F. Wolf. vber Ionenslope bei strenger Resonanz 33

Uber Ionenet6pe atre?Zgsr Resonam% Von Prams Wolf

(Mit 10 Abbildungen)

ubere icht: I. Urnladende und ionisierende Querschnitte: 1. Qualitative Ergebnisse iiber Ne; 2. Quantitative Messungen an H,, N, und Ar; 3. Dis- kussion der MeBergebnisse. - 11. Wirkungsquerschnitte: 1. Ergbzung zu He; 2. Messungen an Ne, Ar, €& und N,; 3. Diskussion der MeBergebniese. - Zusammenfassung.

Begegnen einfach geladene positive Atomionen den Atomen bzw. Molekiilionen den Molektilen ihres eigenen Gases, so handelt es sich um ,,StoSvorgange unter strenger Resonanz", da hierbei zwischen der im Ion aufgespeicherten Quantenenergie und der Ioni- sierungsspannung des getroffenen Teilchens kein Unterschied besteht. Ka l lmann und Rosenl) haben zuerst verschiedene derartige StoS- vorgange in groSerem Rahmen experimentell untersucht und kamen vor allem zu dem mit ihren theoretischen fjberlegungen im Einklang stehenden qualitativen Ergebnis, daS die Umladungsausbeute hier gro8er ausfallt als bei jedem StoS, der unter Resonanzverstimmung ablauft. Meine eigenen ersten Versuche, bei dem StoSvorgang Ar' --f Ar die Geschwindigkeitsabhangigkeit des gesamten Wirkungs- querschnitts 7 sowie des Umladungsquerschnitts 3 systematisch zu ver- folgen, lieferten mit einer noch rohen MeSanordnung zunachst nnr ungenaue Ergebnisse. Jedoch flihrten die damaligen Ekfahrungen zum Bau einer leistungsfahigen Ionenstrahlanordnung, die sich seitdem vielfach bewahrt hat4). Die erste mit ihr ausgefiihrte Untersuchung ,,ILL lieferte quantitativ die Geschwindigkeitsabhllngigkeit des Wirkungs- querschnitts fiir den untgr strenger Resonanz ablaufenden StoS He+ --f He. Auch Umladungsquerschnitte von He+ --f He konnten in ,,II" gemessen werden. Diese fielen allerdings noch etwes zu

1) Vgl. vor allem H. Kallrnann und B. Rosen, Ztschr. f. Phye. 61.

2) F. Wolf , Ztschr. f. Phys. 72. S. 42. 1931. 3) F. Wolf , Ztschr. f. Phye. 74. S. 575. 1932. 4) Hierher gehorige Arbeiten zitiere icb wie fruher: F. Wol f , Ann. d.

Phys. 23. S. 285. 1935 kurz ,,I"; 23. 6. 627. 1935: ,,II"; 26. S. 527. 1936: ,,In"; 26. S. 737. 1936: ,,IV"; 27. S. 543. 1936: ,,VI".

S. 61. 1930 und 64. S. 806. 1930.

Annslen der Physik. 5. Folge. 20. 3

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

groS aus wegen eines apparativen Mangels, der in ,,VP geklart und beseitigt werden konnte. Weiter hat Ros tagn i zwei Arbeiten veraffentlicht, in denen die Umladnngl) sowie der gesamte Wirkungs- querschnitt 8, beim ZusammenstpS der drei leichteren Edelgasionen mit ihren eigenen Gasen eingehend untersucht wurde. Sowohl meine wie Ros tagn i 8 Erfahrungen lieferten neben Einzelheiten den Nach- weis, daS bei StoSen mit strenger Resonanz die Umladung und der Wirkungsquerscbnitt - in ffbereinstimmung mit theoretischen Erwar- tungen - bei wachsender Strahlgeschwindigkeit gleichmliSig langsam absinkt. Versuche R o s t a g n i s rnit variierten Blenden zeigten ferner, daS gegen kleinste Qeschwindigkeiten hin die Streuung in wachsendem Ma6 am Wirkungsquerschnitt beteiligt ist.

Obwohl durch die bisherigen Untersuchungen bereits in groSen Ziigen Klarheit iiber das Verhalten der StGBe rnit strenger Resonanz geschaffen ist, teile ich hier einige weitere Messnngen auf diesem Gebiet mit, die ich wahrend meiner Arbeiten iiber StoSvorgange mit Resonanzverstimmung gelegentlich nebenbei durchfuhrte. Bei der groSen Schwierigkeit aller derartigen Untersuchungen und der Mannigfaltigkeit der Fehlermoglichkeiten lohnt es sich durchaus, einzelne VorgLnge rnit verschiedenen Methoden wiederholt zu stu- dieren und dadurch eine Vorstellung von der absoluten Zuverlassigkeit der gewonnenen MeSwerte zu schaffen, sowie ferner das bisherige Bild durch Untersuchung weiterer Einzelflllle zu priifen. Vor allem interessiert dabei ein Widerspruch mit der theoretischen Erwartung, der sich sowohl in meinen wie in Ros tagn i s fritheren Messungen der Umladung bei kleinsten Strahlgeschwindigkeiten anzudeuten schien.

