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Erneute Absolutmessung des Energieverbrauches bei der Ionisierung von Argon durch Rntgenstrahlen.

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564
Annalen der Physik. 5. Folge. Band. 21. 1934/35
E r n e u t e Atjsolutwaesszcng cles Efieryieverbrauches
be6 d e r I o n i s t e r u n g vosh A r g o n
clzcrch Rontgemstrahlem
Von O t t o Q a e r t n e r
[~ontgen-Forschungs-Institut)
(Nit 2 Figuren)
Unter anderen Bedingungen wie in fruheren Messungen ergibt sich
trotzdem innerlialb der MeWfehler der damalige Wert und zwar 28,4 i 0,5
statt 38,s & 1 Volt pro Ionenpaar. Unter Zugrundelegung der von
C r o w t h e r und vom Verfasser gemessenen relativen Ionisierung von
Luft und Argon ergibt sich daraus f u r Luft E = 35,3 Volt ( G a e r t n e r )
bzw. E = 37,5 Volt (Crowther)l). Die Abweichung gegen den yon E i s l
angegebenen und heute allgemein angenommenen Wert 8 = 33,2 -t0,5 Volt
liegt demnach auBerhalb der MeWfehler. Eine niiigliche Deutung fur
den Unterschied wird gegeben.
I n h a l t : 1. Bisherige Absolutmessungen. - 2. Apparatur. 3. Gang der iMessungen. - 4. Messungen. - 5. Ergebnisse. - A. Diskussion. - 7. Eine miigliche theoretische Ileutung des Unterschiedes.
8. Literatur.
1. Bisherige Absolutmessungen
Der von E i s l fiir Luft angegebene Wert von 32,2 Volt
pro Ionenpaar ist heute allgemein angenommen, einerlei O ~ Jes
sich urn die Ionisierung durch Kathoden, Rontgen, Gamma
oder positive Strahlen handelt. Diese Gleichsetzung ist nicht
so selbstverstiindlich, daB sich eine experirnentelle Bestatigung
eriibrigen wiirde. Nun sind seit dem Jahre 1926 nur 4 Untersuchungen mit Rontgenstrahlen veroffentliclit worden, welche
aber alle in bezug auf Prazision gegen E j s l ( 1 ) zuriickstehen.
Deshalb konnte man bisher die fehlende Ubereinstimmung auf
IVleAfehler zuruckfiihren. So gibt K u l e n k a m p f f (2) 35 2 5 Volt
an. Nach K i r c h e r und S c h m i t z (3) ergeben sich 223--310Volt,
wenn man den daselbst vorhandenen Rechenfehler beriicksichtigt.
Von den Rumpschen Messungen (4) wird in den Nachschlage1) d n m . bei der Korr.: Aus einer soeben abgeschlosseiien Untersuchung der relativen Ionisierung von 12 Gasen ergibt sich unzweifLuft
deutig, da5 C r o w t h e r gerade das Verhaltnis ___ falsch gemessen hat..
fArgon
Gaertner. Erneute Absolutmessung (1. Eiiergieserbrau,ches usw. 565
werken angegeben (5), daB sie zu einem mit K u l e n k a m p f f
und E i s l iibereinstimmenden Wert von 33 Volt gefiihrt haben.
Tatsachlich findet R u m p f i p 18 verschiedene mittlere Wellenlangen von 0,72-0,115
AE-Ferte? die von 39-330 Volt
schmanken. Erst durch ein recht gewagtes rechnerisches Verfahren, dessen Unsicherheit R u m p selbst vermerkt, ergibt sich
daraus durch Extrapolation ein zwischen 30 und 40 Volt liegender Wert. I n einer folgenden Berichtigung (6) werden dann
alle Zahlen wegen einer fehlerhaften Ionisationsinessung um
2 0 ° / , herabgesetzt. Auf diesem Wege kommt dann ein Wert
von 33 Volt zustande.
