Die lichtelektrischen Eigenschaften von Alkalischichten atomarer Dicke auf Trägermetallen hoher Austrittsarbeit. II. Caesium und Kalium auf Wolfram und Platin

Mayer. Lichtelektrische Eigenschajten urn Alkalischichten usw. II 419

Die LdehteLebtd8chm Eigen8chaftm vow dLkald8ch.lchtem atomarer Dlche

auf TrOlgermetalLen hoher AU8trdtt8Urbdt XI. Caedum und KaZium auf Wolfram und PZatZn

Po% Heerbert M a y e r

(Mit 14 Abhildungen)

I n h a l t s a n g a b e : Mit einer Atomstrahlmethode werden Cs- undK-Atome eenau gemeseener Zahl auf die Trggermetalle W und Pt aufgedampft und die Anderung der lichtelektrischen Ausbeute je Einheit einfallender Energie einfarbiger Strahlung ewischen 800 und 2400% bei zunehmender Bedeckung ge- meseen. Ee wird l. fur die vier Metallpaare die giinetigete Bedeckung bestimmt, bei der die lichtelektrische Ausbeute durch einen ersten Hochetwert geht. 2. wird einerseits. durch Vergleicc mit Werten, die von anderen Beob- achtern durch gltihelektrische Messungen ermittelt wurden, andererseits unmittelbar durch Versuch gezeigt , daS Licht- und Gliihelektronenaustritt bei der gleichen Bedeckung den Hiichstwert durchlaufen. 3. wird die Ab- hiingigkeit der Austrittsarbeit von der Bedeckung lichtelcktrisch ermittelt und mit den Ergebnissen gliihelektrischer Messungen verglichen. 4. wird gezeigt, daB ein echwacher aelektiver Effekt schon bei Bedeckungen auftritt, die kleiner eind ale die giinatigste und daE die Lichtelektronen bis eur gunstigsten Bedeckung dem Trtigermetall entstammen. 5. wird nachgewiesen, daS der Aufbau dee zweiten, gewohnlich beobachteten selektiven Effektes unmittelbar nach fherechreiten der giinstigsten Bedeckung beginnt und daB die ihm enteprechenden Elektronen den Alkaliatomen entstammen. 6. wird die Schichtdicke bestimmt, bei der die Ausbeute dieses selektiven Effektes durch einen Hiichstwert geht.

I. Einleitung

Der Einflui3 von Caesiumschichten atomarer Dicke auf deu Gliih- elektronenaustritt aus Tragemetallen hoher Austrittsarbeit, vor allem aus Wolfram, ist Gegenstand zahlreicher experimenteller und theore- tischer Untersuchungen quantitativer Art gewesen (1). Dabei wurde eine genaue Messung der Bedeckung des Tragermetalles mit Alkali- atomen schon in den ersten Arbeiten von L a n g m u i r und Kingdon versucht. Spater wurde die Genauigkeit der Messungen von Becke r und schliel%ch von T a y l o r und L a n g m u i r in hohem Grade ver- vollkommnet. Dagegen liegen iiber den EinfluS solcher Schichten a d den Lichtelektronenaustritt nur wenige quantitative Ergebnisse vor.

420 Annalen der Physih. 5. Folge. Band 33. 1938

Denn die meisten der zahlreichen lichtelektrischen Untersuchungen beziehen sich auf sogenannte zusammengesetzte Schichten, wobei Tragermetall und Alkalischicht durch eine Zwischenschicht, in den meisten Fallen eine Gas- oder Oxydschicht, getrennt sind und Alkali- atome oft auch in die Zwischenschicht eingebaut sind (2). Diese Untersuchungen wurden vor allem durch praktisch-technische Not- wendigkeiten bestimmt, die sich aus der standig zunehmenden Ver- wendung der lichtelektrischen Zelle auf den verschiedensten Ge- bieten und fur die verschiedensten Zwecke ergaben. Versuche unter reinen und einfachen Bedingungen, in denen das sorgfaltig gereinigte und entgaste Alkalimetall auf das entgaste Tragermetall hoher Sustrittsarbeit im Vakuum aufgedampft wurde, wurden erst- mals vor~ I v e s und' dessen Mitarbeitern (3), sowie von S u h r m a n n und seinen Mitarbeitern (1 1) durchgeftihrt. Die Ergebnisse dieser Versuche enthalten aber noch keine genauen Bestimmungen der Schichtdicke bzw. der Bedeckung. Ives und J o h n s r u d (4) ver- suchten, die Schichtdicke optisch zu bestimmen, Ko l l e r (5) ver- wendete hierzu als erster eine Molekularstrahlmethode, ohne jedoch zu mehr als qualitativen Angaben zu gelangen. Dasselbe gilt von Ergebnissen von Campbel l (6). Brewer (7) bestimmte die Be- deckung durch Aufdampfen positiver Kaliumionen, die von einer Kunsmanquelle kamen und deren Zahl durch Messung des positiven Ionenstromes bestimmt wurde. Wiederverdampfung verhinderte es jedoch, mit dieser Methode stiirkere Bedeckungen als etwa einer latomigen Schicht zu erhalten. Als Versuch einer ersten genauen, mit der Atomstrahlmethode durchgefuhrten Messung der zu bestimmten lichtelektrischen Eigenschaften gehorigen Schicht- dicke des Alkalimetalles gelten Untersuchungen von B r a d y (8). Seine Methode wurde letzthin auch von Henshaw (9) benutzt. Versuche von Mayer (10) sollten den in seinem qualitativen Verlauf aus zahlreichen Untersuchungen (2) beksnnten EinfluB von Kalium- schichten atomarer Dicke auf den Lichtelektronenaustritt aus Platin durch genaue Bestimmung der Redeckung bzw. Schichtdicke quanti- tativ erganzen. Jedoch konnte in dieser ersten Arbeit aus technischen Griinden die absolute Ausbeute niclit gemessen werden.

Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war, diese noch vorhandenen Lucken zu schlieben. Es sollte einerseits die zu be- stirnmten lichtelektrischen Empfindlichkeiten bzw. Ausbeuten gehorigen Bedeckungen des Tragermetalles mit Alkaliatomen genau gemessen, andererseits sollte ein quantitativer Vergleich des lichtelektrischen und gluhelektrischen Elektronenaustrittes in ihrer Ab- hangigkeit von der Bedeckung ermoglicht werdeii.

Mayer. Lichtelektrische Eigenschjten von Alkalischichten ww. II 421

II. Vereuchegeriit und MeEanordnung

Beide sind in A.I(l0) beschrieben, ebenso die Herstellung der Schichten und die Bestimmung der Bedeckung bzw. Schichtdicke. Ergiinzend sol1 nur erwahnt werden, daS auch in der vorliegenden Untersuchung fur hochstes Vakuum gesorgt wurde. Es gab keine Kittungen, Hahne oder Schliffe auf der Hochvakuumseite; die Zelle aus Hartglas w a r uber eine Hg-Falle und iiber einen Behalter fur die Absorptionskohle uber einen sehr kurzen, weiten Pumpweg unmittelbar an die Hg-Diffusionspumpe, ebenfalls a m Hartglas, an- geschmolzen und lag. auch wahrend aller Messungen standig an dieser. Alle Metallteile im Innern der Zelle waren aus dtinnem, vorentgasten Ni-Blech hergestellt, auch die in A. I aus Cu-Bbch gemachten Zylinder C, und C,'). Die Entgasung des gesamten auf der Hochvakuumseite befindlichen Gedtteiles einachliefilich Pumpweg bis unmittelbar an die Diffusionspumpe erfolgte im elektrischen Ofen bei 500° C durch mehrere Tage hindurch so lange, bis das McLeod- manometer (Empf. lo-" mm Hg) selbst bei hoher Temperatur keinen meSbaren Restdruck mehr anzeigte. Die Entgasung der Wolfram- bzw. Platinfolie erfolgte unmittelbar durch Stromheizung bei schritt- weise bis zu 2400 bzw. 150OOC erhohten Temperaturen. Wahrend der Messungen erfolgte die immer wieder notige Entfernung auf- gedampfter Alkaliatome auch durch kurzes Gluhen bei dieser hohen Temperatur. Da auch die Messung des positiven Ionenstromes zur Bestimmung der Atomstrahlstarke immer wieder Gliihen der Triiger- folie erforderte und jedes neue Aufdampfen der Alkaliatome kurz (etwa 1 min) nach dem GlUhen begann, ist die in dieser Unter- suchung erzielte Gasfreiheit des Tragermetalles, vor allem aber seiner Oberflache, als sehr gut anzusehen. Dasselbe gilt von dem Alkalimetalla). Die mit dem an einer anderen Pumpanlange mehr- fach im Hochvakuum vordestillierten Alkalimetall gefullten Riihrchen