I. Umladende und ionieierende Quereohnitte 1. Qualitat ive Ergebnisse Uber Neon

Am StoSvorgang Ne+ -+ Ne habe ich wie bei He+ -+ He die Urnladung und die Ionisation noch mittels der Uteren Methode von ,,IP untersucht, die wegen ungiinstiger , Feldverhiiltnisse im Innern des Auffangers quantitativ zu gr06e Werte lieferte. Eine Wieder- gabe der YeBkurven lohnt daher nicht. Es sei nur gesagt, daS Umladungsquerschnitte von derselben GroBenordnung der schon aus R o s t a g n i s Arbeiten bekannten Knrven fur Umladung und Wirkungs- querschnitt herauskamen, die wie diese rnit wachsender Strahl- geschwindigkeit monoton abfielen. R o s t agn i 8 Beobachtungen werden

1) A. Rostagni , Nuovo Cim. 12. 6. 134. 1935. 2) A. Rostagni , Atti Acc. Sc. diTorino 70. S. 472. 1935.

F. Wolf. Ober Ionenstii~e bei strenger Reaonanz 35

hierdnrch qualitativ bestatigt. Darliber hinaus ergab sich, daS ioni- eierende StoSe echon etwas unter 100 Volt aufzutreten beginnen. Ihre Haufigkeit nimmt von da an mit wachsender Strahlgeschwindig- keit wie gewohnlich monoton zu.

2. Quantitat ive Meeaungen an Wasserstof f , Bticketoff und Argon

An den StoSvorglingen H,+ + H,, NB+ -+ N, und Ar+ -+ Ar sind die Umladungs- und Ionieationemessungen bereits mit der ein- wandfreien Versuchsanordnung durchgefilhrt, die erstmalig in ,,VP

Abb. 1. Umladender nnd ionisierender Querschnitt bei H,+ -+ H,

zur Verwendung kam, und deren Zuverlassigkeit in dem dortigen Abschnitt IV, 1 eingehend diskutiert wurde. Die Abb. 1, 2 und 3 zeigen die Ergebnisee in Abhilngigkeit von der Strahlgeschwindigkeit.

10 I I I I I I

5 10 75 20 a 30" Abb. 2. Umladender und ionisierender Querschnitt bei N,+ -* N,

Man beachte, daB in den Abb. 2 und 3 abgebrochene Ordinaten- maEstabe verwendet wnrden. Im ilbrigen sind die aus je zwei Gas- drucken gewonnenen Einzelwerte des ionenerzeugenden Querschnitts wie friiher durch kleine Kreise, die elektronenerzeugenden Quer- schnitte durch Kreuze dargestellt. Von den durch einfache Strichelung eingetragenen Kurven des ionisierenden Querschnitts erhebt sich nur derjenige ftir Ar+ --t Ar merklich iiber Null. DPher ist es in diesem Fall, wenn man vom ionenerzeugenden Querschnitt auf die reine Urnladung iibergehen will, notwendig, von der durch die kleinen Kreise gelegten ausgezogenen Kurve die Ordinaten dee ionisierenden Quer- schnitts zu subtrahieren (vgl. ,,VP, Kap. 11). Das Ekgebnis wird

3.

36 Annalen dm Physik. 5. Folge. Band 29. 1937

durch die strichpunktierte Linie der Abb. 3 wiedergegeben, die somit den reinen Umladungsquerschnitt fur Ar+ --t Ar darstellt. Bei ,&+ 3 Ha und N,+ --t N, bedeuten bereits die ausgezogenen Kurven rein0 Umladungsquerschnitte.

Abb. 3. Umlsdender und ionisierender Querechnitt bei Ar+ --t Ar

3. D i s k u s s i o n der MeSergebnisee

Urnladung. Sieht man zunachst von den Ergebnissen bei kleinsten Geschwincligkeiten ab, so nimmt die Umladung in allen drei wiedergegebenen Fiillen - bei recht groBen Absolutwerten - iibereinstimmend mit wachsender Strahlenergie langsam und monoton ab. Das schon friiher fur die leichteren Edelgase gefundene Verhalten wird durch die neuen Versuche mit Ar bestatigt und findet sich auBerdem auch bei Nichtedelgasen wieder. Die theoretische Voraus- sage dieses Abfalls durch Ka l lmann und Rosen (a. a. 0.) sowie durch Massey und Smith ' ) erweist sich in eraeitertem Umfang als richtig. Es sei hier ausdrUcklich hervorgehoben, daS das an- gewandte MeBverfahren reine Umladungsquerschnitte liefert, die auch im Falle von Ha+ -+ H, und N,+ --f N, nach den uberlegungen von ,,IVdL, 5. 753 nicht etwa durch Dissoziationsvorgange gestiirt sind.

