einer Kiirette versehen war.
Das untire Ende
war mit dem Sender
durch ein horizontales Lechersystem
gekoppelt. I n der
Kiivette war eine
Reflexionsplatte ( M )
innerhalb der MeBflussigkeit beweglich
angebracht, so daB
mit der dem Lechersystem zugewandten
Kiivettenglaswand
bestimmte Schichtdicken
eingestellt
werden konnten. Die
Einstellung geschah
durch drei die Platte
tragende Mikrometerschrauben. Die
Lange des auBerhalb der Kiivette
befindlichen
MeBlechersystems konnFig. 3. Lechersystem mit Endkiivette
t e durch einen DOsaunenartigen Aiszug ( P ) verandert werden. Die Anordnung des Detcktorempfhgers ( E )
ist aus der Figur zu ersehen.
ZUT Untersuchung der Temperaturabhangigkeit des Brechungsund Absorptionsindex wurde in die Kuvette eine Heizspirale in Glasrohr Car) eingelegt, so daB die Fliiesigkeiten bis zu looo C untersucht
werden konnten.
Die mit dieser Apparatur durch xnderung der Schichtdicke gewonnenen Resonanzkurven gestatten die gleichzeitige
Bestimmung des Brechungs- und Absorptionsindex der zu
untersuchenden Fliissigkeit , worauf bei den Mefiergebnissen
noch naher eingegangen wird.
4. Absorptionsmessung mit K u v e t t e
Zur unmittelbaren Messung der Absorption wurde die
tatsachliche Schwkchung der freien Welle in einer Kiivette
aurch kontinuierliche Veranderung der Schichtdicke bestimmt.
Die Auswertung konnte somit nach der Reziehung
-4Jzx?tL
J = Joe
Annalen der Physik. 5. Folge. 16.
1.
6
82
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 16. 1933
erfolgen. Hierin bedeuten J und J , die Energiebetrage, die
beim Durchgang der Welle durch zwei urn x cm verschiedene
Schichtdicken mit dem Detektor geinessen werden. n ist der
RUS friiheren Messungen bestimrnte Brechungsindex, h, die
Wellenlange in Luft, x der gesuchte Absorptionsindex.
Die Logarithmen der Werte von J niiissen somit experimentell auf eine Gerade fallen, solange nur Schichtdickenschwachung vorliegt. Da ferner die Energie relativ durch
den Detektorstrom bestiinmt wird, so ergibt weiterhin diese
Linearitat eine experinientelle Bestitigung der Proportionalitit
von Detektorstrom und Strahlungsenergie.
Die Anordnung der Absorptionskuvette ist aus Fig. 4 ersichtlich.
Der horizontal gelegte Blendenschirrn (120 x 120 em2) trug auf seiner
Oberseite zwei zur Blendenoffnune:
'9
trische Zylinder, deren Zwischen-
werden konnte. Auf der Unterseite
bildete eine durch entsprechende
Fig. 4. Absorptionskuvette
Gummidiehtune: fest ancreDreBte
in Schirmwand
Glasplatte den-durchsichtigei Boden
der Kuvette. Urn schadliche Reugung
und stiirende Gleitwellen zu vermeiden wurde die Blendenoffnung in
die absorbierende Flussigkeit verlegt, war somit kleiner als der Kuvettendurchmesser.
Die Schichtdicke der MeSflussigkeit konnte infolge der hinreichend
genauen zylindrischen Form der Kuvette durch Zu- und AbfluR bestimmter Fliissigkeitsvolumina leicht um konstante Betriige geandert
werden.
Sender (8) und Empfanger ( E ) waren nach Mafleabe der Figur
azL/?erhaZb der MeBfliissigkeit angeordnet und konnten im Bedarfsfalle
vertauscbt werden.
11. Messungen
1. Vorbereitende Untersuchungen
Sender: F u r die Untersuchungen stand ein Satz von Ultrakurzwellenriihren nach K. K o h 12") zur Verfiigung mit den Wellenlangen :
I., = 12,6 em, 13,6 em, 14 em, 19 em und 24 em.*)
Um unerwunschte Strahlungsverluste der RSbren zu vermeiden,
erwies es sich als zweckmaBig die Rohren mit einem entsprechend
dimensionierten Lechersystem so zu koppeln, daB sich ihr Elektrodensystem zwischen den beiden Lecherdrlhten und zugleich in der Ebene
derselben befaud. Mittels dieses Senderlechersystems wurde die Schwingenergie dem eigentlichen MeRsystem mit so loser Koppelung zugefuhrt, dab keine Riickwirkung auf den Sender eintrat.
Zur Erzielung groaerer Sendeenergien wurde nebenhei versucht
mehrere Riihren zu koppeln. Es wurden bis zu funf unabhangig voneinander betriebene Rohren mittels eines Lechersystems gekoppelt, und
XS
") Wegen Einzelheiten bzgl.
der Ultrakurzwellensender vgl.
H. C o l l e n b u s c h , Ann. d. Phys. [5] 13. S. 191. 1932. (Erlanger Diss.)
M . Seeberger. Dispersionsuntersuchungen usw.
83
es gelang so eine Gesamtenergie zu erzielen, die sich etwa additiv aus
den einzelnen Ro hrenenergien ergab.
Detektor-Resonatoren: Als Empfanger dienten (auBer bei der Methode mit Feldriickwirkung) ausschlieBlich kleine, stark verstimmte
Kristalldetektoren (Tantal-Silizium), die praktisch zu keinen Feldst6rungen
AnlaS gaben. Die Energie des elektrischen Feldes wurde vermittels
der am Detektor proportional auftretenden Gleichspannung gemessen.
Diese Praportionalitiit wurde durch Yorversuche festgestellt, indem
zwischen Sender und Empfanger ein H e r tzsches Gitter um bestimmte
Winkel gegenuber dem elektrischen Vektor der linear polarisierten
Welle gedreht wurde.
2. Messungen am Lechersystem mit Innenkuvette
a) V o r u n t e r s u c h u n g e n a m L e c h e r s y s t e m
Zur Erzielung eindeutiger MeBergebnisse mit diwer auf S. 78
bereits beschriebenen Methode muBte zunachst untermcht werden, in
welcher Weise die Lage der Resonanzmaxima des Mehystems von der
Ankopplung des Empfangsdetektors an das Lechersystem und von der
Stellung der MeBkiivette ahhangt.
