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SULLA IONIZZAZIONEPRODOTTADAI RAGGI X nel campo magnetico. D1 A. R I G H I l). 1. - - Scopo del presente lavoro.

In segulto a numerose rlcerehe relative alle svariate modificazloni prodotte dal campo magnetico sulle scarlche elettrlche ho creduto di potere concludere, che esse non sono soltanto conseguenza del cumbiamento di forma delle traiettorie percorse dal i o n i e dagli elettroni. Ed ia pavticolare, avendo studiato a lungo e con ogni cura come un campo magnetico influisca, non solo sulla searica in atto entro un gas rarefatto, ma anche sul valore della differenza di potenziale da applicarsi agli elettrodi perch~ la scarica cominci, ossia sul (( potenziale di scarica ~, ho potuto convincermi, contrariamente all'opinione della maggior parte dei fisici che si sono occupati di tale questione, che col tenere conto anicamente del varlato cammino delle particelle elettrizzate (ioni ed elettroni) non ~ possibile spiegare tutti i fenomeni constatati. Ho stabilito infatti, che vi sono dei casi nei quali la variazlone d i p . d. s. (potenziale di scariea) prodotta dal campo ~ di segno opposto a quelio, che le deviazioni magnetlche delle partieelle fanno presagire. Logicamente se ne deduce l'esistenza di una azione finora ignorata del campo magnetico sulla ionizzazione, tendente a renderla pill considerevole, che designai col vocabolo (( magnetoionizzazione 2, e che helle successive ripvese delle mie ricerche ho cercato di definire in modo di pifi in pih completo. Dapprima in omaggio alia debita prudenza seientifica mi sono limitato a rilevare, ehe il modo pifi naturale e spontaneo di spieg~re la nuova azione del campo si ha dalla considerazione, ~) R. Accademia delle Soienze di Bolvgna, 4 marzo 1917. Scrie V1, Vol. X I I

242

A. RIGHI

che la separazione da an atomo di uno dei suoi elettroni satelliti deve esigere minor dispendio di energia, al'lorquando il campo ma~netieo ha rispetto all'atomo tal direzion% che la forza elettromagnetiea agente sull'elettrone sia diretta verso resterno della sua tralettoria. Ma non si comprendeva aneora perch~ dovesse esservi preponderanza dei casi di questo genere su quelli opposti, quelli cio~ aei quali detta forza ~ centripeta. ~ a alia fine mi sono formato la convinzione: che il prevalere delle orientazioni degli atomi cai corrisponde la faeilitata ionizzazione, si debba semplicemente all'azione orientatriee dcl campo magnetieo. In altri termini riteng% ehe il campo magaetico, agendo sulls traiettorie degli elettroni atomici come su correnti chiuse, tende a f a r e assumere agli atomi una certa orlentazione, la qttale~ tenendo conto del senso in cui le forze agi~cono, si riconosce essere precisanente quella, che rende minore l'energia da spendere per ionizzarli. L'agitazione molecolare del gas introduce naturalmente una complicazione, che rende neeessari alcuni schiarimenti. A tel fine glove eonsiderare dapprima ua atomo ideale, che potrebbe essere quello delll'idrogenu, eontenente un solo elettrone satellite, eostitulto (dato ehe si adotti il modello atomico di R;utherford) da un nueleo positivo intorno al quale girl cireolarmente l'elettrone. Sotto l'azione del campo l'atomo tender~ ad orientarsi in modo: ehe il piano dell'orbita divenga perpendieolare alia direzione del campo: e che l'elettrone girl in senso contrario della corrente alia quale pub immaginarsi dovuto il campo stesso. Se era si esamina qual direzione abbia la forza elettromagnetica agente sull'elettrone, agevolmente si rieonosce, che tel forza b centrifuge, quindi precisamente tale da rendere l'energia occorrente a strappare l'elettrone minore di quella che sarebbe in assenza di campo magnetieo. In altre parole: il eampo favorisce la ionizzazione. Questa conelusione resta-valida anche per un gas reale i cui atomi eontengano pi5. elettroni sattelliti. L'azione orientatrice del tempo sarb. l'effetto risultante di quelle relative ad ogni singolo elettroue, e tale azione risultante potr~ essere eventualmente nulla per eerti atomi o almeno per certe momentauee loro orientazioni. Inoltre essa varier'~ ad ogni istante

SULLA. IO:NIZZAZIO/YE PRODOTT2~ ECC.

