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Umtersuchungm iiber Gasentladumgem i m Wassemtoff. II’)

Vorc Ermst Lau uncZ O t t o R e i c h e n h e i m (Mitteilung der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt)

(Mit 3 Figaren)

Zusammenfassung Die blauen Schichten in einer H,-Entladung werden dadurch er-

zeugt, da6 in ihnen im wesentlichen nur Elektronengeschwindigkeiten bis zur Ionisation von beigemengten Gasen auftreten. Diese Geschwindig- keiten reichen zur Anregung des Kontinuums des H,, aber nicht fur das Viellinienspektrum des H, aus.

Es wird die Abhangigkeit des Auftretens der blauen Schicht am Anfang der positiven Saule von Beimengungskonzentration, Druck, Strom- st8rke und Rohrform untersucht.

Die Beobachtungen fiihrten zu einer auch fur andere Base ge- eigneten Methode zur Messung von Anregnngsspannungen. Die An- regungsspanniing des Kontinuums und der EinfluB von Fremdgasen auf die spektrale Intensitatsverteilung wird diskutiert.

1. N eub e r t 2, bat bei Versuchen uber Entladungserschei- nungen in Wasserstoff zwei Arten von Schichten in der posi- tiven Saule beobachtet: die engen blauen und die weiten rot- lichen Schichten. Er hat festgestellt, daB die engen blauen Schichten nur in Gegenwart von Verunreinigungen auftreten und da13 das Schichtpotential bei den blauen Schichten als kleinsten Wert etwa 12 Volt annimmt, wahrend bei den weiten riitlichen Schichten Schichtpotentiale bis zu 30 Volt beobachtet worden sind.

Wir haben Beobacht,ungen in einem 2 m langen und 3 cm weiten Rohr angestellt, welches lhge re Zeit bei Stromdurch- gang mit trockenem Wasserstoff durchspiilt war, so daB in dem- selben nur geringe aus der Glaswand durch die Entlailung frei- gemachte Verunreinigungen enthalten waren. Wie Fig. 1 zeigt,,

3 ) Abh. I vgl. Ann. d. Phys. [5] 3. S. 840. 1929. 2) P. N e u b e r t , Dissertation, Leipzig, 1913.

1Jntersuchungen uber Gasentladungen in Tcrssersfoff. I I 297

treten in ihm die engen und die weiten Schichten gleichzeitig auf. Bei dieser Aufnahme betrug der Qasdruck 0,7 mm Hg und die Stromsfarke etaa 90 mA. Als Stromquelle diente eine Gleichstrommaschine. Man sieht auf der kathodischen Seite des weiten Rohres engere blauliche Schichten, wahrend auf der anodischen Seite rote Schichten auftreten. Beim Um- kehren der elektrischen Stromrichtung erscheinen die blauen Schichten allmahlich auf der entgegengesetzten, jetzt kathodi- schen Seite, wahrend auf der Seite, auf der sich vorher die blauen Schichten befanden, nunmehr die roten erscheinen. Die einfachste durch die weiteren Versuche bestatigte Erklarung ist, da0 die blauen Schichten durch Verunreinigungen bedingt sind, die zur Kathode wandern, so da0 am kathodischen Ende

Kathode

Enge und weite Schichten in einem Entladungsrohr Fig. 1

des Rohres eine Anreicherung der Verunreinigung, am anodi- schen eine Verarmung eintritt. Diese k'onzentrationsunter- schiede kehren sich beim Stromwechsel nur allmiihlich urn. Als Verunreinigung kommt bei diesem Versuch im wesentlichen Sauer- stoff oder eine Sauerstoff-Wasserstoffverbindung in Betracht.

Wie Skaupy l ) gefunden hat, wandert in einem Gas- gemisch das Gas mit geringerer Ionisationsspannung zur Ka- thode. Da die blauen Schichten zur Kathode wandern, miissen, wie im folgenden ausfiihrlich behandelt wird, die Beimengungen, die die blauen Schichten hervorrufen, eine kleinere Ionisations- spannung als H, haben. Die Neubertsche Erkenntnis muB demnach dallin eingeschrankt werden, da0 die blauen Schichten durch Verunreinigungen mit Gasen mit einer kleineren J , als die von H, hervorgerufen werden.