1) In Arbeit I hatte sich gezeigt, daS bei der hohen Entgasungstempe- ratur und der langen Entgasungsdauer eine betrtichtliche Verdsmpfung des Cu eintrat, das sich nicht nur auf der Glaswand der Zelle, aondern sicherlich auch auf der zu untersuchenden Oberfltiche der TrQerfolie F niederschlug. Es lag Qrund vor eur Annahme, daS dann bei bestimmten Metallpaaren (2. B. Pt und Cu) eine selbst bei den hohen Cfluhtemperaturen beatilndige Legiernng gebildet wird. Dadurch wird eine Lnderung charakteristiecher Eigenschaften des Trtigermetalles, vor allem der Austrittsarbeit, verursacht. Es wird weiter unten gezeigt werden, daS bestimmte Beobachtungen in A. I darin ihre einfache Erkliirnng finden.

2) Das Caesium stammte aus Bestilnden, die Prof. S u h r m a n n von W. Kluge-Berl in iiberlassen worden waren. il'ber Herstellung und Ent- gasung vgl.: W. K l u g e , Ztachr. f. Phys. 93. S. 636. 1935 (S. 638).

29 Annalen der Phpslk. 6. Folge. SS..

422 A n n a h der Physik. 5. Folge, Band 33. 1938

wurden erst nach Beendigung der Entgasung von Zelle und Trager- metal1 magnetisch geijffnet und mittels elektrischen Ofens langsam aus dem Seitenrohr in den Atomstrahlofen hiniiberdestilliert. Bei den Messungen lag die Temperatur desselben und somit die des Alkali- metalles fiir Caesinm zwischen 60-80 O C, nur in wenigen MeBreihen zur Erzielung einer schnelleren Schichtdickezunahme bei etwa 100 O C, fur Kaliurn zwischen 120-150".

Wegen des hohen Dampfdruckes, den das Caesium auch bei Zimmertemperatur hat, machte sich einige Zeit nach Beginn der Messungen das von der E'olie F durch Gltihen entfernte und auf der Inninwand des Ni-Zylinders G, l) niedergeschlagene Caesium dadurch storend bemerkbar, da6 sich selbst bei geschlossener Klappe K Blkalimetall ziemlich schnell auf der Tragerfolie F niederschlug. Urn dies zu vermeiden, wurde dann nicht nur in T, sondern auch der den Ni-Zylinder C, umgebende Zellenteil von auBen mit Co,-Schnee gekiihl t.

Da die Ergebnisse der ersten Arbeit gezeigt hatten, daB wegen der durch das starke Gliihen vernrsachten Aufrauhung die Ober- 0ache der Triermetalle zur Messung des Vektoreffektes ungeeignet wird, wurde in der vorliegenden Untereuchung n u mit unpolari- siertem Licht gearbeitet. Als Strahlungsquelle diente diesmal au6er einer Hg-Quarzlampe eine Wolframwendellampe mit Quaxzfenster fur langwellige Strahlnngen. Ein Umlenkprisma aus Quarz ermoglichte raschen ffbergang von der einen zur anderen. Die mit einem Quarzdoppelmonochromator ausgesonderten Strahlungen be- stimm ter Wellenlange fielen entweder auf die Tragerfolie der MeB- zelle, oder aber mittels eines rechtwinkligen Umlenkprismas aus Quarz auf eine mit Thermosaule und Panzergalvanometer ausgeeichte Caesium-Platinmohr-Vergleichszelle (1 1). Die Absorption durch das Quarzfenster der Zelle bzw. durch das Umlenkprisma ist bei der Berechnung der Endwerte beriicksichtigt.

111. Ergebniese

In Abb. 1 ist die gemessene lichtelektrische Ausbeute je Einheit einfallender Strahlungsenergie ftir eine Reihe von Wellenlangen in -4bhiingigkeit von der Cs-Bedeckung bis zu einer Schichtdicke von etwa 2 Atomlagen eingetragen. Die Bedeckung ist durch die Zahl der auf 1 cma der W-Oberflache adsorbierten Cs-Atome gegebeq. Die W-Oberflache wurde dabei aus den MaBen der W-Folie berechnet, d. h. der Aufrauhungsfaktor hier nicht beriicksichtigt, so da6 -___

1) Vgl. A. I, Abb. 3.

Mayer. Lichtelelctrische Eigenschaften von Alkalischichten usw. I I 423

die eingetragenen Cs-Atomzahlen die scheinbare Bedeckung geben, bezogen auf die scheinbare OberAache. Die Ausbeute bei der Ioni- sierung der Cs-Atome an der gluhenden W-Oberflbhe bei Messung des pisitiven Ionenstromes wirde Tay lo r und Langmui r (12) gleich

dabei nach den Angaben von 100°/o angenommen.

Abb. 1. Caeeium auf Wolfram. Lichtelektrieche Ausbeute (Ordinate) fur eine Reihe einfarbiger Strahlungen zwischen 2400 und 8000 A in Abhhgigkeit von der Bedeclcung (Abssiese) bie

zu einer Schichtdicke von nahezu 2 Caeeiumatomlagen. Ecke rechts oben: Die entsprechehden spektralen Empfindlichkeitakurven

bei beetimmten Bedeckungen bis zum Hbchstwert

.

In Abb. 2 ist der weitere Verlauf der lichtelektrischen Ausbeute bis zu Schichtdicken von etwa 10 Atomlagen eingetragen. Bei noch gr66eren Sohichtdicken treten in diesem Falle wesentliche Ande- rnngen der Ausbeute nicht mehr auf. In den Abbildungen sind in den Ecken rechts oben fur eine Reihe jeweils bestimmter Be- deckungen die Ausbeuten in Abhllngigkeit von der Wellenlange der auslosenden Strahlung eingezeichnet, urn die hderungen im spektralen Verlauf der lichtelektrischen Ausbente bei zunehmender Be- deckung dentlicher hervortreten zu lassen.

29 *

424 Annalen der Physik. 5. Folge. Band 33. 1938

In entsprechender Weise ist in Abb. 3 der Verlauf der lichtelektrischen Ausbeute fur Caesium a d Platin eingetragen, wieder bis zu einer Schichtdicke von etwa 2 Atomlagen. Bei der Berechnung der Zahl der adsorbierten Caesiumatome aus den positiven Ionen- stromen von der gliihenden Platinfolie wurde auch hier eine Aus- beute von 10Oo/, angenommen. Experimentell wurde sie fiir dieses Metallpaar noch nicht gemessen. Jedoch berechtigen einerseits die

Abb. 2. Csesium auf Wolfram. Lichtelektrische Auabeute (Ordinate) fiir eine Reihe einfarbiger Strahlungen zwischen 2400 'und 8000 A in Abhiiogigkeit von der Bedeckung (Abseisse) bis

zu einer Schichtdicke von etwa 6 Atomlagen. Ecke rechts oben : Die entsprechenden spektralen Empfindlichkeitskurven

bei bestimmten Bedeckungen, beginnend vom Hochstwert

Tatsache, da6 reines, entgastes Platin (13) eine hohere Austritts- arbeit hat als W, andererseits die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit selbst zu der Annahme, daB von einer nichtbesetzten gliihenden Platinoberfiiiche ides auftreffende Caesiumatom ebenso als Ion ver- dampft wie von einer reinen Wolframoberflache.

Da bei einer hoheren Schichtdicke der Verlauf der lichtelektrischen Ausbeute fiir Cs auf Pt dem in Abb. 2 fur Cs anf W ge-

Mayer. Lichtelektriahe Eigenschaften von Alkalischichten usw. II 425

gebenen entspricht, m d e auf seine Darstellung in einer eigenen Abbildung verzichtet.

In den Abb. 4-10 sind in entsprechender Weise die Ergeb- nisse fur Kalium auf Wolfram und Platin dargestellt.

