35i

Qber die ECektromem- zcnd posifiive Iorzerzemission vom Wolfram-, Molybdan- urzd Tantalgliihf aden

,in Xaliumdarnpf YOTL E d i t h Me y e r

(Mit 10 Figuren)

Die Gliihelektronenemission der Metalle ist nicht nnr ah- hangig von der Brt des Metalles selbst, sondern auch ron der Natur und der Dichte von Gasen und Metalldampfen, voii clenen das emittierende Metal1 umgeben ist.

Die Wirksamkeit der letzteren beruht nach J. Langinni r in vielen Fallen auf der Bildung adsorbierter Schichten yon cler Uicke eines Atomdurchmessers, die als elektrische Doppel- schichten aufgefaBt werden. Sie andern die Austrittsarbeit des Xetalles und damit die Elektronenemission. Fiir diese Er- klarung sprechen Beobachtungen an Wolframdrahten in Sauer- stoff und Alkalidampfen.

Anderer Art scheint der EinfluB von Stickstoff auf die Wolframemission zu sein. Es kann direkt nachgewiesen werden, da% die Wolframoberflache chemisch angegriffen wird, wenn man sie mit positiven Stickstoffionen bombardiert. l) Eine so yon den Gasatomen oder den entsprechenden Gasionen che- inisch geanderte Metallobertliiche hat natiirlich auch andere Emissionskonstanten. Durch Einflusse gleicher Art diirften auch die starken von Halogenen hervorgerufenen Emissions- iinderungen zu erklaren sein.

Fiir eine andere Erklarung des Einflusses yon F r e d - gasen auf die Gluhelektronenemission sprechen Beobachtungen Ton R. Suhrmann2) an Platin- und yon H. Simon3) an Tantal-

1) J. L a n g m u i r , Ztschr. f. anorg. Chem. 85. S. 261. 1914. 2) R. S u h r m a n n , Ztschr. f. Phys. 13. S. 17. 1923. 3) H. Simon, Ztschr. f. techn. Phys. S. S. 434 1927.

355 E. Me yer

clrahten in Wasserstoff. I n beiden Fd len treten Erscheinungen auf, die auf eine Strukturanderung des Metalles durch okklu- dierten Wasserstoff hinweisen und dadurch die geanderte Emission erklaren lassen.

Uber die Gliihelektronenemission von Wolfraindrahten in Dhipfen Ton Alkalimetall erschienen in den letzten Jahren eine Reihe von Arbeiten. Sie wurden teils im Forschungs- laboratorium der General Electric Comp. in Schenectady, teils in Bell Telephone Laboratories New York ausgefuhrt. Es gelang znniichst L a n g m u i r und Kingdon l ) nachzuweisen, dafi die Anwesenheit von CBsium im Vakuumrohr die Elektronen- emission eines gluhenden Wolframfadens wesentlich beeinflufit.

Schon bei 900 bis 1100 O abs. tritt eine nennenswerte Emission auf. Bei hoheren Temperaturen sinkt sie wieder auf unmeBbar kleine TTerte, bis die Eigenemission des Wolframs mel3bar wird. Von diesen Teniperaturwerten an (etwa 1200 O abs.) befolgt die Emission die Richardsonsche Gleichung:

7, - - J = L4 .T2 . e T

nud m a r sind dann fiir d und b die fur reines Wolfram geltenden Werte einzusetzen.

Die gleichen Autoren untersuchten auch die positive Ionen- emission des TTolframfadens. 2, Sie fanden, daB oberhalb einer gewissen Fadentemperatur (1200 O abs.), bei der der Gliilidraht kein Casiummetall mehr adsorbiert enthiilt, der positive Ionen- strom konstant bleibt, wenn man die Teniperatur des Gluh- fadens erhoht. Unterhalb 1200" abs. nirnmt der positive Strom sehr rasch ab.

L a n g m u i r und Eiingdon bildeten sich aus diesen Ver- suchsergebnissen folgende Vorstellung von den Vorgangen:

Oberhalb 1200° abs. handelt es sich fur den positiven Ionenstrom urn eine reine Temperaturionisa,tion des Cgsium- dampfes an der niederschlagfreien Oberflgche des gluhenclen Drahtes aus vollstiindig reinem Wolfram. Fast jedeni anf-

1) J . L a n g m u i r und K .H.Kingdon , Phys.Rev.21. S.3SO. 1923;

2) J. LangmuirundIC.I-I .Kingdon, Science 57.8. 58. 1923; Proc. 0-3 S. 113. 1924; K. H. K i n g d o n , Phys. Rev. 24. R. 510. 1924.

Roy. SOC. (A) 107. S. til. 1925.

Cber die Elektronen- und positive Ionenemission usw. 359

tretenclen Atom des Dampfes wird das Valenzelektron ent- rissen, da die Elektronenaffinitat des Casiumatoms (Ionisie- rungsspsnnung) kleiner ist als die Elektronenaffinitat des Wolframs (L4ustrittsarbeit). Bei geniigend hoher Temperatur des Wolframs Yerdampfen die ionisierten und die neutralen Atome sofort wieder, und die Oberflache bleibt frei von Fremd- atomen. 1st die Temperatur geringer, so wird ein Teil durch die Atomkraftfelder bzw. durch die ,, S c h o t t k y sche Bildkraft" l) (d. h. die Anziehungskraft, die von der durch das Ion selbst auf dem Gliihfaden induzierten Laclung auf das Ion ausgeiibt wird) auf der Oberflache festgehslten. Durch diese festgehaltenen Atome werden die an der Oberflache wirkenden Felder ihrer- seits modifiziert, wodurch die Austrittsarbeit des Materials nach einem ahnlichen Mechanismus wie bei der Tehneltelektrode herabgesetzt wird. Dadurch werden die Bedingungen fur die Ionisation der auftreffenden Atome ungiinstiger. 1st schlieB- lich die Austrittsarbeit so klein geworden, daB sie geringer ist als die Ionisierungsspannung cles AIkalidampfes, so sinkt die Zahl cler ionisierten Atome auf einen Bruchteil der Zahl der auftreffenden, d. h. der positive Ionenstrom nimmt mit fallen- der Temperatur rasch all.

Die Verringerung der Austrittsarbeit wirkt andererseits so, daB die Elektronenemission schon bei tiefen Fadentemperaturen betrachtliche Werte annimmt. Wird die Besetzungsdichte des Drahtes mit Fremdatomen groaer als ein giinstigster Wert, so steigt die Austrittsarbeit wieder, und die Elektronenemission muB rapid abfallen.

Diese Vorstellung zeigt qualitativ die Art der Vorgange. Sie wurde von L a n g m u i r und Kingdon durch eingehende thermodynamische Behandlung des Problems gewonnen. Ich merde auf diese ini folgenden noch zuruckkommen.

Das Wolfram-Casiumproblein wurde spater von J. A. B e c k e r 2, weiter eingehend untersucht und es gelang ihm, aus clen Aktivierungskurven (a. h. dem zeitlichen Verlauf der Elek- tronenemission, wahrend der Draht sich mit Fremdatomen he- liidt), auf die Besetzungsdichte des Drahtes zu schlieaen. Nach-

1) W. Schottky , E'hys. Ztschr. 15. S. 872. 1918. 2) J. A. Becker , I'hys. Rev. 28. 8. 341. 1926.