Die Farbe der blauen Schichten ist nicht dadurch bedingt, daB Spektren der Verunreinigungen auftreten, sondern dadurch, da6 in ihnen das kontinuierliche Wasserstoffspektrum stark auftritt, wahrend das Viellinienspektrum fehlt oder sehr zuruck-

1) F. Skaupy, Verh. d. D. Phys. Ges. 18. S. 230. 1916. AnnaIen der Physik. 5. Folge. 6 . 20

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tritt.l) Alle unsere irn folgenden beschriebenen Versuche sind mit der Theorie 3, im Einklang, daB das Wasserstoffkontinuum bei der Dissoziation des H, zu HI durch ElektronenstoB auf- tritt, und zwar liegen die dazu notigen Elektronengeschwindig- keiten unterhalb der fur die Bnregung des Viellinienspektrums notwendigen. I n den blauen Schichten erreichen also die Elektronen im wesentlichen Geschwindigkeiten, die zwar fur die Bnregung des Kontinuums, aber nicht fur die des Viellinien- spektrums ausreichen.

2. Die Entstehungsbedingungen der blauen Schichteu sind am besten an der ersten Schicht der positiven Saule an der Grenze des Faradayschen Dunkelraumes zu beobachten. Wir untersachten sie in einem Rohr, dessen kathodischer Teil in Fig. 2 abgebildet ist. d ist eine zylinderformige Kathode ge- briiuchlicher Iionstruktion in einem etwa 3 em weiten Rohre. (A ist die Gegend der ersten blauen Schicht, b eine sich daran anschlieBende helle, weiWrote Schicht, z\+ischen c und a breitet sich cler Faradaysche Dunkelraum aus, in e , einem Glasrohr von 1 cm Durchniesser, bilden sich die ublichen weiBroten Wasserstoffschichten ans. Das Rohr wurde von trockenem, reinem H, in Richtung von der Kathode zur Anode durch- stromt. Als Reduzierventil dient wie in Abhandlung 13) ein ungefetteter Schliff. Dem Wasserstoffstrom konnten iiber einen zweiten gleichen Schliff in der Nahe der Kathode andere Gase beigemengt werden. Der Partialdruck der Beimengung wurde durch Veranderung des Druckes vor dem Ventil regu- liert und an der Beobachtungsstelle, die durch ein Abzweig- rohr mit einem Me Leodmanometer verbunden war, gemessen. Das Verhiiltnis der ohne Stromdurchgang gemessenen Drucke von H, zu der Beimengung entspricht aber nach dern unter 1 Ausgefiihrten nicht den Verhiiltnissen wahrend der Entladung, da die Beimengung an der Beobachtungsstelle angereichert

1) E. L a u hatte irrtiimlich angenommen, daB das in den blauen Schichten auftretende Kontinuum auch den Verunreinigungen , die die Schichten hervorrufen, zuzuschreiben ist.

2) P. M. S. Blacket u. J. F r a n c k , Ztachr. f. Phys. 54. S.389. 1925; J. G. Winaus u. E.C. G. S t u c k e l b e r g , Proc. Nat. Bead. Amer. 14. S. 6%. 1928.

Naturw. 14. S. 983. 1926.

3) E. Lau u. 0. R e i c h e n h e i m , a. a. 0.

T-nfersuchungen uber Gosentladunyen ~ T L Tl'assesstojf. I I 299

wird. Als Beimengungen wurden benutzt: Sauerstoff, Stick- stoff, Wasserdampf, Benzindampf, Hg-Dampf, ferner die Edel- gase Neon, Argon, Helium und Krypton. Wahrend der im folgenden zunachst beschriebenen Versuche betrug der Druck des Wasserstoffs 0,7 mm, das Rohr wurde mit einer Strom- starke von 47 mA betrieben.

