Die lichtelektrischen Eigenschaften von Kaliumschichten atomarer Dicke auf Platin. 1

M a yer. Lichtekktrisch Eigenschajten vm Kaliumchichten usw. 129

me 14chtelektr&ckm IBgelzsciaafim won KaliumsohCchtm atomarer mcke auf P l a t h I

Vtm Herbert Hayer (Mit 16 Abbildungen)

In zwei vorhergehenden knrzen Mitteilungenl) ist gezeigt worden, daB die Methode der Atomstrahlen und die zur Messung von Atomstrahlstiirken mit Erfolg verwendete Ionisiernng von Alkali- a€omen an gltihenden Metalloberflachen hoher Austrittsarbeit auch als Methode zur Herstellung und genauen Messung von Alkali- schichten atomarer Dicke ausgebaut werden konnte 3. Sie ermoglicht es nicht nur, Alkalischichten beliebiger Dicke herzustellen und die Zahl der in ihnen enthaltenen Alkaliahme mit groSer Genauigkeit anzugeben ; sie gestattet auch eine h d e r u n g der Aufdampfgeschwin- digkeit innerhalb sehr weiter Grenzen, jederzeitige Unterbrechung des Aufdampfens und somit genaue Beobachtung der verschiedenen, bestimmten Schichtdicken entsprechenden oder zeitlich veriinderlichen Eigenschaften.

Es wurde die lichtelektrische Empfindlichkeit von Kalium- schichten auf Platin in Abhiingigkeit von der Schichtdicke ftir die Gesamtstrahlung einer Hg-Lampe und der EinfinS von weitgehender Entgasung von Trager- und aufgedampftem Metal1 auf die Empfind- lichkeitskurven untersucht l). Wegen der starken selektiven Empfind- lichkeit von Kalium wurden die gleichen Messungen far einfaxbiges Licht innerhalb und auf3erhalb des selektiven Bereiches durchgefiihrt.

Es wurden folgende Erscheinnngen -untersucht: 1. Der Verlauf der lichtelektrischen Empfindlichkeit fur die

Wellenlangeng des Hg-Bogens 6072, 5779, 5461, 4358, 4b62, 3655, 3341, 3132, 2655, 2640 und 2480 fiir Kalium auf Platin fiir Schicht- dicken von 0 bis uber 100 Atomlagen.

2. Die Schichtdicke, bei der unter bestimmten Bedingungen ein erster Hochstwert des lichtelektrisch ausgelosten Elektronen-

1) H. Mayer, Phys. Ztschr. 36. S. 463. 1935; ZCchr. f. techn. Phys. 16.

2) Eine Zueammenstellung anderer Methoden vgl. R. Snhrm ann, Ergcb-

3) Eineellinien und Liniengruppen.

6. 451. 1935 oder Phys. Ztschr. 36. S. 845. 1935.

nisse d. exakten Naturw. Bd. XIII, 1934.

Annalen der Physlk. 5. Folge. 28. 9

130 A n n a h der Physik. 5. Folge. Band29. 1937

austrittes beobachtet wird, und der EinfluS, den der Einbau von Gasmolekiilen auf diese Schichtdicke bzw. auf den Hochstwert hat.

3. Die Abnahme der Austrittsarbeit von dem Werte fiir Platin auf den Wert flir kompaktes Kalinm in Abhilngigkeit von der Be- decknng der Platinoberfiilche mit Kaliumatomen.

4. Beginn und Entwicklung des spektralen selektiven Effektes. Dabei wnrde jene Schichtdicke bestimmt, bei der der spektrale selektive Effekt sich auszubilden beginnt.

5. Lage des selektiven Hochstwertes in Abhangigkeit von der Schichtdicke und dem Gasgehalt.

6. Anderung der bestimmten Wellenlangen entsprechenden Ehpfindlichkeit bei nnveranderter Schichtdicke, verursacht durch Wandern der Kaliumatome auf der Platinflilche.

7. Stromspannnngskurven der aus Schichten verschiedener Dicke lichtelektrisch ausgelosten Elektronen. Obwohl der Apparat nicht fiir Messungen dieser Art gebaut war, konnen aus den so erhaltenen Kurven doch qualitative Schllisse ilber die Geschwindigkeitsverteilung der aus Schichten verschiedener Dicke ausgelosten Elektronen ge- zogen werden.

8. Der Lichtvektoreffekt in Abhangiglieit von der Schichtdicke.

I. Heretellnng der Schiohten und Meaeung der Sohiohtdioke

Aus den aus dem Dampfraum des Atomstrahlofens 0 (Abb. 1) kommenden und durch die Ofenblende B, (1 qmm) ins Hochvakuum austretenden Alkaliatomen wird durch die Blenden B, und B, ein schmales Biindel ausgeblendet. Diese Atome fallen auf die Platin-

Abb. 1. Apparat (echematisch)

folie F, die so bemessen ist (3 x 7 qmm), da8 sie den Querschnitt des Strahles fast ausfiillt. Die beim Gliihen auf tieferer Temperatur befindlichen Endstlicke der Folie F konnen von Atomen des Strahles nicht getroffen werden. Die Blende B, kann durch die Klappe K geschlossen, die Platinfolie F elektrisch ausgeheizt werden. 1st die Klappe K geoihet und die Folie gliihend (Temp. > l l O O o C), so verdamp- fen die aufprallenden Alkaliatome sofort wieder; dabei wird ein bestimmter Bruch- teil von ihnen ionisiert I). Legt man an den Zylinder C eine negative Spannung von einigen Volt, so miBt ein zwischen F

und Schaltekieze 1) H. Mayer, Ztschr. f. Phya. (im Druck).

Mayer. Lichtebktrische E@enschaften von Kaliumschichten uw. I 131

und C geschalteter Strommesser diesen positiven Ionenstrom i. 1st die Ausbeute der Ionisierung der Alkaliatome bekannt (Ionisierungs- grad k), so ist die Gesamtzahl der die Flilche F in der Zeiteinheit treffenden Alkaliatome N , = k. i .F . Is€ die Platinfolie auf Zimmer- temperatnr oder gekuhlt, dann bleiben die anffallenden Alkaliatome haften und bauen eine mit der Zeit an Dicke gleichmaBig zunehmende Schicht aufl). Aus der bekannten Oberflache der Folie und der durch Strommessung bestimmten in der Zeiteinheit aufgedampften Alkaliatomzahl folgt die Dicke der Schicht fur jeden Zeitpunkt der Messung, wenn man bestimmte Annahmen Uber die Anordnung der Alkaliatome macht.

Dnrch SchlieSen der Klappe K kann eine zeitliche Anderung des Verhaltens von Schichten Durch Gliihen der Folie F wird diese von der Alkali- schicht wieder befreit Die Zahl der in der Zeiteinheit auf die Flache F fallenden Slkaliatome kann in mehr- stiindigen Beobachtnngsreihen bis auf wenige Prozent unverandert gehalten werden ('tjberwachung von Heizstrom uud Temperatur des Atom- strahlofens).

Der Ionenstrom zeigt fur das Metallpaar Kalinm-Platin sowohl in Abhangigkeit von der Temperatur der Folie (Abb. 2, b) als auch von der

bekannter Dicke verfolgt werden.

zwischen F und C liegenden Spannung (vgl. Abb. 3 der eingangs xitierten Arbeit) Sattigung. Es ist zu beachten, da6 die Sattigung in Abhangigkeit von der Temperatnr der Folie erst dann eintritt,

1) Die Kaliumatome treten aus der Of iung der Ofenblende B, nach dem Cos-Gesetz der Molekularstrahlung aus (H. M a y e r , Ztschr. f. Phys. 62. 6. 235. 1928). Die Zahl der in einer bestimmten Richtung fliegenden Atome nimmt also mit dem COB des Winkels, den diese Richtung mit der Achse des Strahles bildet, ab. Die auf F entstehende Alkalischicht wird nur dann gleichfdrmig sein, wenn der Ofiungswinkel des Strahles klein ist. In den vorliegenden Versuchen hetrug er 4", so daS die Zahl der am Rande des Strahles fliegenden Kaliumatome nur um lo/uo kleiner war als die der in der Achsenrichtung fliegenden.

9.

132 Annalen der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937

wenn diese mehrere Stunden im Hochvakuum gegliiht wurde l); eine nicht geniigend gegliihte Folie gibt die Stromtemperaturkurve a der Abb. 2. Es wurde auf3erdem beobachtet, daf3 die Ausbeute der Ionisiernng ansteigt, je langer das W h e n der Folie F dauerte. Sobald vollkommene Sattigung des Ionenstromes erreicht ist, andert sich auch der Ausbeutekoeffizient der Ionisiernng nicht mehr.

Um die Schichtdicke in Einheiten einatomiger Schichten angeben zu konnen, sind bestimmte Annahmen iiber die Zahl der in einer solchen Schicht vorhandenen Atome und iiber die durch die ,,Rauhigkeit" verursachte VergroSerung der Oberfiache zu machen. Da diese Fragen an anderer Stelle ausfiihrlich besprochen sind?, SOU hier nur kurz die in der vorliegenden Arbeit angewendete Be- rechnungsweise erwahnt werden.