Zur Erzielung symmetrischer Resonanzkurven erwies es sich als
zweckmaBig, den Empfangsdetektor in konstantem Abstand von der
Plattenbrucke (am giinstigsten erwies sich s/4.A)
in der Ebene des Paralleldrahtsystems mitzufiihren.
In diesem Zusammenhange sei auch bemerkt, daB eine Anderung der Ankopplung des
Sendqrlechersystems an das MeUsystem, oder
eine Anderung der Sendeenergie keinen EinfluB
auf die wirkliche Resonanzlange des MeBsystems
zeigte, solange der Energieentzug aus dem
Lechersystem durch den Detektor entsprechend
klein mar.
I n Fig. 5 ist eine Resonanzkurve des verwendeten MeSlechersystems (ohne Kuvette)
wiedergegeben Das Ddmpfungsdekrement berechnet sich fur diese beim 24. Knoten der
stehenden Welle aufgenommene Kurve zu
4 = 0,007(8).
Bei Hinzunahme der MeBkiivette zeigte
sich nun, daB sowohl die Eigeqesonanzlange
des MeBsystems als auch die Anderung der
Resonanzlange i( bei Anderung des Dielek4
6Cm
trikums in der MeSkiivette zunachst in un- Fig. 5. Resonanzkurve
iibersichtlicher Weise von der Stellung der des MeBlechersystems
MeBkiivette auf dem Lechersystem abhing.
Daher wurde eingehend untersucht, unter welchen Bedingungen
die Resonanzl&gen in einfacher Weise von der Stellung der MeSkitvette
abhaingen. Dabei ergab sich, daB die durch die MeBfliissigkeit bewirkte
Anderung der Resonanzlange 8 durch sorgfiiltige Eiiijustierung der
Schirmplatte (in &%he eines Spannungsknotens) unabhlngig von der
Stellung der MeBkuvette gemacht werden konnte. Im vorliegenden Falle
war bei genauer richtiger Stellung der Abstand der Scbirmplatte von der
Mitte des vorderen Kopplungsbiigels gleich 20,2 cm
6*
84
Anmlen der Physik. 5. Folge. Band 16. 1933
Besonders charakteristisch fur die richtige Stellung der Schirmplatte
war die Tatsache, daW die Resonanzlagen des MeMlechersystems bei
Verschiebung der MeBkuvette (sowoh1 leer als auch gefiillt) gleichsinnig
und um denselben J,angsbetrag auf dem Lechersystem mitwanderten,
und auBerdem das Auftreten von Nullstrom und von unscharfer Resonanz
bei leerer Kuvette.
Das Mitwandern der Resonanzlagen mit der MeBkuvette la& darauf
schlieden, daB hauptstichlich das zwischen der MeBkiivette und der
Plattenbriicke gelegene Drahtsystem als eigentliches Resonanzsysteni
wirkte.
b) M e s s u n g e n a n v e r s c h i e d e n e n Flii s s i g k e i t en
Nach dem Bisherigen kann die h d e r u n g der Resonanzlange des
MeBsystems S unter gewissen Bedingungen unabhangig vou allen
Variabeln der MeBauordnung gemacht werden, so daB sie nur durch
die Fiillsubstanzen der Kiivette bedingt ist. Unter diesen Voraussetzungen
wurden endgultige Messungen an verschiedenen Flussigkeiten und insbesondere fur verschiedene Schichtdicken derselben ausgefuhrt.
Die Messungen verliefen so, da8 bei j e einer Stellung der MeMkuvette und je einer Schichtdicke der Reihe nach fur Luft, Wasser,
waBrige KaC1-Losung 1 n. und 2 n. als Kiivettenfiillung durch Verschiebuns der Plattenbrucke die Resonanzkurven des MeUsystems
beim 24. Knoten der
stehenden Welle aufgenommen n urden.
Fig. ti zeigt ein
diesbezugliches MeWbeispiel fur Luft und Wasser bei einer Schichtdicke vou 5 mm und
einer Senderwelle von
14 em. Als Abszissen
sind die Einstellungen
der Plattenbriicke, als
Ordinaten die zugehorigen Schwingstrome des
Fig. 6. Resonanzlagen deu MeBlechersystems Lechersystems aufgeDie Kurven
bei Luft .und Wasser als Kiivettenfiillung. tragen.
gestatten eine direkte
(S = Anderung der Resonanzlange)
Ablesung der gesuchten Apderung der Resonanzlange des MeBsystems d.
Uberraschend ist die sehr vie1 scharfere Resonanz bei Wasser
gegeniiber Luft, was sich wohl durch die eindeutige Reflexion der Welle
an der Wasserwand erklart, gegeniiber der doppelten Reflexion a n
Vorder- und Riickwand der MeBkuvette bei Luftfullung.
Die obigen Messungen wurden auch fur verschiedene Schichtdicken
und bei verscbiedenen Stellungen der MeSkiivette wiederholt. Die Ergebnisse derartiger Messungen an Luft und Wasser sind in Fig. 7 dargestellt. Jede der unter 450 geneigten Geraden entspricht j e einer bestimmten Schichtdicke. Abszissen sind die Entfernungen der MeBkiivette vom Bezugspunkt ( F ) , Ordi,paten die Lagen der zugehorigen
Resonanzmaxima. Die gesuchten Anderungen der Resonanzlange 6
sind in Richtung der Ordinaten zu entnehmen. Wenn das erste Reso-
A
M . Seeberger. Dispersionsuntersuckungen usw.
85
nanzmaximum nahe an die Ausgangsstellung der Plattenbrucke beranruckte, wurde das nachstfolgende Maximum noch mitgemessen (vgl.
Fig. 6!), modurch sich die bei der Kuvettenstellung 4 cm neu auftretenden Resonanzlagen ergaben.
Auch fur wiiBrige NaC1Losungen, Paraffin01 und Alkohol ergaben sich entsprechende Kurvenbilder.
Die Betrachtung der gewonnenen Ergebnisse zeigt
nun, daB sie keinen einfachen
SchluB auf den zu bestimmenden Brechungsindex zulassen.
