Die Bestimmung des Quotienten Ladung/Masse für natürliche H-Strahlen und Atomtrümmer aus Aluminium

Transkript

1 G edruckt it Unterstützung Akadeie d. Wissenschaften aus de Wien; Jeroe download unter und Margaret Stonborough-Fonds Mitteilungen aus de Institut für Radiuforschung Nr. 181 Die Bestiung des Quotienten Ladung/Masse für natürliche H-Strahlen und Atotrüer aus Aluiniu Von Georg Stetter (Mit 6 Textfiguren) Aus de II. Physikalischen Institut der Universität in Wien (Vorgelegt in der Sitzung a 4. Februar 1926) Wenn an ein bewegtes, elektrisch geladenes Teilchen durch ein elektrisches oder agnetisches Feld aus seiner Bahn ablenkt, so kann an aus der Größe der Ablenkung i ersten Falle den c c Wert -----i zweiten Falle berechnen (e Ladung, Masse, v 2 v v Geschwindigkeit); aus b e id e n Versuchen bekot an also den e für das Teilchen charakteristischen Ter Es lag nahe, durch derartige Versuche die zunächst unbekannten Strahlen, die bei der Atozertrüerung1 zur Beobachtung gelangen, zu prüfen, u die Masse und dait die Art der Teilchen festzustellen. Da nälich nach allen bisherigen E r fahrungen die Ladung nur ein ganzzahliges Vielfaches des Eleentarquantus sein kann, sind eist bündige Schlüsse auf die Masse der Partikel öglich. Jedoch schien die Durchführbarkeit solcher Untersuchungen, zu denen ich vor etwa 2 Jahren den Plan faßte, von vornherein keineswegs sicher, vor alle wegen der außerordentlich geringen Intensität der Strahlung, die auch zur Folge hat, daß zu Nachweis einzig die Szintillationsethode in Betracht kot. Dazu kot noch die schwere Ablenkbarkeit (Härte) der Strahlen, da es sich hier u die größten Geschwindigkeiten handelt, die bei positiven Korpuskularstrahlen überhaupt Vorkoen. Wie diese Schwierigkeiten i einzelnen berücksichtigt und überwunden wurden, darüber ist an anderer Stelle ausführlich berichtet worden; - hier sollen nur kurz die Prinzipien der Methode skizziert sowie 1 Vgl. P e t t e r s s o n - K i r s c h, Atozertrüerung, woselbst weitere Literatur ngegeben. G. S t e tt e r, M assenbesti ung von»h«-partikeln, Zeitschr. f. Physik, , 1925.

2 62 G. Stetter, Akadeie d. Wissenschaften Wien; download unter einige Angaben über ihre Leistungsfähigkeit und die Auswertung der Resultate geacht werden. Es uß die Beweiskraft des Experients erhöhen, wenn beide Ablenkungen (elektrisch und agnetisch) gleichzeitig, also in eine Versuch, vorgenoen werden, wie es u. a. bei der Aston schen Anordnung1 der Fall ist, bei der die Ablenkung in der gleichen Ebene it entgegengesetzten Vorzeichen erfolgt. Diese Anordnung hat außerde den Vorteil, daß Strahlen verschiedener Geschwindigkeit a Ende ihrer Bahn in eine Punkte vereinigt werden, was eine für unseren Zweck sehr wichtige Intensitätsersparnis bedeutet. Den Strahlengang in de in der gleichen Absicht äußerst kopendiös gebauten Apparat zeigt Fig. 1, die technische Ausführung Fig. 6. Z n 5 ~ S c h i r Schea des M assenspektroskops Statt eines Spaltes ist ein Parallelspaltsyste besonderer Konstruktion verwendet, das bei kleiner Bildbreite eine ehrfach größere Strahlenenge durchläßt als ein einzelner Spalt. Das ganz kurze elektrische Feld uß Feldstärken von bis Volt/c aushalten, was nur bei ausgezeichnete Vakuu (10~G Hg) öglich ist. Die i elektrischen Felde u einen Winkel fr nach unten gekrüten Strahlen werden nun i Magnetfeld wieder u einen Winkel cp nach aufwärts gebogen; wählt an nun die agnetische Feldstärke, z. B. so, daß cp =i 4 fr wird für Wasserstoffkerne, deren ---- = 1 ist (wobei als Einheit das elektrische Eleentarquantu, beziehungsweise die Masse des Wasserstoffkerns genoen wird), so werden H-Stahlen verschiedener Geschwindigkeit in eine Punkt (H) vereinigt, der syetrisch zu elektrischen Dispersionspunkt in bezug auf den Mittelpunkt des Magnetfeldes liegt. Die»Brennpunkte«für Strahlen anderer Masse (nach unseren Vore Stellungen über den Atobau sind nur -W erte < I öglich) liegen weiter zurück auf einer Geraden, die in Fig. 1 strichliert 1 F. W. A ston, Phil. Mag., 39, 611, und 40, 628, 1920.

3 Bestiung des Quotienten Ladung Masse. 63 Akadeie d. Wissenschaften Wien; download unter gezeichnet ist. Der Z^S-Schir ist nun wieder aus Intensitätscrründen nicht in dieser Fokalebene, sondern senkrecht zu ö z# Strahlengang angeordnet. Der Nachteil, daß das - --Spektru dadurch zu Teil unscharf wird, wird behoben, inde durch Variation

4 6 4 G. Stetter, Akadeie d. Wissenschaften Wien; download unter der sorgfältig geeichten Felder nacheinander auf verschiedene Werte»scharf eingestellt«werden kann. Nun tritt die Fokussierung nach v nach A sto n und F o w le r 1 nur dann ein, wenn der benützte Winkelbereich d& klein ist gegen also für einen sehr kleinen Geschwindigkeitsbereich; tatsächlich kann an aber bei verinderten Genauigkeitsansprüchen diesen Bereich viel größer nehen, wobei an wegen der inialen Intensität an die Grenze des Möglichen gehen wird. Über den dabei begangenen Fehler kann an sich für jede Blendenweite an Hand einer graphischen Darstellung wie Fig. 2 Rechenschaft geben. In der Fig. 2 sind als Abszisse die reziproke Geschwindigkeit, als Ordinaten die absoluten Ablenkungen (Winkel al Radius) aufgetragen. Die elektrische Ablenkung wird in diese Falle durch eine quadratische Parabel dargestellt, die agnetische durch eine k V ' Gerade wegen 2 -fr = 0. rf = Wenn an nun das Koordinatensyste für cp so weit nach unten verschiebt, daß de Bildpunkt i Massenspektroskop ein geeinsaer Punkt der beiden Kurven entspricht (für <pt = 4 ^ u 2 &0), so findet für cpx z= 4 {>0 nach eine bekannten Satz der analytischen Geoetrie in diese Punkte Berührung statt. In der Ugebung dieses Punktes v (#0) ist also die Fokussierung vollkoen; für andere v, beziehungsweise $ kann an den Fehler unittelbar aus der Zeichnung als Differenz der Ordinaten ablesen. Partikeln von andere ----, zu Beispiel 4 werden bei gleiche $ natürlich ein anderes cp haben: diese drei Fälle sind in der Figur noch durch die entsprechenden Geraden dargestellt. (Dabei ist zu beerken, daß die hier in einer Zeichnung vereinigten Darstellungen nicht unittelbar vergleichbar sind, weil sie verschiedenen Paraetern entsprechen; wenn an aber bei der Ablesung ier von -ö* ausgeht, braucht an sich daru nicht zu küern.) Die Fokussierung ist, wie an sieht, u so unvollkoener, je ehr sich das betreffende von de gerade eingestellten ^hier = l] unterscheidet; sie reicht aber in der Regel zu einer vorläufigen Bestiung aus, die dann durch»scharfeinstellen«verifiziert werden kann. Aus den ausgeessenen Bildstellen auf de ZzzS-Schir bestit sich das gesuchte Verhältnis - ^ i n ^ nach der Gleichung Masse e I X t sin a. l n ~ \(L H y - ar g ~ cos a 1 A sto n u. Fow ler, Phil. Mag., 43, 514, 1922.

5 Bestiung des Quotienten Lac ne/massc. 65 Akadeie d. Wissenschaften Wien; download unter Hier bedeutet I X das elektrische, L H das agnetische Feldintegral, a die Ablenkung vo Bild des unabgelenkten Strahles aus geessen; das übrige sind Apparatkonstanten. Die obige Funktion wird durch eine etwas abgeflachte quadratische Parabel darg o-estellt; für die Ugebung des eingestellten Punktes ist ---- an- & nähernd linear proportional der Ablenkung a. Die Ausessung der Maxia auf de Schir kann bei starken Strahlenquellen direkt durch Einstellen des verschiebbaren Mikroskops erfolgen. Hiebei läßt sich die Genauigkeit auf etwa 1% treiben; tatsächlich sind durch die Eichessungen it Poloniu.^.-Strahlen) die Felder und die Apparatkonstanten it dieser Genauigkeit geprüft. Bei den geringen Intensitäten, it denen wir es bei Messungen an Atotrüern zu tun haben, kot an nur durch Zählungen von Millieter zu Millieter zu Ziele, was die Genauigkeit natürlich herabsetzt. M assenspektru für natürliche H-Strahlen. Zunächst wurde eine Massenbestiung an natürlichen H-Strahlen (durch elastischen Stoß in Bewegung gesetzten Wasserstoftkernen) vorgenoen, 1 wofür sich nach einer Reihe von Versuchen eine it Paraffin ausgekleidete Eanationskapillare als vorteilhafteste Strahlungsquelle erwies. Die aus eine derartigen Versuch bestite Masse der H-Strahlen stite auf weniger als 1% rnit de bekannten Wert für Wasserstoff überein. Dabei war.allerdings wegen der günstigen Ausbeute eine direkte Einstellung öglich gewesen; die zur Kontrolle durch Felderauszählen gewonnene Kurve ist in Fig. 3 wiedergegeben. ß Hier liegt der berechnete Wert f ü r---- = 1 etwa bei 9*2; e 1 für ---- = (a-strahlen) üßte das Maxiu etwa bei 4 liegen. 2 Die unsyetrische Gestalt der Kurve war vorauszusehen und hängt it der unvollständigen Fokussierung zusaen. 1 Vgl. G. S te tte r, Zeitschr. f. Phys., 34, 158, Sitzungsberichte d. athe.-natunv. K!., Abt. IIa, 13i\ Bd.

6 66 Akadeie d. Wissenschaften Wien; G. download St eite unter r, Bei Übergang zur Messung von Atotrüern war wieder eine Reihe von Vorversuchen nötig. Als Substanz wählte ich fürs erste Aluiniu, u. a., weil dieses Eleent bisher a gründlichsten untersucht worden ist. Nun haben innen it Al ausgekleidete Kapillaren den Nachteil, daß sie, je nach der Wandstärke, entweder die priäre a-strahlung durchlassen, in deren Masse andere Strahlen unbeerkbar werden, oder aber auch von den»h«-partikeln nur die schnellen, gerade wenig zahlreichen Gruppen austreten lassen; i zweiten Fall erfordert der Versuch extre starke Präparate, die eben nicht ier zur Verfügung stehen. Versuche it aktivierte (RaC) Aluiniu als Strahlungsquelle (es wird dabei auf nach Fig. 4. rückwärts eittierte Atotrüer ausgegangen) wurden gleichfalls durch die große Masse der priären a-strahlen sowie fast ier durch Verseuchung beeinträchtigt. Wegen der unvereidlich kleinen Ausbeute it diese Apparat achen sich eben schon geringe Spuren von Verseuchung höchst störend beerkbar. Mit den erwähnten Anordnungen konnten soit nur unklare Resultate erhaltenwerden. Die letzte Methode, die dann zu Ziele führte, benützt wieder Eanationskapillaren als Priärstrahlenquelle, aber von extre kleiner Wandstärke, 10 bis 15 {jl bei eine Durchesser von zirka 1. (Man bewegt sich dabei an der Grenze des echanisch öglichen, weil das Röhrchen bei Auspupen leicht vo äußeren Luftdruck eingedrückt wird, andererseits, gasgefüllt, ebensoleicht i Vakuu des Apparates explodiert.) Bei de hier wiederzugebenden Experient war die Anordnung (Fig. 4) so gewählt, daß ein Winkelbereich etwa von 80 bis 150 (zwischen.

7 Bestiung des Quotienten Ladung/Masse. 6/ Akadeie d. Wissenschaften Wien; download unter Priär- und Sekundärstrahlen) zur Beobachtung gelangte. Die hocha-durchlässige Kapillare liegt seitlich vo Spalt auf eine Aluiniubord, u die Streustrahlung vo Rande öglichst klein zu halten. Gerade über de Spalt befindet sich, unter zirka 45 Neigung, ein Al-Streifen, so daß nur reflektierte Strahlen und Atotrüer in den Apparat gelangen können. Eine it dieser Anordnung durch Felderauszählen gewonnene Kurve ist in Fig. 5 wiedergegeben. Die Abszissenskalenteile bedeuten Millieter, sind aber sonst willkürlich. Man sieht deutlich ein Maxiu an der Stelle Fig. M assenspektru der Sekundärstrahlung aus Aluiniu = 1, das nur von H-Strahlen herrühren kann; ein zweites ni c 1 höheres Maxiu b e i---- = ^ ist offenbar den reflektierten a-strahlen zuzuordnen. Der Wiederanstieg der Kurve gegen ---- = deutet 2 auf einfach geladene He-Atoe, die ja bei der überwiegend sehr kleinen Reichweite der hier beobachteten a-strahlen durch Uladung in erheblicher Zahl zu Vorschein koen üssen, 1 doch wurde auf die zahlenäßige Sicherheit des betreffenden Kurventeils. 1 E. R utherford, Phil. Mag., 47, 277, 1924.

8 68 G. Stetter, Akadeie d. Wissenschaften Wien; download unter bei diese Versuch kein besonderer W ert gelegt. Nicht ganz befriedigend sind die etwas zu hohen Werte zwischen den beiden Maxiis; zu de Übergreifen der Ausläufer von links und rechts kot eben ier die Möglichkeit einer ganz schwachen Verseuchung, respektive natürlicher Schirszintillationen. Die Frage, ob es außer den H-Strahlen noch weniger zahlreiche Partikeln anderer Art gibt, uß daher vorläufig offengelassen werden und wird, wie viele andere, durch neue Versuche, insbesondere it sehr starken Strahlungsquellen, entschieden werden. Die Versuche it Al ergeben aber schon jetzt ein weiteres Resultat von Interesse: Fig. 6. wenn an die Zahl der beobachteten H-Szintillationen zu der Intensität der priären a-strahlung ins Verhältnis setzt, so findet an, gleichäßige Verteilung i Rau vorausgesetzt, 30 H-Partikeln pro Millian a-strahlen, auf 1 Wegzentieter Aluiniu gerechnet. Das ist aber dieselbe Zahl, die E. A. W. S ch idt auf Grund seiner ausführlichen Arbeiten über die Zertrüerung des Al1 angibt. Wenn auch diese Übereinstiung, da in die Ausbeuteberechnung acherlei Schätzungen eingehen, nur als beiläufige zu betrachten ist, kann doch die Tatsache, daß die bei den Wiener Untersuchungen beobachteten»h«-strahlen aus Al wirklich alle H-Strahlen sind, indestens größenordnungsäßig als sichergestellt gelten. Viel ehr kann an bei der quantitativen Unsicherheit von Szintillationsi E. A. W. S c h id t, Mitt. d. R alnst. 178.

9 Bestiung des Quotienten Ladung/Masse. 69 Akadeie d. Wissenschaften Wien; download unter Zahlungen ja überhaupt kau erwarten. Gestützt wird diese Berechnung übrigens dadurch, daß die Zahl der beobachteten reflektierten a-strahlen gut it der nach der Theorie zu erwartenden übereinstit. Zu Schlüsse sei beerkt, daß von anderen Eleenten nur Fe und C in je eine provisorischen Experient untersucht wurden, ohne daß aus den Resultaten zunächst ehr festgestellt werden kann, als daß dieselben der Annahe von H-Kernen als Atotrüer auch bei diesen Eleenten nicht widersprechen. Zusaenfassung. Es wurde eine Anordnung geschaffen, it der es öglich ist, für die außerordentlich harten und wenig zahlreichen»h«- Strahlen, wie sie bei der Atozertrüerung auftreten, den Quotienten Ladung/Masse durch gleichzeitige elektrische und agnetische Ablenkung zu bestien. Nach ausführlichen Eichessungen it bekannter a-strahlung waren H-Strahlen aus Paraffin untersucht worden: die aus den Versuchen zu berechnende Masse stite auf weniger als 1% der Masse des Wasserstoffatos, beziehungsweise dessen Kerns, überein. Die nunehr durchgeführten Untersuchungen an Atotrüern aus Aluiniu ergeben ein Massenspektru, in de neben den (reflektierten) a++- und a f-partikeln deutlich die H-Strahlen ß hervortreten, und zwar stit nicht nur d e r W ert it der für Protonen zu erwartenden, sondern auch die beobachtete Zahl it der bei den Zertrüerungsversuchen i Radiuinstitut und II. Physikalischen Institut (E. A. W. S c h id t) angegebenen Ausbeute gut überein. Versuche an Atotrüern anderer Eleente sind in Vorbereitung.