J. J. Thomson: On the Appearance of Helium and Neon in Vacuum Tubes - 1913
Über das Auftreten von Helium und Neon in Vakuumröhren[1]
SCIENCE
Vol. 37, Issue 949, pp. 360-364
07. März 1913
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Auf der letzten Sitzung der Chemical Society haben Sir William Ramsay, Prof. Collie und Mr. Patterson einige Experimente beschrieben, die ihrer Meinung nach die Umwandlung anderer Elemente in Helium und Neon beweisen. Seit einiger Zeit führe ich ähnliche Experimente durch, und obwohl die Untersuchung noch nicht abgeschlossen ist, scheinen mir die Ergebnisse, die ich bis zum jetzigen Zeitpunkt erhalten habe, für eine andere Erklärung zu sprechen als die, die in der Chemical Society vorgebracht wurde. Einige dieser Experimente habe ich in einem Vortrag in der Royal Institution am 17. Januar [1913] beschrieben, aber da die separaten Kopien dieses Vortrages noch nicht herausgegeben worden sind, werde ich hier einen Bericht über einige der Experimente abgeben, die meines Erachtens den direktesten Einfluss auf das fragliche Phänomen haben.
Zum Nachweis der Gase habe ich die Methode der positiven Strahlung angewandt; diese Methode ist empfindlicher als die Spektralanalyse und liefert viel genauere Informationen. Ich kann sagen, dass der Hauptzweck meiner Experimente darin bestand, den Ursprung und die Eigenschaften eines neuen Gases mit dem Atomgewicht 3 zu untersuchen, das ich X3 nennen werde und das ich durch die Methode der positiven Strahlung entdeckt habe. Auf den in den letzten zwei Jahren aufgenommenen Photographien ist dieses Gas, wie auch ein Gas mit dem Atomgewicht 20 (Neon?), sporadisch erschienen; die Entladung in der Röhre ist eine gewöhnliche Entladung, die durch eine Induktionsspule in einem großen, mit Aluminiumklemmen versehenen Kolben erzeugt wird und Gas mit sehr niedrigem Druck enthält. Es scheint kein offensichtlicher Zusammenhang zwischen dem Auftreten einer dieser Linien und der Art des Gases, mit dem die Röhre gefüllt war, zu bestehen; die Linie 3 erschien, wenn der Kolben mit Wasserstoff, mit Stickstoff, mit Luft, mit Helium oder mit Gemischen aus Wasserstoff und Sauerstoff in verschiedenen Anteilen gefüllt war; die Linie 20, wenn der Kolben Wasserstoff, Stickstoff, Luft, Salzsäuregas oder Gemische aus Wasserstoff und Sauerstoff enthielt.
Die von mir durchgeführten Experimente hatten zum Ziel, die Umstände zu entdecken, die die Produktion von X3 begünstigen, und zu prüfen, ob es sich um Triatomwasserstoff handelt, der durch die Entladung erzeugt wird, da dies die Alternative zu einem neuen Element darstellt. Ich habe festgestellt, dass die Bedingungen, die zu einer beträchtlichen Produktion von X3 führen, im Allgemeinen das Auftreten von Helium und Neon zur Folge haben. In den meisten Fällen, in denen ich das Auftreten von Helium- und Neonspuren beobachtet habe, waren diese Gase von größeren Mengen von X3 begleitet; dieses Gas scheint den Lesern des Artikels in der Chemical Society entgangen zu sein. Ich möchte auch erwähnen, dass neben Neon mit einem Atomgewicht von 20 unter diesen Umständen eine Linie auftritt, die einem Atomgewicht von 10 oder so ungefähr entspricht. Obwohl diese Linie wahrscheinlich auf Neon mit zwei elektrischen Ladungen zurückzuführen ist, ist sie im Vergleich zur Neonlinie im Allgemeinen heller als die Linien, die doppelt und einfach geladenen Atomen entsprechen, so dass es nicht unmöglich, wenn auch vielleicht unwahrscheinlich ist, dass sie auf ein neues Gas zurückzuführen ist.