Zu allen in diesen Abbildungen eingetragenen Ausbeuten muS erstens bemerki werden, da0 sie fb Schichten im Augenblick des

Abb. 3. Caesium auf Platin. Lichtelektrische Ausbeute (Ordinate) far eine Reihe eiufarbiger Strahlungen zwischen 2400 und 8000 A in Abhlingigkeit von der Bedecknng (Absziese) bis

zu einer Schichtdicke von etwlr 2 Csesiumatomlagen. Ecke rechts oben: Die entsprechenden spektralen Empfindlichkeitskurven

bei bestimmten Bedecknngen

Aufdampfens des Alkalimetalles auf das Tragermetall gemessen wnrden, welch letzteres dnrch den im Kiihlrohr T befindlichen C0,-Schnee gekiihlt ist. Es ist bekannt , daE die lichtelektrische Empfindlichkeit sich auch im hochsten Vakuum andert, wenn das Aufdampfen bei einer bestimmten Bedeckung unterbrochen und nun die Empfindlichkeit bei unveranderter Besetzungszahl in Abhangigkeit von der Zeit verfolgt wird (B), (9), (10). Ebenso erhalt man andere,


in der Regel hijhere Ausbeuten, wenn die Alkaliatome auf eine auf hoherer Temperatur befindliche Tragerflache aufgedampft werden. Ursachen dieser hderungen sind Oberflachenwanderung bzw. Ein- dringen in das Kristallgefuge des Tragermetalles. Zweitens ist zu bemerken, daB jede der in den Abbildungen gegebenen Kurven das Mittel aus mehreren Einzelmessungen ist und so eingetragen wurde, daB der Hochstwert beim Mittelwert der gunstigsten Bedeckung liegt.

- Redeckung(K-Atomeje 9rm W/ Abb. 4. Kalium auf Wolfram.

Lichtetektrische Ausbeute (Ordinate) fur eine Reihe einfarbiger Strahlungen zwischen 2400 und 8000 A in Ahhiingigkeit von der Bedeckung (Abszisse) bis

zo einer Schichtdicke von etwa 2 Kaliumatomlagen

IV. Er6rterung der Ergebnisse

A. D i e B e d e c k u n g b e i m e r s t e n HGchstwert d e r l i c h t e l e k tr i s c h e n A u B be u t e (gii n s t i g s t e B e d e c kung)

1. Cs auf W und Pt. Aus den Abb. 1 und 3 ersieht man, daR die lichtelektrische Ausbeute fur alle im untersuchten Spektralgebiet von etwa 8000-2400° liegenden auslosenden Strahlungen bei einer bestimmten Cs-Bedeckung durch einen ersten Hochstwert geht. Jedoch ist diese Bedeckung fur Cs auf Platin fur alle auslosenden

Mayer. Lichtebktrische Eigenschaften uon Alkalischichten usw. 27 427

Strahlungen die gleiche, fur Cs auf W jedoch nicht. Fur lang- welligere Strahlungen ist sie hier etwas gro6er, fur die zwischen 2400 und 4000 A liegenden kurzwelligeren Strahlungen ist sie gleich.

In Tab. 1 ist die gunstigste Cs-Bedeckung auf W, wie sie in 11 mit teilweise verschiedener Atomstrahlstarke gernachten Einzel- messungen beim Hochstwert der Ausbeute fur die auslosende Strahlung 3655 gefunden wurde, eingetragen, urn einen Einblick in die Streuung der fur eine bestimmte Strahlung gefundenen Werte zu geben.

Atomstrahlstarke je cmB und sec . . .

Gunst.Bedeckung-lo--14 1,1, 2,2 4,l 11,O 0,7, 0,9 0,9, 1,0, 1,7 1,7, 6,31 2,s 3,3 2,9 3,4 3,2 3,2, 3,O 3,7, 4,O 4,5 2,7

I


T a b e l l e 2 Giinstigste Bedeckung beim ersten Hochstwert, Cs auf W,

Mittelwerte fur die einzelnen ausliisenden Strahlungen

Wellenlange der ausl6sen- den Strahlung . . . . . .

Giinst. Bedeckung . 2482 2655 2803 3132

3,l 3,l 3,2, 2,9,

4047

3,2

-1edeckung (K-Atomeje qcm/%J

Abb. 6. Kalium auf Platin. Lichtelektrische Ausbeute (Ordinate) fur eine Reihe einfarbiger Strahlungen zwischen 2400 und 8000 A in Abhangigkeit von der Bedeckung (Abszisse) bis

zu einer Schichtdicke von etwa 2 Kaliurnatomen. Ecke rechts oben: Die entsprechenden spektralen Empfindlichkeitakurven

bei bestimmten Bedeckungen

Die starke Streuung der Einzelwerte (Tab. I) ist nicht nur auf MeBfehler, sondern vor allem auf die Tatsache zuriickzufiihren,' da8 das Aufdampfen bei den lichtelektrischen Messungen auf das auf tiefer Temperatur (etwa - 50° C) befindliche Tragermetall erfolgte, Aus diesem Grunde kann ein Ausgleich der ini Augenblick des Auf-

Mayer. Lichfelekti.ische Eigenschaften mn Alkalischichten usw. II 429

dampfens ungleichmaaigen, stellenweise vielleicht sogar mehratomigen Bedeckung dor Ober5ilche wegen der bei tiefor Temperatur geringen Beweglichkeit der Alkaliatome nur langsam erfolgen. Dies gilt. vor allem bei hoherer Atomstrahlstiirke, also kurzer Zeit vom O h e n der Klappe K bis zum Durchlaufen des Hochstwertes. Gliihelek- trische Messungen ergaben eine unmittelbare Bestatigung dafiir *). Der dabei hoheren Temperatur des Triigerrnetalles entspricht eine hijhere Beweglichkeit der aufgedampften Alkaliatome, die Streuung

- Lkiukung (K-hrney pol, pr)

Abb. 7. Kalium auf Platin. Lichtelektrische Ausbeute (Ordinate) fur eine Reihe einfarbiger Strahlungen zwiechen 2400 und 8000 A in Abhhgigkeit von der Bedeckung (Abssisse) bie

zu einer Sdhichtdicke von etwa 6 Atomlagen

der Werte fiir die giinstigste Bedeckung wird kleiner, ebenso die Werte der giinstigsten Bedeckung (Tab. 3).

Tay lo r und L a n g m u i r (12) teilen mit, da6 der Hochstwert des Gliihelektronenaustrittes bei einer Bedeckung von 0,67 einer 1 atomigen Cs-Schicht auf W durohlaufen wird. Eine 1 atomige Schicht von Cs-Atomen auf der (scheinbaren!) Flacheneinheit einer durch starkes Gliihen gealterten W-Oberflache enthalt nach ihren Angaben 4,8.10*4 Cs-Atome, so da6 sich fur die Bedeckung beim

1) Uber diese wird an anderer Stelle ansfuhrlicher berichtet werden.

430 Annalen der Physik. 5 . Polge. B a d 33. 1938

Hochstwert des Gluhelektronenaustrittes die Zahl 3,2, - 1014 Cs-Atome je Quadratzentimeter W.Oberflache ergibt. Die obereinstimmung mit dem Werte des Verf. beim Hochstwert des Lichtelektronenaustrittes ist also sehr gut. Dagegen fand B ecke r (1) die Cs-Atomzahl3,9.10" als Bedeckung beim Hochstwert des Gluhelektronenaustrittes. Hierzu

ist einerseits zu bemerken, daB -9xM~"co%~/ das Mefigerat von Tay lo r und -8 L a n g m u i r gegeniiber dem von

B e c k e r benutzten einige technische Verbesserungen zeigt, so

dai3 der von den erstgenannten ermittelte Wert genauer ist; andererseits setzt die Methode von Becker , wie schon von Tay lo r und L a n g m u i r (12) als auch von S u h r m a n n (2) bemerkt wurde, voraus, dafi bei

Abb. 8. Kalium auf Wolfram. Spektrale Empfindlichkeitskurven

bei bestimmten Bedeckungen der Temperatur des Trager-

dafi angenommen werden kann,

20

Abb. 9. Kalium auf Wolfram. Abb. 10. Kaliurn auf Platin. Spektrale Empfindlichkeitskurven Spektrale Empfindlichkeitskurven

bei beatimmten Bedeckungen bei bestimmten Bedeckungen

metalles, bei der der Gluhelektronenaustritt gemessen wird, jedes bis zur Erreichung des Hochstwertes auftreffende Cs-Atom auch wirklich haften bleibt. Tritt bei hoheren MeBtemperaturen schon vor Erreichung des Hochstwertes ein merkliches Wiederverdampfen der Alkaliatome ein, dann wird der Hochstwert zeitlich erst spater durchlaufen und daher eine scheinbar hohere Bedeckung beim Hochstwert gefunden.