Der Grund hierfur ist wohl
Luf/
darin zu suchen, dab jeden-+Hzozmm
falls die beobachteten Anderungen der Resonanzliinge b
-*"
5mm
stark durch die Leitfahigkeit
-x"
7mm
der MeBflussigkeit und nicht
allein durch die Verschiedenheit der Brechungsindizes bedingt sind.
Da sich auch fur den
Absorptionsindex keine cinfache Bestimmungsmoglich- cm 7 6
5
3 2
0
keit erkennen 1aBt7-so
wurde Fig. 7. Resonanzlagen des MeBlecherMethode zur
systems in Abbangigkeit von Kiivettenmung der beiden Konstanten
stellung, Kiivettenfiillung
n und x zunachst nicht weiter
und Schichtdicke
untersacht.
3. Messungen der F e l d r u c k w i r k u n g im Flussigkeitstrog
Diese Messungen wurden mit der in Fig. 2 dargestellten Versuchsanordnnng durchgefiihrt.
Die Kurven der Fig. 8 zeigen die in verschiedenen Medien verschiedene Feldruckwirkung,
gemessen durch die Ande- x ~ , ~ ~ ~ m p .
rnngen des Anodenstromes 74t . A
der Senderohre in Abhangig20= 14cm; t=15OC
keit vom Abstand der Reflexionsplatte von der Senderiihre.
Aus dem Abklingen
der ,,Reichweite" der Feldruckwirkung laat sich die
mit steigender Konzentration
-2
zunehmende Absorption der -4
NaCl - Losungen
erseheu.
-6
Sch/chl&he
Eine direkte Bestimmung -8
l I / I l I 1 1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 I
der Absorption aus diesen
012
4
6 8 10 12 I4 l
8 nmm'
Kurven ist indes nicht ohne
weiteres moglich, da der Zu- Fig. 8. Feldriickwirkung in Abhangigkeit von der Schichtdicke.
sammenhang zwischen Feldruckwirkung und Anoden- Wasser (-o-), 1 NaCl (-o-),
2 0 / / , NaCl (-x-)
stromiinderung kein ein-
86
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 16. 1933
facher ist. Dagegen diirfte wohl eine indirekte Bestimmung der Absorption durch entsprechende Eichung der Apparatur mit Flussigkeiten
bekannter Absorption zu erreichen sein.
Demgegenuber laBt sich der Brechungsindex der Trogflussigkeit
jedenfalls mit Sicherheit aus den in Fig. 8 gegebenen Kurven direkt
bestimmen (vgl. hierzu S. SO), und ergibt sich fur die hier gemessenen
Pliissigkeiten zu n = 8,Ol. An diesem Resultat ist bemerkenswert, daB
innerhalb der MeBgenauigkeit der Brechungsindex von 1 und 2"/, iger
NaCl-Lasung (Gewichtsproz.) denselben Wert besitzt wie fur Wasser.
Hiihere Konzentrationen als die genannten lieBen sich mit dieser
Methode praktisch nieht mehr untersuchen, da einerseits die Feldruckwirkung kaum auf einen Abstand von 112 zu beobachten war, andererseits der Anodenstrom instabil zu werden begann. Die letztere Erscheinung durfte jedenfalls auf zu starke Feldruckwirkung bereits innerhalb des Schutzzylinders zuriickzufuhren sein.
4. Meseungen a m Lechersystem rnit Endkuvette.
Die endgultigen Messungen des Brechungs- und Absorptionsindex
wurden mit der Anordnung der Fig. 3 durchgefuhrt.
Zur Justierung der Apparatur wurde: 1. Bei Schichtdicke Null das
vertikale Lecbersystem auf Resonanz abgestimmt (diese Abstimmung
diente zugleich z;
Bestimmung der
Wellenlange 1, in
Luft), 2. der MeBdetektor durch Versf?/
tikalverschiebung in
40
einen Spannungsbauch
eingestellt,
3u
3. der Sender sodann
so lose gekoppelt,
dab keine Ruck20
wirkung vom MeBsystem her nachweisbar war, was
70
durch einen besonderen Kontrollempflinger (in Fig. 3
0
I0
20
3Q 40
5Q 60mm
nicht gezeichnet!)
wahrend der MesFig. 9. Resonanzkurve fur Wasser
sungen fortlaufend
eemuft wnrde.
Die Messung selhst verlief so, da13 die Schichtdicke in der Endkiivette von d = 1 mm an schrittweise um j e 1 mm vergroBert und die
Abnahme der periodischen Schwankungen des Schwingstromes im Me&
system infolge zunehmender Absorption mit wachsender Schichtdicke
der Endkuvette beobachtet wurde. Hierbei ergaben sich Resonanzkurven nach Art der in Fig. 9 wiedergegebeneu.
a) B e s t i m m n n g d e s B r e c h u n g s - u n d A b s o r p t i o n s i n d e x
Der Brechungsindex kann aus den experimentell gewonnenen Resonanzkurven unmittelbar bestimmt werden. Die
Kurvenmaxima bzw. -minima, die jeweils um Lj2 der Wellen-
M. Xe eberger . Disp ersionsuntersuchungen usw .
87
lsnge in der MeBfliissigkeit voneinander entfernt liegen, entsprechen den optischen Resonanzlangen des MeBsystems, gestatten also, wie schon oben erwahnt, zusammen mit der Luftwellenliinge A, eine Ermittelung des Brechungsindex nach der
i
bekannten Beziehung n = 2.
I
Der Absorptionsindex wird aus den Resonanzkurven nach
folgenden Uberlegungen erhalten.
Die logarithmisc,he Auswertung der Kurven zeigt, daB
sowohl die Strommaxima als auch die Stromminima, bezogen
aiif die mittlere Stromstarke E,*), die experimentell einer
unendlich groBen Schichtdicke zukomrnt, mit wachsender Schichtdicke nach einer e-Funktion abfallen. Der Zusammenhang
zwischen der Schwingenergie im Lechersystem und der Schichtdicke der Endkiivette kann deshalb durch folgende Beziehung
clargestellt werden:
Ed = E,
+ (E, - E,)
e-adcos-
2nd
h
Hierin ist d die Schichtdicke der Enclkuvette, Ed die zugehorige Schwingenergie, E, die zur Schichtdicke Null gehorige Schwingenergie und il die in der MeBfliissigkeit auftreten de W ellenlange. D er Schwachungsexponen t CL entspricht
der Beziehung:
worin n den Brechungsindex der MeBfliissigkeit, x den Absorptionsindex und 1, die Wellenliinge in Luft bedeutet.