Wird das Entladungsrohr von reinem H, durchstromt und gibt die Glaswand keine Verunreinigung ab, so tritt keine blaue Schicht auf. Die geschichtete positive Saule beginnt dann erst im engen Rohrteil mit einer weiBlich-rotlichen Schicht. Bei einer Beimengung von 1 Promille Stickstoff wolbt sich die erste Schicht ein wenig aus dem engen Rohr in den Dunkelraum vor und bekommt einen blauen Saum. Bei 2 Pro- inille Beimengung bildet sich bereits im weiten Rohrteil eine

c a 6

Versuchsanordnung Fig. 2

Schicht aus, sie hat einen breiten blauen Rand nach der Ka- thode zu und enthalt auf der anodischen Beite, die weiBrot aussieht, das gesamte H,-Bandenspektrum. Bei 3 Promille Beimengung ist in dem weiten Raum, ahnlich wie in der Fig. 2 angedeutet. eine intensiv blau leuchtende Schicht (a) einer weiBlichroten Schicht (b) vorgelagert, die blaue Schicht ist durch einen deutlichen dunklen Raum von der hellen weiBen Bchicht getrennt. Erhoht man die Konzentration des Stickstoffs weiter, so wird die blaue Schicht ausgedehnter, das Leuchten grauer und die Schicht bekommt einen durch die sogenannten positiven Stickstoff banden verursachten rotlichen Saum nach der Kathode zu. Bei no& hijherer Konzentration zieht sich die positive 8aule wieder in das enge Rohr zuriick.

Stickstoff hat, wie bekannt, fast dieselben Ionisations- spannungen vie H,. Das Auftreten der blauen Schicht fuhrt zu der Annahme, da6 sich in der Entladung ein Gas bildet, das eine lrleinere J , als H, hat. Es muW also das zugefuhrte

20 *

Y O 0 E. Lau u. 0. Reichen.heirn

reine N2 irgendwie verandert worden sein und eine chemische Verbindung mit H mit niedrigerer JP gebildet haben.

Ahnlich wie Stickstoff verhalt sich Sauerstoff.') Auch hier ergibt etwa 0,2 Proz. 0,-Beimengung eine blaue Schicht, in der auch einige 0,-Banden schwach auftreten. Sauerstoff hat ungefiihr dieselbe Ionisationsspannung wie Wasserstoff. 0, selbst kann also ebensowenig wie N, die blaue Hchicht her- vorrufen, sondern eine Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung.

Eine Reimengung von H,O-Dampf und Renzindampf er- zeugt gleichfalls eine vorgelagerte blnue Schicht. Auch bei Hg- Dampf beimengungen treten ahnliche Erscheinungen wie bei Reimengungen von Stickstoff und Sauerstoff auf. Hat sich aber eine vorgelagerte getrennte Schicht von griinlicliblauer Farbung ausgebildet , so enthalt diese nur das Quecksilber- spektrum und kein Wasserstoffkontinuum; in ihr werden also die Anregungsspannungen des Kontinuuins nicht erreicht. Die Ionisationsspannung von Hg betrggt 1O,4 Volt.

Ein anderes Verhalten zeigen die Edelgase Helium, Neon und Argon. Keine noch so groBen Beiniengungen erzeugen einen blauen Saum. Es ist dies verstandlich, weil diese Edel- gase hohe Ionisationsspannungen haben und keine Verbindungen mit H, eingelien, die eine kleinere tJp als Wasserstoff haben.

Krypton erzeugt einen kleinen blauen h m i in der ersten Schicht, lafit aber bei unseren Versuchen keine isolierte blaue Schicht erscheinen. Krypton hat eine J p von etwa 13 Volt.