Mayer. Lichteleklrische Eigenschaften uon Alkalischichten usw. I I 431

Aus diesen Ergebnissen f'olgt, daS die giinstigste Bedeckung von Cs auf W, bei der sowohl der Gliih- als auch der Lichtelektronen- austritt im kurzwelligen Gebiet durch einen Hochstwert gehen, die gleiche ist. Dies konnte fur die Metallpaare Cs-Pt und K-Pt durch folgenden Versuch unmittelbar bestatigt (1 4) werden. Es wird zuerst ftir eine bestimmte auslosende Strahlung der Gang der lichtelektrischen Empfindlichkeit der Pt-Oberflache bei zunehmender Cs-Be- deckung aufgenommen. Darauf wird das aufgedampfte Cs durch kurzes Gliihen entfernt und unmittelbar nachher , bei unveranderter Starke des Atomstrahles, der Gang des Gliihelek- tronenaustrittes fiir eine bestimmte Temperatnr des Trilgarmetalles Pt bei zunehmender Cs-Bedeckung &v aufgenommen. Wie Abb. 11 'bb' zeigt, geht sowohl der S m lichtelektrische als auch 6Z' der gliihelektrische Strom 8 bei der gleichen Cs- Bedeckung durch den Hochstwert. Entsprechen- Bt@e&ungin Gs Afomenje ctn2P!

de Kurvenpaare wurden Abb. 11. Caesium auf Platin. such fw das Metallpaar K-Pt mit dem gleichen Ergebnis aufgenommen. 30,s mm') in Abhtingigkeit Fur die giinstigste Be- von der Bedeckung deckung von Cs auf Pt wurde als Mittel aus lichtelektrischen und gluhelektrischen Messungen die Zahl 2,5.1014 Cs-Atome je Quadratzentimeter Pt gefunden.

Abb. 6 zeigt, da8 auch bei K auf Pt alle Ausbeutekurven im untersuchten Spektralbereich bei einer bestimmten Bedeckung durch einen ersten Hochstwert gehen '). Dieser Hiichstwert ist, den Ergebnissen bei Cs auf W ahnlich, fur die

Lichtelektrische Ausbeute ( X ) fiir - 5779 auslosende Strahlung und gliihelektrischer Strom aua P t (Temperatur 360° C, Flticbe

2. K auf W und Pt.

1) Dieses Ergebnis sclieint auf den ersten Blick im Widerspruch mit einigen Beobachtungen in A. I zu stehen. Dort wurde nach sehr langem, etarken Gliihen der Pt-Folk fur Wellenllingen grofler ah 5461 A iiberhaupt kein licht- elektrischer Effekt mehr beobachtet und ftir die kiirzeren Wellenltingen ver- schwand der stark ausgeprlgte erste Hochstwert. Auch konnte dort, wie er- wlihnt wurde (S. 139), die Austrittaarbeit des P t nicht iiber 4,5 Volt erhiiht werdeo. Da beide Erscheinungen in der neuen, Cu nicht mehr enthaltenden Zelle bei sonst gleichen Versuchsbedingungen nicht mehr, beobachtet werden konnten, finden sie in der durch Cu-Atome verursachten Anderung der Ober-


lmgwelligen Strahlungen etwas hoher. Die Ursache dieser Ver- schiebnng ist auch hier, wie weiter unten gezeigt werden wird, das Auftreten eines selektiven Effektes. -41s Mittelwert der lichtslektrisch und glikhelektrisch bestimmten Kaliumatomzahl bei der gunstigsten Bedeckung von Platin - die verschobenen Hochstwerte im Bereich 4000-6000 A nicht mit berucksichtigt - wurde 3,5 - 1014 K-Atome je Quadratzentimeter Pt gefunden.

Ganz andersartig ist das Ergebnis bei K auf W. Man sieht aus Abb. 4, da6 fiir Strahlungen zwischen 4000 und 5000 i% ein erster Hochstwert der Ausbeute uberhaupt nicht auftritt bzw. sich nur in einem leichten Sattel auf den gleichmabig ansteigenden Aus- beutekurven bemerkbar macht und daB die Hochstwerte der den anschlie6enden langwelligen Strahlnngen entsprechenden Kurven um so mehr gegen hohere Bedeckungen verschoben sind, je naher diese Linien dem genannten Bereiche liegen. Dies ist eine unmittelbare Bestatigung defur, daS, wie schon oben erwiihnt, das Auftreten eines selektiven Effektes die Ursache fur die Verschiebung der gunstigsten Bedeckung gegen hohere Werte ist. Die Erscheinung tritt hier deshalb so auffiillig auf, weil die Ausbeute des selektiven Effektes schon bei dessen Beginn mit dem Hochstwert der normalen Bus-- beute vergleichbar ist. Die GroBe der Verschiebung des ersten Hochstwertes gegen hahere Besetzungszahlen bzw. das gilnzliche Ver- schwinden desselben hangt also von dem Verhaltnis der normalen und selektiven Ausbeute im Hochstwert bzw. Beginn ab. 1st die erstere gegenuber der letzteren groB, dann wird die Verschiebung nicht bzw. kaum bemerkbar, was fur Cs anf Pt bzw. Cs auf W und K auf Pt der Fall ist. 1st dagegen die selektive Ausbeute schon bei Beginn des selektiven Effektes gro6 gegeniiber der normalen Ausbeute im Hochstwert, d a m wird dieser, wie bei K auf W, uberhaupt verschwinden. Fur die kurzwelligen Strahlungen wurde die

fliicheneigenschaften des P t ( F u h o t e S. 421) ihre Erkliirung. Da die Platin- folie in der in A.1 verwendeten Zelle auch an einem Kupfermanteldraht be- festigt war, der sich bei langem Gliihen der Folie ebenfalls stark erhitzte, konnten Cu-Atome wohl auch durch Oberfliichenwanderung auf die Pt-Folie gelangen. Wegen des geringen Unterschiedes in der Ionisierungsspannung des K-Atoms (4,13 Volt) und der durch Cu-Atome verminderten Austrittsarbeit des P t wird der Hochstwert in den Ausbeutekurven weniger hervortreten, ebenso das Unterschreiten der Austrittsarbeit des kompakten Alkalimetalles. Selbetversttindlich wird auch die Ausbeute bei der Ionisierung der Alkaliatome an der gliihenden Pt-Folie dadurch verlndert. Auf diesen letzteren Umstand, der fur die Berechnung der Bedeckung bzm. Schichtdicke von groSer Wichtig- keit ist, mu8 an anderer Stelle ausfuhrlich zuriickgekommen werden (vgl. auch FuBnote 6. 433). Die grundsiitzlichen Ergebnisse der A. I werden dadurch nicht beruhrt.

Mayer. Lichtelektrische Eigenschaflen won Alkalischichten usw. I I 433

CS K Cs K

nur lichtelektrisch bestimmte K-Atomxahl beim ersten Hochstwert gleich 3,4.1014 Atome je Quadratzentimeter W gefunden.

I n Tab. 3 sind alle in der vorliegenden Arbeit gemessenen giinstigsten Bedeckungen beim ersten Hochstwert des Elektronen- austrittes nochmals zusammengefa6t.