I n der Abb. 4 wurden - ausgezogen - die drei neuen Kurven der Abb. 1-3 in einem einzigen Diagramm zusammengezeichnet, um eine Vorstellung von den wahren Gro0en der MeSwerte zu geben. (Fur Ar ist die strichpunktierte Kurve der Abb. 3 iibernommen.) Autlerdem wurden Ros tagn i s Umladungsmessungen fur Ar ge- strichelt mit eingetrsgen. Man sieht, daB - oberhalb 100 Volt - die ubereinstimmu'ng beider mittels sehr verschiedener Methoden gewonnener MeBreihen recht befriedigend ist, zumal wenn man be- achtet, da0 Ros tagn i die in seinen MeSwerten enthaltene Ionisation

1) H. S. W. M s s s e y u. R. A. Smith , I'roc. Roy. Soc. A. 143. S. 142.1933.

F. Wolf. Ober Ionensto/le bei strenger Resonanz 37

nicht abgezogen hat. Auch meine alteste (in die Abb. 4 nicht ein- getragene) Umladungskurve an Ar (a. a. 0.)) deren zwischen etwa 65 und 48 cm-l liegende Werte mit noch unvollkommener Methodik gewonnen waren, fallt einigermden in die richtige GroSenordnung. Der dam& gefundene leichte Wiederanstieg oberhalb 21 ymt wird allerdings nicht bestatigt. Er durfte durch falschliche

Mitwirknng der durch Ionisation entstande- nen langsamen Ionen vorgetauscht worden sein. - Von quan- titativen Einzelan- gaben alterer Ex- perimente uber Ar stimmt der Wert 90 cm-' bei 20 mt von K a l l m a n n und R o s e n ' ) mit dem entsprechenden neuen von 78 cm-l leidlich gut uberein, wahrend der Quer-

Abb. 4. Vergleich verschiedener Umladungsmessungen

_ - schnitt von 120 cm-' bei 14,l VVolt von P e n n i n g und Veene- mansz) gegeniiber 86 cm-1 reichlich groS ist.

Genauere theoretisch berechnete Zahlenangaben zuin StoS Ar+ --t Ar von K a l l m a n n sind in der Umladungsarbeit von Ro s t a g n i veroffentlicht. Die GroSenordnung des Umladungs- querschnitts wird mit 60 cm-1 gut getroffen, die berechnete Zunahme um 20°/, beim gbergang von 1000 auf 200 Volt stimmt quantitativ mit meinen MeSergebnissen uberein. Dagegen stehen, worauf noch einzugeheii sein wird, die Voraussagen fur kleinste Geschwindig- keiten rnit der experimentellen Erfahrung im Widerspruch.

Nicht vereinbar mit meinen Messungen ist auch der von Ka l lmann und Rosen fur N,+ --t Nz zuerst angegebene experi- mentelle Wert des Umladungsquerschnitts l) von 160 cm-' bei 20 1/ Volt. Die durch Einzelmessungen von geringer Streuung gut

1) Vgl. hierzu die FuEnote 1 von W. de Groot u. F. M. Penning in

2) F. M. Penning u. C. F. Veenemans, Ztschr. f. Phys. 62. S. 746. 1930. Handb. d. Phys. 2 Y / l . S. 152.

Vgl. ebenfalls Handb. d. Phys. 23/1. S. .154.

38 Annulen der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937

belegte MeEkurve der Abb. 2 verliiuft, vgl. anch Abb. 4, sogar weit nnterhalb der Argonkurve im Bereich zwischen 7 1 und 68 cm-'. Sie bewegt sich damit auch nur fast auf der Hiilfte des gas- liinetischen Querschnitts fur den ZusammenstoS zweier langsam be- wegter neutraler N,-Molekiile, der zusammen mit denjenigen fUr die anderen St68e durch horizontale Linien am rechten Rand der Abb. 4 angegeben ist. Ganz allgemein sind hiernach die gefnndenen Umladungsquerschnitte bedeutend kleiner als die gaskinetischen. Das heifit, daB ftir das Zustandekommen einer Umladung hier durchweg eine stilrkere Annaherung der Partikelzentren notwendig ist als fiir gaskinetische StiiSe der neutralen Moleklile. Fiir Um- lndungsvorgange unter Resonanzverstimmung ist dies nicht immer der Fall. Dort tibersteigt der Umladungsqnerschnitt den gas- kinetischen manchmal ganz betrachtlich. - Abb. 4 zeigt auSerdem, daB die Reihenfolge der MeBkurven fur N,+ --t N, und Ar+ --t Ar gegentlber der der gaskinetischen Werte vertauscht ist. Es besteht also offenbar kein engerer Zusammenhang zwischen den umladenden