360 E. Meyer

dem er so fiir verschiedene Fadentemperaturen den mit CBsium bedeckten Bruchteil 8 der Oberfliche ermittelt hatte, konnte er Verdampfungs- und Adsorptionscharakteristiken bestimmen. Verdampfung und Adsorption tragt er in Atomen pro Quadrat- zentimeter und Sekunde als Funktion yon 8 auf.

ergaben, daB die Elektronen- emission und der positive Ionenstrom von Wolframdraliten in Kalium- und Rubidiumdampf Erscheinungen zeigen, die genan denen entsprechen, die L a n g m u i r und K i n g d o n fur Wolfrain in Casium erhielten. Er bestimmte die Abhangigkeit des Elek- tronen- und des positiven Ionenstromes von der Temperatur des Gluhfadens und von den Dampfdrucken der Alkalimetalle. Aus dem konstanten Wert des positiven Ionenstromes bei hohen Fadentemperaturen berechnete er ferner die Dampfdrucke von Kalium, Rubidium und Ciisium.

Messungen von Ives2) uber den Photoeffekt an Alkali- hiiuten auf Platin als Funktion der Temperatur des Platin- bandes zeigten, daB qualitativ die gleichen Erscheinungen wie bei der Gliihelektronenemission auftreten.

Da er in einer vorangehenden drbeit3) festgestellt hatte, dab die Photoemission iiberraschend stark mit dem Unterlage- material der Alkalihaute variierte, und da andererseits von L a n g m u i r und K i l l i a n nur die Lnderung der Gliiheinission mit Lnderung des benutzten Alkalimetalls untersucht wnrde, erschien es interessant, die Emission verschiedener Gliihfaden- inaterialien in dem gleichen Alkalidampf zu ermitteln.

In der vorliegenden Arbeit sollen unter diesem Gesichts- punkt die Elektronen- und positiven Ionenstrome von Mvolfraiii, Tantal und Molybdtingliihfaden im Kaliumdampf untersucht werden.

Apparatur

Untersuchungen von K i l l i a n

Benutzt wurde ein T'akuurnrohr mit zylindrischer Anode uud zentriert angeordnetem Gliihfaden. Die Metallteile mit Ausnahme des Gliihfadens bestanden aus Vakuumnickel. Eiu seitlicher Ansatz diente zum Eindestillieren des Kaliuins. Die

1) Th. J . Kill ian, Phys. Rev. 27. S. 578. 1926. 2) H. E. I v e s , Astrophps. Journ. 64. S. 1%. 1920. 3) H. E. I v e s , Astrophys. Journ. 60. S. 209. 102.1.

Uber die Elektrone?i- und positive lonenemission usw. 361

Gliihfiiden bestanden aus Wolfram, Molybdan bzw. Tantal, n-aren 6 bis 8 cm lang und hatten 0,l mm Durchmesser.

Mit groBer Sorgfalt wurde das benotigte Kalium in einer gesonderten Pumpapparatur aus Kaliglas durch mehrfaches Umdestillieren im Hochvakuum gereinigt (vgl. P o h l und Pri n g s - h eim 1) und dann in zugeschmolzenen Rohrchen aufbewahrt.

Schaltskizze Fig. 1

Vor den1 Buspumpen des Rohres wurde das Kalium in den seitlichen Ansatz eingefuhrt und dieser zugeschmolzen. Das Rohr wurde, nachdem das Kaliuni noch einmal um- destilliert war, in der iiblichen Weise gereinigt und die Elek- troden entgast.

Ebenso wie bei Langniu i r und Kingdon und bei K i l l i an enthielten meine Rohre einen gberschul3 von metallischem Kalium. Wurde also das Elektronenrohr in einen Thermo- staten gebracht, so war der Kaliumdampfdruck in den1 Rohr

1) R. Poh l und P. P r i n g s h e i m , Verhdlg. d. dtsch. phys. Ges. 16. S. 336. 1914.

363 E. illeyer

gleich dem Sattigungsdruck des Kaliums bei der Teniperatur des Thermostaten. -41s solcher diente ein mit Paraffin01 ge- fiillter elektrischer Ofen. Durch hiiufiges, kraftiges Riihren wurde fur gleichmiiBige Temperatur cles Paraffins gesorgt.

Die Mepanordnung wird durch Fig. 1 schematisch wieder- gegeben. Die Emissionsstrome wurden rnit einem Einfaden- elektroineter und parallel geschalteten hochohmigen Wider- standen von lo5, lo", lo7 und lo9 9 gemessen. In dieser Schaltung muI3 die Anode iiber die Widerstande geerdet sein. Daher mu6te die Spannung an den Gliihfaden gelegt werdeu. Sie war von + 320 Volt bis - 220 Volt kontinuierlich ver- iinderlich.

Temperaturbestimmung

Um die Messungen mit den Resultaten der nmerikanischen Forscher vergleichen zu kiinnen, niuBte die Temperaturbestini- mung in gleicher Weise durchgefiihrt werden, Deshalb murde die Temperatur des Gliihfadens durch den Heizstrom iH cha- rakterisiert, der ihn durchfloM. Da der Strom iH rnit einem Nillittmperemeter von S. & H. gemessen wurde, konnte er auf etwa 1 Proz. genau bestimmt werden.

Mit dem Mikropyrometer wnrden die zu bestimmten Heiz- stromstarken gehorigen schwarzen Temperaturen S, gemessen und mit Hilfe der Werte des spektralen Eniissionsvermogens el auf die wahre Temperatur des Gliihfadens T umgerechnet rnit Hilfe der Gleichung:

1 1 h .2,303 . log el

il = Wellenliinge des Filters im Pyrometer, c2 = 1,433 cm/Grad.

-- -- = T c,

Das Filter des benutzten Pyrometers lieB Strahlung von 0,651 p durch. Daher konnten mit geringem Fehler fur das spektrale Emissionsvermogen die vonWorthingl) f i i rh = 0,665 p bestimmten Werte eingesetzt werden. Es ergeben sich die in den Tabellen 1-3 angegebenen Temperaturwerte.

1) A. G. Worthing, Phys. Rev. 10. S. 377. 1917.

Uber die Elektronen- wid positive Ionenemission USUL 363

T a b e l l e 1 Wolfram

S," abs. T o abs.

1028 0,455 1115 0,453 1213 0,451 1268 1303 0,450 1366 1353 0,449 1435 1463 0,446 1535

Die so berechnete Heizstrom-Temperaturkurve wnrde fiir jedes Material aufgezeichnet. Da ein Teil der fur die Mes- sungen in Frage kommenden Temperaturen unterhalb des Ne8bereichs des Pyrometers liegt, muBte fiir diese Werte extra-

SLo abs.

1013

poliert werden.

c, To abs.

0.458 1050

Tabe l l e 2 MolybdLn

0,62 0,68 0,74 0,80 0,88

Slo abs.

1255 1328 1340 1373 1403

0,378 0,377 0,376 0,375

T a b e l l e 3 Tantal

To abs.

1350 1410 1425 1460 1490

0,38 0,44 0,52 0,68 0,80 1,oo

1063 01456 1110 1153 I 0.452 I 1210

Diese Xethode der Temperaturbestimmung ist zwei Fehler- quellen untermorfen.

1. Beim Auspuinpen des Rohres inuBte der Faden unter Anlegung eines hohen elektrischen Feldes stark ausgegliiht werden. Dabei zerstiiubt der Gliihfaden und es bildet sich ein metallischer Belag auf der Glasoberflache, der einen Teil der Strahlung absorbiert.