Betrachtet man die Abnahme der Maxima und der Minima
(in Bbsolutwerten) mit wachsender Schichtdicke, oder speziell
I
?.
die Energiewerte bei Schichtdicken von ne2 und (n + m). ,
wobei n und m lnufende ganze Zahlen sind, so ergibt sich:
(3)
Unter Beriicksichtigung von (2) berechnet sich dann aus
cler Beziehung (3) der Absorptionsindex zu:
") Der mittlere Strom weist streng genommen selbst einen exponentiellen Abfall auf, der aber bei den vorliegenden Messungen deshalb
nicht beriicksichtigt zu werden brauchte, weil dieser AbfalI bei den
gemessenen Schichtdicken kaum mehr in Erscheinung trat.
88
4)
Aiznalen der Physik. 5 . FoZge. Band 16. 1933
1
x = -tiL 7c
E,-Eca
1
'
nT
10s --
1
E(o
+ m) f
I
- Em . I .
I
I
Die G1. (4) laBt erkennen, daB zur experimentellen Bestimniung von x in1 Prinzip die Messung von zwei S c h i n g .L
energien geniigt, die zu zwei um m. verschiedenen Schicht4
dicken gehoren. Zur Erhohung der MeBgenauigkeit aber wurde
praktisch der ganze Kurvenverlauf aufgenommen und immer
so weit fortgefuhrt, daA Em mit Siclierheit festgestellt werden
konnte.
b) B r e c h u n g s - u n d A b s o r p t i o n s i n d e x
einiger wii8riger Salzlosungen i n Abhiingigkeit
von der Konzentration
Die folgenden Messungen wurden an wlBrigen Losungen von Chlornatrium, Kupfersulfat, Zinksulfat, Traubenzucker und Bleiazetat mit der
Wellenlange I., = 14 cm ausgefuhrt. Fig. 10 zeigt ein diesbezugliches
MeEprotokoll zur Bestimmung von 7% und x
fiir verschiedene NaCl-Losungen.
Der Brechungsindex ergibt sich aus
derartigen Kurven fur alle gemessenen Losungen zu n = 8,75, ist also innerhalb der
Mefigenauigkeit unabhangig von der Iionzentration.
Die Literatur bietet leider keine Ter~ ~ c /
gleichsmessungen fur die hier angewandte
Wellenlange. Ermahnt sei, daB bei langeren
Wellen von Cohn'), 6 m a l e 6 ) und D r u d e ?
0 7G M 9 M m m
Fig. 10.
Besonanzkurven fur
waBrige NaC1-LGsungen.
(1, = 14 cm, t = 18,5O C)
Fig. 11. Dielektrizitatskonstante und
Absorptionsindex wafiriger Losungen
von NaCl, CuSO, und ZnSO,
(A, = 14 cm, t = 18,50 C)
M. Seeberger. Dispersionsuntersuchungen usw.
s9
kleine Anderungen des Brechungsindex und der Dielektrizitatskonstanten
mit zunebmender Konzentration festgestellt wnrden.
Die Absorption obiger Salzlosungen wachst mit zunehmender Konzentration, die gemaB B = ns(1 - x') berechnete Dielektrizitatskonstante
nimmt hingegen innerhalb des untersucbten Konzentrationsbereiches ab.
Bei der XaC1-Losung deutet sich bereits ein Minimum der Dielektrizitatskonstante an. Die Gesamtheit der erhaltenen Werte ist in Fig. I1 dargestellt.
Ein Vergleich der Absorptionswerte von Losungen verschiedener
Salze bei gleicher Normalitat zeigt eine Zunahlne der Absorption mit
xunehmender Masse des Metallions. Bei den waErigen Losungen der
groBmolekuligen Substanzen Traubenzucker und Bleiazetat ist der Wert
des Absorptionsindex bis zu Honzentrationen von 20
(Gewichtsproz.)
ungefahr 0,1, also nahezu gleich dem des reinen Wassers.
c) B r e c h u n g s - u n d A b s o r p t i o n s i n d e x
einiger Alkohol- Wassergemische
Weiterhin wurde nach der Methode mit Endkuvette der
Brechungs- und Absoi-ptionsindex von Wassergemischen des
Methyl-, Athyl- und Isopropylalkohols fur 1, = 14 cm gemessen.
Die Untersuchung solcher Gemische, deren beide Komponenten ausgesprochene Dipolflussigkeiten sind und bei der
Mischung Volumkontraktion zeigen, kann AufschluB geben, inwieweit Assoziation stattfindet. I n dieser Richtung liegen
Messungen vor von Thwing') und D r u d e 5 ) und zwar fur die
obengenannten Alkohol-Wassergemische wiederum nur bei
langeren Wellen. Die MeBergebnisse der beiden Autoren
widersprechen sich, indem die Thwingschen Kurven bei
molelrularen Mischverhaltnissen ausgepragte Knicke zeigen,
die nach seiner Ansicht auf Hydratbildungen der Alkohole
hinweisen, wahrend die D r u d e schen Kurven linear verlaufen.
Die vorliegenden Mespngen ergaben , um das vorwegzunehmen, in qualitativer TJbereinstirnmung init den D r u de schen Resultaten fur die hier benutzte Wellenliinge einen
linearen Verlauf der Dielektrizitatskonstanten in Abhangigkeit
vom Mischungsverhaltnis,
Fig. 12 zeigt nun zuuachst ein MeBbeispiel fur MethylalkoholWassergemische bei verschiedenen Volumkonzentrationen.
Diese
Knrven lassen, wie auch die schon weiter oben gezeigten MeBbeispiele,
deutlich die Wellenlangenanderungen in der MeBflussigkeit und die mit
abnehender Alkoholkonzentration abnehmende Absorption a m der
Zunahme der ,,Reichweite" und aus den zunehmenden Amplitndenschwachungen der Resonanzknrven qualitativ ersehen. Der Gesamtverlauf von Brechungs-, Absorptionsindex- und Dielektrizitatskonstante
der drei genannten Alkohol-Wassergemische in Abhangigkeit von den
Volumanteilen der Mischungskomponenten ist in Fig 13 dargestellt.