Die positiven Strahlen für die Gasanalyse wurden in einem Gefäß erzeugt, das Gase unter niedrigem Druck enthielt. Das Gefäß, in dem die verschiedenen Verfahren zur Erzeugung von X3 erprobt wurden (die Versuchskammer), war an das Versuchsgefäß angeschlossen, aber durch einen Hahn von ihm getrennt. Der Druck in der Versuchskammer musste also nicht zwangsläufig derselbe sein wie im Versuchsgefäß, sondern konnte den Wert annehmen, der für die jeweilige Versuchsart am geeignetsten erschien. Nach Beendigung dieser Experimente wurde der Hahn aufgedreht und ein Teil der Gase aus der Versuchskammer in das Prüfgefäß eingelassen; dann wurde eine Photographie gefertigt, und durch Vergleich mit einer vor dem Aufdrehen des Hahns gemachten Aufnahme konnte man die neuen Gase in der Versuchskammer feststellen. Die Verfahren, mit denen ich bisher den reichlichsten Vorrat an X3 erhalten habe, sind:
(1) Der Beschuss von Metallen und anderen Körpern mit Kathodenstrahlen.
(2) Die Entladung aus einer Wehnelt-Kathode durch ein Gas bei niedrigem Druck.
(3) Die Bogenentladung in einem Gas bei vergleichsweise hohem Druck.
Die weitaus meisten Experimente wurden durch Beschuss von Metallen durchgeführt, aber ich werde mit der Beschreibung eines Experimentes mit dem Lichtbogen beginnen, da es die Frage nach dem Ursprung dieser Linien auf eine sehr direkte Weise aufwirft. Ein Lichtbogen zwischen Eisendrähten wurde etwa eine Stunde lang bei einem Druck von etwa 3 cm durch Wasserstoff geleitet (in diesem Fall würden alle Kathodenstrahlen ganz in der Nähe der Elektrode absorbiert), und die in der Experimentierkammer freigesetzten Gase wurden untersucht; dabei wurden X3, Helium und Neon gefunden. Das Experiment wurde am nächsten Tag mit denselben Drähten als Anschlüsse wiederholt; auch hier wurden die drei Gase gefunden. Am nächsten Tag wurde der Lichtbogen, immer noch mit denselben Drähten, durch Sauerstoff geleitet; die X3-Linie war immer noch vorhanden, wenn auch viel schwächer als zuvor; Helium und Neon konnten nicht mit Sicherheit nachgewiesen werden. Am nächsten Tag wurde der Lichtbogen mit denselben Anschlüssen erneut durch Sauerstoff geleitet; keine der Linien konnte nachgewiesen werden. Es sieht so aus, als ob diese Substanzen durch den Lichtbogen, der durch Wasserstoff geleitet wurde, erzeugt wurden. Es stellte sich jedoch heraus, dass, wenn man den Sauerstoff vorsichtig abpumpte und wieder mit Wasserstoff auffüllte, der Lichtbogen durch den Wasserstoff nicht einmal eine Spur dieser Linien erzeugte, wenn man dieselben Klemmen benutzte. Ersetzte man die alten Eisendrähte durch neue und schickte den Lichtbogen durch den Wasserstoff, so traten die Linien wieder auf. Dieses Experiment scheint mir sehr deutlich darauf hinzuweisen, dass diese Gase von Anfang an in den Klemmen waren, durch die lange anhaltende Funkenbildung aus ihnen entfernt wurden und nicht durch den Lichtbogen de novo erzeugt wurden.
Bei jenen Versuchen, bei denen die Entladung in einer Röhre mit einer Wehnelt-Kathode ausgelöst wurde, betrug die Potenzialdifferenz zwischen den Anschlüssen nur 220 Volt, so dass die Kathodenstrahlen in der Röhre nur einen Bruchteil der Energie aufwiesen, die sie gehabt hätten, wenn die Entladung durch eine Induktionsspule ausgelöst worden wäre; X3 und Helium erschienen, als die Entladung durch diese Röhre geführt wurde. Neon habe ich nicht entdeckt.