364 E. Meyer

2. Um eine einwandfreie Abbildung des Gluhfadens in cler Ebene der Vergleichslampe im Pyrorneter zu gewahr- leisten, muDte man ferner durch ein planparalleles Fenster in dem Versuchsrohr pyrometrieren. Das ist in diesem Falle nicht geschehen, da ein Ansatz mit aufgeschmolzener Plntte das Versuchsrohr zu sehr kompliziert hatte.

Die Elimination dieser Fehlerquellen wurde in folgender Tl'eise versucht:

F"ir den Wolframfaden konnten mit Hilfe der Temperatur- skala von W o r t h i n g und Forsy the ' ) aus den Drahtdimen- sionen unter Berucksichtigung der Endkorrekturen die Heie- stromstarken errechnet werden, die notig sind, um den Gliih- faden auf bestimmte Temperaturen zu bringen. Es ergibt sich daraus fur Wolfram die Temperaturtabelle 4.

Tabe l l e 4 Temperaturtabelle fur Wolfram (berechnct nach W. u. F.)

0,161 0,!!04 0,381 0,304 0,363 0,494 0.655 0$37 1,004 1,190

800 900

1000 1100 1200 1.200 1600 1800 2000 2200

1,25 1,11 1 ,00 0,91 0,834 0,714 0.635 0;556 0,500 0,455

Zeichnet man die errechnete und die aus den Pyro- meterbeobachtungen gewonnene Heizstromtemperaturbeziehung auf (Fig. 3) so findet man, daD die errechnete Kurve ilurch- schnittlich um 20 Proz. hoher liegt als die pyrometrierte. Analog diirften auch bei Tantal- und Molybdangliihfaden die Verluste aus den beiden vorhin diskutierten Fehlerquellen Cihnliche Hohe haben. Infolgedessen mussen wohl die pyro- metrierten Temperaturen um 20 Proz. erhoht werden.

Es ergeben sich d a m folgende Temperaturtabellen 5 und 6.

1) A. B . W o r t h i n g u. W. E. F o r s y t h e , Astrophys. Journ. GI. S. 146. 1926.

ober die Elektronen- positive Ioonenemission usw. 3 65

Temperaturkurve Wolfram a nach F o r s y t h e und Worth ing , b pyrometrisch bestiinmt

Fig. 2

Tabel le 5 Korr. Temperaturtabelle fur Molybdan

0,lS 0,22 0,25 0,28 0,32 0,36 0,44 0,52 0,62 0,80 1 ,oo

Ta abs.

730 810 870 930

1010 1080 1230 1360 1488 1650 1815

1.000 T

~

1,37 1,23 1,15 I ,07 0.99 0,925 0,813 0,735 0.674

0,550 0,606

Tabe l l e 6 Korr. Temperaturtabelle fur Tantal

iH

0,lO

0,ld 0,20 0,24

0,14

0,28 0,3H 0,41 0,62 1,oo

To abs.

610 I 1,64 720 I 1.392 770 865 955

1040 1185 1300 1515 1890

1;298 1,155 1.05 0;962 0,843 0,770

0,528 0,660

Annalen der Physik. 5. Folge. 4. 28

366 E. Me yer

Die hier angegebenen Temperaturen beziehen sich alle auf einen Gliihfaden, dessen Umgehnng auf Zimmertempe- ratur ist.

1st die Temperatur des AuBenraums eine andere, so andert sich auch - bei gleiclier Heizstromstarke - die Faden- temperatur, denn es gilt fur den Teil des Fadens, der gleich- maBige Temperatur erreicht, in Clem also keine Wiirmeablei- tung nach den Zufuhrungen auftritt, die Energiegleichung : die hineingeschickte elektrische Energie ist gleich der aus- gestrahlten Energie, vermindert urn die yon der Umgebung eingestrahlte Energie. Fiir die Ofenteniperaturen Tofen gilt also :

w orin ? t o = e (T)-c.(T4-- To4fe,).2nr 1 ,

e (T ) = Emissionsvermogen von Wolfram,

2 .n r I = strahlende Oherfliiche des Drahtes. c = S t e f a n - B o 1 t zmann sche Konstante,

Da die GroBe e (T)-c.(T4- To4) = 71 (7')

die Gesamtstrahlung pro Quadratzentimeter eines Fadens der Temperatur T in einem Raum von Zimmertemperatur To als Funktion von T heknnnt ist, ist es zweckmiiBig, folgende Um- formung vorzunehinen:

i 2 w = e(T).c.{ !P- To4- (TOEen4- To4)j.2nrZ

Man kann also mit Hilfe dieser Gleichung fur jede be- nutzte Ofentemperatur die Temperaturheizstromkurve be- rechnen.

Da aber im vorliegenden Fall, wie sich zeigen wird, die Temperaturanderungen des Gliihfadens durch die h d e r u n g der Ofentemperatnr innerhalb der Fehlergrenze der Tempe- raturbestimniung iiberhaupt liegen, ist e s nur von Wert, die GroBe der Anderung abzuschatzen.

fiber die Elektronen- und positive Ionenemission USIO. 367

Fiir Zimmertemperatur Too abs. gilt: 2 n r l

i 2 =I]'. 1. W

Ftir jede andere Temperatur TOfeno abs.:

Tyy-J. i . 7 . 2 n r l % 2 = _ _

T0fen4- II' 14- To

20

Der Bruch ----+ giht also direkt die Korrektur.

Fur gleiche Ofentemperatur wird sie mit wachsender Faden- temperatur kleiner. Fur gleichbleibende Fadentemperaturen wachst die Korrektur mit wachsender Ofentemperatur. Bleibt sie also fur die niedrigste Faden- und hochste Ofentemperatiir innerhalb der Fehlergrenze der Heizstrommessung, so ist sie zu vernachlassigen. Die Korrektur werde fiir folgende drei Falle berechnet :

1. T = 900° abs., Toren = 393O abs., To = 293O abs.?

(1 - 0,0248).' . q . 2 n r l 22 = ___

W

Um bei einer Ofentemperatur von 120° C die Faden- temperatur 900° abs. zu erreichen, braucht man einen Heiz- strom i,, der 1,2 Proz. kleiner ist als der bei 20° C benotigte. Halt man dagegen iH Ironstant, so wird sich die Fadentempe- ratur T urn etwa 0,6 Proz. andern.

2. T = 1000 abs., Tofen = 393O abs., To = 293" abs., . q.2nrl 02 = ___ (1 - 0,0168).

W

Anderung von i, = 0,s Proz. Entsprechende Anderung von T = 0,4 Proz.

3. T = 900° abs., Toren = 333O abs., To = 293O abs.,

(1 - 0,0074). q.2n r 1 i2 = ____ %(r

Anderung von i, = 0,37 Proz. Alle so errechneten xnderungen des Heizstromes und die

entsprechenden Temperaturiinderungen bei konstant gehaltenern ;H liegen also nahe an der Felilergrenze der Temperatur- bestimmung und diirfen vernachlassigt werden.

0- % u3

368 R. Meyer

Perner braucht auch der Energieverlust durch die WBrme- leitung des Kaliumdampfes nicht beriicksichtigt zu werden, denn eine fjberschlagsrechnung zeigt, daR dieser Energieverlust bei der niedrigsten Fadentemperatur nur das 10-3-fache des Strahlungsverlustes betrggt. (In die Rechnung geht das mole- kulare Warmeleitvermiigen des Kaliumdampfes von geringem Druck ein, das nach B a d e l) berechnet wurde.)