, und den gaskinetischen Querschnitten. Die Umladungsausbeute wird weniger durch die einfache Raumbeanspruchung der Elektronen- bahnen a19 durch andere individuelle Eigentiimlichkeiten des jeweiligen Schalenaufbanes bestimmt.

Von ganz besonderem Interesse sind nun aber die Ergebnisse bei kleinsten Strahlgeschwindigkeiten. Die theoretischen tf berlegungen fordern hier tlbereinstimmend ein weiteres langsames Anwachsen der Umladungsausbente bis unmittelbar an die Qeschwindigkeit Null heran. Dagegen zeigte sich schon bei meiner iiltesten Umladungs- messung an Ar+ --t Ar, und dasselbe Verhalten fand R o s t a g n i bei den StoSvorghgen mit strenger Resonanz fur alle drei leichteren Edelgase wieder, da6 niimlich die Umladungsausbeute ein Maximum durchliiuft und gegen kleinste Geschwindigkeiten hin absinkt. Jetzt liefert meine mit veriinderten Mitteln wiederholte Untersnchnng dee Falles Ar+-+Ar in Abb. 3 erneut ein solches Maximum, nnd die Abb. 1 nnd 2 zeigen dieselbe Erscheinung erstmalig auch bei den StoSen von Nichtedelgasen.

Gegenliber der Feststellung dieser wichtigen allgemeinen tfber- einstimmung halte ich die quantitativen Unterschiede zwischen der von Ros tagn i gemessenen und meiner nenen Kurve fi ir ,Qr+ --t Ar im Bereich unterhalb 100 Volt fUr weniger bedentungsvoll (Abb. 4). In diesem Gebiet haufen sich die Schwierigkeiten der Messung durch Abnahme der Strahlintensitiit und vor allem dadurch, da0 geringste storende EinflUsse auf die immer langsamer bewegten Strahlionen in wachsendem MaS zu groben Fehlern fiihren. Daher

'

F. Wolf. vber Ionenstope bed strenger Resonanz 39

konnen, anch bei grii6ter Sorgfalt, verschiedene Versuche leicht zu zahlenmilflig voneinander abweichenden 'Ergebnissen fiihren. An6er- dem bestehen aber, worauf bereits in Arbeit ,,III", Kap. 1 hin- gewiesen wurde, verschiedene Bedenken gegen Ros t agnis Versuchs- anordnung. Denn sie liefert zwar bis zu vie1 kleineren Qeschwindig- keiten als die meinige eine brauchbare Strahlintensitlit, doch wird dieser Vorteil durch Preisgabe der Strahlhomogenisierung mittels magnetischer Massenanalyse erkauft. AuSerdem f h g t Ros tagn i gewahnlich die Strahlen anstatt mit dem bewahrten Faradaykafig mit ebener Platte auf, vor der zur Vermeidung unerwbschter Ladungsverluste nur mittels Netzes oder Blende ein Feld aufrecht erhalten wird. SchlieSlich verwendet er an dem Kondensator, der die durch Umladung entstehenden langsamen Ionen abzusaugen hat, bei kleinen Strahlgeschwindigkeiten unvollstandige Slttigung, ein Verfahren, dessen Unzuverlilssigkeit sich in meinen illteren Arbeiten erwiesen hat, und das daher in der Arbeit ,,VP durch ein einwand- freies ersetzt wurde. Ich glaube daher, meinen neuen Messungen grohren quantitativen Wert beilegen zu diirfen als den alteren von Rostagni . -

Diese unerwarteten Maxima echienen frtiher wenig glaubhaft, weil bei jeder der iilteren Kurven der gegen kleinste Geschwindig- keiten stattfindende Abfall nur durch je einen Me6punkt belegt war. Anch bei der neuen Kurve von Ha+ --t & wlre die einzige derartige Punktgruppe bei 3 1 Volt allein weniger bemeiskriiftig. Jedoch werden bei den andern beiden nen untersuchten Fllllen, N,+-tN, und Ar+- tAr , Maximum und Abfall durch eine ganze Reihe bei ver- schiedenen Strahlenergien aufgenommener Pnnktgruppen a d e r Z weifel gestellt. Uabei ist hervorzuheben, da6 nur die Messnngen bei den allerkleinsten Strahlgeschwindigkeiten der in ,,VI" unter Abschn. II,3 angegebenen Korrektur wegen des anstoSenden PrimBrstrahls unter- worfen wurden. Die Me6ergebnisse oberhalb 6,3 sind stets ohne jede solche Umrechnung in die Kurvenbilder eingetragen.