Die Methode, welche X3 und auch die anderen Gase in der größten Menge lieferte, war die Beschießung von Metallen oder beinahe jeder anderen Substanz mit kathodischen Strahlen. Die zu diesem Zweck verwendete Röhre besaß eine gekrümmte Kathode, welche die Strahlen auf einen Tisch fokussierte, auf den die zu beschießende Substanz gelegt wurde. Die Substanz, die von den Strahlen getroffen wurde, wurde durch den Beschuss im Allgemeinen bis zu einer leuchtend roten Hitze aufgeheizt; der Beschuss wurde in der Regel fünf oder sechs Stunden am Stück aufrechterhalten. In der Regel wurde die X3-Linie zuerst von der Heliumlinie und etwas seltener von der Neonlinie begleitet, wenn die folgenden Substanzen (was fast alle, die ich ausprobiert habe, einschließt) beschossen wurden: Eisen, Nickel, Nickeloxid, Zink, Kupfer, verschiedene Bleiproben, Platin, zwei Meteoriten und eine Probe von schwarzem Glimmer, die mir von Sir James Dewar zur Verfügung gestellt wurde und die durch ihre Menge an Neon bemerkenswert war.
Das reichhaltigste Aufkommen von X3 stammt von Platin, und ich werde jetzt ein Experiment mit diesem Metall beschreiben. An vier Tagen wurde ein Stück Platinfolie beschossen, und die dabei entstehenden Gase wurden jeden Tag untersucht. Am Ende des ersten Tages des Beschusses wurde festgestellt, dass die von X3 verursachte Linie sehr stark war, die von Helium und Neon schwächer, aber immer noch recht auffällig. Die am ersten Tag erzeugten Gase wurden dann gründlich aus der Röhre ausgewaschen, und die Folie wurde einen zweiten Tag lang beschossen. Die gebildeten Gase erwiesen sich als weitgehend identisch mit denen des ersten Tages; es gab keine nennenswerte Verminderung. Die Untersuchung des Ergebnisses des dritten Tages des Beschusses zeigte, dass die X3-Linie deutlich, die Linien von Helium und Neon spürbar abgenommen hatten. Bei der Untersuchung der am vierten Tag erzeugten Gase wurde festgestellt, dass die X3- und die Heliumlinie so stark zurückgegangen waren, dass die Linien kaum noch zu erkennen waren. Die Neonlinie konnte ich überhaupt nicht mehr erkennen. In diesem Fall wurde das Helium erst am vierten Tag eliminiert. Im Allgemeinen habe ich festgestellt, dass das Helium lange vor dem X3-Gas verschwand. So hat ein Stück altes Blei, das ich beschossen habe, am ersten Tag eine beträchtliche Menge Helium abgegeben, am zweiten Tag nur sehr wenig und am dritten und den folgenden Tagen konnte ich nichts mehr feststellen. Das X3 hingegen wurde bis zum Ende des Experimentes, das sechs Tage andauerte, in beträchtlichen Mengen freigesetzt. Die bessere Eliminierung von X3 im Falle der Platinfolie führe ich darauf zurück, dass sich der Beschuss während der gesamten Zeit auf einen Fleck von nur etwa 2 mm Durchmesser konzentrierte, während das Blei unter dem Beschuss schmolz, so dass den Strahlen ständig neue Partien ausgesetzt wurden. Ein Stück von Kahlbaums chemisch reinem Blei lieferte nennenswerte Mengen an X3 und Helium, wenn auch nicht annähernd so viel wie das alte Blei. Ich probierte etwas Blei, das gerade ausgefällt worden war, konnte aber weder X3 noch Helium nachweisen.