In der auf der letzten Schicht der Platinatome sitzenden ersten Schicht der Kaliumatome wird die Anordnung der letzteren sicherlich durch die Anordnung der ersteren und durch das Verhaltnis der Gitterkonstanten bestimmt sein. Da die Gitterkonstante des Kaliums (5,2 AE; flachenzentriert) vie1 groBer als die des Platins (3,9 AE; flachenzentriert) ist, nimmt man anS), daf3 in der, dem Platin unmittelbar anfsitzenden Kaliumschicht je ein Kaliumatom auf vier Platinatome kommt. Eine einatomige Schicht von Kalinmatomen auf Platin enthalt dann 3,3 1014Atome je Quadratzentimeter. Dabei ist jedoch die Rauhigkeit der Platinoberfiache noch nicht beriicksichtigt. Da Beobachtungen dartiber nicht nicht vorliegen, wird sie durch einen Faktor 1,2 beriicksichtigt, der von Beobachtungen an Wolfram herstammt3). So erhiilt man die Zahl 4 . 1014 Atome je Quadratzentimeter'). Die von der Platinoberflriche entfernteren Kaliumatomlagen werden die durch die Gitterkonstante des Kaliums bestimmte Atomzahl von 7,4 - 1014 enthalten.

11. Apparat und MeBsnordnung

Gegeniiber dem friiher verwendeten Apparat wurden hderungen vorgenommen (Abb. 3), um gutes Vakunm sicherzustellen. Das Quarzfenster Q aus geschmolzenem Qusrz war mit einem Quarz- Hartglas-Zwischenstiick 2 angeschmolzen. Die Blenden B, und BB

1) Vgl. z. B. auch J. Langmuir, Phys.Rev. 44. S. 423. 1933. S. 430 uber dse ,,Altern" ionieierender Metalloberflacben.

2) Vgl. z.B. J. Langmuir u. J. B. Taylor, Phys. Rev. 44. S. 423. 1934; J. A. Becker, Phys. Rev. 25. S. 341. 1926 u. a.

3) J. Langmuir u. J. B. Taylor, a. II. 0. 4) Vgl. Fdnote 1 S. 141.

Mayer. Lichtelektrische Eigenschajkn uon Kaliumschichtelz usw. I 133

waren aus diinnem Platinblech hergestellt. Wegen der magnetisch zu beatigenden Klappe K konntg der Zylinder C nicht aus Vakuum- nickel gemacht werden. Er bestand aus diinnem Cu-Blech, das durch das lenge Gliihen der Platinfolie F innen ganz platiniert war. Da alle Zuf iihrungen aus Wolfiamdraht ebenfalls eingeschmolzen und bis zur Diffusionspumpe keinerlei Schliffe oder Hahne eingebaut waren, wurde der ganze Apparat im elektrischen Ofen bei 500° C zuerst zwei Tage lang entgast, dann nach Einbringen des Kaliums

-

.

r Abb. 3

in die Destillationsvorlage nochmds einige Stunden lang. Zwischen- durch wurde die Folie F durch Gliihen entgast. Vor Ende des Ent- gssens wurde an die vorher anch im Entgasungsofen befindliche Hg-Falle fltissige Luft gelegt, nach Entfernen des Ofens auch an den Behiilter mit Absorptionskohle, und blieb bis zum AbschlnE einer MeSreihe am Apparat, der stiindig an den Hochvakuumpumpen lag. VerschluE des Apparates wahrend der MeEpansen erfolgte durch einen gut entgasten Hg-VerschluS. Das Yo Leodmanometer (Empf. 2 lod6 mm Hg) zeigte immer mehrere Zentimeter ,,Hiingevakuum". Besondere Sorgfalt wurde auf die vollige Entgasung des Kaliums verwendet. Nur langsame Destillatioa im elektrischen Ofen bei genau ilberwachter Temperatur gab zufriedenstellende Ergebnisse, die schnelle Destillation mit der Gasflamme jedoch nicht.


Zwei Galvanometer von lo-" tlnd lo+ Amp. Empfindlichkeit dienten zur Messung der positiven Ionenstrome. Die lichtelektrischen Strome wurden mit einem Quadrantenelektrometer P a s c h en- scher Bauart mit 1-2 Sek. Schwingungsdauer gemessen. Das eine Quadrantenpaar lag uber einen hohen Widerstand an Erde. Hachst- empfindlichkeit: 3,5 Amp. je Skalenteil.

Da aus au6eren Griinden wahrend dieser Untersuchung die Stiirke der einzelnen Linien nicht gemessen werden konnte, wurde die Lampe immer bei der gleichen Belastung (14 Volt, 2,3 Amp.) gebrannt, auBerdem die Entfernung der Lampe vom ersten Spalt auf 30 mm und die Spalt- breite auf 0,2 mm eingestellt, so daS die von S imon-Suhrmann gegebene relative Intensittitsverteilung zur Auswertung benutzt werden konnte. Die Strahlung einer bestimmten Wellenlange wurde rnit einem Quarzdoppelmonochromator I) ausgesondert und fie1 nach Durch- gang durch ein Glan-Thompsonprisma unter einem Winkel von 50 bis 60° auf die Folie F. Die Kiihlung dieser Folie erfolgte mit C0,- Schnee, in einigen besonders vermerkten Fdlen mit fliissiger Luft (Kiihlrohr T).

111. Ergebnieee I . D i e l ichte lektr iache Empfindl ichkei t i n Abhtingigkeit

von Wellenlt inge nnd S c h i c h t d i c k e dea K a u f Pt Znnachst wird die Konstanz der Atomstrahlstarke festgestellt.

Die Folie wird bei geschlossener Klappe K nahe der Schmelz- temperatur kurz gegluht und so ihre Oberflache gereinigt. Nach Ausschalten des Heizstromes kiihlt die Folie in weniger als 60 Sek. soweit ab, daS alle auftreffenden Kaliumatome haften bleiben. Wird nach Ablauf dieser Zeit die Klappe K geoffnet, so zeigt der lichtelektrische Strom in Abhangigkeit von der Zeit, d. h. der Schicht- dicke, die Kurven der Abb. 4 [Wellenlange 4358 bei drei Atom- strahlstarken: 2,O. lo1* (Kurve a), 4,2-lOl4 (Kurve b) und 9,5. l O I 4 Atome je Quadratzentimeter und min. (Kurve c)].

Der ElektronenauAtritt beginnt erst bei einer ganz bestimmten Schichtdicke ziemlich plotzlich. SchlieSt man, sobald eine bestimmte Schichtdicke erreicht ist, die Klappe K, so beobachtet man die bei unveranderter Schichtdicke durch Umlagerung der Kaliumatome oder durch Adsorption von fremden Gasmolekiilen verursachten Ande- rungen. Durch Umlagerung der Kaliumatome verursachte Abnahme der lichtelektrischen Empfindlichkeit 2, zeigt der Verlauf der Kurven a

1 ) Gebaut im Physik. Inst. d. Univ. Miinchen durch Herrn Werkmeister S c h ar f.

2) Kuhlung der Folie 3' mit C0,-Schnee.

Als Lichtquelle diente eine Hg-Punktlampe.

Mayer. Lichtt?lektriSche Eiqenschaften vm Kaliumschichten usw. I 135

nnd b in Abb. 4 nach SchlieSen der Klappe K. Auf dieses Ergebnis wird weiter untan naher eingegangen.

Dem lichtelektrischen Verhalten des Kaliums entsprechend sol1 der Bereich der zwischen 6000 und 2400 AE gelegenen stiirkeren Linien des Hg-Bogens in drei Gruppen geteilt und das Verhalten der lichtelektrischen Empfindlichkeit filr die Linien jeder dieser Gruppen gesondert erortert werden.

75 I- /

@ t P A .,**''

- Zeit fscniCndicke)

Abb. 4. Lichtelektriache Empfindlichkeit fur 4358 in Abhbgigkeit von der Schichtdicke dee K und h d e r u n g der Empfiodlichkeit

bei gleichbleibender Dicke nach SchlieSen der Klappe. E I

11 und min. 11

Kurve a: Sttirke des Atometrahlee 2,O loi4 11 b : 11 11

19 c: 11 11 9,5 . 1014

A. Die der Grenzwelknlange de8 kompaktm Kaliums naheliegenden L i n k 6072, 6779; 646461 BE

Diese drei Linien zeigen bei fortschreitendem Entgasen durch Gliihen von F das gleiche Verhalten. Als Beispiel sind in Abb. 6 die fiir il 5779 erhdtenen Ergebnisse angefuhrt. Wird der allererste Versnch so gemacht, daS man vor Aufdampfen der ersten Kalium- schicht die Folie nicht zu lange gltiht und vor allem den Kalium. atomen nicht in gltihendem Zustand aussetzt, so erhillt man die Kurve I der Abb. 5 : einen sehr geringen, an der MeSgrenze liegenden Strom, der tiber einen kaum merklichen Hachstwert wieder abbfillt. Versucht man nach Aufnahme dieser lichtelektrischen Kurve die


Starke des Atomstrahles zu messen, so stellt man einerseits (vgl. oben) schlechte Silttigung des positiven Ionenstromes in Abhangigkeit von der Temperatur der Folie fest, andereraeits eine kleine, mit dem Gluhen stiindig zunehmende Ausbeute der Ionisierung. Nach diesem ersten Gluhen der Folie im Alkalidampf erhalt man die Kurve 11. Aber auch jetzt ist die Sattigung des Ionenstromes noch nicht gut.

