Ricekche sui raggi positivi e neutrali

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    25-Aug-2016

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  • RICERCHE SUI RAGGI POSIT IV I E NEUTRAL I

    IV. - SEZIONI EFFICACI PER LA NEUTRALIZZAZIONE (*)

    Nota di ANTONIO ]:~0STAGNI

    Sunto. - Si descrive un dispositivo a campo trasversr per la misura delte sezioni efficaci per la neutralizzazione di ioni nei gas. Se ne studiano le condizioni di funziona~ento. Si determinano le sezioni efficaci per gli ioni Ar~-, Ne~-, He + ~ei rispettivi gas, alle velocit~ comprese fra 900 V e 6 V. L'andamento di esse risulta, per tutti i gas studfiati, crescente al decrescere della veloeit~ da 900 V sino verso i 30 V ; presenta un mas- simo fra 30 e 20 V; e diventa decrescente verso le minori velocitY.

    La neutralizzazione dei raggi positivi nei gas ~ stata oggetto di numerose ricerche sperimentali, sia in passato che in tempi recenti: non si dispone perb a tutt 'oggi , che di pochi dati, che possano ritenersi a cquisiti da un punto di vista quantitat ivo (1). I lav ori pr imit ivi r iguardano in massima, il campo delle velocit~ elevate, di decine di KV, dove il fenomeno si presenta sovrapposto, in mi- sure equivalenti, a quello di ionizzazione per urto di atomi, e dove, se si ~ giunti, attraverso la teoria del Wien, a determinazioni appros- simate delle sezioni efficaci Q~, si sono trovati andamenti general- mente decrescenti di queste, con poche differenze fra i diversi gas.

    Coi lavori di KAL~M~rS e ROSEN (~) b stato, si pub dire, aperto alla ricerca il eampo delle velocit~ pifi basse, inferiori a 1000 V. Essi hanno portato pure una mole di dati interessanti, ma essenzialmente qualitativi, destinati pifi che altro a verificare il principio di riso- nanza, da questi AA. introdotto. Dal lato quantitat ivo gli AA. si l imitano ad assegnare qualche valore isolato di sezione efficace per la

    (~) Lavoro eseguito nell'Istituto Fisico della R. Universit~ di Torino. ~i) V. per es. l'articolo di E. RiiCHARDT in r Hdb. d. Phys. ~ di GEIOER e

    SCHEEL, vo1. XXII, 2 a ediz., o quello di R. WIERL in , Hdb. d. chem. Phys. di EUCKEN e WOL~, vol. 6/II.

    ~.z) ,. Zs. f. Phys. ,, 61. 61, 1930; 64, 806, 1906, ed altri ivi eitati.

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    neutralizzazione, ed a verificare in un caso (Ar + in Ar) che questa non varia colla velocitY, entro i limiti d'errore delle misure (dell'or- dine del 20 %) se si riduce quest'ultima da 400 V sino a 50.

    I1 primo a proporsi una determinazione sistematica di Q~ in un campo esteso di velocit~ al di sotto di 1009 V, ~ stato F. WOLF (~), per il caso di Ar + in Ar, fra 22 e 930 V. Egli trova un andamento curioso: la sezione efficace in questione presenta un massimo verso i 40 V ed un minimo in una regione estesa intorno ai 460 V. A1 di sotto di 40 V sembra cadere bruscamente, il che fa supporre all'A. che il fenomeno della neutralizzazione si i~neschi ad un poten- ziale definito, che potrebbe coincidere eventualmente con quello di ionizzazione (15,6 V). Bisagna rilev are the la caduta di Qn ~ indi- cata da un solo punto di misura, a 22 V. A1 di sopra di 460 V la curva assegnata da F. WOLF sale dolcemente. Questa particolarit~ non sembra aver avuto conferma da ricerehe successive eompiute hello stesso laboratorio da H. KE~bER (2).

    Le osservazioni, essenzialmente qualitative, da me compiute nel 1933 (3) sulla neutralizzazione a basse veoclit~, di Ar +, Ne +, He + ~ei rispettivi gas, spinte sino a 6 V, mi hanno_ portato ad escludere l'esistenza di una soglia, ed anche di una diminuzione importante di Q~, nel campo studiato, come affermata da WOLF: mostrando un andamento praticamente costante di Q ,, entro i limiti, invero piut- tosto larghi, di incertezza delle misure.