Es bleibt natiirlich denkbar, da6 die ganze Erscheinung trotz allem durch irgendeine systematische Fehlerhaftigkeit des Me& verfahrens nur vorgetauscht wird. Da die Maxima bei verschiedenen Sfrahlenergien auftreten, so liegt es unter dieser Annahme in erster Linie nahe, eine Abhbgigkeit ihrer Lage von den Partikelmassen zn vermuten. Eine solche ist aber in Wirklichkeit nicht nachweisbar, da die Reihenfolge der Abszissen der Maxima nicht mit derjenigen der Massen tibereinstimmt. Wenn sonst ein systematischer Apparatur- fehler vorliige, so miiflten mindestens ghnlichkeiten im Kurvenvedauf bei den hier gemessenen und den in ,,VP untersuchten Sto6-

40 A n n a k der Physik. 5. Folge. Band 29. 1937

vorgangen mit Resonanzverstimmung festzustellen sein, wenn man Falle mit gleichen Strahlionen oder auch solche mit denselben ge- troffenen Gasmolekiilen miteinander vergliche. Aber auch hierbei ist kein Zusammenhang feststellbar. Vor allem besteht keinerlei systematische Beziehnng zwischen der Lage der hier gefundenen und der friiheren Kurvenmaxima Im iibrigen dienen auch die ganzen oberlegungen des Abschn. IV, 1 von ,,VI" zur Sicherung dieser neuen Ergebnisse.

Es bleibt nach allen diesen Erfahrungen festzustellen, da6 die Abf alle gegen Weinste Geschwindigkeiten hin allem Anschein nach reel1 sind. Ihr Auftreten wird von den bisherigen theoretischen Arbeiten ebensowenig vorausgesagt, wie die Anomalien bei StoSen mit Resonanzverstimmung von ,,VI". Die Lage der Maxima mit rund

8 mt bei H,+ --f H,, 12 1 Volt bei N,+ --f N, , 10 v t bei Ar+ -+ Ar

steht mit den Partikelmassen und auch mit den Ionisierungsspan- nungen der neutralen Molekule in keiner einfachen Beziehung. Eine Umrechnung auf gleiche Lineargeschwindigkeiten fiihrt nicht zur Deckung der Abszissen der Maxima.

Von den durch gestrichelte Kurven in die Abb. 1 bis 3 eingetragenen ionisierenden Querschnitten sind diejenigen von H,+ --t H, und N,+ --f N, auch bei 1000 Volt noch nicht me6bar von Null verschieden. Bei Ar+ --f Ar dagegen nimmt die Ioni- sierungsausbeute (im gleichen MaBstab wie die Umladungskurve ge- zeichnet!) verhaltnisma6ig gro6e Werte an. Da es sich in erster Linie um die Gewinnung der fur die Umladungsmessung notwen- digen Korrekturen handeln sollte, wurde die Ionisierungskurve nicht sehr eingehend untersucht. Man darf aber trotz der weoigen MeB- werte wohl annehmen, da6 der Vorgang bereits merklich unterhalb von 100 Volt einsetzt. Zusammen mit den Ergebnissen der Arbeit ,,IFL fiir He+ 3 He und demjenigen von Abschn. I, 1 der vor- liegenden Arbeit fiir Ne+ --f Ne wurde sich damit ergeben, daB die Einsatzpotentiale fur die drei genannten StoSe in derselben dnordnung wie die Ionisierungsspannungen der neutralen Atome aufeinanderfolgen. Allerdings liegt der Einsatz fur die Ionisation von Ne sicher vie1 nlher bei demjenigen fiir Ar, als man auf Grund der gro6en Verschiedenheit der Ionisiernngsspannungen erwarten mochte. - Die Ionisierungsausbeute steigt bei Ar+ -+ Ar nach Abb. 3 auf etwa 3 cm-l bei 1000 Volt und ist damit fast um eine Zehnerpotenz gro6er als diejenige von He+ -+ He nacli ,,TIL'.

-

Ionisation.

F. Wolj. Vber Ionenstiipe bei slrenger Resonanz 41

Gegeniiber meinen friiheren qualitativen Ergebnissen im Zusammen- hang mit den ersten Umladungsmessungen an Ar (a. a. 0.) liefert diese neue Untersuchung einen verkleinerten Wert des Querschnitts und gleichzeitig eine Verschiebung des Einsatzes zu kleinerer Strahl- geschwindigkeit, Korrekturen, die man von einer verfeinerten Messung durchaus erwartet.