Demnach wachst der Brechungsindex der drei Alkohole mit zunehmendem Wassergehalt stetig bis zu dem des reinen TVassers. Ins-
90
Annalen der Physik. 5 . Folge. Rand. 16. 1933
besondere liegen die Werte des Brechungsindex fur alle drei Gemische
oberhalb der ,,linearen Mischregel. Bemerkenswert ist noch .gas besonders grobe Anderungsintervall des Brechungsindex von Athyl- und
Propylalkohol.
Fig. 12. Resonanzkurven fur Methylalkohol-Wassergemische
(Lo = 14 cm, t = 18,5O C )
Fig. 13. Brechungs-, Absorptionsindex und Dielektrizitatskonstante
fur Alkohol-Wassergemische ( I , = 14 ern: t = 18O C)
M . Xeeberger. Dispersionsuntersuc~ungen usw.
91
Die Dielektrizitatskonstante der drei Alkohole zeigt einen dem
Brechungsindex gleichsinnigen Verlauf. Vereinzelte Xtreupunkte bei
Methyl- und Propylalkohol durften durch geringe Konzentrationsfehler
zu erklaren sein.
Der gemessene Absorptionsindex nimmt fur alle drei Gemische mit
abnehmender Alkoholkonzentration nahezu linear ab.
d) T e m p e r a t u r a b h iin g i g k e i t
des Brechungs- und Absorptionsindex
a) Wasser: Eine der aus der Debyeschen Dipoltheorie
sich ergebenden Folgerungen ist die starke Temperaturabhangigkeit der Dispersion und insbesondere der Absorption
ron Dipolsubstanzen (vor allern in Dispersionsgebieten) infolge der
groBen Ternperaturabhangigkeit der inneren Reibung. Deshalb
Tvurde in dieser Arbeit insbesondere Wasser als eine ausgeprggte Dipolsubstanz des Ngheren auf seine Temperaturabhangigkeit untersucht.
Zunachst wurde die Temperaturabhangigkeit des Brechungsindex
bei den Wellenlangen 1, = 12,6 cm, 13,6 cm, 14 cm, 19 cm und 24 ern
im Interval1 von l6-7Oo C gemessen.
Fig. 14. Temperaturabhangigkeit von Brechungs-, Absorptionsindex und
Dielektrizitatskonstante des Wassers
Die MeEergebnisse sind in Fig. 14 zusammengestellt. Demnach
zeigt der Brechungsindex des Wassers fur die genannten Frequenzen
im Interval1 von 16-70° C einen starken Abfall, der in einigen Fallen
nahezu linear verlauft.
Den Kurven sind auch die Temperaturkoeffizienten a des
Brechungsindex beigeschrieben. Fur diese ist eine bemerkenswerte
Abhangigkeit von der Wellenlange nicht erkennbar, wthrend z. B.
I w a n ow 11) im Tcmperaturintervall von 12-65 C fur die Wellenlh~ge
98
Awnaken der Physik. 5 . Folye. B a r d 26. 1933
1, = 89,24 cm und 1, = 86,18 cm bezuglich die Temperaturkoeffizienten
a- = 0,031 bzw. 0: = 0,014, somit eine starke Frequenzabhangigkeit der-
selben festgestellt hat.
Weiterhin ergab sich auch, wie BUS Fig. 14 hervorgeht, eine starke
Temperaturabhangigkeit der Absorption des Wassers fur die obigen
Wellenlangen.
Die aus n und H berechneten Diclektrizitiitskonstanten nebmen,
wie gleichfalls aus Fig. 14 ersichtlich, mit steigender Temperatur durchweg linear ab.
Im AnschluB an Fig. 14 sei hier noch beilaufig bemerkt, daB die
Kurven auch eine Frequenzabhangigkeit des Brechungsindex erkennen
lassen, wonach die Dispersion des Wassers zwischen 1, = 12,6 cm und
I , = 19 cm einen anomalen Gang aufweist. Desgleichen la& die Ab
sorption des Wassers Frequenzabbangigkeit erkennen.
fi Glyzeralz: Auch an Glyzerin wurde eine starke Temperaturabbangigkeit des Brechungsindex beobachtet. Fig. 18 zeigt die MeBergebnisse fur ii, = 12,6 cm und I , = 14 cm im Temperaturbereich von
15-70° C. Der Temperaturkoeffizient des Brechungsindex ist bemerkenswerterweise fast dreimal so groB wie bei Wasser, aufierdem auch
positiv und innerhalb der Mefigenauigkeit fur beide Wellenlangen nahezn
gleich grofi.
AuSerdem sei noch darauf bingewiesen, daB der Brechungsindex
des Glyzerins fur 1, = 14 cm durchweg griifier ist als fur I , = 12,6 em,
demnach also in diesem Frequenzbereich anomale Dispersion vorhandeii
ist. (Bezuglich der Absorption vgl. S. 05!)
5. Absorptionsmessungen m i t der Kuvette
a) A l l g e m e i n e s
Die MeBmethode des Lechersystems mit Endkiivette erlaubte nicht ohne weiteres auch starkere Absorptionen (z. B.
an Propylalkohol fu r Lo = 24 cm) mit hinreichender Genauigkeit zu messen, da die dabei gewonnenen Resonanzkurven zu
stark abklingen. (Vgl. hierzu Fig. lo!) Aus diesem Grunde,
und auch urn die bisher gewonnenen TVerte von x durch eine
absolute Nethode zu kontrollieren, wurde entsprechend der
auf S. 81 beschriebenen Methode die Absorption mit der
Kiivette direkt bestimmt.
Die experimentell erhaltenen Kurven zeigten den erwarteten exponentiellen Verlauf. (Vgl. S. 82!) Die logarithmische Auswertung derselben ergab entweder, wie das Fig. 15
fur Glyzerin und Isopropylalkohol bei mehreren Wellenlangen
zeigt, oder aber die Exponentialkurven enthielten im Falle
geringerer Absorption des Mediums zusatzliche Interferenzen3,
die, wie Fig. 16 erkennen laBt, mit wachseuder Schichtdicke
abnahmen. I m letzteren Falle ergaben die Logarithmen der
*) Diese Interferenzen sind durch Reflexionen a n der Vorder- und
Ruckwand der Kuvettenschicht bedingt und ermiiglichen zugleich eine
Bestimmung des Brechungsindex.