T a b e l l e 3 Gunstigste Bedeckung beim (ersten) HSchstwert 9

3,1,.10L4 (60 Messungen) I - 3,1,. 10" 3,4 . l o 1 4 (12 ,, ) - 3,4 -10'' 2,6 .lo1' (30 ,, ) 1 2,4.10" (10 Messungen) 2,6 -10" 3,G -10" (15 ,, ) I 3,4.101' (lo ,, 1 3,6 4 O i 4 ' )

- -- Trliger- I I Lichtelektrisch I Gliihelektrisch 1 Mittelwert metall metall

1) Die Zahl der aufgedampften Alkaliatome N, wird mit Hilfe der Beziehung N.= k*i+.F

berechnet, wo i+ der gemessene positive Ionenstrom, k die Ausbeute bei der Ionisierung der Alkaliatoine an der Oberflliche F des gliihenden Trligermetalles ist. In einer Arbeit dee Verf.(15) ist nachgewieeen worden, da6 die bisher gemessenen Werte der Ionisierungsausbeute, sofern die Messung mit Methoden erfolgte, die die Kenntnie genauer Dampfdruckwerte dieser Alkalimetalle erfordern, sehr groSe Fehlergreneen haben. Daeselbe geht aus Bemerkungen in einer Arbeit von T a y l o r und L a n g m u i r ( l 2 ) uber die Ionisierung des Ce an W und die Dampfdruckwerte des Cs hervor. Messungen von C o p l e y und P h i p p s (16) erfordern zwar nicht die Kenntnis der Dampfdruckwerte; die Methode der Messung und Berechnung beruht aber auch hier auf einer experi- mcntell nicht nachgewiesenen Annahme, da6 die Ausbeute bei der Ionisierung von K an oxydierten W-Oberfltichen 100°/o betriigt. Bei der Ionisierung von K an reinem W wird dann bei den geringeren Gliihtemperaturen eine Aua- beute von etwa 9O0,$ gefunden. Andererseits ist einer kurzen Mitteilung von G u t h r i e (17) zu entnehmen, da6 Ba- Atome (Ionisienmgsepannung 5,2 Volt!) an reinem W (Austrittsarbeit 4,6 Volt!) lOOO/,ig ionisiert werden! Die bisher gefundenen Werte fur Ionisierungsausbeuten miissen also - wohl mit Ausnahme der Metallpaare Cs-W und Ce-Pt - ale wenig gesichert angeeehen werden. Nun zcigten aber einerseits die Verauche von Mayer( l5) , daB die Ausbeuten von K-W und K-Pt nahezu gleich sind, andererseits geht aue den in der vorliegenden Arbeit ermittelten Werten fiir die giinstigste Bedeckung mit groSer Wahrscheinlichkeit hervor, da5 die Anebeuten auch ftir K-W und K-Pt nahezu 100°/, betragen diirften. Jedenfaue ist eine auefiihrliche Erarterung der oben erwfihnten widerspruchsvollen Ergebnisse uber die Ionieierungeausbeute von Alkaliatomen an "rtigermetallen hoher Austrittsarbeit und der damit eng zu- sammenhiingenden Frage nach den gro6en Unterschieden der mit der Ioni- sierungemethode einerseits und mit anderen Methoden andererseits gememenen Stittignngsdampfdrucke der Alkalimetalle wiinschenswert , kann aber nicht an dieser Btelle erfolgen. Fiir die in dieser Arbeit durchgefiihrten Berechnungen wurde angenommen, daB die Ionisierungsauebeute fiir alle verwendeten Metall- paare l O O ~ / , betr&gt.

2) Zur Erkllirung der verecbiedenen, in A. I und hier mitgetegten Werte fur die giinstigste Bedeckung von K auf Pt vgl. die FuSnoten S. 421 und 8. 431.

434 A n n a h der Physik. 5. Folge.. Band 33. 1938

Diese Werte konnen, wenn die Annahme einer 100°/,igen Ioni- sierungsausbeute fur die Metallpaare K-W und K-Pt zutrifft, als eine unmittelbare Bestatigung von Annahmen angesehen werden, die schon von anderer Seite (12) ausgesprochen wurden, daS (a) die An- ordnung von Alkaliatomen in der ersten dem Trbgermetall unmittelbar aufsitzenden Schicht nicht durch die Gitterkonstante des Alkalimetalles, sondern durch die des Tragermetalles bestimmt wird und daB(b) das Verhdtnis der Zahl der in der letzten Schicht des Tragermetalles und der Zahl der in der ihr nnmittelbar aufsitzenden Alkalischicht enthaltenen Atome entsprechend dem Grundgesetz der Kristallkunde durch das Verhaltnis zweier kleiner ganger Zahlen gegeben sein muS.

Annahme(a) wird durch die K- und Cs-dtomzahlen bei der gunstigsten Bedeckung auf W bestatigt. Diese Zahlen sind fast gleich. Der geringe Unterschied mag einerseits auf die Mebfehler, anderemeits auf die Tatsache zuriickzufuhren sein, da6 das Kalium- atom (gro6ere Ionisierungsspannung!) durch das gleiche Triigermetall weniger stark polarisiert wird als das Cttesiumatom (kleinere Ioni- sierungsspannung!) und daS daher eine etwas gro6ere Zahl von K-Atomen notig sein wird, um die gleiche Verminderung der Aus- trittsarbeit zu verursachen. Wiirden die Gitterkonstanten (Tab. 4) der Alkalimetalle die Atomzahlen bei der gunstigsten Bedeckung bestimmen, dann mii6te fur K und Cs das Verhaltnis 1,4 sein. Die Versuche ergeben 1,07. Der Unterschied liegt weit auBerhalb der Fehlergrenzen, selbst wenn man den von Copley und P h i p p s mitgeteilten Wert der Ionisierungsausbente von K auf W der Rechnung zugrunde legt.

Annahme (b) wird durch das Verhaltnis der Cs- und K-Atom- zahlen bei giinstigster Bedeckung auf Pt bestatigt. Die Gitter- konstanten von W und Cs stehen, wie Tab. 4 zeigt, nahezu im Ver- haltnis 1 : 2. Daher nehmen T a y l o r und L a n g m u i r als Verhaltnis der Atomzahlen Z w : ZCn in den unmittelbar aufeinanderliegenden Schichten von Trager- und Alkalimetall das Verhaltnis 4 : 1 an, was durch die Ergebnisse der Versuche als bestatigt angesehen werden kann. Das gleiche gilt vom Metallpaar K-W. Bei den Metallpaaren Cs-Pt und K-Pt aber liegen die Dinge anders. Wahrend Cs gegeniiber Pt noch eine so groSe Gitterkonstante hat, daS man ein Ver- haltnis = 4: 1 annehmen kann, ist der Unterschied der Gitter- konstanten von K und Pt nicht mehr so gro6 und daher ein Ver- haltnis 4 : 1 nicht so wahrscheinlich wie im Falle Pt-Cs. Die gegenuber Cs kleinere Gitterkonstante des Kaliums ermoglicht mit Riicksicht auf die Gitterkonstante des Pt, die groSer ist als die des W,

1cf ayer. Lichtelektrische Eigenschaften von Alkaliscltichten usw. II 435

das Vorhandensein von mehr K-Atomen in der ersten, dem Pt unmittelbar aufsitzenden Schicht, als durch das Verhdtnis 4 : 1 bestimmt ist. Die nachste Moglichkeit cntsprechend Annahme (b) ware 3 : 1. Dann muSte das Verhaltnis der Atomzahlen Zx-R : ZcWpt = 4: 3 = 1,33 sein. Der Versuch ergab (Tab. 3) 1,40, bestiitigt also Annahme @) l). Wieder ist der geringe Unterschied zmischen berech- netem und beobachtetem Wert einerseits in den MeSfehlern, andererseits in der verschiedenen Polarisierbarkeit der Cs- und K-Atome begriindet, vielleicht auch in einer kleinen Verschiedenheit der Ioni- sierungsausbeuten.

Tabe l l e 4 -

. I Gitterkonetante

- - 1 in% Gittertyp I

U’ 1 Kubisch komerzent. I 3.18 97

K 9 ,

Pt ,, fliichenzent. 3,93

Am Schlusse dieses Abschnittes sei noch erwahnt, daS die in Tab. 3 gegebenen Werte durchweg viel kleiner sind ah die Werte, die von Brady(8) gefunden wurden. Sie uberschreiten die einer vollen, 1 atomigen Schicht entsprechende Atomzahl, sei es, daS diese in der Art von Langmui r oder aber in der von B r a d y definiert wird, bestimmt nicht, sondern sind kleiner. B r a d y dagegen findet durchweg viel hohere, mehrere 1 atomige Lagen starke Bedeckungen, wenn man den Unterschied seiner Definition einer latomigen Lage gegeniiber der von Langmui r in Betracht zieht. Die Erkllrung hierftir liegt wohl, soweit die giinstigste Bedeckung aus der Lage des Hochstwertes der lichtelektrischen Emission berechnet wurde, in den Ekgebnissen der vorliegenden Arbeit. Am deutlichsten kann dies bei Betrachtung der Abb. 4 erkannt werden. Die kurzwellige Grenze des Spektralbereiches, in dem die von Brady verwendeten auslosenden Strahlungen liegen, ist etwa 4000 A. Abb. 4 aber zeigt, da8 die den auslosenden Strahlungen dieses Bereiches entsprechenden Ausbeutekurven wegen der tfberlagerung durch den hier beginnenden A u f b p des selektiven Effektes, der gerade in diesem Spektralbereich liegt, den ersten Hochstwert gar nicht bzw. gegen hohere Bedeckungen verschoben zeigen. Der bei geringeren als 1 atomigen Bedeckungen liegende erste Hijchstwert kann nur ftir auslosende Strahlungen, die kurzwelliger Bind als 4000 A, rein beobachtet werden.