11. Wirkungsquerechnitte

1. Ergtinzung zu Helium

Die Messungen des gesamten Wirkungsquerschnitts bei He+ --t. He in ,,P waren mit einer Gasprobe durchgefuhrt, die hur 96O/, reines . . He enthielt. Als die FirmaLinde mir spater He von einem Rein- heitsgrad gro8er als 99,5O/, zur Verfiigung stellte, priifte ich nach, wie weit die friiheren Verunreini- a30 gungen zu Fehlern gefiihrt hatten, und benutzte diese Gelegenheit gleichzeitig zu einer Kontrolle LW der Versuchsanordnung durch Aufnahme vollstandiger ,,Druck- geraden". Die Abb.5 zeigt zwei a20

solche Versuche. Dabei ist nicht nach der Formel von ,,IL6, gap. 1, u der log - selbst, sondern der

rechnerisch bequemer zu er-

Abb. 5. Druckgeraden bei He+ --t He V + H

P

- mittelnde Logarithinus des Reziproken, log -- + 1 , uber p auf-

getragen, der abweichend von der ilblichen Darstellung Geraden von positiver Neigung liefern mx& Man sieht, daB die geforderte Linearitkt gut erfullt ist, die Auordnung arbeitet also einwandfrei. In der folgenden Tabelle sind die aut3 den Geradenneigungen ab- geleiteten Querschnittswerte mit den entsprechenden Ordinaten der Kurve von ,,I'< verglichen, die mit unreinerem Gas gewonnen war. Es besteht danach kein systematischer Unterschied zwischen alten und neuen Messungen, die friihere Kurve darf trotz der Gasverun- reinigungen praktisch a19 richtig betrachtet werden.

G )

Druckgerade Nr. . . . . . 2 Strahlgeschwindigkeit 1/m ~ 1:,2 I 18,6 Wirkungaquerschnitt ern-'. . 51,8 43,4 Alter Wert aus ,,I'' . . . . 1 50,2 1 44,7

42

rzo cm' 2 roo

80

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Annalen dm Physik. 5. Folge. Band 29. 1937

l

I 1

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2. Messungen an Neon, Argon, Wasserstoff und St ickstof f

Bei den StiiBen Ne+ --+ Ne, Ar+ --t Ar, Ha+ + H, und N,+ -+ N, wurde nach dem Verfahren von ,,Iit die gesamte Ge-

I I

I 3 0 -

I 0 5 ?O I5 20 25

Abb. 6. Wirkungsquerschnitt bei Ne+ -• Ne

schwindigkeitsabhangigkeit des Wirkungsquerschnitts zwischen durch- schnittlich 25 und 1000 Volt untersucht. In den Abb. 6-9 sind durch einfache Kreise wieder Werte dargestellt, die wie gewiihnlich aus Messungen bei nur zwei Gasdrucken hervorgegangen sind. Die

F. Wolf. Uber Ionensti@ bei strenger Resonanz 43

vereinzelt eingetragenen Kreise mit Punkt beruhen dagegen auf Messungen bei einer groSeren Anzshl von Drucken. Man beachte wieder, daS die OrdinatenmaSstabe bei den ,4bb. 6, 7 nnd 9 unvoll-

Abb. 8. Wirkungsquerechnitt bei H,+ --t H¶

stindig sind. Zum Vergleich mit. den Ergebnissen des vorigen Ksp. I wurden die dort gewonnenen Umladungskurven gestrichelt in die betreffenden Figuren mit eingezeichnet.

1

Abb. 9. Wirkungsquerschnitt bei N,+ --t N,

3. Diekuesion der MeZlergebnieee

Bis auf den leichten Wiederanstieg bei groSen Geschwindig- keiten von Ha+ --t q, Abb. 8, auf den weiter unten zuriickzu- kommen sein wird, zeigen alle Wirkungsquerschnittskurven iiberein-

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

stimmend einen gleichmaBigen Abfall mit wachsender Strahl- geschwindigkeit. Stets bleibt der Wirkungsquerschnitt wesentlich groBer als der Umladungsquerschnitt, und der Unterschied zwischen beiden wachst gegen kleinste Geschwindigkeiten hill rasch an. Dieses ganze Verhalten stimmt gut rnit allen bisherigen Erfah- rungen uberein , wonach bei groBeren Geschwindigkeiten stets die Umladu ng den betrachtlichsten Teil des Wirkungsquerschnitts aus- macht. Bei kleinen Geschwindigkeiten tritt, wie in R o s t a g n i s 11-irkungsquerschnittsarbeit (a. a. 0.) sowie in meiner Veroffent- lichung ,,IVLL eingehend gezeigt wurde, da groBe Streuwinkel hiiufiger werden, der von der Wirkungsquerschnittsmessung erfaBte Anteil der Streuung immer mehr in den Vordergrund und laBt die Kurve der Gesamtwirkung mehr oder weniger steil ansteigen. Ionisation und Lichtanregung spielen gegeniiber diesen Einfliissen erfahrungs- gemaB eine verschwindende Rolle.