    Per quanto riguarda gli ordini di grandezza, dalle misure di KALLMANN e ROSEN, e dalle mie sopra citate, si deducono dei valori coincidenti all' incirca con quelli delle sezioni efficaci per l 'urto cine- rico, desunte da misure di attrito interno: per es. intorno a 80 cm2/cm 8, alla pressione di 1 mm Hg, per Ar + in Ar. F. WOLF d~ dei valori alquanto pifi bassi, intorno a 50 cm2/cm 3, nel tratto medio della curva. Da una determinazione grossolana di PENNING e VEENE- ~A~S (~) per Ar + in Ar, a 200 V, risulta invece Qn ~ 120 em2/cm ~, mentre in misure recenti di sezioni efficaci totali O. BImCK e H. WAr- T.AND (5) trovan0, come ]imite superiore di Q,,, 113 cm:/cm a, senza variazioni sensibili f ra 350 e 650 V.

    La serie pifi estesa di dati oggi disponibili sulla dipendenza di Q~ dalla velocit~ riguarda la neutralizzazione di protoni in gas diversi.

    (~) ~ ZS. f. Ph. ~ 72, 575, 1932. (~) Cfr. O. BEECK e I~. WAYLAND, ~ Ann. d. Ph. >>, 19, 141, 1934. (3) r Nuovo Cim. >>, 11, p. 34 e p. 99, 1934 in seguito r come N. I e I I . (4) ~ Zs. f. Ph. ~, 62, 734, 1930. (5) loc. cir.

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    Un notevole contributo ~ stato portato, in particolare, da ricerche recenti di RAMSAUER e collaboratori (1): nonostante queste siano state compiute con dispositivi non destinati direttamente allo scopo, e perci5 non si debbano ritenere interamente attendibili dal punto di vista quantitativo. Dalla combinazione dei risultati di questi con que]li di varl AA. precedenti ci si pub formare un primo qua dro provvisorio del fenomeno. La sezione efflcaee per la neutralizzazione presenterebbe un massimo ad una velocit~ variabile entro larghi li- miti da gas a gas. Tall massimi sono staff osservati per i protoni nel- l'elio e nell'idrogeno intorno ai 6000 V, hell'argon a 1800, nel krip- ton a 300; se ne presume l'esistenza al di sotto di 25 V nel metano e nello xenon, e al di sopra di 2500 V nel neon.

    Sebbene possa essere arrischiato trarre conclusioni da una stati- stica di pochi casi, definiti solo qualitativamente, in un fenomeno che dipende certo da parecchi fattori, si ha l'impressione ehe la posizione e la grandezza del massimo siano legate ai potenziali di ionizzazione dei rispettivi gas, in eonfronto col potenziale di neutralizzazione de]lo lone: come del resto porterebbe a prevedere una facile esten- sione delle idee contenute nel prineipio di risonanza di KXSr,M.~N e ROSEN (2). La sezione eflleaee massima risulta piccola, e non si rag- giunge in genere che a potenziali elevati, nei gas per cui il poten- ziale di ionizzazione differisce notevolmente da quello dell'atomo d'i- droo.eno, cio~ si ~ lontani dalle condizioni di risonanza (anzi tutto He, poi Ar ed He), mentre essa diventa assai grandee si ragg~unge a potenziali bassi quando la differenza dei potenziali di ionizzazione diventa dell'ordine dcl volt, o inferiore (Kr, Xe, CH4) (3).

    In queste condizioni non mi ~ sembrato privo di interesse tentare

    (1) C. I~A~rSAUER, . KOLLATH e D. :LILIENTHAL, (( Ann. d. Ph. ~, 8, 709, 1931; C. RA~SAUEa e E. KOLLA~H, ibid., 16, 570, 1933 ; 17, 755, 1933.

    d) loc. cit. (~) EAx~SaVER e KOLLA~H (]. C.) si pongono la questione negli stessi ter-

    mira, ma propendono per una conclusione sfavorevole all' estensione del prin- r di r isonanza: essi si basano perb su valori dei potenziali di ionizzazione che non sono quelli comunemente accettati. In particolare essi pongono per lo Xe, Fi----_IO, 4V mentre le tabelle corre,t i davano V i~12,78 (Cfr. per es. BACHEI~ e GOUDSMITH: Atomic Energy States, 1933). In un lavoro pifl re- cente di C. J . HU~PHaEYS e W. F. MEGGERS, (