MeBergebniese

A. El e kt r on en emi s si on

Die Figg. 3, 4 und 5 zeigen die Ergebnisse der Elek- tronenstrommessungen an Wolfram, Molybdan und Tantal in Kaliumdampf. Als Ordinate murcle der Logarithmus der Emissionsstromwerte aufgetragen, als Abszisse lOOO/ T , worin T die Drahttemperatur im absoluten MaRe ist. Der an den Kurven angegehcne Zahlenwert ist die Ofentemperatur in Celsiusgraden. Der Kaliumdainpfdruck, bei dem die be- treffende Emissionskurve aufgenommen wurde, entspricht dem Sittigungsdruck des Iisliums bei dieser Temperatur.

Zunachst wurde fiir jede Fadentemperatur die Strom- spannungskurve aufgenommen. Es zeigte sich dabei, daR Sattigungsstrom nur bei niedrigen und dann bei hohen Faden- temperaturen vorhanden war. In dem dazwischen liegenden Interval1 war die Sittigung sehr schlecht, jedoch noch so, daB man auf den Wert ie schlieRen konnte. Diese Beobachtung entspricht den von Becker2) und Becke r und Miillers) fur die Gluhelektronenemission mitgeteilten Tatsachen; ghnliche Erscheinungen, die Suhrmann".) beim Photoeffekt von Kalium auf Platin beobachtete, miigen hier erwiihnt sein.

Die einzelnen Kurven sind durch mehrfache Mefireihen, die einige Wochen auseinanderliegen , festgelegt. Jeder der angegebenen MeApunkte ist aus mehreren Messungen bei stei- genden und fallenden Temperaturen gemittelt ; die & w i n - stimiuung der MoRreihen ist befriedigend.

1) B. Baule , Anu. d.Phys. 44. S. 172. 1913. 2) J. A. B e c k e r , a. a. 0. 3) J.A. Becker u. D. W. Muller, Phys. Rev. 31. S. 431. 1928. 4) R. Suhrmann, Naturwissenschaften 16. S. 336 u. 616. 1928.

Uber d ie Elekfronen- und positive .lo?~eeien&iission usw. 369

Die Emissionskurven - Figg. 3, 4 und 5 - zeigen in groBen Ziigen den gleichen Charakter wie die von L a n g m u i r nnd Kingdon fur Wolfram in Casium, von Kil l ian ' ) fur Wolfram in Rubidium und Kalium angegebenen Xurven. Doch weichen sie alle in einem Punkte ah

W a r e n d sich bei L a n g m u i r und Ki l l i an das Maximum der Elektronenemission bei groBeren Kaliumdampfdrucken nach hijheren Fadentemperaturen verschiebt, tritt es hier immer bei

Elektronenemission W-K Elektronenemission Mo-I< als Funktion der Fadentemperatur (emittierende Fliiche: 5 lo-' cm*)

als Funktion der Fliichentemperatur (emittierende Fliiche: 4,7 - 10-8 cm2)

Pig. 3 Fig. 4

der gleichen Heizstromstarke ein. Beriicksichtigt man, daS bei gleicher Heizstromstarke (entsprechend 850 O abs.) durch Erhohung der Ofentemperatur von 60° auf 120° die Faden- temperatur infolge cler verminderten Ausstrahlung urn hoch- stens 0,2 Proz. steigt, daJ3 ferner alle anderen Effekte yon noch kleinerer GroBenordnung sind, so zeigt sich , daR von einer solchen Verschiebung hier keine Rede sein kann. (Zum

1) Th. J. K i l l i a n , a. a. 0.

370 E. illeyer

Vergleich: bei K i l l i a n [Wolfram in Kaliuni] verschiebt sicli das Maximum von 833O abs. bei SOo C Ofentemperatur auf 953O abs. bei 120' C Ofentemperatur.)

Das Resultat ist also: die Kurven bei verschiedenen Kaliurn- dampfdrucken sind untereinander ahnlich und zeigen bei gleichen Padenteniperaturen hohere Emissionswerto, wenn die Danipf- drucke vergroBert sind.

I

7 m - A + , , I ( I I ( , I ( , I I

{5 Q6 ,Q7 q8 Q9 T i Zf Q I 13 Z$ Z5 [6 ,.17 7

Elektronenernisvion T-B als Funlrtion der Temperatur (emittierende Flache: 3,2 . an2)

Fig. 5

2QQOah IW&230ah Q#a6s &Gabs ZVabs 6 V U . h

Oberhalb einer gewisseii E'adentempcratur, die fur U701f- ram ungefiihr 1350' abs. ist (Molybdan - 1000° abs. und Tantal - 1350' sbs.), liegen die MeBpunkte angenahert auf einer Geraden, gleichgiiltjg, bei welchern Kaliunidampfdruck gemessen arird. Tr&gt inan als Ordinate nicht log,,iB, sondern In i,- 2 In T auf, so kann man aus der Neigung der Geraden die Austrittsarbeit des Materials berechnen. In Tab. 7 sind

Uber die Elektronen- urid positive loneviemission usw. 37 1

die so berechneten Austrittsarbeiten den fur Wolfram, Mo- lybdiin und Tantal bekannten Werten I) gegeniibergestellt. Es ergeben sich dort fiir alle drei Metalle Werte, die etwas zu hoch siztd.

Tabe l l e 7 hustrittsarbeiten der benutzten Materialien

Vergleicht man in den Figg. 3-5 Kurven gleicher Ofen- temperatur (etwa 120° C), so sieht man, daB der Kaliumeffekt bei Tantal am groBten ist, dann folgt Wolfram und zuletzt Nolybdiin. Es sei schon hier darauf hingewiesen, daB nach den Vorstellungen der genannten Antoren eine andere Reihen- folge, narnlich Wolfram, Molybdiin, Tantal zu erwarten war. Auf diesen Umstand werde ich nocli zuriickkommen.

B. P o s i t i v e I o n e n e m i s s i o n Die Resultate iiber die positive Emission wurden in ent-

sprechender Weise gefunden wie fiir die Elektronenemission. I n den Kurven der Figg. 6 bis 8 sind die log,,i+-Werte iiber 1000/T aufgetragen. An jeder Kurve ist wieder die Ofentemperatur, bei der sie gemessen wnrde, angegeben.

Zum Vergleich meiner Messungen an Wolfram rind Kaliuin mit den von Ki l l i an erhaltenen Resultaten sei die Kurve bei 80' C aus Pig. 6 und die Killiansche bei 85,6O C (wegen der nahezu gleichen Dampfdrucke) herangezogen.

Aus der Kurve von Ki l l i an geht hervor, daB die posi- tive Emission auf den 102-fachen Wert ansteigt, wahrend die E'adentemperatur von etwa 1050O abs. auf etwa 11i'OO abs. steigt und bei 1170O abs. etwa 5.10-6 Amp. betragt. Bei dieser Temperatur springt die Emission nach Ki l l i an auf etwa 3. 10-5 Amp.! also urn eine Zehnerpotenz, urn bei weiterer

1) Entnommen aus L a n d o l t - R i i r n s t e i n , Phys.-chem. Tabellen,

2) Th. J. Kil l ian , a. a. 0. 1. Ergiinzungsband.

373 E. Meyer

Temperaturerhohung konstant zu bleiben. Mit diesen Ergeb- nissen decken sich meine Messungen nur zum Teil.