Bei den StoBen der Molekiilionen H,+ und N,+ gegen ihre eigenen Molekiile besteht weiter noch die Moglichkeit, dab Disso- ziation in die Molekiilbestandteile auftritt. Dieser Fall muSte sich, wie in ,,IP auseinandergesetzt ist, ebenfalls vergroBernd auf den gesamten Wirkungsquerschnitt auswirken. Der erhebliche Unter- schied zwischen Umladungsquerschnitt und Wirkungsquerschnitt bei N,+ --t N, legt die Vermutung nahe, daf3 hier tatsachlich anch solche Vorglnge eine Rolle spielen. Ebenso konnte der Wieder- anstieg der Wirkungsquerschnittskurve von Ha+ --t H, oberhalb 22 Vmt, falls es sich nicht nur um MeBnnsicherheiten handelt, durch eine mit der Geschwindigkeit wachsende Dissoziation gedeutet werden. Doch 1aBt sich Sicheres hieriiber erst aussagen, wenn mehr Erfahrungen auf Grund eines groEeren Versuchsmaterials vorliegen.

Vergleicht man rnit den neuen Ergebnissen zuniichst meine alten rnit noch unvollkomxnener Methodik gewonnenen Messungen an Ar+ --r Ar (a. a. O.), so treffen diese bei kleinen Geschwindig- keiten, besonders wenn man die damals benutzten weiteren Blenden beachtet, rnit dem ziemlich konstanten Wert von 120 cm-1 an- genahert das Richtige. Der oberhalb 23 y%% gefundene Anstieg rnit wachsender Geschwindigkeit la6t sich aber nach allen neueren Erfahrungen nicht aufrecht erhalten. Wie schon in ,,ILL mitgeteilt, konnte ich spater mit der verbesserten, neuen Versuchsanordnung den friiheren Fehler ktinstlich nachahmen. Er entstand danach durch die Anwendung elektrischer Felder vor den MeBkafigen. Diese hatten die Aufgsbe, verlangsamte Strahlionen trotz der geradlinigen MeBanordnung von den Auffangern fernxuhalten, beschleunigten aber gleichzeitig infolge der damals noch unbekannten Ionisation

F. Wolf. Uber IonenstZiFe bei strenger Reaonanz 45

die ziemlich zahlreich vorhandenen Elektronen in unerwiinschter Bichtung, so daB die Kafigaufladungen gefalscht wurden. Die neue Anordnung vermeidet die Notwendigkeit von Bremsfeldern durch Einbau der MeBkafige ins Magnetfeld.

In diesem Zusammenhang sei auch ein Versuch zur Quer- schnittsmessung an Ar+ --f Ar genannt, den Herr Dr. He lmut K e h l e r in den Jahren 1931-1932 als Diplomarbeit am hiesigen Institut durchfuhrte.. Wegen des Mangels an Strahlintensitilt, der meine alten Messungen erschwerte, wurde vor Auffindung einer er- giebigeren Ionenquelle versucht, Wirkungsquerschnitte mittels einer vollig geradlinigen Anordnung, ohne ablenkendes magnetisches oder elektrisches Feld, zu erhalten. Der Vorteil groBerer Intensitat wurde dabei aber, wie sich zeigte, durch neue Mange1 aufgcwogen. Vor allem ging die Reinheit des Ionenstrahls bezliglich Ionenart und Geschwindigkeit verloren, nnd der gleichzeitige Verzicht auf Brems- felder vor den KBfigen bewirkte, daB Wechselwirkungen ohne groBere Ablenkung der Strahlionen der Beobachtung entgingen. So kamen nur zwischen 20 und 30 fmt mit Werten, die von 100 auf 80 cm-' absanken, brauchbare Ergebnisse heraus, wahrend die Angaben bei kleineren Geschwindigkeiten weder mit der Erwartung, noch mit der heutigen experimentellen Erfahrung iibereinstimmen. - Der fur Ar+ --t Ar von Beeck und Wayland ' ) ermittelte Wert von 113 cm-' stimmt bei 18 V V T t mit der Ordinate meiner MeBkurve iiberein. Weniger vertriiglich mit den neueren Erfahrungen ist aber ihre Feststellung, daS der Wirkungsquerschnitt von da an bis hinauf zu 25,5 1/ Volt dieselbe konstante GroBe haben soll.