M . Seebeqer. DispersionsuntersuchzLnyen usw.
93
Dlaxirna und Minima der gemessenen Energie zwei sich schneidende Geraden, deren zugehorige Absorptioiisindizes zur Gewinnung des gesuchten Absorptionsindex ausgemittelt
wnrden.
A
/sf,
$0-
2';20
i\\2
45 -
4
7
Fig. 16. Energieschwachung durch
Wasscr ( I , = 12,ci cm, t = 1 6 O C)
b) P r o p y l a l k o h o l
Ein fur die in dieser Arbeit benutzten Wellenlangen besonders interessantes Dielektrikum ist Propylalkohol wegen
seiner hohea Absorption und der dainit verbundenen negativen
Dielektrizitatskonstanten. P o t a p en ko Is) hat fur PropylaIkohol
zwisehen A, = 29,38 cm und A, = 44,56 cm den Gang der Dielektrizitatskonstanten und des Absorptionsindex untersucht. Er
fand mit abnehmender Wellenlange fiir letzteren einen starken
Anstieg von x = 0,444 bis x = 2,04 und zugleich fur E einen
Abfall von E = 7,22 bis E = - 4,70, also bis auf negative Werte,
wie nach der Relation E = n2(1- x 2 ) fur x > 1 zu erwarten ist.
I n vorliegender Arbeit wurde als ein Beitrag zu den schon vorhandenen Messungen der Erechungs- und Absorptionsindex von Isopropylalkohol*) fur die Wellenlangen 1, = 12,6, 14, 19 uud 24 em bei
Zimmertemperatur gemessen. Hierbei ergab sich fur x ein Anstieg,
*)
Bezogen von I. G. Farben.
9-1
Annalen der Physik.
5. Folge. Band 16. 1933
fur s (berechnet aus 2% und x ) eine Abnahme mit wachsender Wellenlange, woraus hervorgeht, daB man sich bei diesen Wellenlangen schon
auf der anderen Seite des von P o t a p e n k o festgestellten Absorptionsmaximums befindet. Die MeBergebnisse sind i n Fig. 1 7 zusammen mit
den Beobachtuneen von P o t a ~ e n k o l ~ E) .c k e r t 9 und D r u d e 5 ) eingetragen. Der qollstiindigkeit >egen sihd auch die bisher schod vor-
Fig. 17. Absorptionsindex des Methyl- ( I ) , Atbyl- (2) und
Propylalkohols (3)
handenen Ergehnisse uher den Absorptionsindex von Methyl- und
AthyIalkohol'6) wiedergegeben und durch die hier beiliiufig gewonnenen
Werte erganzt.
Aus der Gesamtheit dieser Resultate kann ziemlich weitgehend der
vollstiindige Gang der Absorption der drei genannten Alkohole im
Wellenlangenbereich von etwa 1-70 cm ersehen werden. Demnach
durften die kurzlich von M a l s c h Z 1 )angegebenen Werte des Absorptionsindex fur h, = 19, 32 und 90 em, welche bezuglich den Wellenlangen
maximaler Absorption bei Methyl-, Athyl- und Propylalkohol entsprechen
sollen , nur naherungsweise fiir Methyl- und Athylalkohol zutreffen.
F u r Propylalkohol aber kann die Theorie anscheinend nicht extrapoliert werden.
Weiterhin zeigen die Kurven insbesondere die GesetzmaiBigkeit,
da6 die Absorption mit wachsendem Kohlenstoffgelialt des Alkohols fur
alle Wellenlangen zunimmt - wobei allerdings die Entscheidung noch
offen bleiben mu6, wie weit sich diese Zunahme in der homologen Reihe
fortsetzt -, und da6 speziell der hier eingehender untersuchte Propylalkohol bei ungefiihr..28 cm Wellenlange ein ziemlich scharfes Absorptionsmaximum besitzt. Uber eine mogliche Verschiebung der Absorptionsmaxima in der Reihe der Alkohole zu hoheren Wellenliingen laWt sich
auf Grund des bestehenden Materials noch nichts Bestimmtes anssagen.
MeSmethodisch ist hier noch folgendes anzufugen. F u r Dielektrika
mit hoher Absorption wichen die logarithmischen Geraden beim Ubergang zu gr6iBeren Schichtdicken meist erheblich von ihrer ursprunglichen
Richtung im Sinne geringerer Absorption ab, wie es Fig. 15 fur Propylalkohol bei I , = 19 cm erkennen laWt. Derartige Abweichungen sind
jedenfalls wesentlich bedingt durch Beugungseinflusse, die bei starkerer
Absorption und groderer Schichtdicke relativ groBer im Vergleich zu
der durch die Schicht gelassenen Energie werden.
M. Xeeberger. Dispersionsuntersuchungen usw.
95
c) G l y z e r i n
Neben den einwertigen niederen Alkoholen der Fettreihe
laBt insbesondere der dreiwertige Alkohol Glyzerin, als eine
Substanz mit grogen Molekulen und hoher innerer Reibung
mit groBem Temperaturkoeffizienten, besondere Wellenlangenund Temperaturabhangigkeiten der Absorption und der Dispersion erwarten. Die Temperaturabhangigkeit der Dielektrizitktskonstanten bz w. des Absorptionsindex wurde bereits von
Graffunder13) fur die Wellenrangen A o = l O O O , 870 und 400 ni
und von Bockld) fur die Wellenlange Ao= 1,36 m untersucht.
d u s den Resultaten beider Autoren geht eindeutig hervor, daW
das .,Dispersionsgebiet"*) sich mit abnehmender Wellenlange
nach hijheren Temperaturen hin verschiebt.
l m folgenden seien nun weitere diesbezugliche Ergebnisse fur die
Wellenlange I , = 12,G cm mitgeteilt.
Das Vorhandensein einer starken Temperaturabbangigkeit des
~
und I , = 14 cm wurde schon auf S. 92 erBrechungsindex fur 1 , 12,6
wabnt und dabei auf Fig. 15 verwiesen.