Unterhalb 1 looo abs. Fadentemperatur sind die Werte der positiven Emission so klein, daR die Stromempfindlichkeit meines MeBinstrumentes zur Messung nicht ausreichte (also kleiner als 1O-lo Amp.). Dann wachst in einem endlichen Temperaturintervall von 1 160-1220° abs. die Emission selir rasch auf etwa 3.10-G Amp., um schlieBlich den bei weiterer Temperaturerhohung konstant bleibenden Wert 1 - 10- Amp.

93

6-70

-8

-9 Wo/Fram-Ka//um Posit/ve /onenem/ss/on

[emh’tierende FSche: 3 mioJ.cmq

I

Fig. 6

anzunehmen. Dieser Wert stimmt unter Berucksichtigung der geringeren Ofentemperatur jkl einerer Kaliumdampfdruck) und der kleineren emittierenden Flache meines Gluhfadens sehr gut mit I i i l l i a n uberein. Die Messungen wurden zum Teil mit dem Fadenelektrometer, zum Teil mit einem Galvanometer ausgefuhrt. Mit beiden Instrumenten konnte in dem Interval1 von 1160-1220° abs. nur eine zwar sehr rasche, doch durch- aus stetige h d e r u n g der positiven Ionenemission mit der Temperatur festgestellt werden. Die Ablesungen wurden 1, 3 bzw. 5 Minuten nach Einstellung der Fadentemperatur durchgefuhrt. Die so gemonnenen drei Werte fur i, zeigten keine wesentlichen Abmeichungen voneinander.

l%er die Elektronen- und posit ive Ioneneni iss ion usw. 373

In Fig. 7 und 8 sind die mit Molybdkn- und Tantal- gluhfaden erhaltenen Resultate aufgetragen. Der Verlauf der Kurven ist bei beiden Metallen im wesentlichen derselbe wie

-I0 b

- I I I I I I I I I I I 1 m

Positive Ionenemission Tantal-Kalium [emittierende Fltiche: 6,2 - cm2)

Fig. 8

beim Wolfram; doch fallt bei beiden auf, dal3 nur bei hohen Ofentemperaturen, also hohen Kaliumdampfdrucken, die Emis- sion bis zu der Fadentemperatur 2000O abs. hin konstant bleibt (uber 2000O hinaus wurde nicht gemessen). Bei niedrigen

374 E. M e p

Kaliumdampfdrucken wird die Emission zwar zunachst kon- stant; ist aber die Fadentemperatur einige looo hoher ge- worden, so beginnt sie wieder mit der Temperatur zu wachsen; sie scheint allerdings bei noch hoheren Fadentemperaturen noch einmal konstant zu werden.

Tantal zeigt auch bei der positiven Emission ebenso wie bei der Elektronenemission ein anderes Verhalten wie die beiden anderen Metalle. Wihrend bei Wolfram und Molybdan, wie aus Figg. 6 und 7 ersichtlich, die positive Emission in einein Temperaturbereich von weniger als looo ziemlich plotz- lich steigt, erfolgt der Anstieg V G ~ gerade meBbarer Emission bis zum konstanten Emissionswert beim Tantal in clein Be- reich von 930-l10Oo abs.

Ferner fallen fur Wolfram und MolybdLn die Tenipe- raturen, in deren Umgebung das rasche Anwachsen der posi- tiven Emission stattfindet (W - 12OOo abs., Mo - 1000° abs.) iriit den Temperaturen zusammen, bei denen, wie aus den Figg. 3 rind 4 zu entnehmen ist, die Elektroneneiiiission ihr Minimum durchlauft.

Das ist beim Tantal nicht der Fall. MGihrend die Elektronen- emission erst bei 1250O ein Minimum hat, ist die Ionenemission schon von etwa l l O O o an konstant.

Diskuseion der Resultate Zur Deutung des Verhaltens der positiven lonenstroiue

des Systems Wolfram- CLsium benntzt J. L a n g m u i r 1) eine inodifizierte Form der von W. Nernstz) auf die thermische Uissoziation von Gasen angewandten Gleichung:

die iu der ausliindischen Literatur nieist als ,,modifizierte Sahasche Gleichung" bezeichnet w i d . Er kommt in der au- gefiihrten Arbeit zu dem Ergebnis:

F _ - c+ s + ( J - t f J - ) = e c x sx

- -- _ _

1) J. Langmui r , Proc. Boy. SOC. (A) 107. S. 61. 1935. 2) W. Nernst, Wlrmesatz S. 154, Halle 1918.

Uber die Elektronen- u?ad positive Iownemission usw. 375

Hierin bedeuten: c+ und e x die Konzentrationen der positiven beziehungsweise neutralen Teilchen ; s+ und s X die StrGmung der positiven und neutralen Teilclien in Mol. cm-2.sec-'; F ist die Faradayzahl, R die Gaskonstante; 1' die absolute Tempe- ratur. J und q- bedeuten die Ionisierungsspannung des Metall- dampfes und die Elektronen anstrittsarbeit des Gliihfadenmaterials.

Die Ableitung der letzten Gleichung aus der voraufgehenden findet man im Handbuch der Experirnenta1physik.l)

Diese Betrachtung gilt fur beliebige Systeme von gliihenden Metalloberfliichen und Gaseu, also auch fiir die Systeme Wolfram-Kalium, Molybdan-Kalium und T'antal-Kalium.

Nimmt man geniigend hohe Temperatnren, bei denen die Gliihdrahtoberfliiche frei von Gasatomen ist, so kann man zur Berechnung des Ionisierungsgrades fur y- die Elektronen- austrittsarbeit des reinen Metalls einsetzen. Die in Tab. S an-

gegebenen Werte von ~ -- sind berechnet aus den Formeln: S+

Sx

11613 -- (4,32-4,66) fur Mo-K = c Y

S+

S

7 S+ -__ "F3 (1,3?-4,38) fur Ta-h ~ = e

S X

Hierin ist als Ionisierungsspannung I des Kaliums der Wert eingesetzt, der sich mit Hilfe der Gleichung:

h . u = e . V aus der Wellenliinge der Hauptseriengrenze ergibt.2) Als Austritts- arbeiten sind die Werte eingesetzt, die sich aus den Elektronen- strommessungen fur die benutzten Metalle ergaben (Tab. 7).

Aus den Werten fiir \T-K sielit man sofort, daB in den1 cler Messung zugiinglichen TeinlJeraturintervall yon 1200 bis 2000 abs. der Ionenstrom pralrtisch konstant bleiben mu13, da s+ > sx. Dies ist durch die Messungen des Stromes gut bestktigt.

1) W i e n - H a . r m s , Handbuch der Experimentalphysik. Bd. 13, 2.

2) Bestimmung der Ionisierungsspannung J z. B. bei J. T. Ta.te s. 73 u. f.

und P. D. F o o t e , Phil. Mag. 36. S. 64. 1918.

376

1000 1200 1500 2000 2500

E. Meyer

Tabe l l e 8

1223 51,9 2,Ol 374 26,9 1,79 11 5 13,9 1,59

1,42 1,33

35 772 17,2 4,86

Die Werte der Tab. 8 sind berechnet unter der Voraus- setzung, daB die Gluhfadenoberflache frei von adsorbierten Atomen ist, was nach den Elektronenstrommessungen far alle Metalle von etwa 1200O abs. an erfiillt ist. Das bedeutet, dafi samtliche auf den Gliihfaden auftreffenden Kaliumatome den Gluhfaden sofort verlassen, und zwar als neutrale oder positive Teilchen. Den Strom der auftreffenden Teilchen nenne ich s. Oberhalb 1200O abs. gilt also:

Hierin ist s = s + + s x .