I

- Zed fschichrdicke)

Abb. 5. Lichtelektrische Empfindlichkeit fitr 5779 in Abhllngigkeit von der Schichtdicke bei fortechreitender Fstgasung des TrQer-

metalls. EIJ und E I Atomatrahlsttirke: 7 , l . 10" Atome je qcm und min

Nach weiterem, sehr starkem Gluhen der Folie erhalt man eine K m e I I I . Jetzt ist fiir die hier benutzten Schichtdicken kein Hochstwert des lichtelektrischen Stroms mehr vorhanden. Nach weiterem, sehr oft wiederholtem und sehr starkem Gluhen erhllt man iiberhaupt keinen lichtelektxischen Effekt mehr fiir 5779, obwohl die Ausbeute der Ionisiernng nun ihren sich nicht mehr andernden Hochstwert erreicht hat und die Slttigung dea positiven Ionen- stromes sehr gut geworden ist.

Das gleiche Verhalten zeigt die lichtelektrische Empfindlichkeit fiir il5461. Verschieden sind nur die bestimmten Schichtdicken entsprechenden Werte der Empfindlichkeit. Ftir 6072 wurde Uber- haupt nnr ein an der Grenze der MeSbarkeit liegender lichtelektri- scher Effekt beobachtet bei jenem Zustand des Triigermetalls, bei

Mayer. Lichtelektrische Eigenschaften arm Kaliumschichten usw. I 137

dem eine Kurve I I fur 5779 erhalten wurde. Daraus ergibt sich, daS der niedrigste Wert der Austrittsarbeit von Kaliumschichten auf Platin, der in dieser Untersuchung beobachtet wurde, 2,O Volt ist.

Diese Erge bnisse zeigen den auch von anderen Beobachtern wiederholt festgestellten Hochstwert des lichtelektrischen Effektes bei Schichtdicken , die einer einatomigen Schicht naheliegen. Aus dem Verlauf der Knrve I I in Abb. 5 und dem gleichsinnigen Ver- lauf filr 6072 und 5461 folgt weiter, daB die Grenzwellenlige mit zunehmender K-Bedeckung iiber 5779 hinweg bis etwas iiber 6072 und dann wieder zurtick bis zu einem zwischen diesen liegenden Wert wandert. Die fur lang gegliihtes Platin erhaltene Kurve 111 (Abb. 5) und das bei weiterem Gliihen beobachtete vallige Ver- schwinden des lichtelektrischen Effektes fur 6072 und 5779, ja selbst fur 5461, zeigen, daS dieser Hochstwert der Grenzwellen- lange bzw. der lichtelektrischen Emission unter bestimmten Bedin- gungen fiir das Metallpaax Kalium-Platin verschwindet. 1st dieser Zustand erreich4 so liegt die durch die weiter oben gegebene Emp- findlichkeitsgrenze dieser Versuchsanordnung bestimmte Grenzwellen- lilnge der Kaliumschichten auf Pt bei 6461. Sie schwankt bei Messungen, die in Zeitabschnitten von Stunden, Tagen oder Wochen aufeinanderfolgen, nur sehr wenig um diesen Wert, den sie auch fur sichtbare, uber 100 Atomlagen dicke nnd in gleicher Weiee hergestellte Kalinmschichten annimmt. So folgt fur die lichtelektrische Austrittsarbeit des reinen, hochentgasten, kompakten Kaliums der Wert von 2,26 f 0,02 Volt.

Man kana die in den Kurven I, I I , I I I der Abb. 5 dax- gestellten ubergangsznstiinde anf verschiedene Weise zum Wieder- erscheinen bringen. Hat man anfangs bei niedrigen Temperaturen des Atomstrahlofens’) (niedriger Atomstrahlstiirke) gearbeitet und erhoht man diese nun, so erscheint bei den unmittelbar auf die Temperaturerhohung des Atomstrahlofens folgenden Beobachtungen der in Kurve I I dargestellte Perlauf der lichtelektrischen Empfind- lichkeit in Abhangigkeit von der Schichtdicke wieder, verschwindet aber bei fortgesetztem Aufdampfen schnell. Dasselbe kann man dadurch erreichen, dab man den Druck im Apparat ftir eine ganz kurze Zeit etwas erhoht. So wurde in einem Versnch durch schwacheres Heizen der Diffusionspumpe der Druck im Apparat fiir einige Minnten auf 10+ mm Hg erhaht, wobei aber fllissige Luft an Falle und Kohle lag. Sofort nach Wiederherstellung des Hoch-

1) Die Temperaturen des Atomatrahlofene lagen in diesen Versuchen zwischen 100 und 180OC.


vakuums gemachte Beobachtung ergibt fur 5779 und 5461 zunachst aieder eine Kurve I I , nach weiterem Aufdampfen den Znstand I I I und schlie0lich Verschwinden der Emission fur 5779 und Grenx- wellenlange nahe bei 5461. Dadurch wird klar gezeigt, welchen Einflu0 der Einbau von Gasmolekiilen auf das Zustandekommen und die Grobe eines Hijchstwertes des lichtelektrischen Elektronenaustritts hat. Da6 anch eine Erhohung der Temperatur des Atomstrahl- ofens so wirkt, ist verstiindlich, da das Alkalimetall selbst bei den geringsten Restdrucken im Apparat adsorbierte Gasmolekiile ent-

halten wird; ein Teil der im Ofen abgegebenen Gasmole- kule gelangt ebenfalls auf die E'olie F, von der er leicht adsorbiert wird.

Wird der Druck im Apparat durch Abstellen der Hochvakuumpumpen f ur einige Minuten bis auf 0,5 mm Hg erhoht, wodurch starkere Gasaufnahme und Oxydation des Kaliums gr- zielt wird, dann tritt die Er- scheinung der steil tiber einen Hochstwert verlaufen- den Knrven der lichtelektrischen Empfindlichkeit noch vie1 ansgepragter auf (Abb. 6).

Die Frage, bei welcher Schichtdicke der Hochstwert

der Schicht. E I. Atomstrahlstiirke: der lichtelektrischen Emp- findlichkeit auftritt, so11 erst im Zusammenhang mit den

Ergebnissen filr die Linien der beiden anderen Gruppen besprochen werden. Doch mu6 schon hier mitgeteilt werden, da6 das Maximum in der Stromkurve z. B. f a r 5779 in den ubergangs- zustinden der Abb. 5 und in dem in Abb. 6 dargestellten Fall starkerer Oxydation iiberhaupt nicht bei einer bestimmten Schicht- dicke auftritt. Es wurden Werte von 8.10" bis 5 . 1OI6 Kalium- atomen je Quadratzentimeter gefunden, um so hiiher, je stilrker der Gasgehalt der Schicht.

-Zed /Scbicbfu?icke/

Abb. 6. Lichtelektriacbe Empfindlichkeit in Abhhgigkeit von der Schichtdicke fur 5779 und 5467 1) bei stllrkerem Gasgehalt

3,4. 10'6 Atome je qcm und min

1) Fur 6072 wurde in diesem Falle keine lichtelektrieche Emission er- b alten .

kiirzeren Wellenlan-

1) L. A. du Bridge, Phys. Rev. 29. 6.451. 1927. 2) Bestimmt durch die Temperatur den in T eingefiillten COs-Schneee.

140 Annakn der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937

gegliihten Folie einige Atome auf dem Platin niederschlugen und die Austrittsarbeit bis auf den oben genannten Wert ver- ringerten.

Die fiir die Linie 2655 erhaltenen Ergebnisse zeigt Abb. 7. Nach sehr langem Gluhen und weitestgehender Entgasung (Abb. 7, Kurve a) steigt die lichtelektrische Empfindlichkeit schon bei geringen, unterhalb einer einatomigen K - Schicht liegenden Be- deckungen des Platins steil an, um nach einem Hochstwert einen tieferen Endwert anzunehmen, der bis m Schichten von mehr ale 100 Atomlagen keine h d e r u n g mehr zeigt. Bei weniger guter Ent- gasnng, z. B. in den Obergangszustiinden, die den Kurven I, I1 und I11 der Abb. 5 entsprechen oder wenn absichtlich etwas Gas zugefiihrt wird, wird der Hochstwert ausgeprtigter (Kurve b, Abb. 7), entsprechend dem Zustand der Kurven der Abb. 6. Es ist nur sehr selten gelungen, jede Spur dieses Hochstwertes zum Verschwinden zu bringen.