Endlich hat der Verfasser ( 7 ) im Jahre 1929 f u r Luft
36,4 f 3 und fur Argon 29,6 -+: 2,6 Volt angegeben. Die
Energiemessung war mit nur einem einzigen Thermoelement
ausgefiihrt, mit dem in 5 Meter Skalenabstand ein Galvanometerausschlag von 24 mm bei uberaperiodischer Einstellung erhalten
wurde. In einer Untersuchung aus dem Jahre 1931 17a) wurde
fur Argon 28,8 t 1 Volt angegeben. Dabei stand eine Thermosaule zur Verfiigung, init der in 5 Meter Skalenabstand eiii
Ausschlag von etwa 400 mm erhalten wurde. In vorliegender
Untersuchung ist die Energie nochmals gesteigert, so dalj jetzt
in 3 Meter Abstand ein husschlag von 600 mm erhalten wurde
(bei aperiodischer Einstellung). Auf die Durchfiihrung der
Absolutmessung fur Luft wurde ganz verzichtet. Denn es gelingt
nicht, die Gesamtstrahlung einer Kupferanode in einer Kammer
normaler Lange bei solchem Druck hinreichend zu absorbieren,
da13 die Sattigungsspannung in ertraglichen Grenzen bleibt.
Historisch mu6 bemerkt werden, dab R u t h e r f o r d (8)
bereits im Jahre 1915 seinen Ionisationsmessungen an Rontgenstrahlen E~~~~ = 33 Volt zugrundelegte, welche Zahl aus friiheren
Messungen an Alphastrahlen erschlossen war.
2 . Apparatur
Die friiheren Messungen waren mit einer Kammer von
46 ern effektiver Lange ausgefiihrt. Der Druck des Argons
betrug 2 Atm. Die vollstandige hbsorptiou der Strahlung in
der Kammer wurde aus der Unabhangigkeit des Ionenstromes
vom Druck erschlossen. Uin den1 naheliegenden Einwand zu
entgehen, daW bei der Ionisationsmessung keine Sattigung vorhanden gewesen sei, wurde jetzt der Druck moglichst herabgesetzt. Deshalb hatte die neue Kammer eine Lange von 80 em
und der Druck des Argons betrug 350 mm. E s war dann
auch notig. die durchgelassene Strahlung zu messen. Dies erfolgte niit einer luftgefiillten Kamnier, die hinter der Argon-
666
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 21. 1934135
kammer aufgestellt war (Fig. 1). Als Spannungsquelle fur die
Argonkammer reichten jetzt Pertrix-Anodenbatterien von zusammen 1500 Volt aus. Der Ionenstrom wurde mit dem Galvanometer gemessen, welches nach der Schaltung in Fig. 2
geeicht war. I n diese Eichung gehen nur der Widerstand des
Fig. 1. Argonkammer, 80 em lang, dahinter zylindrische Kamrner
mit Luft von AtmosphSrendruck, auf W u l f schem Fadenelektrometer
befestigt. Das g a m e auf optischer Eank aufgebaut
10 Ohm-Instrumentes sowie der zu demselben gelieferte Vorwiderstand ein. Der Auffknger der Thermosiiule bestand aus
physikalisch reinem Platin von 99,99 o/o Reingehalt. Die Abniessungen waren 100 * 10,03 0,293 mm. Die Dicke wurcle aus
Fig. 2 . Sehaltung zur Eichung des Galvanometers. 10-Ohm-[nstrument
von Siemens, parallel dazu der sonst als Vorwiderstand zur Spaunungsmessung dienende Widerstand
dem Gewicht (0,6290 g) berechnet, die Breite init einer Mikrometerschraube gemessen. Aus den Abmessungen I+ urde der
Riderstand des Streifens berechnet. Es wurde der hisher beste.
in den Tabellenwerken angegebene K e r t von 0,105 Ohm pro
Meter und mm2 zugrundegelegt. Der hohe Reingehalt des
Platins gestattet es, bei einer etwaigen Neubestiniinung des
spezifischen Widerstandes die Energiemessungen dieser drbeit
Gaertrier. Erneute Absolutmessung d . Energieverbrauches usw. 567
einfach auf den genaueren Wert umzurechnen. Die zu den
Messungen dienende Gluhkathodenrohre mit Eiupferanode war
nach der Lieferung vom Werk noch nicht in Betrieb gewesen.