1) Die in A I vereucheweise gemachte Annabme Z,, : 2, = 4 : 1 erecheint also durch dieeee Ergebnis widerlegt.

436 Anmlen der Physik. 5. Folge. Band 33. 1938

B. Verschiebung der langwel l igen Grenze des l ichtelektrischen Effektes mit zunehmender Bedeckung

Bus den Abb. 1-7 ist das Wandern der langwelligen Grenze gegen langere Wellen mit zunehmender Bedeckung unmittelbar er- sichtlich. Aus den Ergebnissen fur das Metallpaar Cs-Pt, bei dem kein selektiver Effekt die Lage des ersten Hochstwertes merklich beeinflufit, folgt auBerdem, daB hier die groBte Verschiebung der langwelligen Grenze, also kleinste Austrittsarbeit, und Hochstwert der normalen lichtelektrischen Ausbeute fur alle Strahlungen des untersuchten Spektralbereiches zusammenfallen.

Die Verschiebung der langwelligen Grenze bzw. die Abnahme der Austrittsarbeit 9 in Abhangigkeit von der Cs-Bedeckung AT kann

Abb. 12. Caesium auf Wolfram. Austrittsarbeit in Abhiingigkeit von der Xahl der aufgedampften Cs- Atome

jedoch genauer auf folgende Weise bestimmt werden: Man ermittelt jene Cs-Bedeckungen , bei denen jeweils der durch bestimmte ein- farbige Strahlungen ausgeloste Elektronenaustritt beginnt. In diesem Augenblick ist gemaB der E i n s t e i n schen Gleichung die Austrittsarbeit gleich der Energie der auslosenden Strahlungsquan- ten. Die Beobachtungen ergeben so flir eine Reihe von genau bestimmten Cs-Bedeckungen die zu- gehorigen Austrittsarbeiten. Das

Ergebnis rp = f ( N ) ist in Abb. 12 eingetrage;, in der die Austrittsarbeit des reinen W gleich dem von Tay lo r und Langmui r ( l2 ) mitgeteilten Wert yon 4,62 Volt genommen wurde. Die gestrichelte Kurve stammt von T a y l o r und L a n g m u i r und wurde aus gluhelektrischen Mes- snngen abgeleitet. Die geringe Verschiedenheit ist nicht auf Mefifehler, sondern vor allem auf die in beiden Fhllen verschiedene Temperatur des Tragermetalles zuriickzufiihren. Auch ist mbglich, daB der schon bei geringsten Besetzungen sich ausbildende erste selektive Effekt die Abweichungen der lichtelektrisch ermittelten Kurve gegeniiber der aus gluhelektrischen Measungen erhaltenen verursacht. Wegen dimes selektiven Effektes wird der Elektronenstrom je Einheit einfallender Strahlungsenergie f iir die W ellenlangen des selektiven Be- reiches grober, bei unveranderter Empfindlichkeit der MeBinstrumente also friiher, d. h. bei kleinerer Besetzung, meBbar. Die entsprechenden Werte der Kurve 9~ = f(N) werden dann etwas zu hoch liegen.

M a yer. Lichtelektrische Eigenschaften von A lkalischichten usw. I I 437

Als kleinster Wert der lichtelektrisch bestimmten Austritts- arbeit’) von reinem und entgastem Cs auf entgastem W wurde in der vorliegenden Untersuchung der Wert 1,70 Volt erhalten. Er ist dem von Tay lo r und Langmui r in ihren gliihelektrischen Ver- suchen gefundenen Wert gleich, so daB auch in diesem Ergebnis vollkommene ubereinstimmung besteht. Die von diesem stark ab- weichenden Werte anderer Beobachter sind entweder auf die Ver- wendung eines anderen Tragermetalles oder aber auf Restspuren von Verunreinigungen oder nicht vollkommene Entgasung zuriickzufiihren. Denn einerseits wurde fur Cs auf Pt als Tragermetall der kleinere Wert 1,60 Volt nls Mindestwert der Austrittsarbeit gefunden, andererseits verschob sich der erstgennnnte Wert bei Zu- lassung geringster Gasmengen (Luft) in die Zelle sofort bis 1,48 Volt. Als Austrittsarbeit des Cs in dicker Schicht wurde der a e r t 1,94Volt gemessen. K auf W ergab als Mindestwert der Austrittsarbeit 1,76 Volt, K auf Pt 1,68 Volt2). Als Austrittsarbeit des K in dicker Schicht wurde wieder der in A. I gefundene Wert von 2,26 Volt gemessen.

C. S p e k t r a l e S e l e k t i v i t a t ; U r s p r u n g s o r t d e r L i c h t e l e k t r o n e n b e i d e n v e r s c h i e d e n e n S c h i c h t d i c k e n

Aus dem Verlaufe der Ausbeutekurven in den Abb. 1-7 nach gberschreiten des Hochstwertes bzw. der 1 atomigen Bedeckung ist sofort zu erkennen, daB hier mit weiter zunehmender Schichtdicke ein selektiver Effekt aufgebaut wird, dessen Schwerpunkt bei etwa 4000 A liegt. Man ersieht aber aus Abb. 1, 3 und 6 (Ecke rechts oben) und Abb. 8, daB schon vor Erreichen des HGchstwertes, d. h. schon bei Besetzungen, die unter einer 1 atomigen Schicht liegen, ein erster, allerdings schwacher, selektiver Effekt auftritt, dessen Schwerpunkt bei 5500 A liegt, also gegenuber dem zweiten, bei hoheren Bedeckungen auftretenden, nach langeren Wellen verschoben ist. Dieser erste selektive Effekt ist bei Cs auf W klein, bei Cs auf Pt tritt er starker hervor, bei K auf W ist er kaum merklich, so daB die Ausbeutekurven bis zur gunstigsten Bedeckung als normal gelten konnen; bei K auf Pt tritt er wieder starker hervor.

Die spektralen Ausbeutekurven bei zunehmender Bedeckung ergeben also folgendes Bild: Bei geringen Besetzungen ist der lichtelektrische Effekt, wie auch von anderer Seite wiederholt beobachtet(2)

1) Bestimmt aus dem Schnitt der spektralen Ausbeutekurve mit der Wellen-

2) ober den Unterschied gegenuber dem in A.1 mitgeteilten Wert von 18ngenachse.

2,O Volt vgl. FuBnote S. 421 und S. 431. Annalen der Physik. 5. Folge. 33. 30

438 Arznalen der Physik. 5. Folge. Band 33. 1938

wurde, normal. U berschreitet die Grenzwellenlange bei ihrer Wanderung gegen langere Wellen 6000 b, was bei einer Bedeckung von etwa '1, einer vollen 1 atornigen Besetzung eintritt, dann erscheint ein erster schwacher selektiver Effekt zwischen 4500 und 6000 8. Mit weiter zunehmender Besetzung steigt auch die Starke dieses selektiven Effektes und geht bei einer etwa vollen latomigen Schicht durch einen Hochstwert. Dieser liegt also bei einer etwas hoheren Besetzung als der Hochstwert der normalen Ausbeute fiir die auf

We//en/ange

Abb. 13. Caesium auf Wolfram (0) und auf Platin ( x ) . Spektrale lichtelektrisehe Ausbeute bei der giinstigsten BedeckuDg

der kurzwelligen Seite dieses Bereiches liegenden amlosenden Strah- lungen. Mit weiter zunehmender Besetzung nimmt dieser erste selektive Effekt wieder ab, wahrend sich ein zweiter aufzubauen beginnt, jedoch bei kiirzeren Wellenlangen zwischen 3000 und 5000 8, wie von fruheren Beobachtern bereits festgestellt wurde (1 1)) (2). I m Falle von (2s auf W z. B. ist der erste bei einer etwa 3 Atomlagen dicken Schicht voll- lrommen verschwunden, der zweite fast vollkommen ausgebildet und zeigt bis zu dicken Schichten von mehr a15 100 Atomlagen keine Anderung mehr. Man kann Abbau des ersten und Aufbau des zweiten auch als ein Wandern des selektiven Hiichstwertes gegen kiirzere Wellenlangen auffassen, wobei dieses Xandern beginnt, sobald jene Besetzung iiberschritten ist, die einen Mindestwert der Austritts- arbeit und dainit einen ersten Hochstwert der Elektronenausbeute ergibt.