Der einfache Verlanf der lichtelektrischen Empfindlichkeit f iir 2655 im Falle hochster Entgasung ist eine Bestiltigung der Erwar- tung, da6 die durch die zunehmende Bedeckung mit Kaliumatomen verorsachte hinderung der Austrittsarbeit des Platins am reinsten erscheint, wenn die erregende Wellenlange einerseits nicht mehr im selektiven Bereich des Kaliums, andererseits aber schon jenseits der Grenzwellenlange des Platins liegt. So ist zum Unterechied von den Linien der ersten Gruppe die Schichtdicke, bei der der Hochsb wert liegt, bzw. bei der das Umbiegen der Kurven zum konstanten Endwert erfolgt, eine ganz bestimmte und man erhdt sie immer wieder, sobald der durch Kurve a der Abb. 7 gekennzeichnete Zu- stand weitgehender Entgasung erreicht ist. In der Tab. 1 sind diese Schichtdicken nach mehreren MeSreihen durch die Zahl der auf einem Quadratzentimeter Platinoberflilche sitzenden Kaliumatome in der zweiten senkrechten Reihe eingetragen. Die erste gibt die Starke des Atomstrahles. Der letzte Wert wurde eingeklammert, weil bei hoheren Atomstrahlstarken der Anstieg des lichtelektrischen Stroms so schnell erfolgt, da6 der Zeitpunkt des Hochst- wertes, bzw. des Umbiegens der Kurven, nicht mehr bestimmt werden kann.

Der Mittelwert 2,9 - 1014 Atome je Quadratzentimeter entspricht rund 0,7 einer einatomigen Schicht. Dieser Wert stimmt vollkommen mit jenem iiberein, der in der vorhergehenden Arbeit') aus dem fur die Gesamtstrahlung einer Hg-Lampe beobachteten Gang der lichb

1) H.Mayer, a 0. 0.

Mayer. Lichhlektrische Eigenschaften uon Kdiumachichlen usw. I 141

Tabe l l e 1 Ausloeende Strahlung: 2655 %E

Stlirke des Atomstrahlee Bedeckung b. Hochatwert') Atome j e qcrn u. min Atome je qcm

Bemerkungen

I 3,3 10" I j Strahlung nicht polar.;

IMittelwert von 6 Meesungen polar.; E I

(Mittelwert von 7Messungen polar.; E I polar.; E I polar.; E I nicht polar. polar.; E 11 nicht polar.

' polar.; E I

elektrischen Ehpfindlichkeit in Abhangigkeit von der Schichtdicke fur hochentgastes Platin und Kafium erhalten wurde a).

In Abb. 7, Kurve c ist der Gang der lichtelektrischen Emp- findlichkeit in Abhangigkeit von der Schichtdicke fur 2655 mit vergrof3erter Zeitskala bei kleiner Atomstrahlstike eingetragen3). Ninimt man an, daf3 durch diesen Gang die Veranderung der Aus- trittsarbeit wiedergegeben wird, so h n n man iiber diese in Ab- hangigkeit von der Schichtdicke folgendes aussagen: Bis zu einer Bedecknng von nahezu 0,3 einer einatomigen Schicht fallt die Aus-

1) Zu diesen und allen folgenden Werten, die eine bestimmte Bedeckung von 1 qcm Platinoberfliiche angeben, muS folgendes bemerkt werden: Die Be- rechnung der Gesamtzabl der auf eine bekannte Flllche j e Sekunde auf- fallenden und, wenn diese gekiihlt ist, auch haften bleibenden Kaliumatome erfolgt auf Grund der Ionenetrommessung mit Hilfe des Ionisierungsgrades. Sowohl bei der experimentellen Bestimmung deeeelben wie auch in der vorliegenden Arbeit wurde die aus den Abmeseungen des Platindrahtes bbw. der Platinfolie berechnete uchcinbare, nicht aber die wegen der Rauhigkeit groSere wahre Oberfliiche beniitzt, weil letztere unbekannt iet. Trotzdem zeigt eine einfache nberlegung an Hand der in der vorhergehenden und in dieser Arbeit gegebenen Formeln, da6 alle hier mitgeteilten Werte der Bedeckung fir j e 1 qcm wahrer Platinoberfltiche gelten, da die zur Berechnung der Bedeckung beniitzte Endformel vom VergroBerungsfaktor unabhhgig wird, sofern dieser sowohl fur die bei der experimentellen Beetimmung des Ionieierungagrades als auch fllr die in dieser Arbeit verwendete Platinobediiche derselbe ist. Dies kann trotz der verschiedenen Form (Draht und Band) angenommen werden.

2) Die dort gegebenen Atomstrahlstlirken bzw. Werte der Bedeckung mussen zur Berechnung der wirklichen Schichtdicken noch mit dem damals noch unbekannten Ionieierungegrad von Kaliumatomen an gliihenden Platin- fllichen multipliziert werden.

3) Kuhlung von F mit fliissiger Luft.

1 42 Annulen der Pkysik. 5. Folge. Band 29. 1937

trittsarbeit fast linear mit der Zahl der aufgedampften Kaliumatome. Dann wird die Abnahme immer langsamer, die gegenseitige Beein- flussung der Kaliumatome immer gr6Ber. Bei einer Bedeckung von 0,7 geht sie iiber einen mehr oder weniger hervortretenden Tiefwert langsam in den dem kompakten Kalium eigenen Wert iiber, der bei etwa 10 Atomlagen erreicht wird.

Sind Gasmolekule am Aufbau der Schicht mitbeteiligt, so ist nicht nur der Hochstwert vie1 ausgepragter, sondern auch die zu diesem gehorige Schichtdicke groBer , in tfbereinetimmung mit den Ergebnissen fur die Linien der ersten Gruppe.

Die lichtelektrische Empfindlichkeit fiir die beiden Linien 2540 und 2482 zeigt das gleiche Verhalten wie fur 2655.

C. Dic im selektiven Bercich liegenden L i n k 4358, 4047, 3655, 3341, 3132

Die lichtelektrische Empfindlichkeit fiir diese Linien in Ab- hangigkeit von der Schichtdicke zeigt einen von den Linien der

f

- Ze//f%k%V/cke/

Abb. 8. Lichtelektrische Empfindlichkeit fur die Linien dea selektiven Be- reiches in Abhahgigkeit von der Schichtdicke.

Atomatrahletlirke: 2,O - lo'' je qcm und min. E I

ersten und der zweiten Gruppe versohiedenen Gang. Den Gesamt- verlauf kann man in zwei Teile teilen, deren erster bis zu jener Schichtdicke reicht, bei der die spektrale Selektivitat beginnt.

I n Abb. 8 ist das Ergebnis einer mit unveranderter Atomstrahl- starke gemachten MeSreihe bis kurz nach Beginn der spektralen

Mayer. Lichteleklrische Eigenschaften mn Kdiumschichten usw. I 143

Selektivitat eingetragen. Zuln Vergleich ist auch der Verlauf ftir 2655 eingezeichnet l).

Der lichtelektrische Effekt dunnster Alkalischichten ist normal'). 2. Selbst im hochsten Va- kuum und bei weitestgehender Entgasung von Triiger- und Alkali- metall tritt ein mit der Schichtdicke zunehmender spektral-selek- tiver Effekt auf. 3. Die Schichtdicke, bei der dieser Effekt beginnt, liegt zwischen zwei und drei Atomlagen.

Im ersten Teil ihres Gesamtverlaufes zeigen die Empfindlich- keitskurven fur die Linien des selektiven Bereiches den gleichen Verlauf wie die au6erhalb dieses Bereiches liegende Linie 2655. Der bei dieser Linie vorhandene Hochstwert bei einer Bedecknng von 0,7 einer einatomigen Schicht tritt, wenn auch immer schwacher hervortretend, auch bei den Linien des selektiven Bereiches bei der gleichen Dicke auf: In Tab. 2 sind die Schichtdicken fur verschiedene Versuchsreihen eingetragen.

Aus Abb. 8 ersieht man auch, dafl die Emission bei nm so dickeren Schichten beginnt, je langwelliger die Strahlung ist.

Man ersieht aus Abb. 8 dreierlei: 1.

Tabe l l e 2 ~ - _ _

Wellenliinge Bedeckung

Stiirke des Atometrahls I beim ersten H6chstwert Atome je qcm u. min I Atome je qcm

3132 3132 3132 3132 3132 3132 3132 3341 3341 3655 3655 3655 4062 4062 4358 4358

3;1 I 2.5 3;l

Mittelwert: 2,s - 10''

Anmerkungen

E l

nicht nolsr.

1,

I,

Ei [ (4 Messung.) E l

1) Der Aueschlag iet hier f i r alle Linien im Sinne dee iiber die Intensitlits- messung Geeagten auf gleiche relative Intensitiit (10 - cal/aec) der Linien bezogen. EE a011 aber nochmals darauf hingewieeen werden, dsfl die Intensi- a t e n der einzelnen Linien nicht durch Measung bestimmt wurden und daher die H6he der Ordinaten, die in diesem Abschnitt iiber die spektrale Selek- tivitgt gegeben werden, nur qualitativ richtig iet.

2) Vgl. R. S u h r m a n n , Ergebn. d.ex. Naturw. 13. S. 173. 1934.


Der zweite Teil des Verlaufes der lichtelektrischen Empfind- lichkeit im selektiven Bereich ist aus Abb. 9 besser zu ersehen, weil mit hoherer Atomstrahlstirke, d. h. schnellerer Dickezunahme, gearbeitet wurde.