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    nna determinazione un po' precisa e sistematica delle Q,, per una serie di gas in un campo esteso di velocitY, con un dispositivo stu- diato appositamente, e di cui si potesse approssimativamente valu- tare la precisione. Ho cominciato collo studio della neutralizzazione in condizioni di risonanza, sulla quale, come si ~ visto, i dati quanti- tativi sono particolarmente scarsi e dubbi: ho determinate ]e Q~, per ioni Ar +, Ne -~, He + nei rispettivi gas a partite da 900 V, gift sino a 9 V di velocit'~. La precisione raggiunta helle misure si pub valutare dell'ordine del 10 ~/o, per quanto riguarda il valore asso- luto delle Q,, dipendente dalle costanti del dispositivo, mentre non ]a ritengo lontana da l l '1% per le misure relative, sia per l'anda- mento colla velocith the per il confronto dei diversi gas.

    Uno studio accurato della neutralizzazione in condizioni di riso- nanza presentava del resto, oltre all'interesse teorico diretto, anche un interesse indiretto, in quanto essa rap presenta, come 8 noto, la via per ottenere dei fasci intensi ed omogenei di raggi neutrali (~): e alla eonoscenza esatta di Q, ~ subordinata 1 'applieabilith dell'unico metodo oggi disponibile per ]e determinazioni d'intensith dei raggi ste~i a velocith inferiore a qualehe centinaio di volt (~).

    II dispositivo sperimentale.

    La sorgente di ioni ~ la medesima descritta in N. I (camera J). Per le misure di neutralizzazione ho usata una disposizione a campo trasversale posta nella camera M. I1 gruppo principale di determina- zioni ~ stato compiuto col dispositivo rappresentato in Fig. 1 a), men- tre il dispositivo b) ~ servito per le ricerche preliminari, dirette ad indiwiduare le condizioni pifi favorevoli di misura.

    Gli ioni vengono, al solito, deviati dal condensatore C, ed entra- no nella seatola Z (disposizione a) ) attraverso la successione di dia- frammi D4, Ds, D~ e D~, dei quali i primi due, de] diametro di 1,5 ram, limitano ] 'apertura del fascio.

    La misura dell'intensit'~ del fascio si fa col collettore mobile Ao, a pozzo di Faraday, che viene portato direttamente dentro Z. Quan- do Am ~ sollevato gli ioni attraversano Z e terminano su A~, dove ne viene misurata l' intensith residua. I diaframmi D 7 e Dg, isolati, ven- gono portati ai potenziali opportuni per eliminare l'emissione elet- tronica secondaria e le eventuali incertezze dovute alla presenza di

    (1) H. ALLMANN, B. I~OSEN e W. LASAREFF, , 76, 213, 1932. ('~) Cfr. A. R0STAONI,

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    ioni lenti, sui rispettivi collettori; Ds e D 9 portano dei fili sottili tra- sversali, per rendere pifi uniforme il eampo fra essi, nonostante ]a loro grande apertura.

    La scatola Z presenta da una parte la lamina a, dall 'altra l'elet- trodo collettore b, di mm 12 X 12, contornato da un grande anello di

    fi,}

    :Fig. 1

    guardia, separato da un' intercapedine di 0,2 ram, e tirato a pu l l mento insieme con esso. Di fronte a questo sistema, a 4 mm, si trova una rete R del tipo gi~ descritto, di fill di molibdeno di 0,05 mm, pa- ralleli alla direzione del fascio, a distanze di 1,8 mm. L'asse del fa- scio passa a 6 mm da a e 14 da b: l'elettrodo collettore ~ stato cosl arretrato allo scopo di r idurre il numero di ioni primarl, dire~ta- mente diffusi, che vi possono pervenire: dato che, per quanto ri- sulta, la diffusione decresce rapidamente coll'angolo.

    Per una misura si regola, al solito, la tensione a C1, in modo da avere la massima corrente ioniea in _Ao.. Determinate le intensit~ su Ao ed A1, si determina quella della corrente raceolta da b, per oppor- tuni valori dei potenziali di a e di R, ed eventualmente di b stesso (con relativo anello di guardia). La serie di determinazioni si ripete a diverse pressioni.