243

in causa de; mot; eli ca; gli atom;, o le moleeole da essi format% sono animate; cosleh~ l'orientazion% che il campo tende a produrre~ non verr~, forse mai completamente raggiunta da nessuna orbita elettronica, o ]o sark solo momentaneamente. Ma ci5 non toglie che il eampo rends il gas pi5 ionlzzabile~ d'onde gli effetti mess; in rilievo dalle mie esperienze di sear;ca. Queste esperienze mi hanno dunque suggerito 1' ipotesi della magnetoionizzazione~ e si pus dire che indirettamente la confermano; ma mi ~ sembrato desiderabile cereare una verificazione pih sempliee e pid diretta. Per raggiungere tale intento ho pensato di istituire esperienze analoghe a quelle classieh% con cui si studia la ionizzazione prodotta dai raggi X, facendo per5 intervenire l'azione di un campo magnet;co, ed a seopo di raggiungere la massima chiarezza di esposizione premetto qualche r'ichiamo. Se si misura l' intensit{~ della corrente esistente ira due lustre metalliche parallele portate ad una certa differenza di potenziale, allorch~ il gas che le circonda ~ traversato da raggi X, e poi si porta questa differenza di potenziale come aseisaa e la detta intensit~ come ordinata, si ottiene una curva avente forms simile a quells che mostra la curva fig. 3 hells quale si sc-ocgo,~,~ le tre fasi princlpali del fenomeno. Nella prima fuse (che nella figura ~ solo aecennata) andando dai potenziali pieeoli verso i grand;, il gas obbedisce approssimativamente alla legge di Ohm, e la curva ~ sensibihnente una retta passante per l'ovigiue delle coordinate; nella seconda (corrente di saturazione) si ha ua tratto quasi rettilineo ed orizzontale; nell'ultima fuse p o i l a curva presenta una ripida salita, che rivela rinsorgere della ionizzazione dovuta all'urto de; ion; gig esistenti, cui il campo elettrico confer;see la neeessaria energia cinetlca. Se davvero il campo magnet;co rende minore l'energia minima, che uu ione deve possedere onde essere atto a ionizzare col suo urto un atomo, la cuvva ottenuta in tal caso dovr{~ essere situata al disopra di quells trovata senza campo. Ma prima ancora d'istituire simile esperienza mi sono reso conto della grave difficolts ca; s i v a incontro pel fatto delle deviazioni che il campo imprime alla particelle elettrizzate~ cio~ ion; ed elettroni..Per chiarire questo punto giova prendere

