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Er­zeu­gung von Ionen

1. Er­zeu­gung frei­er Elek­tro­nen

Beschreibung

Quel­le: Dr. Rolf Pif­fer

Freie Elek­tro­nen kön­nen u.a. durch den Glü­h­elek­tri­schen Ef­fekt er­zeugt wer­den.

Wird wie in Abb. 7 eine be­stimm­te Tem­pe­ra­tur der Glüh­wen­del über­schrit­ten, reicht die En­er­gie der Elek­tro­nen im Me­tall aus, um den Fest­kör­per zu ver­las­sen. Dazu legt man an den Draht eine Heiz­span­nung UH an und heizt die­sen durch einen Strom­fluss.

1.1 An­zahl frei­ge­setz­ter Elek­tro­nen

Menge der austretenden Elektronen, öffnen Sie dieses Bild (inkl. Quellenangabe) in großer Version

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Stromstärke in Abhängigkeit von der Heizspannung, öffnen Sie dieses Bild (inkl. Quellenangabe) in großer Version

Quel­le: Dr. Rolf Pif­fer - Ab­bil­dung 13: Aus­tritts­strö­me bei Dräh­ten ver­schie­de­nen Ma­te­ri­als und Tem­pe­ra­tu­ren. Be­rech­net mit der Ri­chard­son - Dush­man - Glei­chung.
Die Werte für die Ab­lö­se­ener­gi­en ent­stam­men Wi­ki­pe­dia (https://​de.​wi­ki­pe­dia.​org/​wiki/​Aus​trit​tsar​beit)

Elek­tro­nen kön­nen das Me­tall aber nicht ohne wei­te­res ver­las­sen. Dazu müs­sen sie eine be­stimm­te En­er­gie über­schrei­ten, die auch vom Me­tall der Glüh­wen­del, d.h. des­sen Ab­lö­se­ener­gie WE ab­hän­gig ist. Die Zahl der aus­tre­ten­den Elek­tro­nen hängt nicht nur von deren Tem­pe­ra­tur ab, son­dern steigt auch noch mit der Ober­flä­che A des er­hitz­ten Me­talls, also die Ober­flä­che der Glüh­wen­del.

Die oben an­ge­ge­be­ne Ri­chard­son-Dush­man-For­mel für Imax be­schreibt die ma­xi­ma­le Größe des aus­tre­ten­den Elek­tro­nen­stroms in Ab­hän­gig­keit von der Ober­flä­che A, der ab­so­lu­ten Tem­pe­ra­tur T und der Ab­lö­se­ener­gie WE. Dabei ist me die Elek­tro­nen­mas­se, h das Planck'sche Wir­kungs­quan­tum, k die Boltz­mann­kon­stan­te und e die Ele­men­tar­la­dung. Die Her­lei­tung der Ri­ch­ar­son-Dush­man-Glei­chung ist nicht ein­fach und be­nö­tigt auch quan­ten­phy­si­ka­li­sche Be­rech­nun­gen.

Ab­bil­dung 13 gibt die Strö­me für fünf ver­schie­de­ne Me­tal­le in Ab­hän­gig­keit von der Me­tall­tem­pe­ra­tur wie­der. Für die Ab­lö­se­ener­gie bei Wolf­ram (rot) wurde laut Li­te­ra­tur ein Wert von 7•10-19 J ge­setzt. Als Ober­flä­che des Drah­tes wurde wegen der Ver­gleich­bar­keit für alle Me­tal­le der glei­che Wert von A = 1•10-5 m2 an­ge­nom­men.

Zur Be­stim­mung der Tem­pe­ra­tur der Glüh­wen­del

2. Er­zeu­gung frei­er Pro­to­nen

Protonenquelle, öffnen Sie dieses Bild (inkl. Quellenangabe) in großer Version

Ab­bil­dung 10: Er­zeu­gung von Pro­to­nen durch Io­ni­sa­ti­on von Was­ser­stoff durch schnel­le Elek­tro­nen. Quel­le: Von Renke Braus­se - own drawing after http://​www.​lhc-​facts.​ch/​index.​php?​pag​e=pro​tone​n) ( CC-BY 4. 0)

Pro­to­nen sind ein­fach po­si­tiv ge­la­de­ne Was­ser­stoff­ato­me. Zur Her­stel­lung frei­er Pro­to­nen wer­den nach Ab­bil­dung 10 Was­ser­stoff­ato­me im Va­ku­um mit sehr schnel­len Elek­tro­nen be­schos­sen. Da­durch wer­den die Rumpf­elek­tro­nen ent­fernt und es blei­ben Pro­to­nen H+. Die Elek­tro­nen wan­dern zur po­si­tiv ge­la­de­nen Anode, die ent­stan­de­nen Pro­to­nen kön­nen hin­ter einer Blen­de dann wei­ter be­schleu­nigt wer­den.

3. An­fangs­ge­schwin­dig­kei­ten

Bei Wolf­ram als Glüh­wen­del­me­tall tre­ten ab etwa 2000 K hin­rei­chend viele Elek­tro­nen aus. Aber wel­che Heiz­span­nung muss man dazu an­le­gen und wel­che Ge­schwin­dig­keit haben dann die frei­ge­setz­ten Elek­tro­nen?

Eben­falls wird auch eine Ab­schät­zung der An­fangs­ge­schwin­dig­keit er­zeug­ter Pro­to­nen be­nö­tigt.

Wei­te­re In­for­ma­tio­nen

 

Wei­ter zu An­fangs­ge­schwin­dig­keit