Fiihrt man statt s, s+ und S X die Zahl der pro Sekunde durch 1 cm2 hindurchgehenden Teilchen als N , N+ und N x ein, so gilt auch

oder N = N + + N x

N , die Zahl der pro cm2 und sec auftreffenden Teilchen, ist mit dem Dampfdruck des Kalium bei der Temperatur TO ver- knupft durch:

und N + mit dem Elementarquantum 8 in Coulomb multipliziert, ist gleich den in Ampere pro cmz gemessenen Ionenstriimen.

Da fur Wolfram, wie schon hervorgehoben, s+>sx ist, kann man N = N + setzen und erhalt die Beziehung

p = N . i 2 T r n k T o *

Uber die Elektronen- und positive Ionenemission us20. 377

Der positive Ionenstrom von Wolfram in Kalium ist also oberhalb 1 200° abs. Fadentemperatur direkt proportional dem herrschenden Kaliumdampfdruck.

Fur Molybdan und Tantal mu6 man den Anteil der uicht ionisierten neutralen Teilchen, die vom Gliihfaden fortgehen! beriicksichtigen und erhiilt:

I n diesen Rechnungen ist immer

T = Temperatur des Gliihfadens, To = Temperatur des Kaliumdampfes, der der Sattigungs-

Die nuinerische Rechnung ergibt, daB fur Tnntal in Kalium-

druck p entspricht.

dampf 8 - P

v2n rn k To i, bei 1200° = 0,642 . ___ , i, bei 2000O =0,57 . 8.P

1 / 2 n m k T 0

ist. Das entspricht einer Verringerung des positiven Ionen- stromes um 12 Proz., wenn die Gliihfadentemperatur von 1200’ auf 2000’ steigt. Die entsprechenden W-erte fur Molybdan sind:

i, bei 1200O = 0,97 - 8.P

7/2nmTo- i, bei 2000° = 0,89 - 8.P .

y 2 n w k To

Verminderung der Emission um 8 Proz. Diese Abnahme der Ionenstrome mit wachsender Faden-

temperatur bei gleichbleibendem Dampfdruck konnte durch die Messungen nicht festgestellt werden. Im Gegenteil zeigte sich, wie schon hervorgehoben wurde, gerade bei niedrigen Dampf- drncken, bei denen die Voraussetzungen fur die theoretischen oberlegungen besonders gut erf iillt sind, ein Anwachsen der positiven Strome mit der Temperatur.

378 E. Me yer

Da diese Abweichungen von dem zu erwartendeu Verhalten sich nur bei Tantal- und Molybdandrahten, nicht aber bei Wolfrani zeigt, kann man vielleicht annehmen, daf3 Molybdan und Tantal in einer Kaliumatmosphgre eine solche Veranderung erfahren, daB Eigenioneneinission auftritt. Gegen diese Aiinahme spricht nicht, daB bei den Versuchen von Smyth , B a r t o n , H a r n - wel l und K u n s m a n l ) und anderen in keinem Falle Bchwer- metallionen gefunden wurden, da die Versuche nicht in Kalium- dampf vorgenommen wurden. Zu beachten ist allerdings, daf3 dann betrachtliche Mengen des Gluhfadenmaterials als Ionen verdampfen miifiten und daB daher der Durchmesser und der Widerstand des Drahtes sich nach kurzer Brenndauer erheb- lich andern miiBten.

Eine fjberschlagsrechnung zeigt, daB ein Strom von 10-5Amp. aus Tantalionen bereits in wenigen Minuten den Gliihfaden auf- zehren wurde. Eine wesentliche Widerstandsanderung konnte aber nicht festgestellt werden.

Man kijnnte ferner annehmen, das Ansteigen des positiven Ionenstroms sei vorgetauscht durch Photoelektronenemission von dem Anodenzylinder, die folgendermaBen zustandekornmen kijnnte:

Auf der Nickelanode schliigt sich eine Kaliumschicht nieder, die schon fiir im sichtbaren Gebiet liegende Wellenlringen selektiven Photoeffekt zeigen kann. Andererseits treten in der Strahlung des Gliihfadens die betreffenden Frequenzen mit um so grG8erer Intensitat auf, je hijher die Fadentemperatur wird. Der an der Anode ausgelijste Photoelektronenstrom wiichst also mit wachsender Gluhfadentemperatur. Kontroll- messungen zeigten aber, da8 der Photostrom stets kleiner lilieb als 3 + low9 Amp., wghrend die positiven Ionenstrorne lo-' bis

Amp. betrugen. Der Photostrom kann also den Ionen- strom urn hiichstens 3 Proz. fiilschen. I n den meisten Fallen macht er jedoch nur einige Tausendstel aus.

Die Ionenemission von Molybdiin und Tantal zeichnet sich durch eine weitere Eigentiimlichkeit aus.

1) H.D.Sinyth , Phys. Rev. 25. 8. 452. 1925; H .A.Bar ton ,

2) Z. B. R. P o h l und P. P r i n g s h e i m , Verhdlg. d. dtsch. pllys. G. B. Harnwell und C . H. Kunsmt tn , Phys. Rev. 27. 739. 1926.

Ges. 19. 215. 1910; H. E. Ives, Astrophps. Jonm. 64. 128. 192fi.

fiber die Elektronen- und positive Ionenemission USUL 379

Man kann die Messung der positiven Ionenemission von Wolfram in Kaliumdampf bei verschiedenen Dampfclrucken zur Restimmung der Dampfclruckkurve des Kaliums benutzen, CIR :

Berechnet man fur die beiden anderen Metalle p nach der gleichen Formel , also unter Vernachlassigung des Korrektur- gliedes

-go 25 .@ 27 ZB 4.9 40 37 @ $4

Dampfdruckkurve des Kaliums ( p in bar)

Fig. 9

so hat man p-Werte zu erwarten, die bei Tantal etwa ‘ I , , hei Molybdiin */I,o der wnhren Dampfdruckwerte sein sollten. I n Fig.9 sind die aus obiger Gleichung errechneten log,, p-Werte uber 1000/Taufgetragen. Die oberste Gerade gibt die aus den Wolfrani- messungen gefundenen Werte, die einerseits mit den vonKillianl)

1) Th. J. Ki l l ian; a. a. 0.

380 E. illeyer

nach der gleichen Methode gemessenen Drucken, andererseits mit den nach anderen Methoden l) bestimmten Kurven gut uber- einstimmen. Die Werte aus MolybdScn- und Tantalmessungen ergeben zwei zu der Wolframgeraden parallele Geraden, die aber um den Faktor bzw. zu tief liegen.

Da diese Besultate der Tlieorie widersprechen, andererseits die Berechtigung der theoretischen Uberlegungen durch die Wolframmessungen meiner Ansicht nach erwiesen ist - die Dampfdruckkurven aus den Wolfram-Rubidium- und Wolfram- Casiummessungen stimmen ebenfalls mit den auf anderem Wege gewonnenen Kurven innerhalb der Fehlergrenze gut iiberein - bleibt nur die Annahme, daB in den Rohren mit den Molybdkin- bzw. Tantalgliihfaden sich nicht die der Temperatur To ent- sprechenden Sattigungsdrucke einstellen.