3. Die Messungen im vorigen Paragraphen gelten nur fur die oon uns gewahlte Versuchsanordnung. Bei Xnderungen der Dimensionen der Apparatur und der sonstigen Versuchsbedin- gungen ergeben sich andere Zahlenwerte.

a) Das Auftreten der blauen Schicht ist, wenn Stronistarke, Druck und Konzentration der Beimengung konstant sind, von dem Yotentialgradienten abhangig. Zur Erzeugung dieser Schicht

1) Ein Unterschied zwischen Sauerstoff und Stickstoff besteht darin, daB nach Absperren der 0,-Zufuhr die blaue Schicht trotz des strainenden Wasserstoffs erst in 20 Sek. vollig verschwindet, wahrend bei Stickstoff' nach Aufhijren der Zufuhr die blaue Schicht nur 2-3 Sek. erhalten bleibt. LaBt man das Gasgemisch H, -I- 0,2 Proz. 0, ohne Entladung durch das Rohr strijmen und schaltet den Strom ein, so entsteht die blaue Schicht allmiihlich in einigen Sekunden. Sperrt man die Sauer- stoffzufuhr in dern Augenblick ab, in dem man die Entladung einschaltet, so entsteht kein blauer Saum.

Unfersuchunyen iiber Gasentladungen in TVa8sersfoj”j. I I 301

mu8 der Potentialgradient klein sein, damit auf einer geniigend langen Strecke die zur Ionisation der Beimengung und zur An- regung des Kontinuums notigen Elektronengeschwindigkeiten, aber noch nicht die fur die Anregung des Viellinienspektrums notigen Geschwindigkeiten vorhanden sind. Durch Zusammen- drangung der Stromlinien infolge von Verengung des Rohres e wird auch bei a der Potentialgradient vergr6lSert. Urn ihn wieder auf den fruheren Wert herabzusetzen und dadurch die Trennung von roter und blauer Schicht hervorzurufen, sind groWere Beimengungen notig. Unter sonst gleichen Versuchs- bedingungen und Benutzung eines engen Rohres e (Fig. 2) von 0,5 cm statt wie bisher 1 cm lichte Weite ist etwa 3mal soviel Bei- mengung von Stickstoff oder Sauerstoff erforderlich, urn den blauen Saum von der roten Schicht zu trennen. Durch VergroRerung der Beimengungskonzentration werden mehr Ionen der Beimengung gebildet und darnit wird der Potentialgradient herabgesetzt.

b) Verandert man den Druck des H, und damit die freie Weglange der Elektronen, so andern sich gleichfalls die Be- dingungen fur das Auftreten des blauen Saunies. Wird der Druck groaer, d. h. die freie Weglange kleiner, so werden die ZusammenstoBe zwischen Molekulen und Elektronen haufiger. Darnit wachst die Wahrscheinlichkeit, da8 die Elektronen vor Erreichung grii8erer Geschwindigkeiten Molekule der Beimengung treff’en und diese ionisieren. Es ist also bei hiiherem Druck eine kleinere prozentuale Beimengung notig, um eine getrennte blaue Schicht hervorzurufen, als bei kleinereni Druck.

In Fig. 3 a, b, c werden drei Photographien wiedergegeben, in denen nur der Gesamtdruck geandert ist. Die Beimengung von Wasserdampf im Verhaltnis zu Wasserstoff blieb konstant. Man sieht deutlich, daR bei hochstem Druck (a 1 mm) die blaue Schicht (Kontinuum) bereits durch einen Dunkelraum von der folgenden Schicht getrennt ist, bei niedrigen Drucken (b 0,5 mm und c 0,3 n m ) dagegen der blaue Saum noch in die nachste Schicht hineinreicht.l)

1) Aus den Bildern ergibt sich, daB bei hiiheren Drucken die Elektronengeschwindigkeiten homogener sind als bei geringeren Drucken. Hierauf sol1 in einer besonderen Arbeit eingegangen werden.

Bei diesen Aufnahmen sind die lichtschwachen Verlangerungen der starken Linen unter die Grenze der Anregungsspaunung herunter im wesentlichen auf Reflexe zuruckzuffihren.