Werden die zu bestimmten Schichtdicken gehorenden Empfind- lichkeiten in Abhangigkeit von der Wellenlinge eingetragen, so kann

man den Aufbau des selektiven Hochstwertes sehr schon verfolgen, wie aua Abb. 10 zu ersehen ist.

Die Lage des Hochstwertes wird

durch drei Faktoren weitgehend beeinfldt : 1. durch die Schicht- dicke, 2. durch die Schnelligkeit der Dicke- zunahme und 3. durch den Einbau von Gas- molektilen. Der in Abb. 10 dargestellte Aufbau des selektiven Hochstwertes wurde bei ziemlich rascher Dicke- zunahme (vier Atom- lagen je Minute) erhalten. Eh wurde beob-

0 7 2 3 4 5 6 7 8 9 IOmin. achtet, da0 in diesen - zeit (Scb/cbtduke/ Fallen der selektive Abb. 9. Lichtelektrische Empfindlichkeit Wr die Hochstwert sich bei Linien den selektiven Bereiches in Abhlingigkeit etwrt 4047 AE

von der Schichtdicke. Atomstrahlstiirke: bildet. W i d mit geringerer Atomstrahl-

starke gearbeitet (Shb. 8), so baut sich der Hochstwert bei etwa 3655 AE auf; bei geeigneter Atomstrahlstarke kann man oft auch beobachten, wie dieser Hochstwert , aus dem Ultraviolett kommend, sich mit zunehmender Schichtdicke immer mehr gegen langere Rellen verschiebt. Diese Beobachtungen stehen im besten Einklang mit qualitativen Ergebnissen anderer Beobachter I).

1,25 l O l S je qcm und min. E I

1) R. Suhrmann, a. a. 0.

Jlayer. Lichtekktrische Eigenschaften von Kaliumschdchten usw. I 145

Der Verlauf der Empfindlichkeitskurven fur die Linien des selektiven Bereiches wird durch den Einbau von Gasmolektilen in die Kaliumschicht in ahnlicher Weise verandert, wie es fur &e Linien der beiden anderen Gruppen gezeigt 180 . - ~ ~ - 7 ? 4 ~ ~ . wurde. Wie Abb. 11 zeigt, tritt anch hier fur alle Linien ein stark ansgepriigter Hochst- I& - wert auf; er liegt bei um so groSerer Schicht- dicke, j e langwelliger die auslosende Strah- 7%’- lung ist. Zum Ver- gleich sind wieder die Kurven fur die Linien der beiden anderen fl- Gruppen eingetragen. Der selektive Hochst- wert liegt in diesem Falle bei etwa 3000 AE, Q

wie Abb. 12 zeigt. 1st 8 die Anzahl der in die Schicht eingebauten Gasmolekiile kleiner, so kann man, wie Abb. 13 zeigt, Hijchstwerte sowohl bei 3000 d E als auch bei 4000 AE 43a W7 333 341332 2655 beobachten und auch - WeIenbnge den fjbergang von der einen in die andere Abb. 10. Aufbau dee eelektiven Hochetwertes

Lrtge uber Reihe Atometrahlettirke: 1,25 loL6 je qcm und min von Zwischenzustan- den schon verfolgen.

Die Grenze des lichtelektrischen Effektes von Platin lag bei 2750 XE, sobald es durch Gliihen von den daranf sitzenden Kalium- atomen hefreit war. Es wurden nun eine Reihe von Beobachtungen gemacht, urn jene Bedeckung Z hei hachst entgasten Schichten zii ermitteln, die notig ist, um die langwellige Grenze von 2750 BE bis 4358 11E bei verschiedener Atomstrahlstiirke zu verschieben, was einer Vermindernng der Austrittsarbeit um 1,6 Volt entspricht.

-

bei echneller Dickeeunahme der Schicht.

Annalen der Phynik. 6. Folge. 20. 10

146 Annalen der Physik. 5. Folge. B a d 29. 1937

Sie ergibt sich unabhangig von der Geschwindigkeit der Schicht- bildnng (Tab. 3).

Denkt man sich die Verminderung der Austrittsarbeit durch das Potential einer Doppelschicht verursacht, die dadurch entsteht. daS Kaliumatome als positive Ionen anf der Platinoberflache sitzen *I?

m/n ---+Ze/&SchtchM/ckeI

Abb. 11. Lichtelektrische Empfindlichkeit in Abbaingigkeit vou. der Schichtdicke bei starkem Gasgehalt der Schicht.

Atomstrahlstiirke 1,: 1Ol6 je qcm und min

so kann man nnter bestimmten vereinfachenden Annahmen be- rechnen '), wie viele solcher ,,ionisierter" Kaliumatome notig Bind, um die beobachtete Verschiebung der Austrittsaxbeit von 1,6 Volt zn verursachen. Das Potential einer Doppelschicht ist

A @ = - 3 0 O W 4 ~ . N , . e . d V o l t . ( N p die Zahl der ionisierten Atome, e die Elementarladung, d die Entfernung der positiven und negativen Ladung der Doppelschicht.)

1) J. A. Becker , Bell Teleph. Labor. 1929.

M a yer. Lichtekktrische Eigenschaften volt Kaliumschichten usw. I 147

We//en/+/ae

Abb. 12. Auf- und Abbau dee selektiven Hachstwertee bei starkem Gaegehalt der Schicht. Atomstrahlstiirke 1,7 - je qcm und min

- We//en/ange Abb. 13. Auf- und Abbau der selektiven Hachetwerte bei geringem Gasgehalt

der Schicht. Atomstrahlstlirke 8,O. lo*' je qcm und min 10 *

148 A m a h der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937

Tabe l l e 3

75 70 77 42 45 26 27 12

Auslosende Strahlung: 4358 AE ___ Zeit I) Schichtdicke (Zahl 21

je qcm ~-

_ - Btometrahlsttirke (ie qcm und min) der Emission) in see

8-- - i,5 . 1014 '15 113 1,: 193 197 199 192

1014

Nimmt man fur d versuchsweise den Ionenhalbmesser des Kaliums, so berechnet man fur Ad> = 1,6 Volt ein N , = 0,7 - lo1' je Qua- dratzentimeter. Dies ist nur etwa 50% der durch die Versuche bestimmten Zahl von 1,6 - 10". Diese Bedeckung von 1,6.10" liegt schon in dem Gebiete, in dem wegen der gegenseitigen Be- einflussung der Kaliumionen .die Potentialdifferenx der Doppel- schicht nicht mehr der Zahl der anfgedampften Kaliumatome pro- portional ist, so dab also die durch die Versnche bestimmte Zahl hoher sein muS als die auf Grund der einfachen Rechnung ge- fundene.

Bei stilrkerem Gasgehalt betriigt die fur die gleiche Anderung der Austrittsarbeit notige Bedecknng ein Vielfaches des oben mitgeteilten Wertes, wie es ja auch ftir die dem Hochstwert des lichtelektrischen Effektes entsprechende Schichtdicke nachgewiesen wurde.

Im Zusammenhang damit sol1 anch das Ekgebnis ahnlicher Beobachtungen fur die anderen Linien des selektiven Bereiches und die Linien der ersten Gruppe erwahnt werden. Jedoch muB noch-

1) Diese wurde so ermittelt, daS man die unmittelbar nach Beginn der Emission beobachteten lichtelektrischen IJtrome in Abhlingigkeit von der Zeit eintrQt (z. B. Abb. 4) und durch die so erhaltenen Punkte eine Gerade legt. Ihr Schnittpunkt mit der Zeitachse ergibt den Zeitpunkt des Beginnes der durch 4368 verursschten lichtelektrischen Emhion. Die Hochetempfindlichkeit der MeSapparatur betrug: 1 mm Ausschlag = 3,5 10-I' Amp., die Inteneitat der Linie 4358 ist ungeflihr gleich dem bei S i m o n - S u h r m a n n (Lichtelek- trieche Zellen, Berlin 1932, S. 204) gegebenen Werte. Da die Emiseionslinien bei ihrem Ubergang in die Zeitachseetwas gekriimmt sind, so sind die so er- mittelten Bchichtdicken wahrecheinlich etwas zu hoch, der Unterschied aber iat gering, eofern man zur Bestimmung nur unmittelbar nsch Beginn der Emission gemessene Werte der lichtelektrischen Strome verwendet.

2) Sie betrug z. B. in dem der Abb. 12 entsprechenden Zustand sarkeren Gasgehaltes 9,2 - 10" j e Quadratzentimeter.

Mayer. Lichtekktrische Eigenschften von Kaliumschichten uaw. I 149

mals darauf hingewiesen werden, daS eine lichtelektrische Emission fur letztere nur unter ganz bestimmten Versuchsbedingungen zu beobachten war und im Zustand hgchster Gasfieiheit gar nicht mehr auftrat. Es handelt sich also hier im Gegensatz zu den fiir 4358 mitgeteilten Ergebnissen nm solche, die nur ,dam wiederholbar waren, wenn die Platinoberfhche sich in dem durch die Kurven II und III der Abb. 5 gekennzeichneten Zustand befanden. Dennoch sind die Ergebnisse, die in Tab. 4 eingetragen sind, bemerkenswert.