Dieser Umstand ist wesentlich, weil sich die Anode allmahlich
mit V'olfram beschlagt, welches vom Gliihdraht verdampft bzw.
zerstaubt ist. Die mittlere Wellenlange der Gesamtstrahlung
wird dadurch nach kurzen Wellen verschoben und die Strahlung
ist damit schwerer absorbierbar.
3. Gang der Messungen
Derselbe wurde so eingerichtet, daA Tiiuschungen iiber die
MeBgenauigkeit moglichst ausgeschlossen waren. Dies wurde
folgendermaBen erreicht. Erstens wurden Energie uncl Ionisierung nicht nur bei einer einzigen giinstigsten Rohrenspannung gemessen, sondern bei vier etwas verschiedenen Spannungen in der Umgebung des giinstigsten Wertes. Zweitens
wurde bei der Energiemessung die Skala des Heizstrommessers
irach vorheriger Grobeinstellung verdeckt und dann die Feinregulierung fur den Stroin solange verstellt, bis Gleichheit des
Galvanometerausschlages fiir Heizung und Bestrahlung erreicht schien. Uenn beobachtet man die Skala des Strommessers hierbei, so ist man naturlich geneigt. immer wieder
hei clerselben Einstellung als der Richtigen stehen zu bleiben.
Drittens wurde der Ionenstrom derart gemessen, da8 bei jeder
einzelnen MeBreihe die Galvanometerempfindlichkeit viermsl
verstellt und dasselbe neu geeicht wurde. Das so erhaltene
Ergebnis aus vier Ablesungen ist in bezug auf den Absolutwert genauer, als wenn man bei einer einzigen Empfindlichkeit
vier Ablesungen macht, die bekanntlich immer iibereinzustiminen pflegen.
4. Messungen
Die vier Kolonnen der folgenden Tabellen beziehen sich
auf die vier verschiedenen Rohrenspannungen, bei denen gemessen wurde. Die Unterschiede zwischen den einzelnen
Stufen sind selbstverstandlich durch die Skalenteilung des
Voltmeters fur die Primarspannung gegebene, bei dem der
Reihe nach auf die Skt. 106, 108, 110, 112 eingestellt wurde.
Der Rohrenstrom betrug stets 25 mA. Die Kenntnis der Hochspannung an der Rohre ist im vorliegenden Fwlle nicht erforderlich. Sie betrug etwa 16 kV8. Die vier Zeilen der folgenden Tabellen entsprechen vier voneinander unabhangigen
MeBreihen. J e eine Zeile der Energiemessungen und der
lonisationsmessungen gehoren insofern zusammen. als die
Messungen unmittelbar nacheinander ausgefiihrt sincl.
568
Annabn der Physik. 5. Polge. Band 21. 1934135
I
I1
111
VI
1,576
1,545
1,562
1,558
1,730
1,760
1,732
1,730
1,953
1,928
1,951
1,894
2,115
2,105
2,123
2,170
Tabelle 2
Ionisationsmessung. Ampere . 10'"
Jeder angegebene Wert ist das Mittel aus 3 Ablesungen bei jedesmal
geiinderter Stromempfindlichkeit des Galvanometers. Die unten angegebene Korrektur fiir durchgelassene Strahlung ist bereits eingeschlossen. Die Strijme gelten fur die Blende von 3,W2 mm Durchmesser,
melche vor der Kammer war.
I
I1
111
VI
I
37 1
389
390
3'39
42 1
841
445
446
474
501
4TJ8
491
541
560
550
547
Durchgelassene Strahlung
+
Kapazitat von Kammer Elektrometer (bei derjenigen EmpfindlichF. Spannungskeit bestimint, bei der die Messung erfolgt) 5,9 .
abfall am Elektrometer 86 Volt. LBnge der Kammer 77 mm. Massenschwacliungskoeffizient der austretendoen Strahlung in Aluminium 15,2.