302 E. Lau u. 0. Rcichenkcinz

c) Das Auftreten der blauen Schicht ist ferner unter sonst gleichedBedingungen abhiingig von der Stromstarke. J e grof3er die Stromstarke, um so geringer kann der Partialdruck der Beimengung gewiihlt werden, urn eine blaue Schicht her-

Erste Schicht bei verschiedenen Drucken Fig. 3

vorzurufen. MiBt man die verschiedenen Konzentrationen der Beimengung und die Stromstarke, bei der sich die blaue Schicht gerade von der roten trennt, so ergeben sich die in der Tabelle zusammengestellten Werte. Als Beimengung vurde bei diesem Versuch Luft gewahlt.

Untersuchungen iiber Gasentladungelz in TVassersfoff. ] I 303

85 50 45 26 1:

Das Rohr e (Fig. 2) war 0,5 cm 0,7 mm Hg.

0,5, 0.8, 09% 1,76 2.5,

weit, der Druck betrug

in mA Stromstiirke

x Verunreinigung

44 43 44 44 42

Aus der Tabelle ersieht man, daB das Produkt aus Bei- mengungskonzentration und Stromstarke konstant ist.

4. Die beschriebenen Beobachtungen fiihrten zur Aus- bildung einer Methode zur Messung von Anregungsspannungen. Durch geeignete Mengung von Gasen verschiedener Ionisations- spannung gelingt es, an der Grenze zwischen Faradayschem Dunkelraum und positiver Saule ein langsanies Anwachsen der Elektronengeschwindigkeiten zu erreichen, so da8 die einzelnen Spektrallinien je nach ihrer Anregungsspannung raumlich hinter- einander erscheinen. Auch die in Fig. 3 wiedergegebenen Auf- nahmen zeigen eine derartige ,,Anregungsdispersionib. fjber diese Methode ist an anderer Stelle bereits berichtet w0rden.l)

5. Einige Tatsachen, die sich aus unseren Untersuchungen iiber die Anregung des Kontinuums ergeben haben, sollen hier besonders behandelt werden. Die Anregungsspannung des Kontinuums wurde von Hor ton und Davies2) und Lau3) mit 12,6 Volt angegeben. Dbereinstimmend hiermit finden wir, da8 das Kontinuum auf unseren Aufnahmen bei ungefahr gleicher Anregungsspannung wie Hp auftritt. Eine Anregung bei l l , 6 Volt, wie Kaplan*) gemessen hat, finden wir nicht. Die hnregungsfunktion fiir clas Kontinuum ist auaerordentlich scharf. I)as Kontinuum tritt plotzlich bei etwa 12,6 Volt auf und zeigt unterhalb 14 Volt ein ausgesprochenes Abfallen der Intensitit.

1) E. L a u u. 0. R e i c h e n h e i m , Naturw. 18. S. 86-87'. 1930 und W. F i n k e l n b u r g , E. L a u u. 0. R e i c h e n h e i m , Ztschr. f. Phys. im Druck.

2) F. H o r t o n u. A. C . D a v i e s , Phil. Mag. 46. S. 873. 1923. 3) E. L a u , Ann. d. Phys. 77. S. 183. 1925. 4) J. K a p l a n , Proc. &at. Acad. Amer. 13. S. 760. 1927.

304 E. Lau u. 0. Reichenheim. Untersuchungen usw.

Es geht dieses aus Fig. 3a hervor. Auf dieser Figur sieht man auch das Kontinuum noch einmal in der Gegend der hochsten Oszillationsstufen der Fulcherhanden auftreten. Uas ist vielleicht so zu erklaren, daJ3 unter Aussendung dieser Banden das erregte Molelcul auf den Term fallt, der unter Aussendung des Kontinuums zur Dissoziation fuhrt.

Die Intensitat des Kontinuums und seine spektrale Inten- sitatsverteilung ist von der Beimengung abhangig. Sauerstofi- beimengung verursacht im sichtbaren Teil des Spektrums ein relativ starkeres Auftreten des Eiontinuums als Stickstoff' und Hg-Dampf. Eine genaue Untersuchung uber die Abhangigbeit des Kontinuums von der Beimengung ist im Gange.

(Eingegangen 3. April 1930)