Diese TabeUe gibt in der zweiten senkrechten RBihe den Unter- schied A CP der Austrittsarbeiten, der einerseits durch die Grenz- wellenliinge 2750 BE des vom Kalium befreiten Platins bestimmt ist und andererseits durch die in der ersten Reihe eingetragene Wellenlige. In der dritten Reihe sind die experimentell bestimmten Bedeckungen gegeben, bei denen der Beginn der lichtelektrischen Emission fUr die betreffende Linie beobachtet wurde. Die vierte Reihe gibt die Zahl Na der Kaliumatome, die aus der Beziehung

wie oben berechnet wurde.

wo M das Dipolmoment der die Doppelschicht aufbauenden elektrischen Dipole ist, erhalt man die in der ffinften Reihe ein- getragenen Werte. Zwischen dem Moment M und der Ent- fernung 2 d der entgegengesetzten Ladungen der Dipole besteht die Beziehung M = 2 e . d , wo e die Elementarladung ist. Die mit Hilfe dieser Beziehnng berechneten Werte von d sind in der letzten Reihe eingetragen. Man kann a, solange noch keine stkkere gegenseitige Beeinflussung der Dipole vorliegt, a l s die Entfernung der positiven Schicht von der Metallobefiache ansehen.

Zu dieser Tabelle ist folgendes zu bemerken: den berechneten Werten der vierten Reihe liegt versuchsweise die Annahme zu- gmnde, daB die Entfernung der positiven Belegung von der Metall- obediiche gleich dem Halbmesser des Kalinmions (1,3 BE) ist; die beobachteten Werte der Reihe 3 und der Reihen 5 nnd 6 enthalten den Wert des Ionisierungsgrades von Kaliumatomen an gluhenden Platinflichen, welcher die Dampfdrucke des Kaliums enthalt I). Diese aber, von verschiedenen Beobachtern mit verschiedenen Methoden gemessen, zeigen Unterschiede von nahezu 100 o/o!

Mit Rucksicht hierauf ist die efbereinstimmung der beobachteten und berechneten Werte der Bedeckung, solange noch keine stiirkere gegenseitige Beeinflussung der adsorbierten Kaliumatome vorhanden

A @ = - 3 0 0 . 4 n . N,. e . a Mit E l f e der Beziehung

A @ =- 3 0 0 - 2 ~ N , , M ,

.

1) H. Mayer, Ztschr. f. Phys. (i? Druck).


ist, eine sehr gute. Die mit zunehmender Bedeckung zunehmende Wechselwirkung der Kaliumatome tritt auch in Tab. 4 durch den zunehmenden Unterschied zwischen beobachteten und berechneten Werten (bzw. a l s Abnahme von M) deutlich hervor. Die bei Be- deckungen von 0,l-0,3 berechneten U'erte f a r das Dipolmoment und die Entfernung d stimmen mi t Werten von Langmuir ' ) fur Ciisiumatome rtuf Wolfram gut iiberein. Ferner sieht man, daS der Beginn der lichtelektrischen Emission fiir die jenseits der Grenz- wellenlange des Kaliums (- 5461) liegenden Linien 5779 und 6072 bei vie1 hoheren Schichtdicken liegt. Der Beginn der lichtelektrischen Emission fur die Linien 5779 nnd 6072, fallt also nicht mit

a in Volt

dem Tiefwert der Austrittsarbeit zusammen.

Bedeckung bei Beginn der Emission (je qcm)

beobachtet 1 berechnet - ... ~ _ _ ~

T a b e l l e 4

'2;25 27 . 1018 2,45 1 49 . 1018 2,35 1 40 10"

Wellen- l b g e

3132 3341 4 x 2 4358 5467 5779 6072

2655

9;7 . 1013 10,s . 1013 10 . 1018

0,55 3,3 . 1013 2,4 . 1013 0,80 4,l lola 3,4 - l O I 3 1,45 8,O . 10" 6,2 . lOI3 1.65 1 16 . loa8 1 7.1 - lo1%

Dipol- moment

bf

6,9 - lo-'' L0,3 - lo-''

___ -~

9,7 . 10-18 5,5 - 10-18 4,4 * 10-18

2,6 - 10-18 3,l * lo-''

d in cm

~ - .

9,3 . 10-3 10,l 10-3 10,7 * lo-'

- - - -

2. V e r h d e r u n g e n i n der l i c h t e l e k t r i s c h e n Empfindl ichkei t b e i u n v e r l n d e r t e r S c h i c h t d i c k e dea A l k e l i m e t a l l s

Die bisher vorliegenden Arbeiten uber die Eigenschaften diinnster Alkalischichten 7 enthalten anch eine Reihe von Beobachtmgen iiber h d e r u n g dieser Eigenschaften mit der Zeit. Es konnte, zum Teil im Einklang mit diesen, nachgewiesen werden, daJ3 zweierlei Ur- sachen vorliegen, die im Versuch leicht zu trennen sind: 1. Bd- sorption von Fremdmolekiilen, hanptsachlich Gasmolekiilen im nicht geniigend hohen Vakuum ; die dadurch verursachten Veranderungen treten bei jeder Schichtdicke auf. 2. Durch Umlagerung bzw. Wandern 7 der adsorbierten Alkaliatome; die dadurch bewirkten

1) I. Langmuir , Phps.Rev. 48. S. 224. 1933. 2) Schrifttum hierzu bei R. Suhrmann, a. a. 0. 3) Quantitative Untersuchungen des Wanderns adaorbierter Fremdatome

mit dieser Methode sipd in An* geqommea.

Mayer. Lichtelektrische Eigenschaften von Kaliumschichten usw. I 151

Veranderungen konnen besonders gut beobachtet werden, solange die Bedecknng noch unterhalb einer ein- bis zweiatomigen Schicht ist.

Wie das Ergebnis des folgenden Versuches zeigt, konnen Ver- anderungen erster Art durch hochstes Vakuum , Veranderungen zweiter Art durch genilgend tiefe Temperatur des Tragermetalles und der adsdrbierten Alkaliatome verhindert werden.

Mit geringer Atomstrahlstiixke wird auf die Folie F, durch fliissige Luft jm Kiihlrohr T geklihlt, Kalium aufgedampft und die lichtelektrische Emission f lir eine bestimmte Linie in Abhangigkeit von der Schichtdicke verfolgt. Bei einer Bedeckung von einem Viertel

J Y-X-

b Y

I I I I I I I I I 0 7 2 3 4 5 6 7 8 9 I m / n

Abb. 14 -- Ze/t

einer einatomigen Schicht wurde das Aufdampfen durch SchlieSen der Klappe K unterbrochen, der lichtelektrische Strom aber weiter beobachtet. Uas Ergebnis zeigt die Kurve (a) der Abb. 14. Es trat - der Versuch kann beliebig oft wiederholt werden - nicht die geringste h d e r u n g in der lichtelektrischen Empfindlichkeit auf. Wird die Folie aber nur dnrch C0,-Schnee gekiihlt, so nimmt der Strom ab [Kurve (b)]. Es kann keinem Zweifel nnterliegen, daB jetzt die Temperatur der Folie nicht mehr geniigend tief ist, um die Be- weglichkeit der adsorbierten Kaliumatome so weit zu vermindern, daf3 keine Umlagerung in Qleichgewichtslagen mehr eintreten kann.

Wird die Klappe K erst geschlossen, wenn eine zwei- oder mehratomige Schicht aufgedampft ist , dann erfolgt im hochsten Vakuum weder bei Kuhlung mit fliissiger Luft noch mit CO, eine Anderung der lichtelektrischen Empfindlichkeit, was fur il 2655, 3132 und 4358 gepriift wnrde.

..


Umlagerungen der Kaliumatome in dickeren Schichten machen sich im selektiven Bereich durch fnderung und Verlagernng des Hochstwertes bemerkbar.

3. S t r oms p an n ungs kurv en

Die Platinfolie F war allseitig von den als Anode dienendeu Metallzylindern C, und C, umgeben. Obwohl dies wegen der fiachenformigen Kathode und den nicht kugelformigen Anoden nicht als eine fur die Aufnahme von Stromspannungskurven einwandfreie Anordnung angesehen werden kann, wurde dennoch der Versuclr gemacht, durch Aufnahme solcher Kurven SchlUsse tiber Geschwin- digkeitsverteilung, Herkunftsort der Elektronen und Austrittsarbeit zu ermoglichen.