Mittlere Wellenlange hiernach 1,025 AE. Massenabsorptionskoeffizient
der Luft hierfur 3,60. Entladezeiten des Elektrometers bei den 4 Riihrenspannungen bzw. 17,2, 14,8, 13,0, 11,2 Sek. Aus den angegebenen Daten
ergibt sich, daB die durchgelassene Strahlung folgende Strome erzeugen
wiirde, wenu sie in Argon .,vollst8ndig absorbiert wiirde: 149, 17,4,
19,8, 2?,9
Amp. Die hnderung der mittleren Wcllenlange der
durchgelassenen Strahlung mit der Rohrenspannung brauchte nicht beriicksichtigt zu werden. Der MSK. in A1 iinderte sich um 5,5a/i,zwischen
den auoersten Werten. E s wurde der Mittelwert eingesetzt.
5. Ergebnisse
B u s den mitgeteilten Messungen ergiht sich Volt pro
Ionenpaar, wenn man die in W a t t /cm2 gemesseiie Energie
durch den in Ampere gemessenen Ionenstrom dividiert. Nur
miissen die Ionenstroine noch fiir die Blendenfiliche 1 a n 2
urngerechnet werden. Der Faktor hierfiir ist 13,97. S u s je
einem Paar zusammengehoriger Werte der Energie und
Ionisationsniessung ergiht sich das in Tab. 3 dargestellte.
Auf die Fehlerquellen, welche das Ergebnis f&lschen
kiinnten, sol1 kurz zusammenfassend eingegangen werden. Die
Sattigungsspnnnung in der Argonkammer lag bei 240 Volt.
Trotzdeni wurclen die Messungen bei 1500 Volt Spannung ausgefuhrt. Eine z weite Kontrolle aaf 89ttigung hestand darin,
Gaertner. Erneute Absolutmessung d. Energieverbrauches usw. 569
Tabelle 3
Volt pro Ionenpaar fur Argon
30,4
28,4
28,7
28,O
29,4
28,5
28,O
27,8
29,5
27,6
28,O
27,6
28,O
26,9
27,7
28,3
daf3 eine MeBreihe bei dem Druck von 250 mm ausgefuhrt
wurde. Die Sattigungsspannung lag hier bei 120 Volt und
die Messungen wurden bei 1200 Volt Spannung ausgefuhrt.
Unter Beriicksichtigung der durchgelassenen Strahlung ergab
sich innerhalb der MeBfehler der gleiche Ionenstrom wie bei
350 mm. In der Kammer befanden sich zwei Plattenelektroden,
die der Divergenz das Biindels angepaBt waren. Der Durchmesser des Biindels am Kammerende war photographisch festgestellt worden. Die Platten wurden soweit auseinander befestigt, daB das Biindel nirgends naher wie bis auf 6 mm au
die Platten herankam. Nach Beendigung der Messungen wurde
dieser Abstand noch auf 10 mm vergrGBert, ohne daB eine Zunahme des Ionenstromes festgestellt werden konnte. Die Bleiblende a n der Kammer wurde hergestellt, indem eine Bohrung
von 2,90 mm mittels eines Satzes Homrnelscher Leeren auf
einen Durchmesser von 3,02 mm in Stufen von 0,Ol mm aufgeweitet wurde. Ih r Durchmesser ist also bis auf 0,Ol mm
gegeben. Gegen die Warrnestrahlung vom Gluhdraht der Rohre
war ein dreifacher Schutz vorhanden. Eine Bluminiumfolie
von 12 p an der Blende vor der Rohre, eine gleiche Folie am
Gehause der Thermosaule, ein durch den hohen Walzgrad hochglanzender Auffanger aus Platin, der selbstverstandlich nicht
geschwarzt wurde. Abgesehen davon wurde noch ein Leerversuch mit der Rohrenheizung allein gemacht. Eine etwaige
Beeinflussung der Galvanometerleitung durch die Hochspannung
wurde ebenfalls durch Leerversuche gepriift und durch eine
entsprechende Leitungsfiihrung ganzlich ausgeschaltet. Die
Korrektur fur Elektronenemission vom Platinauff anger laBt
sich exakt messen, wie dies schon friiher angegeben wurde (7).