Erneute Priifung der beiden Rohre ergab, daB in beiden noch ein groBer UberschuB metallischen Kaliums vorhanden war und da6 die MeBpunkte aus neuen i+-Messungen sich genau in die sieben Monate friiher gewonnenen einreihten. Es muB also das Kalium in dem Rohr in bestimmter Menge chemisch aufgebraucht werden. Offenbar ist die Menge des aufgebrauchten Kaliums ahhaingig von der Art des Gliihfaden- materials. Andererseits ist der Gliihfaden selbst wohl nicht verantwortlich zu machen, da seine Elektronenaustrittsarbeit zwischen 1000 und 2000O konstant bleibt, wahrend sie sich in diesem Gebiet wahrscheinlich andern wiirde, wenn es sich um eine Diffusion des Kaliums in den Gliihfaden handeln wiirde (vgl. Messungen am thorierten Xolframdraht. 2, Man kann daher wohl vermuten, daB die Schicht aus zersraubtem Qliihfadenmaterial auf der Glaswand den Eialiumdampf bindet. Da6 derartige Schichten Gase okkludieren, ist aus der Vakuum- technik bekannt.

Bisher wurde der Fall betrachtet, daI3 der Gliihfaden so hohe Temperatur besitzt, daB alle Atome, die auf ihn auf- treffen und sich niit ihm in das thermisch-chemische Gleich- gewicht setzen, geniigend thermische Energie besitzen, um als

1) M.F. F l o c k und W . D . R o d e b u s c h , Journ.Amer. chem. SOC. 46. S. 2086. 1923; Landol t -Bi irnste in , Phys.-chem. Tab. 2. 8. 1335. 1923. (Die Dampfdrucke wurden auf die tiefen Temperaturen extrapoliert.)

2) J. Langmuir , Phys. Rev. 22. 357. 1923.

rber die Elektronen- uiid positive Ionenemissioii usw. 381

-%tome oder unter Zuriicklassung eines Elektrons als positive Ionen wieder zu verdampfen, so dab die Oberflgche des Gluh- fadens frei bleibt.

Rei niedrigeren Gluhfadentemperaturen wird sich eine gerrisse Bedeckung der Oberflache einstellen, die durch das Gleichgewicht der verdampfenden und neu anftreffenden Atome gegeben ist. Eine Losung des Kaliums im Gliihfadenmaterial kommt nicht in Frage, da nach starker Erniedrigung des Kaliumdampfdruckes durch Abkiihlen mit fliissiger Luft der Kaliumeffekt in der Elektronenemission praktisch unendlich schnell abklingt. Die Besetzungsdichte mu13 also eine Funktion der Fadentemperatur sein. Nach Langrnuir muB man an- nehmen, da13 das Verweilen der -4tome auf der Gliihfaden- obedache eine Folge atomarer Snziehungskriifte ist.

L a n g m u i r macht sich die Vorstellung, daB die Valenz- elelrtronen der adsorbierten Atome von der XTolframoberflache angezogen werden , sobald die auftreffendeii Metallatome in den X’irknngsbereich der Tolframatome geraten, da die Kraft, mit der ein Wolframatoni sein Elektron festhalt, gro5er ist als die entsprechende des Ciisiurnatoms. Die adsorbierten Atome bilden also auf der Wolframflache eine elektrische Doppelschicht , deren positive Seite nach auBen gekehrt ist. Die adsorbierte Schicht hat also die Wirkung, daB der Aus- tritt der Elektronen erleichtert wird. Die Bustrittsarbeit wird kleiner. Wird die Besetzungsdichte gro13er als 1, d. h. ist die Schicht mehr als einatoruar, so werden die neu hinzukommenden _%tome nicht mehr vollstandig geordnet und die Austrittsarbeit wird wiecler groBer.

Nach dieser Auffassung w i d man, ausgehend von der reinen Wolframoberflache bei hohen Temperaturen, mit fallender Temperatur zunachst aufsteigende Elektronenemission zu er- warten haben, da die Besetzungsdichte von 8 = 0 bis zu eineni giinstigsten Wert Ooptirual steigt. Bei weiterem Fallen der l’emperatur nimmt 8 weiter xu, die Sustrittsarbeit steigt, und die Emission mu8 daher au13er wegen der fallenden Teniperatur auch besonders wegen der steigenden bustritts- arbeit sehr rasch abfallen.]

Wahlt man in diesem Gebiet eine I’adenteniperatur, die man konstant halt, wahrend der -Ilkalidampfdruck gesteigert

dnnalen der Physik. 5.Folge. 4. 26

382 E. illeyer

mird, so imf3 im Gleichgewicht die Eesetzungsdichte des Drahtes maebmen. D. h. , daB bei konstant gehaltener Tempratur und wachsendem Dampfdruck die Emission abnehmen mu8.

Das ist nach meinen Messungen nicht der Fall. Die Kurven bei hoheren Dainpfdrucken liegen in allen Punkkin iiber tlen bei niedrigen Drucken gemessenen. (Vgl. Fig. 3, 4 uric1 5.)

Ferner miiljte nach dieser ,4uffassung das Maximum der Elektronenemission sich bei hohereu Dainpfdrucken nach hoheren Fadentemperatiiren verschieben, da es bei bestininiter Eesetzungsdichte eintritt, und diese als Gleichgewicht auf- treffender und wieder verdampfender Stome bei groaerer Zahl der auftreffenclen Atome sicli erst bei hoherer Temperatur einstellt.

Anch dies ist bei meinen Messixngen nicht der Fall. 7Tie schon friiher diskutiert , sind diese Abweichungeu nicht durch Fehler in der Temperaturbestimmung zu erkliiren. (Diese wurde ja auch, um den Vergleich mit den anderen Messungen zu ermoglichen, nach den Angaben bei K i l l i an l ) nnd 13 ecker 2, durchgefiihrt.)

Wie schon erwiihnt wurde, gelang es Eecker'), aus Aktivierungskurveii eines Wolframdralites in Oasiumclampf :tuf die Besetzungsdichte des Drahtes zu schlicljen.

Er reinigte den Gluhfaden durch Entnahnie positiver lonen bei hohen Temperaturen, so da8 die Oberflache frei von atlsorhierten Atomen war. D a m erniedrigte er die Temperatur pliitzlich bis auf Werte, bei denen die Elektronen- emission modifiziert war, polte die Anodenspannung UIY und inaJ3 nun die Elelitronenemission als Funktion der Zeit. In gleicher Weise wurden von mir Sktivierungslrurven gemessen.

In Fig. 10 sind die Kurven eiiiander gegeniibergestellt. -11s Ordinate ist loglo ie , als Abszisse die Zeit t aufgetragen. t ist die Zeit in Sekunden, die seit dern Einschalten der niedrigen Fadenteniperatur vergangen ist. Die an den Knrren angegebenen Zahlen geben die Drahtteniperatnr.

Bei J. A. Becker (Fig. lOa) zerfallen die Aktivierungb- kurven deutlich in zwei Gruppen. Kei Fadentemperaturen.

1) Th. J. K i l l i a n , a. a. 0. 2) J. A. B e c k e r , a. a. 0.

ther die Elektrorzen- uizd positive Ionenemission usto. 383

die unter der Temperatur liegen, bei der die optirnale Besetzungsdichte erreicht ist , nimrnt die Emission rasch xu, erreicht nach einer bnstimmten Zeit tm, die fur alle Tem- peraturen gleich ist, ein Maximum und nimmt wieder ah, um sich rasch einem konstanten TTert, cler dern Gleichgewichts- zllstand entspricht, zix nzhern. Bei der Temperatur, die den hochsten Wert der Elelrtroneneiuission gibt, hier 655 O, steigt die Emission in gleicher Zeit an und bleibt dann konstant auf dem Maximalwert. Bei noch hoheren Temperaturen ist der Gleichgemichtszustand schon friiher erreicht.