Urn diese Kurven fur bekannte Schichtdicken im Augenblicke ihres Entstehens aufzunehmen, wurde in folgender Weise vorgegangen: Die Stilrke des Atomstrahles wurde unverandert gehalten, was bei mehrfach wiederholtem Aufdampfen des Alkalimetalls auf das vorher durch Gluhen gereinigte Platin immer die gleiche Dickezunahme der Schicht je Zeiteinheit gewahrleistet. Qemessen murde so, da6 an die Anode zuerst eine schon im Sattigungsgebiet liegende Spannung gelegt wurde, wahrend monochromatische Strahlung auf F fiel. Nun wird die Klappe K geoffnet und der lichtelektrische Stroni in Ab- hangigkeit von der Zeit, d. h. der Schichtdicke, aufgenommen. Nach Erreichung einer bestimmten Schichtdicke wird K geschlossen, die Kaliumschicht durch Gliihen von F entfernt, eine kleinere Spannung an die Anode gelegt und die Messung in derselben Weise wiederholt. So erh'alt man Kurven der Abb. 15. Alle zu einer Abszisse gehorenden Kurvenpunkte geben dann die einer bestimmten Schicht- dicke entsprechende lichtelektrische Stromspannungskurve, und zwar fur jede Schichtdicke im Augenblick ihres Entstehens (Abb. 16). I n der mehrere Stnnden langen MeSreihe milssen Atomstrahlstarke und Starke der Hg-Strahlung nnverandert bleiben.

Diese Stromspannungskurven gestatten eine Reihe bemerkens- werter Schlusse. Durch das Aufdampfen von Kalium anf die Platin- kathode F andert sich nicht nur die Austrittsarbeit um A @ , sondern auch das Kontaktpotential der Kathode gegen die Anode um AW. Werden die Stromspannungskurven ohne Rilcksicht auf diese h d e - rung, d. h. einfach in ihrer Abhangigkeit von der am Spannungs- messer abgelesenen Spannnng eingetragen, so mussen sie, wenn Anstrittsarbeit A CP und Kontaktpatential d ZY gleich gro6e hde rnng , aber von entgegengesetztem Vorzeichen, erfahren, in denselben Punkt

Mayer. Lichtekklrische Eigenschaflm von Kaliumschichten usw. I 153

der Spannnngsachse einmtinden. Schreibt man nilmlich die E i n - s t e i n sche Gleichnng

h Y = e . V , + e W , wo h die Plancksche Konstante, Y die Schwingungszahl der aus- losenden Strahlung bedeuten, so ist V,,, die Spannung, die gerade geniigt, um alle lichtelektriech ausgelosten Elektronen zuriickzutreiben,

0 I 2 3 * 5 m/n. - Ze/?(Sch/chtu?ckej Abb. 15. Lichtelektrieche StrGme fiir 2655 in Abbbgigkeit von der Schichtdicke und der Spannung. Unpolarisiert.

Atomstrahletiirke: 1,2 10" Atome je qcm und min

fiir die also der lichtelektrische Strom gerade verschwindet; W ist die Austrittsarbeit und e die Elementarladnng. Diese zwischen Anode und Kathode liegende Spannung V,,, ist gleich der vom Ypannnngsmesser abgelesenen, wenn beide aus gleichem Material sind'). Sind Anode und Kathode aber am verschiedenem Material, so daS die Austrittsarbeiten beider verschieden sind, dann ist

v m = VA - vat,

1). Vgl. auch H. Mayer , Bull. Fac. Stiinfe, Cernluti 10. 8. 217. 1938.


wo V k jetzt die vom Spannungsmesser abgelesene Spannung und Vae die Kontaktpotentialdifferenz zwischen Anode und Kathode ist. Setzt man dies in die obige Gleichung ein, so erhalt man

und

700

90

80 -

70 -

60-

50 -

-

-

F

3 30- - w- 8 40-

c .u

-spannung

Abb. 16. Stromspannungskurven der lichtelektrischen Strome (suslosende Strahlung 2655) fur bestimmte Schichtdicke I).

Kurve a: Bedeckung Null (reines Platin) 11 b : ,, 3 - loi4 Atome je qcm 1, c : l . 6 - 1014 ,, ,, ,, 7, d : ,. ti . 1Ol5 11 1 , 1 ,

e : g d e r als loi7 Atome je qcm, 7 9 f : :: } sichtbare Schichten

Wiihrend des Aufdampfens andert sich Vac standig. Bezeichnet man diese hinderung mit A @ und setzt man

YO erhalt man A @ = - ( W a - wc)a=-dw,

v;=-- p a - h u C

- ..

1) Alle Ausschlgge zuruckgefiihrt auf gleichen Wert bei + 3 Volt Spannung.

ilIayer. Lichtelektrische Eigenschaften vtm Kaliumschichten USUI. I 156

Die Spannung V k also, die gerade geniigt, alle durch die Strahlung Y ausgelosten Photoelektronen wieder zur Kathode zuriickzutreiben und die unmittelbar vom Spannungsmesser abgelesen wird, hiingt nur von der Austrittsarbeit der Anode, nicht aber von der der Kathode ab. Da erstere wiihrend des Aufdampfens unverilndert bleibt, mu6 auch V:n , bestimmt durch den Schnitt der Strom- spannungskurven mit der Voltachse, unverjlndert bleiben.

X t wie grof3er Genanigkeit dies der Fall ist, zeigt Abb. 16. Diese Ergebnisse enthalten also eine neue experimentelle Bestitigang der Beziehnng A@ = - A W j .

Das zweite bemerkenswerte Ergebnis ist die schlechte Sjlttigung der lichtelektrischen Strome fa r geringe Schichtdicken, wie aus Abb. 16 (Kurve fur 36 Volt) zu ersehen ist. Die von anderer Seite wiederholt beobachtete Feldabhiingigkeit des lichtelektrischen Effektes bei diinnsten AlkalischichtenS) konnte also auch hier ernent festgestellt werden; dariiber hinaus bietet die Methode die Moglichkeit, diese Feldabhangigkeit in ihrer Abhangigkeit von der Schichtdicke quantitativ zu verfolgen.

Das dritte Ergebnis betrifft die h d e r n n g der Geschwindigkeits- verteilung der austretenden Elektronen f iir verschiedene Schicht- dicken (Abb. 16). Die sehr steile Energieverteilungskue ftir reines Platin wird schon bei geringen (einatomigen) Schichtdicken breiter und erreicht bei etwa 10 Atomlagen den Verlauf fiir kompaktes Kalium (fiir 2656 als auslosende Strahlung).

Das vierte Ergebnis betrifft die Lage des Hochstwertes der lichtelektrischen Emission in der Reihe der bei verschiedenen Anodenspannungen erhaltenen Kurven. Dieser Hochstwert, der fiir eine im Sattigungsgebiet liegende Anodenspannung bei der schon oben erwiihnten Schichtdicke von 2,9 1014Atomen je Quadratzentimeter liegt, verschiebt sich mit zunehmender, den Elektronenauustritt hemmender Spannung zu immer kleineren Schichtdicken, die schlie6lich weniger als die Hiilfte dieses Wertes betrjlgt. Das ist ein unmittelbarer experimenteller Beweis ftir das immer stiirkere Herebdriicken des ,,&ndes des Elektronennapfes". Dementsprechend werden die Gruppen der schnelleren Elektronen schon bei geringerer Bedeckung den Napf zur Ganze verlassen konnen, so das der diesen Elektronen entsprechende Hochstwert schon vie1 frliher auftreten wird als der- jenige, der den langsameren und langsamsten Elektronen entspricht.

1) R A, Mill ikan, Phya. Rev. [2] 18. S. 236. 1921; P. Lukirski U.

2) R. Suhrmann, 8.8. O., S. 205-213. S. Pr i lezaev , Ztschr. f. Phys. 49. S. 236. 1928.


Dies ergibt eine neue Moglichkeit, die Zahl der Elektronen in den einzelnen Energiebandern unmittelbar durch Versnch zu bestimmen.

E’ur die Strahlung von 4358 anfgenommene Stromspannnngs- kurven zeigen genau das entgegengesetzte Verhalten wie die fUr 2655. Es verliuft n h l i c h die Stromspannungskurve fur eine dicke Kalium- schicht sehr steil, etwa so wie die Kurve fur reines Platin ftir 2655, dagegen sind die Kurven der diinnsten Schichten weniger steil. Uiese verschiedene Geschwindigkeitsverteilung der durch 2655 und 4358 ausgelosten Elektronen ist zu erwarten, wenn man lichtelektrischen Volum- und Oberflacheneffekt unterscheidet ’). Da 4358 im eelektiven Bereich liegt, muS der Oberfiacheneffekt stark iiher- wiegen, (Stromspannungskurven steil), wahrend fiir 2655 BE der Volumeffekt iiberwiegt. Diese Erscheinung ergibt somit die Moglich- keit, die beiden Effekte gesondert zu untersuchen.

So kann das fiir 2655 und fur 4358 erhaltene Ergebnis in den1 Sinne gedentet werden, daS die Elektronen in den ersten Ent- wicklungsstadien der Alkalischicht dem Triigermetall entstammen. Man sieht vor allem, da6 die h d e r u n g der Geschwindigkeits- verteilung nicht nur in dem Sinne festzustellen ist, daS durch die adsorbierten Atome nur eine Beeinflussnng der Austrittsarbeit und dadurch verursach te Zunahme nur der langsamen Elektronen erfolgt. Denn der Tiefwert der Austrittsarbeit wird bei einer Bedeckung von 0,ab erreicht; bei dieser Bedeckung aber hat sich (Kurve b der Abb. 16, die ungefhhr dieser Bedeckung entspricht), die nrsprtingliche Geschwindigkeitsverteilung noch kaum geandert. Die groSe An- derung erfolgt vielmehr (Abb. 16) erst mit zunehmender Schichtdicke, woraus man einerseits schlieSen kann, da6 es sich bei 2655 haupt- siichlich um einen Volumeffekt handelt, andererseits, daS die Elek- tronen bei geringen, unter oder wenig tiber einer Atomlage dicken Schichten dem Trllgermetall entstammen.

