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Kathodenstrahlen

[749] Kathodenstrahlen entstehen beim Durchgang einer elektrischen Entladung durch sehr verdünnte Gase und bei Bestrahlung von Metallen mit ultraviolettem Licht. Sie gehen ferner aus von weißglühenden Metallen, stark erhitzten Elektrolyten und von radioaktiven Stoffen. Evakuiert man ein mit Elektroden versehenes Glasgefäß auf etwa 0,01 mm Quecksilberdruck, während die Entladungen eines Ruhmkorffschen Funkeninduktors oder einer Influenzmaschine hindurchgehen, so bildet sich eine scharfbegrenzte dunkle Schicht um die Kathode, die sich bei fortschreitender Verdünnung immer mehr ausbreitet, bis sie zuletzt das ganze Gefäß erfüllt und der Gasinhalt überhaupt nicht mehr leuchtet. Die Glaswand leuchtet dann in lebhafter, prächtig grüngelber Farbe, bei bleihaltigen Gläsern in blauer. Bringt man einen Körper zwischen Kathode und Glaswand, so wirft er einen Schatten auf letztere, der meistens etwas verzerrt, aber merkwürdigerweise scharf begrenzt ist. Man schließt hieraus, daß von der Kathode senkrecht zu ihrer Oberfläche unsichtbare Strahlen ausgehen, die sich geradlinig ohne Rücksicht auf die Strombahn verbreiten, die K., die ähnlich wie Lichtstrahlen Fluoreszenz erregen können. Ihr Entdecker ist Hittorf (1869). Ähnlich wie Glas, aber in den verschiedensten Farben, leuchten unter dem Einflusse der K. fast alle anorganischen und einige organische Salze und Mineralien, so Uransalze grünblau, Diamant hellgrün, Kalkspat gelbrot, Leuchtfarbe in der ihr eigentümlichen Fluoreszenzfarbe, Muscheln in den verschiedensten prachtvollsten Farben von Goldgelb bis zum reinsten Blau. Nach dem Aufhören der[749] K. leuchten die meisten dieser Substanzen noch einige Zeit nach (Phosphoreszenz). Das Leuchten unter dem Einfluß der K. benutzte Puluj zur Konstruktion einer Kathodenstrahlenlampe, indem er Leuchtfarbe durch K. zum Leuchten erregte. Die Energie der K. wird aber dabei nach E. Wiedemann (1898) nur zu 4–7 Proz. in Licht umgewandelt. Das von K. getroffene Glas wird chemisch verändert, es färbt sich braun und verliert die Fähigkeit, unter dem Einfluß der K. zu leuchten; z. B. leuchtet eine lange Zeit von einem Körper beschattete Fläche hell, wenn man den Körper entfernt, während die Umgebung dunkel bleibt. Zum Teil rührt diese Ermüdung des Glases von der Erhitzung her, zum Teil ist sie aber auch eine bleibende, die selbst bei -200° auftritt. Nach Goldstein (1901) erhalten auch Haloidsalze, Sulfate und Phosphate der Alkalien solche Nachfarben und zwar in gleicher Weise wie auch durch Radiumstrahlen und ultraviolettes Licht. Flußspat wird oberflächlich gefärbt. Absolut reine Salze scheinen nicht gefärbt zu werden, und die Art der Färbung ist in hohem Maße von vorhandenen, wenn auch nur sehr geringfügigen Verunreinigungen bedingt Unter dem Einfluß des Tageslichts bleichen die Nachfarben bald aus; ferner verschwinden sie bei starkem Erhitzen.

Braunsche Röhre.

Manche Salze leuchten im Dunkeln, solange sie die Nachfarben haben.