Mayer. Lichtelektrische Eigenschaften von Allcabischichten usw. II 439

Weiteren wichtigen Aufschlub gibt der Vergleich der Ausbeuten. Vor allem bemerkt man (Abb. 13 und 14), daB die den auslosenden Strahlungen des gesamten Bereiches entsprechenden Hochstausbeuten bei der giinstigsten Bedeckung und bei nahezu gleicher Austritts- arbeit im Falle von Cs auf Pt im Mittel etwa 7mal groBer sind als bei Cs auf W. Ein entsprechendes Ergebnis gilt fur K auf W und Pt. Dies ist eine unmittelbare Bestatigung dafiir, daB die Lichtelektronen nicht nur bei dunnsten Alkalischichten, wie D e €30 e r annimmt (2 b), sondern noch bei der giinstigsten Bedeckung dem Tragermetall ent-

Abb. 14. Kalium auf Wolfram (0) und auf Platin (x). Spektrale lichtelektrische Ausbeute bei der giinstigsten Bedeckung

stammen, was schon wiederholt auf Grund andersartiger Versuchs- ergebnisse von S u h r m a n n und Mnyer angenommen wurde (2), (10). Aus gluhelektrischen Versuchen ist bekannt, daB die Mengenkonstante in der Richardsonschen Gleichung fur Pt im allgemeinen einen vie1 hoheren Wert hat als fur M’(13) I ) .

1) Ergebnisse gluhelektrischer Versuche des Verf., die schon oben erwahnt und mit der gleichen Methode und derselben Zelle durchgefuhrt wurden, fiihrten zu einer weiteren Bestiitigung hierfiir. Wiihrend es mit Pt als Tragermetall moglich war, gut ineBbare Strome von Gliihelektronen schon bei so kleinen Temperaturen desselben zu erhalten, daW sich noch Bedeckungen hoher als eine latomige Lage ausbilden konnten uud daher bei den in dieser Arbeit verwendeten Atomstrahlstarken der Hochstwert in einem Temperaturen des Triigermetalles von etwa 100 O C umfassenden Interval1 durchlaufen wurde und leicht zu beobachten war, erwies sich dies im Falle von W als Trager- metal1 unmiiglich. Hier wurden die GliihelektronenstrSme erst bei so hohen

30 *


Sieht man den beobachteten Verlauf der spektralen Ausbeute- kurven als eine 'ijberlagerung eines selektiren iiber einen normalen lichtelektrischen EEekt an (18), dann kann man die dem ersten selektiven Effekt entsprechende Ausbeute bestimmen. Das Ergebnis zeigt, daB auch hier, z. B. bei 5400 A, die Ausbeute bei Cs auf Pt etwa 7mal so groB ist als bei Cs auf W. Das gleiche gilt fur K auf Pt und W. Es entstammen also auch diese den ersten selektiven Effekt gebenden Elektronen dem Tragermetall.

Ganz anders beim zweiten selektiven Effekt, dessen Aufbau erst nach dem nberschreiten der giinstigsten Bedeckung auftritt. Seine Ausbeute ist durch das Slkalimetall bestimmt. Man erkennt dies erstens sofort aus dem Vergleich der Starke dieses zweiten selektiven Effektes von Cs gegeniiber K, welch letzteres auf dem gleichen Trager- metal1 eine vielfache, fur einige der Linien des Berekhes bis 30mal hahere Ausbeute gibt. Zweitens erkennt man es ans einem Vergleich der Ausbeuten des ersten und zweiten selektiven Effektes bei gleichem Alkalimetall auf verschiedenem Tragermetall. Es wurde ohen gezeigt, da8 die bei geringen Besetzungen gemessenen normalen Ausbeuten von Cs bzw. K auf Pt etwa 7mal so groB sind als von Cs bzw. K anf W. Da die Ausbeute im zweiten selektiven Effekt des Cs iiur e t sa 4 . Coul/cal in dem bei 4000 d gelegenen Hochstwert betraigt und somit sowohl der normalen Ausbeute des Cs auf W bei geringsten Besetzungen als auch der im ersten selektiven Bereich nahe liegt, ist schon der unmittelbar nach dem nberschreiten des ersten H6chstwertes einsetzende Beginn des Auf baues des zweiten selektiven Effektes zu beobachten. Die normale Ausbeute von Cs auf Pt bei geringen Besetzungen ist dagegen um eine GroBenordnung hoher und iiberdeckt daher den Beginn des Aufbaues des zweiten selektiven Effektes; dieser wird vielmehr erst bemerkbar, nachdem die normale Ausbeute nach nberschreiten des Hochstwertes bei zunehmender Schichtdicke so weit gefallen ist, daB sie der des zweiten selektiven Effektes nahe kommt. Noch deutlicher treten diese Er- scheinungen bei K auf W und Pt auf.

Man kann erwarten, daE die Starke dieses zweiten selektiven Effektes durch charakteristische Eigenschaften des Alkalimetalles einerseits, durch die Intensitat der Strahlung uber der Oberflache des Tragermetalles andererseits bestimmt wird (2a). Letztere aber

Temperaturen meSbar, d d sich wegen starker Wiederverdampfung der auf- treffenden Alkaliatome nicht einmal mehr die dem Hochstwert des Elektronen- austrittes entsprechende Bedeckung ausbilden konnte. Dies iet auch der Grund, weswegen in Tab. 3 gluhelektrisch bestimmte gunstigste Bedeckungen von Cs und K auf W fehlen.

~~ ~

Mayer. Lichtekktrische Eigenschaften 2x)n Alkahchichten usw. II 441

ist durch den Reflexionskoeffizienten der Oberflache des Trager- metalles fur die betreffende auslosende Strahlung mitbestimmt. Nun ist der Reflexionskoeffizient im Bereiche von 3000-4000 A fur Pt etwa doppelt so groB a l s fiir W, bei 3000 A sogar etwa 3mal so groB. Der Vergleich der Ausbeuten beim zweiten selektiven Effekt des K auf W und Pt zeigt nun, daB letzterer 2-3mal so groll ist! Beriicksichtigt man einerseits, daB die normalen Ausbeuten bei geringster Besetzung von K auf Pt etwa 7mal groBer sind als von K auf W, und beachtet man andererseits, daS die Verschiedenheit der Reflexionskoeffizienten von Pt und W fast geniigt, die verschiedene S t i k e des zweiten selektiven Effektes von K auf Pt bzw. W zu erklaren, dann kann man folgern: Die dem zweit.en selektiven Effekt entspreohenden Elektronen entstammen nicht dem Wager- metall, sondern den Alkaliatomen.

Eine weitere Stiitze fiir diese Folgernng bietet der Verlauf des Anstieges der Ausbeutekurven zu Beginn dieses zweiten selektiven Effektes, d. h. kurz nach nberschreiten des ersten Hochstwertes der Ausbeute. Dieser Anstieg ist hier linear, d. h. der Zahl der zusatzlich aufgedampften Alkaliatome proportional. Die Proportionalitits- konstante und damit die Neigung der ansteigenden Ausbeutekurve hangt natiirlich auch von der Wellenlange der aushenden Strahlung und ihrer Intensitat iiber der Oberflache des Tragermetalles (Reflexions- koeffizient !) ab, daher die verschiedene Neigung der Ausbeutekurven fur verschiedene Wellenlangen. Man erkennt all dies besonders deutlich an dem Verlaufe der Ausbeutekurven fur K auf W (Abb.4), weil hier der selektive Effekt besonders stark ist.