Man erkennt, daS diese Methode die Maglichkeit gibt, die mittlere freie Weglinge der lichtelektrisch ausgelosten Elektronen im Metal1 unmittelbar durch Versuch zu bestimmen. Denn n i t zunehmender Schichtdicke mu6 die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen die in Abb. 16 dargestellte h d e r u n g erleiden und mu6 bei jener Schichtdicke in eine endgultige Verteilnng iibergehen? die der mittleren freien Weglange entspricht. Eine erste, qualitative Besfatigung enthalten schon die hier mitgeteilten Ergebnisse. Bei einer Schichtdicke von etwa 10 Atomlagen nimmt die Geschwindigkeits- verteilung ihre Endform an. Dies gibt eine mittlere freie Weglange

1) H. F r o h l i c h , Elektronentheorie der Metalle, Berlin 1936, 8. 120.

&layer. Whtelektrische Eigenschaften von Kdiumschichh usw. I 157

der lichtelektrischen Elektronen gleich lo-’ cm, in fjbereinstimmung mit den Erwartungen l;, wahrend ja die mittlere freie Wegliinge der Leitungselektronen 10-100 ma1 gro6er angesetzt wird.

4. Lic h t ve k t ore f f e k t Fast alle Beobachtungen wurden mit polarisierter Strahlung

gemacht. Die Lage des Lichtvektors ist in allen Abbildungen und Tabellen vermerkt?). Jedoch m d betont werden, da6 die Platin- folie F, die anfangs gut spiegelte, nach langem Gltihen eine rauhe Oberflache bekam. Trotzdem sollen die Ergebnisse beztiglich des Lichtvektoreffektes kurz erwiihnt werden. a) Der Verlauf der lichtelektrischen Empfindlichkeitskurven in Abhangigkeit von der Schicht- dicke unterscheidet sich ftir beide Lagen des elektrischen Vektors nicht; ein’ Hijchstwert der Empfindlichkeit tritt fiir E l und E 11 bei derselben Schichtdicke auf. b) Es konnte keine Abhilngigkeit des Vektorverhiiltnisses von der Schichtdicke festgestellt werden. c) f i r die Linien 6072, 6779 und 5461 betrug das Vektorverhatnis stindig 1, ftir die tibrigen Linien schwankte es zwischen 3 und 5 (in verschiedenen Mefheihen), mit einer kaum merklichen Andeutung eines Hochstwertes bei ungefiihr 3341.

5. Verlauf d e r l ichte lektr ischen Empfindl ichkei t fiir d i e Geeamtstrsblung der H g - L a m p e

Zum Schlusse sei noch kurz darauf hingewiesen, da6 der Gang der lichtelektrischen Empfindlichkeit in Abhilngigkeit von der Schicht- dicke bei Bestrahlnng mit der unzerlegten Strahlung des Hg-Bogens, wie er z. B. in Abb. 4 der vorhergehenden Mitteilung gegeben ist, sich nicht als Summe der durch die einzelnen Linien ausgelosten lichtelektrischen Strijme ergibt. Vielmehr ist der Verlauf der Empfind- lichkeit fur die Gesamtstrahlung dem fur die Strahlung von 2655 beobachteten weitgehend iihnlich, d. h. man beobachtet ein starkes dnsteigen bis zu einer Bedeckung von etwa 0,7 einer einatomigen Schicht, dann aber eine nur sehr geringe weitere Zunahme, genz im Gegensatz zu dem Verlauf der Empfindlichkeit fUr die Linien des selektiven Bereiches, fUr die der Hauptanstieg ja erst spater bei einer zwei bis drei Atomlagen dicken Schicht beginnt. Von diesem Anstieg ist in der Kurve fur die Gesamtstrahlung fast nichts zu bemerken. Die wenigen hierzu gemachten Beobachtungen gestatten vorlaufig keine Schltisse. Jedoch weisen sie darauf hin, da6

1) H. F r a h l i c h , a. a. O., S. 121. 2) E J. bedeutet, daB der elektrische Lichtvektor senkrecht zur Einfalls-

ebene war.


dabei Anregungsvorghge der die Schicht auf bauenden Zentren mit einer bestimmten Verweilzeit und damit zusammenhilngende ver- s t ikende oder schwgchende Wirkung der in der Gesamtstrahlung vorhandenen Strahlungen bestimmter Schwingnngszahl eine wichtige Rolle spielen. l)

Zneammenfaeeung

1. Es wird eine Atomstrahlmethode beschrieben, mit der Alkali- schichten atomarer Dicke auf Netalle hoher Austrittsarbeit aufgedampft und deren Dicke mit grof3er Genauigkeit bestimmt werden.

2. Mit dieser Methode wird das lichtelektrische Verhalten solcher Kaliumschichten von der Dicke Null bis zu etwa 30 Atomlagen bei Bestrahlung mit den starkeren zwischen 6000 AE und 2400 AE liegenden Linien eines Hg-Bogens untersucht.

3. Der beobachtete Verlauf der lichtelektrischen Empfindlichkeit in Abhangigkeit von der Schichtdicke wird in einer Reihe von Ychaubildern gegeben. Es wird gezeigt, welchen EinfluB der Einbau von Gasmolekiilen in diese Schichten hat.

4. Nimmt man die Zahl der Kaliumatome in einer einatoniigen Schicht unmittelbar auf Platin gleich 4,O - lo1* j e Quadratzentimeter wahrer Flache an, so ergeben die Versnche fur die sogenannte ,,@nstigste Bedeckung", bei der die Anstrittsarbeit durch einen Tiefwert geht, die Zahl von 2,9. lOI4 je Quadratzentimeter wahrer Flache, d. h. etwa 0,7 einer einatomigen Schicbt. Bei Einbau von Gasmolekillen ist diese Zahl hoher.

5. Der liohtelektrische Effekt diinnster Schichten bis zu 2 bis 3 Atomlagen ist normal.

6. Die Dicke des Beginns des selektiven Effektes betrggt 2 bis 3 Atomlagen.

7. Die zu bestimmten Dicken der Schicht gehorenden Z u s t i d e des selektiven Hijchstwertes und seiner Lage und der sie beein- flussenden Faktoren werden bestimmt.

8. Die Grenzwellenlange des hochstentgasten Kaliums wird bei 5461 gefunden, was einer Austrittsarbeit von 2,26 f 0,02 V entspricht. Der tiefste, bei Einban von Gasmolekiilen beobachtete Wert der Austrittsarbeit betrug 2,O V.

9. Der Beginn und der Hochstwert der lichtelektrischen Emission fur die jenseits der Grenze 5461 liegenden Linien 5779 und 6072 tritt nicht bei der ,,giinstigsten Bedeckung" ein, sondern bei einer fast um das Doppelte hoheren.

1) R. Suhrmann, a. a. 0. S. 203 uaw.

Mayer. Lichteleldrische Eigenschaften con Kaliumschichfm usw. 1 159

10. Solange noch keine starkere Beeinfiussung der adsorbierten Kalinmionen vorhanden ist, betragt das Dipolmoment 9,l - und clie Entfernung der positiven Schicht von der Metalloberflache 1,0 cm.

11. Die Verandernngen, die durch ,,Wandern" der adsorbierten Kaliumatome hervorgerufen werden, werden verfolgt.

12. Es wird die Qeschwindigkeitsverteilung der aus verschieden dicken Schichten austretenden Elektronen durch Aufnahme von lichtelektrischen Stromspannungskurven bestimmt. Es wird a) ein neuer Beweis fiir die Beziehung A @ = - A @ gegeben, b) die Feld- abhangigkeit des lichtelektrischen Effektes diinnster Schichten erneut gezeigt, c) gezeigt, daS die Elektronen bei ein- bis zweiatomigen Schichten hauptsachlich dem Tragermetall entstammen, d) gezeigt, da6 die Untersnchung der Geschwindigkeitsverteilung der aus d u n - sten Schichten austretenden Elektronen eine Mdaglichkeit zur Unter- suchung von Volum- und Oberflacheneffekt als auch zur experimentellen Ermittlung der mittleren freien Weglilnge der im Inneren des Metalls ausgelBsten lichtelektrischen Elektronen darstellt.

Die vorliegende Arbeit wurde im physikalischen Institut der Universitit Miinchen dnrchgefiihrt. Fiir die mir gewiihrte Gast- freundschaft und fiir die gro6e Bereitwilligkeit, mit der mir alle Hilfsmittel dieses Institutes zur Verfiignng gestellt wurden, sage ich Herrn Prof. W a l t h e r Qer lach auch an dieser Stelle meinen herz- lichsten Dank.

Cernaut i , Physikalisches Institut der Universitat.

(Eingegangen 16. M1Srx 1937)

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Die lichtelektrischen Eigenschaften von Kaliumschichten atomarer Dicke auf Platin. 1