244

x. R1GtII

in considerazione i due casi principali, e eio~ quello in cui il campo magnetico ~ diretto parallelamente al eampo elettrico, e quello in cui h a questo perpendicolare. Nel primo case, ehe si realizza quando si fa agire un campo magnetico perpendicolare ai due elettrodi, le deviazioni delle partieelle devono produrre un "mmento della eorrente, che si prevede di poca entiti~ se il gas non ~ molto rarefatto. Infatti, mentre in assenza di campo magnetieo ogni partieella percorre una eerta traiettoria comunque inelinata, al sue inizio, rispetto alia forza elettriea, il eampo la modifica nel sense di accostarla alia direzione della forza magnetica. Se dunque si constata ehe il campo magnetieo aumenta l'intensit~ della corrente, si potrS~ cib attribaire alle deviazioni delle partieelle~ e l'esistenza della magnetoionizzazione resta dubbiosa (veggasi il w 1 della Note in rondo). perb da notarsi, che l'effetto delle deviazioni deve essere tanto meno pronuneiato, quanto maggiore b la pressione del gas (veggasi w 2 della Note); di mode che il marcato aumento di corrente, che l'esperienza dimostra, deve logicamente attribuirsi alia magnetoionizzazione. Ma in ogni mode questa non viene messa in piena evidenza. Esamiaiamo era l'altro case pri~cipale, in cui il eampo magnetico g parallelo ai due elettrodi, e cominciamo col supporre il gas molto rarefatto. Atmlogamente a quanto aeeade helle classmhe esperienze di J. J. Thomson relative alle misure di e/m pei ioni generati dall'azione dei raggi ultravioletti sui metalli, le partieelle non si avvieinano indefinitamente all'elettrodo ehe 10 attire, ad anzi 1o raggiungono in numero tanto pill piccolo quanto piil intens3 g il eampo (veggasi w 3 nella Note in rondo). La diminuzione d'intensitk di eorr~mte, ehe effettivamente si eonstata potr~ maseherare la rieereata magnetoionizzazione. E tale eonclusione rimane invariata, anehe se si suppone il gas a non pieeola pressione (v. il {} 4 della Note). In seguito a tali eonsiderazioni ebbi per un memento la tentazione di rinmleiare ad una rieerea, ehe appariva eosl poeo promettente, ma mi sovvenni a temp% di un notevole risultato ottenuto nel torso delle mie rieerehe sul potenziale di seariea

S U L L A IONIZZAZION]~ P R O D O T T A ]~CC.

245

in campo magnetico, e eio~ quello di una diminuzlone del p. d. s. ehe si eonstata con pieeoli valori di questo se ~ diretto perpendicolarmente al eampo elettrieo, quantunque le deviazioni imposte ai ioni tendano a produrre il risultato opposto. Cib mi feee prevedere, che probabilmente s aglre un debole campo magnetico di direzione perpendieolare a quella del c~mpo elettrieo, la maguetoionizzaz~one avrebbe potuto superare Fopposto effetto delle deviazioni magnetiehe. Intraprese simili esperienze, ehe furono sul principio alquanto laboriose, esse alla fine mi diedero il risultato preveduto; ed oggi avendole estese e perfezionate, posso presentarle come dimostrazione sicura della esistenza della magnetoionizzazione. 2. - -

Disposizioni spcrimentali adottatc.

L'aria, che i raggi X ionizzan% ~ ~,~.ntenuta in un tubo di vetro AB (fig. 1) comunicante per mezzo di un giunto a smeriglio C colle pompe a vuoto. Esso contiene due lastre

-

:"

'rmi'"'

8

....

,..-

G

5;

Fig. i.

di rame parallele D E , F@~ funzionanti da elettrodi, ed ha la parete di fondo A di piceolissimo spessore, affineh~ assorba il meno possibile i ragg'i X, che eseono da usa piecola finestra 0 pratieata in una grossa lastra di piombo vicinissima all'appareechio. Uno dei due elettrodi, per esempio FG~ ~ portato ad un certo potenziale mediante una batteria di piceoli accumulatori; l'altro D E ~ in eomunieazione con un elettrometro a quadranti e col suolo. Togliendo quest'ultima comanicazione per un tempo determinat% generalmente 10 secondi, dopo aver messo in azione il tubo generatore dei raggi X~ si ottiene una deviazione elettrometrica proporzionale alia intensitk della corrente esistente fl'a gli elettrodi, e che anzi d~ modo di caleolarla, come si dirk in appresso.