Bei den Experimenten mit altem Blei ließ ich Wasserstoff in die Experimentierkammer, um zu sehen, ob er die Menge an X3 erhöhen würde, konnte aber keine Wirkung feststellen. Bei einer Gelegenheit habe ich Sauerstoff eingelassen, als Nickel beschossen wurde, ebenfalls ohne nennenswerte Wirkung. Ich denke, diese Experimente sprechen dafür, dass diese Gase unabhängig von der Beschießung im Metall vorhanden sind und durch die Wirkung der Kathodenstrahlen freigesetzt werden. Sie werden erstaunlich fest vom Metall gehalten und können meiner Erfahrung nach nicht durch Erhitzen beseitigt werden. Ich habe ein Stück Blei in einer Quarzröhre drei oder vier Stunden lang im Vakuum sieden lassen, bis das Blei bis auf ein Viertel verkocht war, und habe die dabei entstehenden Gase untersucht; weder X3 noch Helium konnten nachgewiesen werden. Ich nahm dann das verbliebene Viertel und beschoss es, wobei ich nennenswerte Mengen an X3 und Helium erhielt. Bei einer zweiten Beschießung war das X3 sichtbar, aber das Helium war verschwunden. Als Beispiel für die Art und Weise, wie diese Gase an Metallen haften können, selbst wenn sie in Lösung oder in chemischer Verbindung vorliegen, möchte ich erwähnen, dass, obwohl, wie ich bereits sagte, Platinfolie nach langer Einwirkung von Kathodenstrahlen von diesen Gasen befreit ist, ich dennoch nennenswerte Mengen von X3 und Helium, jedoch kein Neon aus frisch aus Platinchlorid hergestelltem Platinschwamm erhielt.
Der Grund dafür, dass Helium durch Erhitzen des Glases alter Röntgenröhren gewonnen wird, liegt meines Erachtens darin, dass das Helium nach der Freisetzung durch die Kathodenstrahlen entweder an der Oberfläche haftet oder viel lockerer absorbiert wird als vor der Freisetzung. Die Frage, wie diese Gase in die Metalle gelangen, ist höchst interessant: Werden sie bei der Herstellung absorbiert? In diesem Zusammenhang ist es interessant festzustellen, dass X3 anscheinend nicht in nennenswertem Umfang in der Atmosphäre vorkommt. Manchmal, wenn ich unter der Schwierigkeit leide, diese Gase zu entfernen, habe ich mich zu der Spekulation hinreißen lassen, ob sie nicht die teilweise fehlgeschlagenen Versuche gewöhnlicher Metalle darstellen, das Verhalten radioaktiver Substanzen nachzuahmen; aber während in diesen Substanzen die α-Teilchen und dergleichen mit einer solchen Geschwindigkeit emittiert werden, dass sie sich vom Atom lösen, haben sie in gewöhnlichen Metallen nicht genügend Energie, um sich zu lösen, sondern klammern sich an die äußeren Teile des Atoms und müssen von den Kathodenstrahlen zum Entweichen geführt werden.
Ich möchte die Aufmerksamkeit auf die Analogie zwischen den soeben beschriebenen Effekten und einer alltäglichen Erfahrung mit Entladungsröhren lenken – ich meine die Schwierigkeit, diese Röhren frei von Wasserstoff zu bekommen, wenn der Test mit einer empfindlichen Methode wie der der positiven Strahlen durchgeführt wird. Auch wenn man das Glas der Röhre bis zum Schmelzpunkt erhitzt, die Gase mit flüssiger Luft oder gekühlter Holzkohle trocknet und die Gase, die man in die Röhre einlässt, so sorgfältig wie möglich von Wasserstoff befreit, wird man bei der Positivstrahlmethode immer noch Wasserstofflinien erhalten, selbst wenn die Glühbirne fast ein Jahr lang mehrere Stunden am Tag in Betrieb war. Die einzige Ausnahme ergibt sich, wenn die Röhre ständig mit Sauerstoff durchströmt wird, und das liegt meines Erachtens nicht an der fehlenden Freisetzung von Wasserstoff, sondern daran, dass sich der Sauerstoff mit der kleinen Menge freigesetzten Wasserstoffs verbindet, so wie er sich mit dem Quecksilberdampf verbindet und das Verschwinden der Quecksilberlinien verursacht. Ich denke, dass diese Produktion von Wasserstoff in der Röhre ganz analog zur Produktion von X3, Helium und Neon erfolgt. Bei den von mir beschriebenen Experimenten haben mir Herr F. W. Aston, das Trinity College, und Herr E. Everett große Hilfe geleistet.
J. J. Thomson
[1] Von Natur aus.