Fig. 18. Temperaturabhangigkeit von
Brechungs- , Absorptionsindex und
Dielektrizitiitskonstante des Glyzerins fur I , = 12,6 cm. (Gestrichelte
Kurve fur 2, = 14 cm)
Fig. 19. Frequenzabbangigkeit
der Temperatur maximaler Absorption fur Glyzerin
Der Temperaturgang des Absorptionsindex und der daraus berechnete Verlauf der Dielektrizitatskonstanten mit der Temperatur ist
in Fig. 15 dargestellt. Demnach besitzt Glyzerin bei 49OC ein starkes
Absorptionsmaximum fur die Wellenlange I., = 12,G cm.
*) Unter ,,Dispersionsgebiet'< sei nach Bo c k14) das Temperaturinterval1 verstanden, in dem die Dielektrizitiltskonstante bei konstant
gehaltener Wellenldnge einen starken positiven Temperaturkoeffizienten bcsitzt.
96
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 16. 1933
Tragt man nach B o c k 14) die Temperaturen maximaler Absorption
in Abhangigkeit vom Logarithmus der Wellenliinge auf, so ergibt sich
eine geradlinige Abhangigkeit, in die sich, wie Fig. 19 zeigt, der hier
gewonnene MeBpunkt gut einfiigt. Der von D e b y e 19) genannte Wert
von M i z ~ s h i m a ' ~fur
) 1,= 9,5 m fiigt sich in diese Gerade etwas
weniger gut ein. Diese Gerade zeigt weiterhin auch, daB die Beziehung
1. = e- (TE- d' .' offenbar unabhangig von der Anderung des Aggregatzustandes gilt, da die von G r a f f u n d e r l 8 ) stammenden MeBpunkte
bereits unterhalb des Schmelzpunktes des Glyzerins liegen.
Bemerkenswert ist weiter , daA der Temperaturkoeffizient der
Dielektrizitatskonstanten im ,,Dispersionsgebiet" anscheincnd einen Gang
mit der Wellenlange aufweist, der entsprecherid den Messungen von
G r a f f u n d e r , B o c k und der hier vorliegenden Arbeit im Sinne einer
Abnahme mit abnehmender Wellenlange liegt. Der Maximalwert der
hier erhaltenen Dielektrizitatskonstanten diirfte auf die von G r a f f u n d e r '9 angegebene Randkurve fallen.
Die Dielektrizitiitskonstante fur k, = 12,6 em bei 20, C ergibt sich
zu E = 8,l. Reiht man diesen Wert in die von G r a f f u n d e r und B o c k
zur Priifung der Dipoltheorie zusammengestellten MeBresultate verschiedener Forschcr einL4),so zeigt sich, daO er sich der theoretisch geforderten Kurve verhtiltnismaBig gut anschlieBt.
d) W a s s e r
Bereits die fruheren Messungen mit dem Lechersystem mit Endkuvette hatten quantitative Ergebnisse uber die Absorption in Wasser
bei verschiedenen Wellenlangen erbracht. Dabei ergab sich eine Abnahme der Absorption mit steigender Temperatur fiir die Wellenliingen
1, = 12,6, 13,6, 14, 19 und 24 cm.
Um nun diese friiheren Resultate zu bestiitigen, wurde im folgenden
der Absorptionsindex des Wassers nach der 4. Methode direkt gemcssen,
und zwar einmal als Funktion der Wellenliinge bei konstanter Temperatur, und dann auch als Funktion der Temperatur bei konstanter
\\Tellenliinge.
Die Frequenzabhangigkeit des Absorptionsindex x und des Extinktionskoeffizienten 11 x von Wasser ist aus Tab. 1 ersichtlich. Die Werte
des Absorptionsindex stimmen mit den nach der Methode mit Endkiivette
gewonnenen verhaltnismaBig gut iiberein.
Tabelle 1
Absorption des Wassers
13,6
14,O
19,0
0,52
0,41
0,45
0,71
0,049
15
Ein Vergleich mit den W e i c h m a n n s c h c n l ' ) Ergebnissen bei den
anschliel3eiiden gr33eren Wellenlangen zeigt , da13 der dort sichtbare
Anstieg von x mit abnehmender Wellenllnge in den dispersionsfreien
Gebieten sich bis in den hier untersuchten Welleiiliingenbereich fort-
31. Seeberger. L)ispersionsurctersuchu..,~genusw.
97
setzt. Ferner deutet die stiirkere Zunahme des Absorptionsindex bei
l o = 19 und 12,6 cm ausammen mit der geringeren Absorption bei
Lo= 13,6 und 14 cm darauf hin, daB sich das von W e i c h m a n n festgestellte ,,Bandenspektrum" auch noch in das Gebiet dieser kurzeren
Wellen erstrecken durfte.
Sodann wurde noch dcr Temperaturgang des Absorptionsindex und
des Extinktionskoeffizienten des Wassers, der ja bei allen zu Komplexen
assoaiierenden Substanzen von besonderem Interesse ist, fur do = 12,6 cm
wenigstens bei einigen Temperaturen gemessen. Die in Tab. 2 zusammengestellten Werte zeigen in Ubereinstimmung mit den Ergebnissen nach
*
Tabelle 2
Abhangigkeit der Absorption des Wassers von der Temperatur
fur 1, = 12,6 em
Temperatur
15,5 O
0,059
0,03,
0,Ol
der Methode mit Endkuvette den Abfall von x und n x mit steigender
Temperatur, der sich wohl einfach aus dcm Zerfall von Komplexen bei
hiiherer Temperatur erklaren diirfte. Diese Ergebnisse begrunden
weiterhin die Vorstellungen von C o l l e y T ) und E c k e r t g ) , denen zufolge
die Absorption im elektrischen Spektrum hauptsachlich durch Bildung
und Zerfall von Molekiilkomplexen bedingt ist.
Zusammenfassung
1. Die Messungen wurden rnit ungedgmpften Wellen von
1, = 12,6, 13,6, 14, 19 und 24 cm durchgefiihrt.
2. Zur direkten Bestimmung des Brechungsindex von
E'liissigkeiten wurden drei Methoden untersucht. Die Ergebnisse der 1. Methode (Lechersystem rnit Innenkiivette) gestatteten keine eindeutige Auswertnng. Die 2. Methode (Feldriickwirkung im Trog) ergab eine direkte Absolutbestimmung
von n. Die genauesten Resultate lieferte die 3. Methode
(Lechersystem rnit Endkiivette). Sie wurde demgemal3 eingehender verwendet.