'246

A. RIO-hi

Aecenno, solo di vole per amore di brevitY, che furono da me prese tutte le precauzloni necessarie ad asslcurare l'esattezza delle misllre, e cio6 il perfetto isolamento degli aploarecchi, la difesa centre i raggi X dell'elettrometro e del file di comunicazione di esso coll'apparecchio (il qual file a tal fine era collocate entre un tube metailieo pieno di paraffina), la costanza di qualit• e di intenstth dei detti raggi~ la regolarit~, nel succedersi di misure comparative onde assicurare, per esempio, l'attendibilith, del eonfronto fra una certa misura e la media di due altre fatte una immediatamente prima e l'altra immediatamente dope di quella. All'atto pratico riconobbi che avrei potuto far a meno di attenermi a questo consaeto metodo di confronti in grazia della costanza e regolarit~ di funzlonamento del tube Coolidge adoperato (sempre con moderata eecitazione) per generare i raggi. L'apparecchio della fig. 1 era collocate ira i poll della elettroealamita modello Rhumkorff senza pezzi polari e con intervallo di 6 cm. fra le faceie prospicienti dei rocehetti, ed anzi il cerchio puntegglato M N della figura sta ad indicare il contorno di uno dei nuclei di {erro. Come si vede, la direzione del campo magnetieo risulta perpendicolare a quella del campo elettrico esistente fi'a gli elettrodi. Questa 5 la pih interessante delle possibili disposizioni sperimentali; ma qualche volta volli realizzare l'altra delle due princlpali orientazioni del campo magnetieo, al quale scope bastava far glrare l'apparecehio di 900 interne al giunto C. :Non star6 a deserivere minutamente il mode in cui farono collegati i numerosissimi strumenti necessari alia mia rieerc% e solo li enamerer6. P e r il cireuito della elettrocalamita oeeorsero un reostata a eorsoio, ua iaversore ed un amperometro, dalle cui indicazioni, in base a determinazioni preliminari e con interpolazioni, si poteva valutare l'intensitg del campo magnetieo agente sul gas dell'apparecehlo. P e r la produzione dei raggi X oeeorsero, oltre che un gran rocehetto con interruttore ruotante a m e t curio, reostata, e amperometr% anehe un milliamperometro inserito nel secondari% e poi un gruppo di sei aceumulatori con

S U L L A IONIZZAZIO1NE P R O D O T T A ECC.

247

interruttore, reostata ed amperometro di minuta regolabilitb, per l'arroventamento del catodo. Come d'uso, per la maggior parte questi strumentl erano collocat;, entro una grande cassa foderata di piombo avente una a p e r t u r a in corrispondenza della finestra 0 . Quell'apertura era coperta da uno sportello di piombo, ehe si allontanava al momento opportano tlrando uua eordicell% subito dopo di avere eccitato il tubo mediante l ' i n t e r r a t t o r e , posto a portata di mano. T r o v o necessario indicare ora con qualche dettaglio la disposizione adoperata per le misure d'intensitk di corrente. Tale intensitk varib entro limiti assai lontani; e siccome le deviazioni elettrometriche non possono praticamente adoperarsi nb troppo pieeole nb troppo estese, eosi, per non essere costr+tto a modificare troppo spesso la sensibilit~ dell'elettrometro, (la quale veniva valatata di tanto in tanto per mezzo d i u n a doppia eoppia campione Weston) bisognava rieorrere a qualche altro artificio. Uno, del quale perb assai di rado h o f a t t o uso, eonsiste nel variare la durata de]l'azione dei raggi. Ma in molti casi cib non basta, ed ho inveee trovato eonvenientissimo l'impiego di eondensatori. U n a cassetta di eondensatori campioni a mica, le cui capaeitb~ possono eolle solite spine metalliehe sommarsi a piaeere, ~ in permanente eomunieazione coll'elettrometro, le cui coppie di quadranti sono mantenute ai potenziali + 40 e - - 40 volta. I1 sistema eonduttore formato dall'ago, dall'elettrodo con esso eomunieante, e dal filo di eomuuieazione aveva nel caso ~ ; o la capacith, c ~ 2 1 5 . 1 0 - ~ microfaraday; la cassetta di eondensatori vi aggiungeva una eapacitk C , il~ eai valore poteva variare fra un millesimo ed un microfarad. Seegliendo quindi opportunamente il valore di C era sempre possibile fare in modo, ehe la deviazione elettrometriea raggianta in 10 seeondi eorrispondesse ad una deviazione sulla scala posta a due metri e mezzo dall'istramento) di 100 a 200 millimetri. Ordinariamente cib corrispondeva al potenziale di 2 a 4 volta. Eeeo ora come si caleola l'intensitk della corrente.