Ähnlich wie Lichtstrahlen pflanzen sich die K. geradlinig fort und können sich schneiden ohne gegenseitige Störung. Da sie senkrecht von der Kathodenoberfläche ausgehen, so werden sie, falls die Kathode ein Stück einer Kugelfläche bildet, in dem Kugelmittelpunkt vereinigt und vermögen dort erhebliche Wärmewirkungen, Schmelzen von Glas und Platin, hervorzubringen. Durch den Magnet werden die K. aus ihrer Bahn abgelenkt und zwar ähnlich, als wären sie am einen Ende befestigte biegsame, stromdurchflossene Leiter. Diese Ablenkung der K. benutzt Braun zur Auszeichnung von Wechselstromkurven und Stromschwankungen, indem er den zu prüfenden Strom durch eine Drahtspule schickt, deren Magnetfeld ein dünnes, durch ein enges Diaphragma hindurchdringendes Bündel K. entsprechend ablenkt. Die Ablenkung wird auf einem in der Vakuumröhre angebrachten, mit fluoreszierendem Stoff bestrichenen Glimmerblatt beobachtet (Braunsche Röhre, s. Abbildung) oder auf einem vorbeigezogenen Streifen lichtempfindlichen Papiers verzeichnet. Werden die Ströme durch-ein Induktorium erzeugt, so wird das durch die Öffnung des Diaphragmas hindurchgehende Kathodenstrahlenbündel zu einem Kathodenstrahlenspektrum (Birkeland 1898) auseinander gezerrt, da die Ablenkbarkeit von der Spannung abhängt und diese bei dem Induktorium nicht (wie bei einer Batterie) konstant ist. Verlaufen bei konstanter Spannung die K. in einem homogenen Magnetfeld senkrecht zu den Magnetkraftlinien, so werden sie zu einem Kreisring zusammengebogen, dessen Radius um so kleiner ist, je kleiner die Spannung. Verlaufen sie schief zu den Magnetkraftlinien, so wickeln sie sich zu einer Spirale um dieselben, und zwar um einen Zylinder, dessen Querschnitt ein Kreis von gleicher Größe wie im vorigen Fall ist.

Steigt die Intensität des Magnetfeldes über einen bestimmten Wert, welcher der kritische heißt, so tritt plötzlich ein beträchtlicher Spannungssturz ein, und die K. verhalten sich nunmehr anders, insofern sie einfach die Richtung der Magnetkraftlinien annehmen (Plückersches magnetisches Licht). Die Länge dieser Magnetokathodenstrahlen wird um so größer, je mehr die Feldintensität steigt, ihre Fluoreszenzwirkung ist aber nur schwach. Obschon den K. verwandt, scheinen sie doch eine besondere Art Strahlen zu sein.

K., die an einer andern Kathode vorbeigehen oder zwischen entgegengesetzt geladenen Kondensatorplatten hindurchgehen, erleiden eine Ablenkung durch elektrostatische Kräfte (Deflexion), wie wenn sie negativ geladen wären, d. h. sie werden von der negativen Platte abgestoßen, von der positiven angezogen. Annäherung eines elektrischen Körpers an die Vakuumröhre bedingt nur eine rasch vorübergehende Ablenkung, da sich die Gefäßwände entgegengesetzt laden. Durch die von selbst auftretenden Wandladungen werden die K. nach der Mitte zusammengedrängt. Die Magnetokathodenstrahlen werden zwar ebenfalls durch elektrische Kräfte beeinflußt, aber nicht wie die K., sondern (nach Villard) so, wie diese durch magnetische Kräfte, d. h. ihre Ablenkung erfolgt senkrecht zu den Kraftlinien des elektrischen Feldes.