Sie liegt unter 0,1o/o. Ebenfalls ist die Berechnung der Streustrahlung vom Platinauffanger dort beschrieben. Setzt man
den Massen Streustrahlungskoeffizienten des Platins gleich 2,0,
so betragt die Korrektur erst 0,3O/,. Sie ist in dieser Arbeit
gar nicht angebracht. Jedenfalls wiirde sie das Ergebnis nur
erhohen.
Das Problem der Strahlenbegrenzung an der Mollschen
Thermosaule ist vom Verf. in einer besonderen Mitteilung (9)
Annalen der Physik. 5. Folge. 21.
37
570
Annalerz der Physik. 5. Folge. Band 21. 1934135
behandelt worden. Jedes einzelne Element der Saule hatte
eine Lange von 13 mm. Davon sind 10 mm durch den Auffanger bedeckt. Das noch freie Stuck von 1,5 mm auf jeder
Seite liegt schon zu nahe an den warmeableitenden Iiupferdrahten, um noch einen merklichen Beitrag zur Temperaturdifferenz der beiden Lotstellen zu liefern. Urn aber auch
diese Xoglichkeit noch zu prufen, wurde das Strahleribundel
durch eine Blende bis auf 0,5 mm beiderseits des Auffangers
begrenzt, was jedoch keinen merklichen EinfluW hatte.
Zur Kontrolle auf grobere Fehler wurde die Energie
noch mit eineni Auffanger von 7 mm Breite gemessen, wenn
derselbe auch in hezug auf die Strahlenbegrenzung nicht mehr
so giinstig ist. Das Mittel aus 4 Einzelmessungen lag 2 O / *
hoher wie im anderen Falle. Wegen der ungiinstigen Voraussetzungen wurden damit keine weiteren Messungen gemacht.
Die Energiemessung durfte iiberhaupt der unproblernatischste
Teil der ganzen Untersuchung sein, entgegen einer vielfach
herrschenden anderen Auffassung. Die im wesentlichen von
W a l t e r G e r l a c h ausgearbeitete Methode der absoluten
Messung ist so einfach, daB jede Abweichung davon nur zu
einer Iiomplikation fiihren muB. Auch die vielfach erorterte
Frage des Temperatursprunges zwischen absorbierender RUBschicht und Metal1 eriibrigt sich im Falle der Rontgenstrahlen.
6. Diskussion
Es handelt sich zunachst um die absolute Genauigkeit
des aus Tab. 3 in 5. zu berechnenden Mittelwertes. Funf
Groben gehen als Konstanten in die Messungen ein, beeinflussen also die Schwankungen der Messungen nicht. Die folgende Schatzung ist eher zu ungiinstig gehalten:
Widerstand des 10 Ohm-Instrumentes als Millivoltmeter
Vorwiderstand zu demselben . . . . . . . . . .
Absolute Genauigkeit des 10-Instrumentes bei der Messung des Ionenstromes . . . . . . . . . .
Absolute Genauigkeit des 10-Instrumentes bei der Messung des Heizstromes . . . . . . . . . . .
Breite und mittlere Dicke des Auffangers . . . . .
Spezifischer Widerstand des Platins . . . . . . .
0,l O/"
071
11
04
73
0,4 >,
0,2 ,,
0,l ,,
Summe 1,l '/io
Der EinfluD samtlicher anderen Fehler ist in ihrer Gesamtwirkung aus den Schwankungen der Zahlen in Tab. 3
ersichtlich. Das arithmetische Mittel der 16 Werte ist 28,4 Volt,
der mittlere Fehler desselben 0,22 Volt. Macht man die ungunstige Annahme, dal3 sich die oben angegebenen Fehler
Gaertner. Erneufe Absolutmessung d . Energieverbrauches usw. 571
addieren, so kommt ein Betrag von 0,28 Volt hinzu und das
endgultige Ergebnis lautet :
E
A = 28,4
~
~j= 0,5
~
Volt.
~
Zur Berechnung von ELuft stehen bisher die Messungen
von drei Beobachtern zur Verfiigung. C r o w t h e r (10) fand
-‘Luft
-
1,32; W i l h e l m y (11) bestatigte
dieses Ergebnis.
“Argon
Seine Messungen konnen aber nicht entscheidend sein. W ilhel my arbeitet bei nur einem einzigen Gasdruck in der Kammer.