24S

A. RI(~HI

Siano : c ( = 215.10 -8 mierofar.) la capaeit~ dell'elettrometro; C la capacitb, del condensatore; d (in millimetri) la deviazione letta sulla scala; s la sensibilit~ dell'elettrometro, cio~ la deviazione e~rrispondente ad 1 volta; t (generalmente 10 seeondi) il tempo d~lrante il quale i raggi X attraversano l'aria nell'apparecchio. L'intensit~t i della corrente sar'~ data in mieroamp~re da i--

c+C st

d.

Infatti d, h in volta iI potenziale raggiunto dall'elettrometro, $

e

d s

(c + C) 5 in mierocoulomb la quantit~ di clettricit~ da

esso raccolta nel tempo t . Quella corrispondente all'unit~ di tempo sars dunque espressa in microamp~re dalla prccedente espressione divJsa per t . Aggiungerb in fine, che il pifi delle volte non aspettavo che l'ago cessasso di oscillar% ma leggevo senz'aitro le estcemitb, dl, d 2, d3~ di tre successive oscillazioni, assumendo poi

1 (di "k 2d~ + d3) come posizione di fermata dell'ago. ]~ note

4 come questo metodo sbrigativo sin accettabile se le d~, d~, d 3 non sono troppo differenti fra lore. 3.-

A n d a m e n t o delle m i s u r e ;

cause

di

errore.

Poich~ lo scope principale d~Ila ricerca mia era lo stadiare l'influenza esereitata dal campo magnetieo sulla ionizzazione, era necessario confrontare fra lore per ogni determinate complesso di condizioni sperimentali (ossia a paritb~ di potenziale, di pressione dell'aria ecc.I i due valori dell'intensitk della corrente, misurati l'uno senza, e l'altro coll'azione del campo magnetieo. Adottai il partite di fare in immedlata suceessione tre misure, e ciob prima una con campo magnetico avente una certa direzione, poi tlna seconda scnza campo, e quindi la terza

S U L L A IONIZZAZIO:NE P R O D O T T A ECC.

24,~}

con campo di direzione opposta a quella di prima; dopo di che tenevo nota della media f r a i l primo ed il terzo risultato, chc sc~'ivevo a fianco del secondo, e del potenziale adoperato. Ripetendo poi simile gruppo di misure con valori sueeessivamente crescenti del potenzlale, si veniva a formare una tabella numerica a tre eolonne, la prima delle quali (potenzlali) forniva le ascisse per disegnare le curve rappresentatrici del fenomeno, la seconda (intensit~ di corrente senza campo) forniva le ordinate per la curva ordinaria, e la terza (intensit~ di corrente col campo) forniva lo ordinate per la curva nuova. Le due curve fanno vedere a colpo d'oeehio quale influenza abbia il campo sulla ionizzazione. Alcune irregolarit~ dei resultati numerici, che dapprineipio si manifestaron% vennero poco a poco riconosciute ed eliminate. Una causa di errore veramente assai banal% ma che appuuto per cib pub sfuggire all'attenzione dello sperimentatore, l'azione elettrica di una earica negativa della cassa contenente gli apparecchi produttori dei raggi X~ la quale pub riescire percettibile anche quando un filo metallico colleghi la cassa stessa al suolo (tubi dell'acquedotto). Certe parti di quel conduttore possono assumere un potenziale differente da zer% come accade di qualunque conduttore mentre g attraversato da una corrente elettrica. L'effetto si fa sparire mettendo parecchi fill di derivazione al suolo. Altro notevole disturbo b quello dell'azlone elettrostatiea esereitata dagli avvolgimenti delia elettrocalamita sull'elettrodo comuuicante coll'elettrometro; ma si elimina coll'interporre lastre metalliche in ottima comunicazione col suolo fra l'apparecchio della fig. 1 e le faccie polari dei rocchetti. Non giudico opportuno dilungarmi ad indicarealeune altre cause di errori o di incertezz% che furono faeilmente eliminate; ma debbo con qualche dettaglio segnalare una certa dissimetria nei risultati numerici, che mi preoccup5 lungamente. Supponiamo che le lastre parallele o elettrodi D E , FG~ siano, come nella fig. 1, parallele alla direzione del campo magnetico, ed anzi che quella inferiore sia mantenuta ad un potenziale positiv% mentre la superiore D E comunica coll'elettrometro. Siano a~ b~ c, le tre intensit~ di corrente ottenut% la