    :Nella disposizione b) si hanno, invece del collettore unico b, tre lamine collettri.ci b , b2, ba di 11 X 11 lhm, c~)ntornate da un anello di guardia comune. Dinanzi ad esse, non solo, ma anche dinanzi ad a,

    posta una rete per impedire l'emissione elettroniea secondaria. La misura dell'intensit~ primaria viene fatta con un collettore piano A o, che si porta sul eammino degli ioni prima che questi entrino in Z.

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    Per la misura delle eorrenti ioniche ho proceduto come in N. I I I . Per le misure di pressione nella camera M ho usato un vacuome-

    tro a ionizzazione, che ho trovato preferibile, nel campo di pressioni che interessava (10 -5 . 10 -8 mm Hg), al va,cuometro a filo caldo precedentemente usato. L'ho realizzato semplicemente con un trio- do Philips ZI, liberato dallo zoccolo: applicando un potenziale di 112 V alla griglia nell 'Ar, 225 V nel Need He, con correnti di emis- sione elettronica di 1,2 e 2,2.10 -4 A rispettivamente, si ottengono correnti positive di p]acca di 9., 4. e 2,2.10 -9 A rispettivamente nei tre gas, per i . 10 -~ ram di pressione, con la placca a - -4 ,5 V. La taratura si compie col McLeod, ed ~ particolarmente semplifieata dalla perfetta linearit~ de]l'andamento, sino a pressioni assai supe- riori a quelle che interessano.

    L'argon e l'elio usati sono gli stessi che hanno servito alle ricer- che sulla ionizzazione per urto di atomi (N. III). I l neon ha la stessa provenienza () di Francoforte sul Meno: qualit~ >) (1).

    La misura dell'intensitk primaria.

    Nella disposizione b) l'intensit~ del fascio di ioni viene misurata prima dell'ingresso in Z. Le condizioni geometriche sono scelte in lnodo perb che il fascio che giunge su Ao dovrebbe entrare per inte- ro in Z. Eseguendo misure di controllo sull'insieme delle tre lamine bl b2 b~, con un campo trasversale sufficiente a deviare totalmente il fascio, e confrontandole colle indicazioni di Ao, ho osservate tuttavia delle irregolarit~ sia pure non grandi, dov.ute molto probabilmente all'arrivo su Ao sia di elettroni che di ioni dispersi, nel campo piut- tosto irregolare esistente fra le armature di C1 e i diaframmi di en- trata nel sistema di misura.

    Percib si ~ introdotta, nella disposizione a), la coppia di diafram- mi D4 e Ds, che limita fortemente l 'apertura, e si ~ posto Ao dopo il secondo diaframma, nell' interno stesso di Z. La forma di pozzo di Faraday per il collettore ~ naturalmente preferibile, quando la si pub applicare, in quanto riduce le incertezze dovute sia all'emissione d'elettroni secondarl che alla riflessione di ioni: se anche quest'ul-

    (l) I1 neon fu eeduto gratuitamente all'Istituto di Fisiea dalla r SAID Fabbrlca insegne luminose, di Torino, alla quale desidero rinnovare qui i rin- graziamenti.

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    tima sembri non essere grande, come hanno mostrato misure d'orien- tamento, nel campo di velocit~ che qui interessa (z).

    L ' effetto dell'emissione secondaria ~ praticamente eliminato: in vuoto spinto, anche nel caso pifi sfavorevole (ioni di 900 V) le indicazioni di A o risultano quasi indipendenti dal potenziale di D 7 entro larghi limiti. Esse prendono invece a dipenderne lievemente al crescere della pressione, quando la neutralizzazione si fa sensibile,

    Ar ~aAr

    I

    o 7:.1 F" 20.

    = 9 . . . . .

    , r k

    Fig. 2

    per via degli ioni lenti a eui questa dh origine. Dando a V7 valori negativi crescenti si raggiunge presto un valore costante (minimo) di io, con legge indipendente dalla velocith degli ioni. La entith della variazione complessiva ~, del resto, alle pressioni usate, di centesimi del valore tota]e (v. Fig. 2). Nelle misure di io ho posto di massima V~- - -9V .

    Le misure su A , destinate essenzialmente a scopi di controllo si facevano al solito modo, con Do a potenziale negativo abbastanza bas- so da annullare l'emissione secondaria.

    La misura degli ioni secondari.

    I i metodo di misura adottato si fonda sull'ipotesi, suffragata dal- l'insieme delle osse...

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