In der Abb. 10 sind meine neuen MeBkurven in einem einheit- lichen Diagramm zusammengestellt zum Vergleich untereinander sowie mit den Wirkungsquerschnitten von R o s t a g n i (a. a. O.), die diinn gestrichelt mit eingetragen wurden. Fu r He+ --t He ist meine Kurve von ,,Iii iibernommen. Es findet sich keine wesent- liche systematische Abweichung zwischen meinen und Ros t agn i s Ergebnissen, die ubereinstimmung ist in erster Annaherung be- friedigend. Der allgemeine Kurvencharakter darf daher trotz der obigen, zum Teil widersprechenden alteren Erfahrungen als gesichert gelten. Der steilere Anstieg von R o s t a g n i s Kurven bei kleinsten Geschwindigkeiten riihrt daher, da6 sie mit engeren Blenden ge- women wurden als die meinigen. - Weiin man schlieBlich auch die Wirkungsquerschnittskurven mit den gaskinetischen Querschnitten vergleicht, die rechts am Rand der Abb. 10 dnrch horizontale Linien

1) 0. Beeck u. H. Wayland, Ann. d. Phye. [5] 19. S. 129. 1934.

-

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

eingetragen sind, so zeigt sich auch hier kein engerer Zusammen- hang. Zwar stimmt die Reihenfolge der Wirkungsqnerschnitte bei He, Ne nnd Ar mit der der betreffenden gaskinetischen Werte

Abb. 10. Vergleich verachiedener Wirkungsquerechnittsmeesungen

iiberein, und dasselbe gilt, wenn man H, und N, rtllein miteinander vergleicht. Aber eine fiir alle fiinf Kurven genieinsame Gesetz- mabigkeit besteht nicht.

Zuaammenfaaaung

Mit bekannten Verfahren wurden umladende, ionisierende (I. 1,2) und gesamte Wirkungsquerschnitte (II. 13) in Abhhgigkeit von der Strahlgeschwindigkeit bei StoSen gemessen, bei denen langsam be- wegte Ionen unter strenger Itesonanz mit ihren eigenen Gasmole- kulen zusammentreffen, und zwar in He, Ne, Ar, H, und NB mit folgenden Ergebnissen:

1. Die gefundenen Umladungsquerschnitte sind durchweg recht grob. Alle Knrven fallen gegen groBe Strahlgeschwindigkeiten hin

F. Wolf. Uber Ionensto’/?e bei strenger Resonanz 47

lsngsam und monoton ab. Die theoretische Voraussage fur unter strenger Resonanz ablaufende St66e stimmt rnit diesem Verhalten iiberein. Die MeBergebniese werden mit sonstigen Erfahrungen ver- glichen (I. 3).

2. Gegen kleine Strahlgeschwindigkeiten hin zeigen silintliche neugemessenen Kurven des Umladungsquerschnitts tibereinstimmend ein deutliches und sicher belegtas Maximum mit anschlieBendem Abfall. Sie bestatigen damit gelegentliche friihere Einzelbeob- achtungen. Nach eingehender Diskussion der neuen sowie alterer Versuche glaube ich, daS man dieses MeSergebnie, das rnit der Er- wartung der bisherigen Theorie vollig im Widerspruch steht, fur reel1 halten mu6 (I. 3).

3. Ionisation durch StoB eigener Ionen ist nur bei den drei Edelgasen feststellbar. Das Einsatzpotential des Vorgangs liegt fur Ne und Ar offenbar schon unterhalb von 100 Volt (I. 3).

4. Die Wirkungsquerschnittskurven ergeben , abgesehen von einer kleinen UnregelmiiSigkeit bei Wasserstoff, die moglicherweise mit Dissoziationsvorgangen zusammenhiingt, einen gleichma6ig ab- fallenden Verlauf mit wachsender Strahlenergie. Dies Verhalten ist verstandlich und in ffbereinstimmung mjt der Erwartung, da die Gesamtwirkung in erster Linie auf der Umladung beruht, zu der ein mit abnehmender Strahlgeschwindigkeit wachsender Beitrag der Streuung hinzutritt. Die MeBergebnisse werden im einzelnen mit anderweitigen Erfahrungen verglichen (11. 3).

Der Helmholtz-Gesellschaft danke ich bestens far vielfache Unterstiitzung, der Linde-A.G. fur die Schenkung der Edelgase. Ferner mochte ich anliiBlich meiner ffbersiedlung iiach Karlsruhe Herrn Prof. Kosse l fur so manche anregenden Diskussionen und Hinweise wahrend der Zeit unseres Zusammenseins auch an dieser Stelle meinen herzlichsten Dank aussprechen.

D anz ig -Langfuhr , Physikalisches Institut der Technischen Hochschule.

(Eingegangen 14. Februar 1937)