250 seeonda

A. RIGHI senza

campo,

e la prima

e la terza

col eampo

nelle

due direzionl. Come si dirk pifl oltre, se il campo ha un'ap 1 propriata intensitY, si trova sempre 2 (a + c) > b ,e ciobche il eampo fa aumentare l'intensitk della eorrente, beneh~ le deviazioni magnetiehe dei ioni tendano a produrre il risultato opposto. Ma intanto le due intensitk a e c non r,sultano eguali; per esempio si ha sistematieamente a < c , ed inoltre qualche volta pub aeeadere, ehe si abbia: a < b < c . E ehiaro per ragioni geometriche, che la direzione del campo non pub in realtk avere diretta influenza, ed oeeorreva per essere tranquilli sulla legittimitk del metodo impiegato ehe nulla r~stasse di misterioso. Dope lunghi tentativi giunsi a persuadermi, e h e l a causa di quella dissimmetria ~ la seguente. La ionizzazione dell'aria non 6 uniforme fra gli etettrodi, ma 6 inveee pi~l intensa nella regione E G ehe nella regione D F , speciahnente pel fatto, ehe presso E G essa ~ prodotta anche da raggi seeondarii provenienti dagli oggetti posti fra appareechio e sorgente dei raggi. Ora, quando il europe entra in azione, i ioni sono deviati espostati per esempio nel sense da E verso D, e aleuni di quelli che prima raggiungevano la lastra superiore presso D pift non vengono raecold da questa. Inve,-tendo il europe i ioai risultune spostati in sense opposto, eio~ da D verso E, e sono era quelli ehe senza campo arrivavano presso l'orlo E , che non sono raeeolti da D E . E poichb nella regione attigua ad E la ionizzazione 6 pih_ intensa~ eosl resta spiegata la minor deviazione osservata nella seeonda esperienza. Che tutto eib sia veto 1o confermano varie prove. P e r esempio, se all'elettrodo F G si dk eariea negativa anziehb positiva, la dissimmetria s'inverte, e cio~ quella delle due direzioni del europe che prima dava la corrente pifi forte, dk era la pill debole. D'aecordo con questa splegazione si eonstata, e h e l a dissimmetria si attenua avvieinan&) il pid possibile la lastra di piombo all'appareechlo, e rendendo pik piecola l'apertura 0. Sparisce poi quasi interamente la dissimmetria lamentata provvedendo d i u n a specie di aaello di gaar~tia l'elettrodo comunieante coll'elettrometro.

SULLA IONIZZAZIONE 1)RODOTTA. ECC.

25I

L a n u o v a f o r m a d a t a all'appareechio ~ r a p p r e s e n t a t a dalla fig. 2. L a lastra superiore ~ ora costituita da due porzioni separate da uno strettissimo intervallo. L a p a r t e I ~ c o m u n i c a c o l l ' e l e t t r o m e t r o ed il resto col suolo, faeendo cosl la f u n z i o n e del noto anello di g u a r d i a di lord Kelvin. ~; chiaro che quei ioni, i quali per effetto del campo pib. non r a g g i u n g o n o o r a

E

'i O

B

Fig. 2. l'elettrodo isolato, s a r a n n o surrogati da altri che p r i m a non vi pervenivano. A n c h e certi effetti disturbatori dovuti a cariche accumulantisi sulle pareti interne dell'apparecchio si rendono innvcuir per esempio sospendendo per un 9oco le misure, o p p u r e .facendo agice per qualehe tempo i raggi con elettrodi searichi ~).