Nach der Theorie von Wichert (1897) bestehen die K. aus sehr kleinen negativ geladenen Körperchen, und in der Tat vermögen K., auch wenn sie, was nach den Entdeckungen von Hertz möglich ist, eine dünne, mit der Erde verbundene Metallschicht durchdrungen haben, einen dahinter gestellten isolierten Körper negativ zu laden. Für die Magnetokathodenstrahlen gilt dies nicht, sie besitzen anscheinend keine Ladung. Die Geschwindigkeit der K. wurde zu 0,1–0,8 der Lichtgeschwindigkeit gefunden, d. h. zu 30–240 Mill. m pro Sekunde, und zwar um so höher, je höher das Potentialgefälle, also größer bei geringerm Druck. Sehr gering ist sie bei den von Elektrolyten ausgehenden Strahlen (1–2 Mill. m). Im elektrischen Felde wird die Geschwindigkeit größer oder kleiner, je nach dem die Richtung der Kraft mit der der Bewegung übereinstimmt oder nicht. Zur Messung der Geschwindigkeit dient die magnetische und elektrische Ablenkbarkeit. Auf gleiche Weise kann man das Verhältnis der Ladung zur Masse der Teilchen e/m bestimmen, das in elektrostatischen Einheiten zu ca. 10 Mill. gefunden wird, d. h. etwa 2000mal so groß als für ein Wasserstoffion. Diese Gasionen sind also verschieden von den elektrolytischen Ionen. Treten sie wie bei der Spitzenentladung, bei radioaktiven Stoffen etc. in die Luft von gewöhnlicher Dichte aus, so wird ihre Geschwindigkeit durch Anlagerung von Luftmolekülen (Bildung von Molionen) bedeutend geringer. In mit Feuchtigkeit übersättigter Luft kondensieren sie den Überschuß der Feuchtigkeit auf sich und bilden Nebeltröpfchen, aus deren Verhalten gegen elektrische Körper geschlossen werden kann, daß die Ladung eines der geschleuderten Teilchen (Elektronen) gleich der Ladung eines Wasserstoffions bei der Elektrolyse ist. Demnach muß ihre Masse rund 200011101 kleiner als die des Wasserstoffatoms sein und zwar gleichgültig, welches Gas in der Röhre ist. J. J. Thomson und andre Forscher waren der Meinung, in diesen Teilchen das Uratom gefunden zu haben. Neuern Untersuchungen zufolge ist aber die Masse der Elektronen nur scheinbar, sie besitzen gar keine mit der Wage zu bestimmende Masse, sondern sind als unwägbare,[750] imponderable Elektrizitätsatome zu betrachten. Daß sie scheinbar Masse besitzen, ist eine Täuschung, die durch ihren scheinbaren Trägheitswiderstand hervorgebracht wird, der in Wirklichkeit eine Wirkung der Selbstinduktion ist. Setzt man nämlich ein solches Teilchen in Bewegung, so ist ein erheblicher Arbeitsaufwand nötig zur Erzeugung des magnetischen Feldes, insofern das bewegte Teilchen einen elektrischen Strom darstellt. Man hat also einen Widerstand zu überwinden, ähnlich dem Trägheitswiderstand eines wägbaren Teilchens. Umgekehrt bewirkt die Selbstinduktion, d. h. das Magnetfeld, daß ein Elektron. wenn es angehalten wird, sich wie eine träge Masse weiter zu bewegen sucht (Öffnungsextrastrom), also auf das Hindernis einen Stoß ausübt wie eine wägbare Masse. Diese scheinbare Masse von ca. 2,5 Quinquillionen Elektronen ist hinsichtlich dieser Wirkungen gleich der wahren Masse eines Kilogrammstückes, obschon die Elektronen kein Gewicht haben. Hierdurch erklärt sich, daß die K. auch mechanische Bewegungen hervorzubringen vermögen: ein Glimmerrädchen, einseitig von K. getroffen, dreht sich unter dem Anprall der Moleküle; ein elektrisches Reaktionsrad (Crookes' elektrisches Radiometer), von dessen Flügeln einseitig K. ausstrahlen, dreht sich wie ein hydraulisches Reaktionsrad. Weiter erklärt sich hierdurch die intensive, beim Auftreffen der K. hervor gebrachte Hitze, die man aus deren Geschwindigkeit und scheinbarer Masse in gleicher Weise vorausberechnen kann, wie die Wärme beim Zusammenstoß fester Körper. Auch die Stellen, von denen die K. aus gehen, erwärmen sich stark, und wahrscheinlich beruht das Leuchten der einpoligen Teslalampen hauptsächlich auf diesem Kathodeneffekt. Das Metall der Kathoden zerstäubt beim Anstreten der K. sehr stark und wird an die Glaswand geschleudert, wo es sich als dichter glänzender Spiegel absetzt, welche Methode zum Versilbern, Verplatinieren u. von Glas benutzt wird. Aluminium und Magnesium zerstäuben jedoch nicht. Crookes gründete hierauf und auf andre Erscheinungen seine Theorie vom vierten Aggregatzustande. der »strahlenden Materie«; Puluj spricht von »strahlender Elektrodenmaterie«. Die zur Er zeug ung der K. verbrauchte Energie beträgt etwa 16 Proz. der ganzen, dem Entladungsrohr zugeführten Energie (etwa ebensoviel erscheint in Form von Kanalstrahlen), und zwar unabhängig von der Natur des Gases. Nach Lenard (1900) erregt auch ultraviolettes Licht, wenn es auf die Kathode trifft, K., und die dabei entweichenden Elektrizitätsmengen sind in sehr hohem Vakuum nahezu unabhängig von der Spannung.

Beim Auftreffen auf Metallflächen (gleichgültig, ob poliert oder nicht) werden die K. diffus reflektiert. Das Reflexionsvermögen ist der Reihe nach kleiner für Platin, Silber. Kupfer, Zink, Aluminium und Ruß. Platin reflektiert etwa 30 Proz. und zwar unabhängig vom Entladungspotential. Bei der Reflexion erleiden die K übrigens anscheinend einen Geschwindigkeitsverlust oder erzeugen sekundäre Strahlen von größerer Ablenkbarkeit. Ferner entstehen da, wo K. auf einen Körper treffen, Röntgenstrahlen, deren Intensität stark mit der Dichte des getroffenen Körpers wächst.