Diese ist zu kurz, urn die ganze Strahlung zu absorbieren,
was gerade als Vorzug der Messungen angegeben wird. S n statt eine langere Kammer zu bauen oder den Druck zu erhohen, stellt W i l h e l m y Berechnungen der durchgelassenen
Strahlung an, f u r deren Richtigkeit keine Unterlagen gegeben
werden und auch nicht gegeben werden konnen. Ebensogut
wie den Wert von C r o w t h e r kvnnte man einen anderen
Wert herausrechnen.
- 1,232. Diese Arbeit enthalt
Der Verf. (12) fand
‘Argon
noch einige kleine Unstimmigkeiten. I n einer gerade abgeschlossenen Untersuchung uber die relative Ionisierung von
12 Gasen ergab sich mit verbesserter Methode
“Luft
= 1,238.
‘Argon
Aus den angegebenen Verhaltnissen berechnet sich fur Luft:
E = 35,2 Volt ( G a e r t n e r ) bzw. E = 37,5 Volt (Crowther)l).
Unabhangig davon, welchen der beiden Werte man anerkennt,
bleibt eine auBerhalb der MeBfehler liegende Abweichung
gegen Ei s l bestehen.
7. Eine mijgliche theoretiache Deutung der Unterschiede
Den Vorgang der Ionisierung durch Rontgenstrahlen hat
man bisher nur vom Standpunkt der Elementarprozesse aus
betrachtet. So lost ein Strahlungsquant ein Elektron aus,
dieses erzeugt Ionen und Sekundarelektronen, diese erzeugen
wiederum Tertiarelektronen, bei der Rekombination mug wieder
Strahlung ausgesandt werden und so fort. Diese ganzen Vorgange lassen sich aber auch von einem aus der Theorie der
Warmestrahlung bekannten Standpunkt iibersehen. Denkt man
sich eine gewisse Menge des absorbierenden Gases und eine
gewisse Menge Rantgenstrahlen in einer warmeundurchlassigen
1) Man vergleiche die Anmerkung am Anfang der Arbeit.
37 *
572
Annakn der Physik. 5. Folge. Band 21. 1934J35
Hulle eingeschlossen, beide zunachst durch eine Wand getrennt, so besitzt die Entropie dieses Systems einen bestimmten
Wert. Wird die trennende Wand entfernt, so sind alle sich
jetzt abspielenden Vorgange der Bedingung unterworfen, daB
sie zusammen eine Verniehrung der Entropie hervorrufen
miissen. Sie verlaufen in dem Sinne, daB die Frequenz der
dabei auftretenden Strahlungen stets erniedrigt wird. Es ist
daher auch naheliegend, daB schlieBlich ultraviolette Strahlungen auftreten konnen, wenn auch in winziger Intensitat.
I m stabilen Endzustand muB die ganze Energie der Rontgenstrahlung in kinetische Energie der Gasatome bzw. Molekiile
umgeformt sein, weil dann die Entropie ein Maximum erreicht
hat. Es handelt sich nun um die Prage, ob die Erreichung
dieses Endzustandes immer auf dem Umwege uber die zahlreichen oben genannten Elementarprozesse erfolgen muB. Der
hier zu erklarende Unterschied bei der Ionisierung durch
Kathoden- und durch Rontgenstrahlen ware leicht verstandlich, wenn man annimmt, daB ein Strahlungsquant von einem
Atom absorbiert werden kann, ohne daB dieses dabei Strahlung bzw. Elektronen aussendet, vielmehr die Energie des
Quants unmittelbar in kinetische Energie des ganzen Atoms
umformt.
8. Literatur
1) A. E i s l , Ann. d. Phys. [5] 3 S. 278. 1929.
2) H. K u l e n k a m p f f , Ann. d. Phys. 79. S. 97. 1926.
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11) E. W i l h e l m y , Ztschr. f.Phys. 83. S. 341. 1932.
12) 0. G a e r t n e r , Ann. d. Phys. [5] 16. S. 613. 1933.
B o n n , Rontgen-Forschungs-Institut.
(Eingegangen 19. November 1934)
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