1) 0nLte il Lettors possa, se lo dPsidera, avers le necessar]e informazioni per giudicare qual grado di fidueia meritino le mie esperienze, trovo~ opp rtuuo spiegare minutameute in qual modo ~bbia sempre proceduto nell'eseguire I, misure. Dato un certo valore alia pressione dell'aria ed al potenziale, al quale ca icato l'elettrodo FG esegulsco le seguend operazloni; ('1) isolo l'ele~tromctro; (2i chiudo il circuito produttore del camp~ magnetico; (3) mando~ la eorrcn e n~l primario del roechettol t4) apro lo sportello di piombo per far eseire i raggi X, e lo tengo aperto per l0 secondi, che misuro media,re un conta secondl ad arresti; (5) interro,npo i due eircuiti test~ chiusi; 161 leggo gli estremi di tre successive oscillazioni dell'ago dell'elettro,no~r,, per ricavar,m poi la deviazione, e p,scia il corrispondente valore dell'i,,te,,sit's di corrent~ (merc~ la forlnola gi'~ ind.cata}. Ci6 fatto, ripeto tutte quests operazioni nello s~esso ordine, senza campo~ magnetico e quindi le ripeto ancora col camp,,, per6 con direzione opposta a quella di prima.

252

A. RIGHI

4~. - -

Risultati.

/~on r i p o r t e r b t u t t i i r i s u l t a t i delle n u m e r o s i s s i m e e s p e r i e n z e d a m e s i s t e m a t i c a m e n t e effettuate, con v a r i i g r a d i di r a r e f a z i o n e d e l l ' a r i a i o n i z z a t a d a i r a g g i X , con v a r i i v a l o r i del c a m p o m a g n e t i c o ecc. Vi sono casi in cui l'effetto c e r c a t o b t a n t o lieve d a r i m a n e r e d u b b i o s o (per e s e m p i o q u a n d o ]a d i s t a n z a f r a gli e ] e t t r o d i b r e l a t i v a m e n t e t r o p p o g r a n d e ) ; a l t r i in cui ~ i n v e c e e v i d e n t i s s i m o . R i f e r i r b solo q u a l c u n o di questi. L a t a b e l l a n u m e r i c a s e g u e n t e b u n a di q u e l l e o t t e n u t e q u a n d o ero gi~ a l q u a n t o a d d e s t r a t o alle m i s u r % ed h r e l a t i v a a d uno dei casi che m o s t r a n o in m o d o a b b a s t a u z a e v i d e n t e il r i s u l t a t o . N e l l a p r i m a c o l o n n a sono n o t a t i i p o t e n z i a l i , nelta s~'conda le i n t e n s i t s di c o r r e n t e m i s u r a t e s e n z a che a g i s s e n e s s u n c a m p o m a g n e t i c o , n e l l a t e r z a le i n t e n s i t s m i s u r a t e sotto l ' a z i o n e di u n c ~ m p o di 430 gauss, n e l l a q u a r t a infine ]e i n t e n s i t ~ con c a m p o di 1240 gauss. I p o t e n z i a l i sono espressi in v o l t a ; le i n t e n s i t s in m i c r o a m p ~ r e . La pressione dell'aria era limetri.

durante

tall m l s u r e

11~5 mil-

Infine trascrivo in una delle tre eolonne di una tabella, il valore del potenziale adoperato, in un'altra colonna il valore della corrente misurata senza campo, e nella terza colomla la media delle due determinazioni della corrente eseguite sotto l'azione del magnetismo. In questa maniera si ~ ottenuto quanto occorre per segnare in un diagramma un punto della curva avente per ascisse i potenziali e per ordinate le intensit~ di corrente, e I'analogo punto per la curva valevole quan to il campo magnetico impera. In modo analogo si otterranno tante altre righe orizzontali della rubella, che serviranno a traceiare tanti altri punti delle due curve. Il pih delle volte le operazioni da 1) a 6) furono pid numerose di quanto si d detto, perch6 per ogni valore deI campo magnetico la misura fu ripetuta, e si trascrissero le medie. S'intende bene the tutto ~ da rifare, se si vuole stadiare il fenomeno con un nuovo valore del campo magnetieo o della pressione dell'aria. Si vedr~ poi che fui indotto a fare ~ltre diverse serie di misure tenendo fisso il valore del potenziale, ma variando invece l'intensit~i del campo.