Durch diese Ergebnisse wird eine Reihe von S u h r m a n n (2a) geauBerter Vermutungen bestlitigt und erganzt. Beziiglich der selektiven Effekte ergibt sich zusammenfassend folgendes: Der erste, schwache selektive Effekt tritt noch vor Erreichen der gunstigsten Bedeckung anf, sobald so viele Alkaliatome adsorbiert sind, dal3 die Grenzwellenlange gerade bis uber den spektralen Selektivitatsbereich verschoben ist. Die Elektronen entstammen aber nicht dem Alkali- sondern dem TragermetalL Dieser erste Effekt ist also am ein- fachsten als selektive Lichtabsorption durch die adsorbierten Alkali- atome und Weitergabe der absorbierten Lichtenergie an freie Elek- tronen des Tragermetalles zu deuten. Der zweite selektive Effekt hoher Ausbeute dagegen setzt die vorherige Bildung einer ,,Zwischen- schicht" voraus, die hier von den unmittelbar auf dem Tragermetall adsorbierten Alkaliatomen gebildet wird. Sie spielt wegen der ,,Polarisation" dieser Alkaliatome dieselbe Rolle wie eine Oxyd- oder Gasschicht. Erst die auf dieser Zwischenschicht zusatzlich auf-


gedampften Alkaliatome geben durch selektive Lichtabsorption den zweiten selektiven Effekt , der gegenuber dem ersten nach kurzen Wellen verschoben ist, da die ,,zusatzlichLL aufgedampften Alkali- atome dem elektrostatischen EinfluB des Tragermetalles nicht in dem MaUe unterworfen sind wie die unmittelbar an dessen Oberflache adsorbierten Atome und deshalb auch in einem anderen Spektral- gebiet selektiv absorbieren. Die austretenden Elektronen entstarnmen jetzt (nach De Boer) den Alkaliatomen selbst (2b) oder ebenfalls dem Trager me tall.

Zusammenfasaung

1. Cs- und K-Atome eines Atomstrahles, deren Zahl mit der Methode von Langmui r -Tay lo r gemessen wird, werden auf eiue hochentgaste und gekuhlte Oberflache der Tragermetalle MT und P t aufgedampft. Die Methode ermoglicht genaue Bestimmung der Be- deckung des Tragermetalles mit Alkaliatomen bzw. der Schichtdicke des Alkalimetalles.

2. Die lichtelektrische Ausbeute je Einheit einfallender Strah- lungsenergie wird fur eine Reihe zwischen 8000 und 2400 d liegen- der, einfarbiger, nichtpolarisierter, mit einem Quarzdoppelmonochro- mator ausgesonderter Strahlungen bei Bedeckungen, die von Null bis zu einer Schichtdicke von nahezu 10, in einigen Fallen bis iiber 100 Atomlagen steigen, gemessen und die Ergebnisse in einer Reihe von Schaubildern gegeben.

3. Die Messung der absoluten Ausbeute und die Verwendung verschiedener Trager- und Alkalimetalle ermoglicht eine quantitative Ergiinzung und Vertiefung von Ergebnissen, die in einer vorher- gehenden Arbeit (A. I) erhalten wurden.

4. Es wird fur alle 4 Metallpaare die giinstigste Bedeckung bestimmt, bei der die lichtelektrische Ausbeute durch einen ersten Hochstwert geht. Fur Cs auf W stimmt der so gefundene Wert mit einem von T a y l o r und L a n g m u i r fur den Hochstwert des Gluhelektronenaustrittes gemessenen Wert iiberein. Fur Cs und K auf Pt wird unmittelbar durch Versuch gezeigt, daD Licht- und Gliihelektronenaustritt bei der gleichen Bedeckung durch den Hochst- wert gehen.

5. Diese Ergebnisse bestatigen ferner die Annahme von L a n g - m u i r und Tay lo r , dai3 das Gitter des Tragermetalles die Anordnung der unmittelbar darauf in der ersten Atomlage sitzenden Alkaliatome bestimmt.

6. Das Verhaltnis der lichtelektrischen Ausbeuten bis zur gunstigsten Bedeckung, bei gleichem Trager- und verschiedenem

Mayer. Ldchtelektrische Eigenschaften von Alkalischichten usw. II 443

Alkalimetall und umgekehrt, zeigt eindeutig, daB die lichtelektrisch ausgelosten Elektronen bis zum ersten Hochstwert dem Triigermetall entstammen. Dasselbe wird fur den ersten, schwachen selektiven Effekt nachgewiesen, der schon bei Bedeckungen auftritt, die geringer sind als die giinstigste.

7. Dagegen stammen die Elektronen, die den zweiten selektiven Effekt geben, dessen -4ufbau erst unmittelbar nach dem fjberschreiten der giinstigsten Bedeckung beginnt, aus den Alkaliatomen.

8. Die Austrittsarbeit des reinen, hochentgasten Cs in dicker Schicht wurde gleich 1,94Volt, die des K, wie in A. I, gleich 2,26 Volt gefunden.

Die vorliegende Arbeit wurde im physikalisch-chernischen Institut der Technischen Hochschule und der Universitiat Breslau durchgefiihrt Fiir die mir gewahrte Gastfreundschaft und fur die groBe Bereitwillig- keit, mit der mir alle Hilfsmittel des Institutes zur Verfugung gestellt wurden, wie auch fur zahlreiche wertvolle Aussprachen wahrend und nach Beendigung der Versuche sage ich Herrn Prof. R. S u h r m a n n auch an dieser Stelle meinen herzlichen Dank. Ebenso danke ich der Alexander von Humboldtstiftung, die durch Oewahrung eines Stipendiums meinen Arbeitsaufenthalt in Breslau ermoglichte.

Bchrifttumanaohweia

1) I. L a n g m u i r u. K. H. K i n g d o n , Science 67. 6. 58. 1923; Phys. Rev. 21. S.380. 1923; 23. S. 112. 1924; 34. S. 129. 1929; Proc.Roy. Soc.(A) 107. S. 61. 1926; K. H. K i n g d o n , Phys. Rev. 24. S. 510. 1924; I. L a n g m u i r u. J. B. T a y l o r , Phys. Rev. 40. S. 463. 1932; 44. S. 423. 1933; 49. S. 876. 1936; I. L a n g m u i r , Phys. Rev. 43. S. 224. 1933; J. A . B e c k e r , Phys. Rev. 28. S. 341. 1926; 29. S. 364. 1927; Bell Tel. System Nr. 412. 1929; Nr. 649. 1931; H. E. I v e s , Astrophys. Journ. 64. S. 128. 1926; L. R. K o l l e r , Phys. Rev. 33. S. 1082. 1929.

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444 Annalen der Yhysik. 5. Folge. Band 33. 1938

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folgenden mit A. I beeeichnet. 11) R. S u h r m a n n u. H. T h e i s s i n g , Ztschr. f. Phys. 52. S. 453. 1928;

65. S. 701. 1929; 73. S. 709. 1932; R. S u h r m a n n , Phys. Ztschr. 3%. S. 929. 1931; R. S u h r m a n n u. A. S c h a l l a m a o h , Ztschr. f. Phys. 79. S. 153. 1932; 91. S. 775. 1934.

12) I. L a n g m u i r u. J. B. T a y l o r , Phys. Rev. 44. S.423. 1933; 61. S. 753. 1937.

13) Vgl. bes. L. A. D n B r i d g e , Phys. Rev. ’29. S. 451. 19’27; H. L. V a n V e l s e r , Phys. Rev. 44. S. 831. 1933; L.V. W h i t n e y , Phys. Rev. 60. S. 1154. 1936.

14) H. M a y e r , Naturw. 26. 8. 28. 1938. (Vorllufige Mitteilung.) 15) H. Mayer , Ztschr. f. Phys. 105. S. 725. 1937; vorl. Mitteil. in d. Fest-

schrift f. Nistor Cernzufi, 1937. 16) M. J. C o p l e y u. T. H. P h i p p s , Phys. Rev. 46. S. 345. 1934;

46. S. 144. 1934; 48. S. 960. 1935; vgl. auch A. L. R e i m a n n , Phys. Rev. 4.3. S. 898. 1934.

17) A. N. G u t h r i e , Phys. Rev. 49. S. 868. 1936. 18) K. F a r w i g , Ztschr. f. Phys. 21. S. 38. 1923.

C ernlut i (Rumanien), Universitat.

(Eingegangen 25. Jiili 1938)

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Die lichtelektrischen Eigenschaften von Alkalischichten atomarer Dicke auf Trägermetallen hoher Austrittsarbeit. II. Caesium und Kalium auf Wolfram und Platin