3. Die Absorption lief3 sich nach der 1. Methode nicht
einfach bestimmen. Nach der 2. Methode konnte die Absorption
indirekt vermittels Eichfliissigkeiten bei nicht zu hoher Absorption gemessen werden. Die 3. Methode gestattete aus den
zur Bestimmung des Brechungsindex dienenden Resonanzkurven
zugleich auch den Absorptionsindex zu ermitteln. Durch eine
weitere 4.Methode (Kiivettenfenster in metallischer Schirmwand)
konnte x mit freien Wellen direkt gemessen und in naher
Ubereinstirnmung mit Messungen nach der 3. Methode gefunden
werden.
Annaleri i l n Physik. 5. Folgc. 10.
1
98
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 16. 1933
4. Mit der 3.Methode wurde der Brechungs- und Absorptionsindex von Wasser und wafirigen Losungen des Chlornatrium,
Kupfersulfat, Zinksulfat, Bleiacetat und Traubenzuckers fiir
a, = 14 cm bei Zimmertemperatur gemessen. Ersterer ist innerhalb der Meflgenauigkeit unabhangig von der Konzentration
und gleicli dem des Wassers (n = 8,75). Die Absorption nimmt
mit steigender Konzentration zu. Die zugehorigen Werte der
Dielektrizititskonstanten wurden berechnet.
5. Der Temperaturkoeffizient des Brechungs- und Absorptionsindex sowie der Dielektrizitiitskonstanten des Wassers
ist fur die oben genannten Wellenlangen im Temperaturintervall
von 4-70°C negativ. E nimmt nahezu linear ab. Glyzerin
hat fur n von 15-75 O C bei A, = 12,6 und 14 cm einen positiven
und etwa dreimal groBeren Temperaturkoeffizienten als Pl'asser.
6. Bei Wassergemischen des Methyl-, Athyl- und Propylalkohols wird fur den Brechungsindex die lineare Mischregel
nicht erfiillt, jedoch nahezu erfiillt fur E und x.
7. Anomale Dispersion wurde an Wasser zwischen A, = 12,6
nnd 19 cm, an Glyzerin zwischen A,= 12,6 und 14 cm, an
Propylalkohol zwischen A,, = 12,6 und 24 cm beobachtet.
8. An Propylalkohol wurde der Frequenzgang von x fur
obige Wellenlangen gemessen und so der Verlauf des Absorptionsindex zusammen mit den Meflergebnissen von E c k e r t ,
D r u d e und P o t a p e n k o im Bereich von A,= 1 bis 74 cm
ziemlich weitgehend festgelegt.
9. Der Temperaturgang der Absorption von Glyzerin zeigt
bei t = 49OC fiir A, = 12,6 cm ein ausgepriigtes Absorptionsmaximum. Die von Bock festgestellte lineare Abhangigkeit
der Temperatur des Absorptionsmaximums vom Logarithmus
der Wellenlange wird nuch fur Lo = 12,6 cm bestatigt gefunden.
10. Nach der 4. Methode wurde an Wasser fiir A,= 12,6,
13,6, 14 und 19 cm der Absorptionsindex bei Zimmertemperatur gemessen.
11. Gleichfalls mit der 4. Methode wurde an Wasser fur
Lo = 12,6 cm eine starke Abnahme der Absorption mit steigender
Temperatur im Interval1 von 15-50 O C gemessen, die sich wohl
durch den Zerfall der die Absorption bewirkenden Komplexe
erklaren lafit.
Vorstehende Arbeit wurde im Physikalischen Institut der
Universitat Erlangen ausgefuhrt. Dem Vorstand des Instituts,
Hrn. Prof. Dr. B. G u d d e n schulde ich aufrichtigen Dank fur
manch wertvollen Rat und f u r freundliche Uberlassung von
M . Seeberger. Dispersionsuntersuchungen usw.
99
Institutsmitteln. Der Helmholtz- Gesellschaft und der Firnia
Te Ka De Niirnberg gebuhrt Dank fur zur Verfiigung gestellte
Hilfsmittel.
Besonderen Dank schulde ich Hrn. Privatdoz. Dr. K. K o h l
fiir die Anregung und die Anleitung zu dieser Arbeit.
Literaturverzefc h i s
1) E. C o h n , Wied. Ann. 45. S. 375. 1892.
2) C. B. T h w i n g , Ztschr. f. phys. Chem. 14. S. 286. 1894.
3) P. D r u d e , Wied. Ann. 58. S. 1. 1896.
4 ) P. D r u d e , Wied. Ann. 69. S. 61. 1896.
5) P. D r u d e , Ztschr. f. phys. Chem. 23. S. 267. 1897.
6) F. S m a l e , Wied. Ann. 60. S. 627. 1897.
7) A. R. C o 11e y , Untersuchungen uber Dispersion im elektrischen
Spektrum von Fliissigkeiten. Odessa. 1908.
8) H. R n k o p , Ann. d. Phys. 42. S. 485. 1913.
9) F. E c k e r t , Ber. d. D. Physik. Ges. 15. S. 307. 1913.
10) A. R. C o l l e y , Ber. d. Univ. Warschau. 1915.
11) K . I w m o w , Ann. d.Phys. 66. S.481. 1921.
12) R. W e i c h m a n n , Ann. d. Phys. 66. S. 501. 1921.
13) W. G r a f f u n d e r , Ann. d. Phys. 70. S. 225. 1923.
14) R. B o c k , Ztschr. f. Phys. 31. S. 534. 1925.
15) J. P o t a p e n k o , Verh. d. Wiss. Forsch.-Inst. f. Phys. und Krist.
der Mosk. Univ. Kr. 6 1926.
16) W. R o m a n o f f , Handb. d. Phys. Bd.XV. S.520. 1927.
17) S a n - i c h i r o - M i z u s h i m a , Phys. Ztschr. 28. 8. 418. 1927,
18) K. K o h l , Elektr. Nachr.-Techn. 6. S. 354. 1929.
19) P. D e b y e , Polare Molekeln. 1929.
20) K. K o h l , Ergebnisse d. exakten Naturw. 9. S. 275. 1930.
21) J. M a l s c h , Phys. Ztschr. 5%.S. 19. 1932.
(Eingegangen 15. Oktober 1932)
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 191 Кб
Теги
ultrakurzwellen, ungedmpfte, mit, dispersionsuntersuchungen
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа