3'. Wolf. Zur Streuung und Dissoziation langsarn bewegier Ionen 561

Zur Strezcuriy un d Ddssoxiation lalzgsarn bewegter Ionen

Vow Pranx Wolf (Mit 1 Abbildung)

U bers icht: Nitteilung neuer Wirkungsquerschnittsmessungen. Uber- blick iiber das gesamte Versucbsmaterial von Wirkungs- und Umladungequer- schnitten. Abschiitzung yon Anregung, Ionisation und Streuung. Schliisse iiber die Dissoziation.

Schon mehrfach drangte sich bei meinen bisherigen Unter- suchungenl) iiber StoBe langsam bewegter Ionen die Frage auf, wie weit die Dissoziation molekularer Strahlionen beim ZusammenstoB mit Gasatomen oder Molekiilen als Wechselwirkung eine Rolle spielt. In Arbeit ,,IV", S. 75314 war auseinandergesetzt, daB die Disso- ziation bei der Messung umladender Querschnitte uberhaupt nicht, bei Messung des gesamten Wirkungsquerschnitts dagegen in vollem Umfang zur Geltung kommen muB. Damit ergibt sich, falls man uber die im Wirkungsquerschnitt weiter enthaltenen geringfiigigeren Anteile der Anregung, Ionisation und Streuung ebenfalls Bescheid weiB, die Moglichkeit, durch Vergleich von umladenden und gesamten Wirkungsquerschnitten Schliisse auf die Ausbeute an dissoziierenden StoBen zu ziehen. Friiher reichten die noch sparlichen experimen- tellen Ergebnisse zu einer wirklichen Erprobung des Verfahrens kaum hin. Dagegen macht jetzt das inzwischen angesammelte Ver- suchsmaterial eine systematische Auseinandersetzung mit diesen Fragen notwendig. - Es sei aber ausdriicklich betont, daB von den verschiedenen Moglichkeiten, nach denen an sich die Partner des StoBvorgangs A,+-+ B, rnit oder ohne Umladung zerfallen konnen, hier nur diejenigen erfaBt werden, bei denen das molelrulare Strahlion ohne Umladung in ein neutrales Atom und ein Atomion, also in A + A+ zerspalten wird. Nur von solchen Vorgangen ist im folgenden die Rede.

1) Eine Literaturiibersicht mit den auch im folgenden benutzten abkiir- zenden Nummern befindet sich in der Arbeit Ann. d. Phys. [53 30. S. 313. 1937, die selbst mit ,,XI" bezeichnet werde. Die Arbeiten ,,I" und ,,IIIii sind in ,,X" zitiert.

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Neben den in ,,Xi‘ nnd ,,XI” zusammengestellten Umladungs- kurven steht ebenfalls in friiheren Arbeiten schon eine grof3ere Zahl

H, He

D+-rl 1 \

Ne

Abb. 1. Ionenerzeugende und gesamte Wirkungsquerschnitte bei verschiedenen StoBvorgLngen

von Messungen des gesamten Wirkungsquerschnitts zur Verfiigung. Urn das Material fur den vorliegenden Zweck noch etwas zu ver-

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vollstandigen, habe ich dariiber hinaus die Wirkungsquerschnitte f u r fiinf weitere StoBvorgange mittels der in Jli angegebenen Me- thode gemessen, niimlich fur

H,' --f N, ,

N,+ --t He, N,+ -+ Ne, N,+ --f Ar.

Der Kiirze halber sind die MeSergebnisse hier nicht einzeln dar- gestellt, sondern unter der Bezeichnung ,,XII" gleich in das neben- stehende Ubersichtsbild mit eingetragen. Diese Kurven haben also iiber die folgenden u berlegungen hinaus den m'ert neuen , rein experimentellen Erfahrungsmaterials.

Die Abbildung enthalt die jetzt insgesamt verfiigbaren MeB- ergebnisse fur 16 verschiedene StoBe molekularer und atomarer Ge- schosse in leicht ersichtlicher Anordnung nach wachsenden Massen der Partner. I n jedem Teilbildchen bedeutet die obere Kurve den Wirkungsquerschnitt W&, die untere den in Arbeit ,,II" bzw. ,,VILL mit Q+ bezeichneten ionenerzeugenden Querschnitt. Die Abszisse lauft in jedem Einzelbild von 0 bis 35 1/m, wahrend die ein- gezeichnete Ordinatenskala zwischen je zwei Strichmarken urn 10 cm-' wiichst. Durch romische Ziffern sind die Veroffentlichungen an- gegeben, denen die einzelnen Kurven entstammen.

Neun der gezeichneten Bilder beziehen sich auf Stot3e der molekularen Ionen H,+ und N,+. Bei ihnen ist die F'rage, wie weit aus dem Unterschied von Gesanitwirkung und Umladung auf die Dissoziation dieser Ionen geschlossen werden kann. Entscheidende Vorarbeit hierfiir ist, zunachst die weiteren, im Rirkungsquerschnitt enthaltenen Teilquerschnitte zu beurteilen:

N,+ --t H,,

1. Anregung In den wenigen liierauf beziiglichen Arbeiten wird vielfiach

uber Mange1 an Intensitat der angeregten Spektrallinien geklagt. Quantitativ geben nur M a u r e r und Mehner t ' ) beim StoB Na+-+ He fur das auffallende Leuchten der beiden I)-Linien zusammen 0,215. 10W3 cm-l als Anregungsquerschnitt bei 1000 Volt an. Wenn es sich hierbei auch um einen besonders verwickelten Vorgang handelt, so gibt der Zahlenwert doch wohl einen ungefahren Anhalt fur die sonst zu e m artenden GrBOenordnungen von Anregungs- querschnitten, die kaum jemals mehr als das 100- oder lOOOfache

1) W. M a u r e r u. K. N e h n e r t , Ztschr. f. Phys. 106. S. 453. 1937.

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betragen diirften. Sicher ist es danach berechtigt, die Anregungs- vorgange neben den hier zu behandelnden Querschnitten wegen ihrer ganz anderen GroBenordnung iiberhaupt zu vernachlassigen.

2. Ionisation

Diese ist i n einfachster Weise vollig ausgeschaltet durch Ver- wendung des obengenannten ionenerzeugenden Querschnitts Q+ statt des reinen Umladungsquerschnitts. Denn &+ stellt laut friiher ge- gebener Definition bereits Uniladung und Ionisation zusammen dar. Der ionisierende Querschnitt ist daher in den Abbildungen jeweils schon in clen Ordinaten der unteren Kurven mit enthalten und spielt fur die Deutung des daruberliegenden Rests des Gesamt- querschnitts keine Rolle mehr l).

3. Eltreuung

Wahrend die vorigen Teilquerschnitte ohne EinfluB auf die Beurteilung der Dissoziation bleiben, durfte man nacl! allen friiheren Erfahrungen (vgl. z. B. ,,IV" S. 738 u. f.) voh der Streuung im bestem Fall erwarten, daB sie bei den grogten untersuchten Strahlenergien unmerklich wird. Alle bisherigen Messungen hatten ja bei kleinen Geschwindigkeiten auf einen recht erheblichen Streuanteil gefiihrt, der aber mit wachsender Strahlenergie mehr und mehr zuriicktrat. Will man also bei StoBen molekularer Ionen iiber die Dissoziation genauere Aussagen machen, so muW zuvor iiber dieses allm&hliche Verschwinden des Streuanteils im Wirkungsquerschnitt Klarheit geschaffen werden. Hierzii wurden die in die obige Abbildung auf- genommenen StoBe der atomaren Tonen herangezogen. Bei ihnen muB ja, da man von Anregungsvorgangen absehen darf, der Unter- schied zwischen den jeweils gezeichneten beiclen Iiurven allein auf der Streuung beruhen.

Ein Uberblick iiber die betreffenden Bilder fiihrt nun leider zu dem unbefriedigenden Ergebnis, daB der Streuanteil, wenn die Strahlgeschwindigkeit bis an die obere Grenze der Versuche von etwas uber 1000 Volt erhoht wird, durchaus nicht inimer, wie an- fanglich vermutet, bis auf praktisch Null absinkt. Man hat also keine Sicherheit, bei den Molekiilionen dort den Dissoziationsanteil allein vor sich zu haben, sondern kann nur versuchen, Qesetzmkfiig-

1) Durch ein Vcrsehen wurde in Arbeit ,,X", Abb. 7 nicht der umladende Querschnitt sondern Q+ fur Ar' -+ Ar in der gestrichelten Kurve wieder- gegeben. Der richtige Verlnuf des Umladungsquerzchnitts war bereits vorher an Abb. 3 abgeleitet und diskutiert.

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keiten uber den gleichzeitig vorhandenen Streuanteil zu finden und mit ihrer Hilfe Aussagen uber die Dissoziation herauszuschalen, die danii freilich immer qualitativen Charakter behalten werden.

Da die Theorie I) keine allgemeinen Ergebnisse liefert, lassen sich GesetzmaBigkeiten uber die Streuung nur an Hand des experi- mentellen Ninzelmaterials aufsuchen. Man erkennt sie am deut- lichsten, wenn man den Unterschied zwischen gesamtem Wirkungs- querschnitt und ionenerzeugendem Querschiitt [ W Q - Q '1 zahlen- ma6ig verfolgt. Freilich fallen diese Werte als Differenzen von MeBkurven ziemlich unsicher aus. Doch wird die Genauigkeit durch Vermeidung kleinster Strahlgeschwindigkeiteii sowie durch Abgreifen an groBen Originalzeichnungen erhoht ').

Zunachst ist an sich das Verhalten des Streubetrags [WQ-Q+] bei verschiedenen StijBen interessant. Er ist fiir die Strahl- geschwindigkeit von 100 Volt in die folgende Tabelle eingetragen:

Natiirlich bedeuten nur die (nicht eingeklammerten) Zahlen fur die StOBe von Atomionen wirklich reine Streubetriige. F u r sie scheint die Regel zu gelten, dab der Streuanteil am grogten aus- fLllt, wenn die Massen der Partner einander gleich gewahlt werden. Nimmt man einstweilen an, da6 die Dissoziation bei den StoBen der Molekulionen bei so kleiner Strahlgeschwindigkeit noch gering ist, 60 befolgen die entsprechenden (eingeklammerten) Werte der Tabelle fast durchweg dieselbe GesetzmiiiBigkeit und helfen sie stiitzen. Nur clie StoBe H,' -PN, und N,+-+ H, fallen heraus, was als Hinweis auf vorhandene Dissoziation aufgefa6t werden konnte.

.- ~

1) H. S. W. Massey u. R. A. S m i t h , Proc. Roy. SOC. A. 142. S. 142. 1933. - N. F. Mott u. H. S. W. Massep, ,,Theory of Atomic Collisions", Oxford 1933.

2) Es ist dabei allein sinnvoll, die abso?uten. Streubetriige zu betrachten und nicht etwa relative, in Einheiten des jeweiligen Wirkungsquerschnitts ausgedruckte Werte, da die iibrigen in der Gesamtwirkung enthaltcnen Teile ja nichts mit der Streuung zu tun haben.

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Wichtiger fur die Beurteilung der Dissoziation ist die Frage, wie rasch der Streuanteil mit wachsender Strahlgeschwindigkeit xuriick- geht. Ich habe zu ihrer Beantwortung untersucht, auf welchen Bruchteil des Streubetrags yon 100 Volt die Streuung absinkt, wenn man mit der Teilchenenergie auf 900 Volt hinaufgeht. Dies liefert f u r die atomaren Ionen folgende Werte:

_ _ _ _ _ _ _ _ ~~ - _ _ ~ _ I €1, ~ He Ne ~ N, ~ Ar .- _____ - _ ~~ ~~~~~~- ._

~~~~

0,12

Wie schon die Abbildungen zeigen, fiihrt die Abnahme also nur in einzelnen Fallen bis zu bedeutungslosen Betriigen von etwa 0,l. Die StoBe von He+ und Ar+ liefern auch bei der groBen Ge- schwindigkeit noch etwa die Halfte des Streubetrags von 100 Volt. Dagegen ist das Ergebnis 1,75 yon Ne+ --f He uberhaupt sinnlos, da die Streuung auf keinen Fal l mit der Geschwindigkeit anwachsen wird. Bei den an sich sehr kleinen Querschnitten dieses StoAes ist nicht sicher, ob MeRunsicherheiten oder vielleicht doch das Mit- 1) irken von Anregungsvorgangen fur diesen Zahlenwert verantwort- lich sind.

LaRt man diesen StoB ganz beiseite und halt fest, dal3 bei den andern, wahrscheinlich zuverlassigeren Fallen die Streuung in dem betrachteten Geschhindigkeitsintervall auf 0,58 und kleinere Bruchteile ihres Anfangswerts abfallt, dann 1aBt sich diese Erfahrung f u r die Untersuchung der

Dissoaiation

in folgender Weise verwerten. Man bildet aus den Kurven fur die Molekulionen dieselben Quotienten wie oben und erhalt:

~ ~

1 He Ne , N, Ar

_ _ ~ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - ~ ~ ~ ~ _ _ _ _ _ _ _ . ~~ ~ _ _ ~ ~ I HZ I i- ~~ - ~ ~~

€I,+ 3 0,60 1 10 0,76 1 0,89 N,+ -+ ~ 1,07 1 1,28 1 O:S3 ~ 0 97 0,85

Diese Werte sind durchweg groBer, bis auf denjenigen fur H,+ --t H, sogar ganz erheblich groBer als die eben f u r die Streuung von Atomionen festgestellten. Sie deuten also darauf hin, da8 hier in

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der Differenz [WQ-Q+] auBer der abnehmenden Streuung noch eine andere Erscheinung wirksam sein muB, die gerade mit wachsen- der Strahlgeschwindigkeit zunimmt. Da man fur die Dissoziation ein solches Verhalten durchaus zu erwarten hat, so diirfte hiernach bei allen a u fge fiihrten StoBvorgangen der Molekulionen neben Streuung und Umladung in merklichem MaB auch Dissoziation auftreten.

Deutlicher noch als diese Zahlen weist auf ihr Vorhandensein die genauere Form der abgebildeten Kurven. In vielen Fallen durchlauft bei den StoBen der Molekiilionen die Differenz [WQ-Q'] nach anfanglicher Abnahme ein Minimum bei mittlerer Strahl- geschwindigkeit und nimmt dahinter gegen groBe Geschwindigkeiten hin wieder erheblich zu. Da der Streuanteil nur abnehmen kann, muB diese Erscheinung bei der Geringfugigkeit etwaiger Anregungs- vogange ebenfalls als ein mit der Geschwindigkeit wachsender Beitrag von Dissoziation gedeutet werden. ZahlenmaiBig erlautert dieses Verhalten die folgende Tabelle, in der - ganz analog wie oben fur die Geschwindigkeiten 900 und 100 Volt - die Werte [WQ--&+I bei 900 Volt in Einheiten derjenigen von 400 Volt, der Gegend der Minima, ausgedriickt werden:

Wahrend analoge Zahleii fur die StoDe der Atomionen durchweg eine Abnahme beim obergang von 400 auf 900 Volt ausdrucken muBten, tritt hier in den meisten Fallen die Zunahme, also offenbar ein Anwachsen des Dissoziationsanteils deutlich hervor. Nur drei StoiBe auf der rechten Seite der Tabelle liefern keine sichtbare Zunahme. Trotzdem ist nach den vorhergehenden Erfahrungen auch bei ihnen nicht an Dissoziationsvorgangen zu zweifeln.

Als Ergebnis darf also festgehalten werden, daB offenbar bei allen in Betracht gezogenen StoBen der Ionen H,+ undN,+ neben andern Wechselwirkungen auch Dissoziation dieser Geschosse auf- tritt, und dab die Haufigkeit des Vorgangs vor allem bei den in der letzten Tabelle weiter links stehenden Fallen mit der Ge- schwindigkeit deutlich ansteigt. Irgendein Znsammenhang der Dissoziationsausbeute rnit der Resonanzverstimmung der verschiedenen StoBe, wie er in ,,IV" vermutet wurde, laiBt sich dagegen nicht erkennen.

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Zueammenfaespng

1. Neue Wirkungsquerschnittsrnessungen fiir 5 verschiedene StoBvorgange werden mitgeteilt.

2. An Hand des Unterschieds zwischen gesamtem Wirkungs- querschnitt und ionenerzeugendem Querschnitt ergibt sich mittels einiger empirischer Erfahrungen iiber die Btreuung, daW bei neun beobachteten StoBvergangen der Molelriilionen Ha+ und N2+ durchweg auch die Dissoziation dieser Ionen als Wechselwirkung eine merk- liche Rolle spielt.

Auch die hier mitgeteilten neuen Messungen verdanken ihr Gelingen der freundlichen Unterstiitzung der Helmholtz-Gesellschaft und der Linde-A.-G.

K a r l s r u he (Baden), Technische Hochschule.

(Eingegangen 16. Jannnr 1938)

V e r a n t w o r t 1 i c h: fur die Redaktion: Prof. Dr. E. Oriineisen, Marburg/L. ; flir Anzeigen: Bernhard v. Ammon, Leipzlg. - Anzeigenannahmc: Leipzig C 1, Salomonstr. 18 B, Tel. 708 61. - Verlsg: Johaniihmbrosiua Bart!. -Druck: Metzger &Wittig,LeipzigCl.-DA.lOOO. -1V.Vj.1937. -

Zur Zeit gilt Preislistc 4. - Printed in Germany.