Von allen Körpern, auch Gasen, werden die K. sehr stark absorbiert und diffus zerstreut. Durch sehr dünnes Aluminiumblech (Aluminiumfenster, 0,002 mm Dicke) kann man jedoch, wie Lenard zeigte, die K. durch- und aus der erzeugenden Röhre heraustreten lassen. Sie zeigen außerhalb der Röhre im wesentlichen dieselben Eigenschaften wie im Innern. Sie erregen die Luft vor der Röhre zu schwach bläulichem Leuchten und ozonisieren sie sehr stark, während sie von der Luft zugleich diffus zerstreut werden. Außerhalb der Röhre hat man die K. nach ihrem Entdecker auch Lenardstrahlen genannt. Auch ein von Lenardstrahlen getroffener Körper sendet Röntgenstrahlen aus; eine photographische Platte wird geschwärzt, ebenso Chlor- und Bromsilberpapier. Beim Durchgang durch Blattaluminium entstehen sehr leicht absorbierbare, d. h. relativ langsame Strahlen. Der Absorptionskoeffizient ist umgekehrt proportional der fünften Potenz der Geschwindigkeit. Die Absorption hängt deshalb nicht einfach von der Masse ab, sondern auch von der Spannung. Die von den Lenardstrahlen getroffene Luft wird leitend (ionisiert), eine Eigenschaft, die sie auch nach dem Aufhören der K. noch längere Zeit beibehält; ein mit dieser Luft in Berührung gebrachtes Elektroskop wird sofort entladen, aber nur bis zu einer gewissen Grenzladung. Mit der Leitungsfähigkeit bekommt nämlich die Luft außerdem negative Ladung, welche unelektrische isolierte Körper negativ macht. Zwischen Elektroden, die auf konstanter Spannung erhalten werden, entsteht ein Strom, der mit der Spannung wächst, aber bei einem Gefälle von ca. 1000 Volt auf 1 cm einen konstanten Werl annimmt (Sättigung), weil dann durch die elektrostatische Kraft der Elektroden ebenso viele Gasionen entzogen werden, als sich in derselben Zeit bilden. Übrigens ist die Ionisierung von der Stärke der Absorption abhängig. Von Goldstein u. a. ist auch versucht worden, die K. zur Erklärung kosmischer Lichterscheinungen, so des Leuchtens der Kometen und der Koronastrahlen, heranzuziehen. In der Tat zeigt sich eine Übereinstimmung der Spektra des Nordlichts und der unter dem Einfluß von K. leuchtenden Gase Das ultraviolette Licht der Sonne wirkt jedenfalls ionisierend. Da die negativen Ionen stärker nebelbildend wirken als die positiven, kann man nach Arrhenius annehmen, daß solche negativen Nebel durch den Strahlungsdruck (s. Photometrie) von der Sonne fortgetrieben werden und die Erde negativ elektrisch machen, worauf dann wieder Rückströmung der negativen Elektrizität in Form von K. eintritt. Hierdurch würde sich auch die Beziehung zwischen der Häufigkeit von Nordlichtern und von Sonnenflecken erklären, falls man letztere als Nebelmassen auffaßt.

Die K. werden zu Heilzwecken benutzt. Man beobachtete, daß Bakterienkulturen von ihnen abgetötet werden, daß an Haut und Schleimhäuten Entzündung eintritt, die wie bei Bestrahlung mit Röntgenstrahlen bis zu schwerer Verbrennung und Geschwürbildung gesteigert werden kann. Auch Haarausfall mit anscheinend dauernder Beseitigung der Haare wurde beobachtet. Durch kurze Bestrahlung von Lupus und Krebs der Haut soll eine Rückbildung der krankhaften Prozesse erzeugt worden sein. Die Ablenkbarkeit der Strahlen durch den Magneten ermöglicht es, die K. auf bestimmte Körperstellen, bez. auf die Wände von Körperhöhlen und -Einstülpungen, wirken zu lassen. Die Strahlen dringen tief in die Körpergewebe ein. Ob ihre therapeutische Anwendung vor der Behandlung mit Röntgen- und Radiumstrahlen (Becquerelstrahlen) Vorzüge aufzuweisen hat, oder als gleichwertiger Ersatz dieser Heilverfahren gelten kann, muß die Zukunft lehren. Vgl. G. C. Schmidt, Die K. (Braunschw. 1904); J. J. Thomson, Elektrizität und Materie (deutsch von Siebert, das. 1904); Strebel[751] in den »Verhandlungen der Gesellschaft deutscher Naturforscher und Ärzte, 76. Versammlung, 1904«; Margaret A. Cleaves, Light energy (New York 1904).