-3

-6

0 UO 80 120 160 -L MoSek

a) b l

Aktivierungskurven a) von B e c k e r angegebene Kurven (Cs auf oxydiertem Wolfram, b) Beispiel der an W-, Mo- oder T-Driihten in Kaliumdampf

erhaltenen Kurven Fig. 10

Die erste Art der Iiurven kennzeichnet die Faden- temperaturen, bei denen die Besetzungsdichte 8 > ODPt ist. Bei 655O ist 8 = dopt und bei hoheren Temperaturen 8 < aopt. Unter der Annahme , daB siirntliche auftreffenden Atome (wenigstens his Oopt erreicht ist) haften, kann man die Zahl der nach der Zeit tm auf der Oberflache von einem Quadrat- zentimeter sitzenden Atome ausrechnen als

Zopt = N o - t m ,

worin AT, die Zahl der pro sec und cm2 auftreffenden Teilchen ist.

Zopt = 3,7 1014 Atome/cm2,

Eecke r erhzlt aus den Messungen

26 *

384 E. Me yer

wahrend fiir eine einatomare Schicht von CLsiumatomen auf 1 cm3 sich der Wert

2, = 3,8-4,O . lola Atome/cm2

ergibt, eine Ujbereinstirnmung, die fur dopt - bei Becke r alsv fiir die Besetzungsdichte, die in dem Beispiel bei 655 O Faden- temperatur erreicht ist, - den Wert 1 wahrscheinlich macht.

Meine Kurven Leigen in dem ganzen Temperaturintervall den Charakter der zuerst geschilderten Gruppe. Es ist also die Besetzungsdichte stets grijMer als do,,, das der Zeit f m entspricht. Der Wert Oopt wird also yon der Resetzungsdichte nicht durchlaufen. k'iir eopt wird auch durah diese Messungen der T e r t 1 wahrscheinlich gemacht, denn es ergibt sich:

Zopt = N , - tm = 1,6 - 1 O l e Atorrte/cni2, wiihrend der fiir eine einmolekulare Schiclit errechnete M-ert

2, = 0,5 - 10'O Atonie/cm2

ist. Uaraus ist der SchluB zu ziehen, daB bei U'olfrain. Tantal oder Molybdiin in Kaliumdampf die Gliihfadenoberflfiche in dem Temperatnrgebiet, in dein die Elektronenemission ihr Naximum zeigt, stets init einer mehr als eiriatomaren Schicht hesetzt ist.

B'erner ist anzunelimen, (la8 die adsorbierten Kalium- atorne bei einer bestimniten Temperatur alle gleichzeitig ver- dampfen, so daB die Besetzungsdichte den %7ert doI,t nicht clnrchliiuft. Denn wiirde dieser MTert erreicht, so muBte die Emission ein zweites Maximum mit noch hoherer Emission als das erste durchlaufen.

Es sei noch auf folgendes hingewiesen: Nach L a n g m u i r s Auffassung ist die Herabsetzung dei

Austrittsarbeit durch eine elektrische Doppelschicht aus ad- sorhierten Atomen zu erklaren. MTie vorlrin schon skizziert. nirnmt er an, daB clie Schicht dadurch zustande konimt, daB das Valenzelektron jedes auftreffenden Atours voin Unterlage- material angezogen wird.

Diese Auffassnng fiihrt zu der Folgerung , dalS der Potentialsprung in dieser Doppelschicht niit dem absoluten Betrag cler DiEerenz der Ionisierungsspannung I und cler Austrittsarbeit vf- der beteiligten Metnlle I\ achsen muB.

Cber die Elektronen- und positive Ionenemission usw. 385

Es ist also zu erwarten, daJ3 der Kaliumeffekt an der Elektronenemission um so weniger sich zeigt, je kleiner der absolute Betrag der Differenz wird. Fur die hier untersuchten Materialien sind die Differenzen folgende:

J K - v w = - 0,63 Volt, J g - y M o = - 0,34 Volt , J K -1yT = - 0,OB Volt.

Die Elektronenemission des Wolframs ist nun nach den Messungen tatsachlich groBer als die des Molybdans. Dagegen ist die Elektronenemission des Tantals in Kaliumdampf groder als die von Molybdan und Wolfram, und zwar liegen die MeB- punkte bei. gleichen Kaliumdampfdrucken etwa um eine Zehner- potenz htiher als die von Wolfram. Daraus kann man schlieBen, daB der Effekt eine um mehrere Zehnerpotenzen hohere Emission ergibt, als nach der Anschauung Langinui rs zu erwarten ist.

Die hier vorliegenden Messungen zeigen also einige Ab- weichungen von den Resultaten von Langmuir , Kingdon, K i l l i an und J. A. Becker , die mit den Vorstellungen, die sich die genannten Autoren von den Vorgiingen gebildet haben, unvereinbar sind.

Zusammenfassung

Untersucht w i d die Elektronen- und positive Ionen- emission vou Wolfram-, Molybdan- und Tantalgliihfaden in Kaliumdampf.

Die Elektronen- und positive Ionenemission wird bei ver- schiedenen Kaliumdampfdrucken als Funktion der Temperatur des Gliihfadens angegeben. Die Form der Kurven ist im wesentlichen die gleiche, wie sie von Langmui r und King- don , K i l l i an und J. A. Becker fur Wolfram in Kalium-, Rubidium- und Casiumdampf gefunden wurde.

Die Elektronenemission erreicht ein Maximum, das, im Gegensatz zu den Ergehnissen ;der genannten butoren, bei 7-erschiedenen Kaliumdampfdrucken bei der gleichen Faden- temperatur auftritt.

Die, Gliihelektronenemission von Kaliumschichten auf ver- schiedenen Metallen variiert sehr stark mit cler Art des Unter-

356 E. Meyer. Elektronen- und positive Ionenemission usw.

lageniaterials. Der EinfluB desselben ist aber nicht, wie Lang- in u i r annimmt, von der Differenz der Ionisierungsspannung des Alkalinietalls und der Austrittsarbeit des Unterlageinaterials be- dingt. Es ist niiiglich, daB diese Erscheinung von Oberflachen- eigenschaften des beiiutzten Materials abhangt.

Die aus den Messungen der Ionenemission sich ergebenden Iialiumclanipfdrucl~e weichen von den aus der Temperatur des Entladungsrohrs berechneten ab. Nicht jedes auftreffende Kalium- atom wird ionisiert, was xohl auf Eigenarten in der Reschaffen- heit der Urahtoherflache zuriickzuf uhren ist.

Die Messungen machen wahrscheinlich, daB die Dicke der aclsorbierten Schkht voii der GroAenordnung mehrerer Atom- schichten ist.

Die vorliegende Arbeit wurde auf Anregung und unter Leitnng Ton Hrn. Professor N e r n s t im Physikalischen In- stitut der Universitat Berlin ausgefiihrt. Auch an dieser Stelle niiichte ich Hrn. Prof. N e r n s t fur das stete, fiirdernde Inter- esse und die Bereitstellung der Institutsmittel meinen warmsten Dank aussprechen. Ferner niiichte ich Hm. Dr. Klumb, der niich bei der Ausfiihrung cler Arbeit durch mertvolle Ratschlgige unterstiitzte, herzlich danken.

(Eingegangen 23. Dezember 1929)