253

SULLA IONIZZAZIONE PICODOTTA ECC.

Quanto alla radiazione adoperata, posso dare le seguenti indicazioni. L'amperometro inserito nel primario del rocchetto indicava 12,5 ampere, la corrente produeente l'arroventamento del catodo era di 4,1 ampere. I1 milliamperometro segnava circa 1,5, ed infine la scintilla (( equivalente )) uello spinterometro posto in derivazione sul tubo di Coolidge misurava circa 18 c. di lunghezza. TABELLA ~.

Potenziale

Intensit~t di microampere

in volta

Campo nullo

Campo 430 gauss

Campo 1240

80

3,32. 10-*

3,31. 10 -*

2,94. 10-

160

3,31

~)

3,31

~)

2,96

240

3,35

~)

3,31

~)

2,80

400

3,35

))

3~43

560

3,59

)~

3,68

800

5,54

))

840

7,95

880

29,20

))

2,97

,)

~)

3, t5

))

6,02

))

4,75

)~

8,80

)~

7,15

~

31,86

))

27,48

))

Eeco ora quanto si ricava dall'esame di questi risultati numerici, e meglio aneora (tal corrispondente diagramma della fig. 3. In questo diagramma i puutl the hanno per ascisse i numeri della prima cohmna e per ordinate quelli della seeonda, si sono iudieati con piccoli cerchietti. L a linen che passa attraverso di essi ha la forma ben conosciuta, ed in partieolare fa vedere, come rapidamente cresca l'intensit~ della corrente, ia eorrispondenza ai pik alti potenziali in causa dell'intensificarsl della ionizzazione per urto. Sono rappresentati nel diagramma con eerchietti pieni i puntl aventi per ordinate i numeri della terza colonna, e con stellette quel|i le eui ordinate

2 54

A. RIG~I

costituiscono la quarta eolonna; ma t nel timore di nuoeere alia chiarezza del diagramma) non ho traceiato le due corrispondenti carve. ~ba curv% che passerebbe per i punti rappresentati da stellette, risulta interamente al disotto della curva disegnata. Dunque )

9

)

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)00

200 ~oLt~

Fig. 3. un campo di 1240 unith, abbassa la curva, ossia riduee tutte le sue ordinate; e questa riduzione sarebbe anche piS_ gr~mde impiegando un campe di intensits anche maggiore. Questa diminuzione d'intensits della corrente si spiegherh, benissimo anche da chi non ammetta la magnetoionizzazione t considermtdola come

S U L L A IO:NIZZAZIO~:E P R O D O T T A ECC.

255

effetto dclle dtviazioni magnetiche dellt particelle elettrizzate. M a i l case delle misure fatte col campo di 430 gauss non potrebbe ~ffatto spiegarsi in tal mode. Infatti la curva passante per i punti rappresentati con disthetti ncri risulta tutta al disopra di quella tracclata, e tio~, sotto l'azione di qucl campo magnetico d' intensit~ relativamente pitcola, l'intensit~ di correntt diviene pi6 grande. :E questo precisamente il risultato the avevo preveduto, e che non pub spicgarsi senza ammettere la magnetoionizzazione, la quale (come nel eitato case dell, mie esperienze sul p. d. s.) con deboli valori del tampo produte un effetto predominante rispetto all'opposto effetto dovuto alle deviazioni magnetiehe. ]~ poi degno di nora il fatto, che l'aumento di torrente prodotto dalla magnetoionizzazione, mentrt ~ lievissimo quando si fa use di deboli potenziali, al punto the he dovuto rinunciare a s~gnare su| diagramma i eerchietti neri dati dalle prime quattro misure, diviene invece assai considerevole allorcluando la ionizzazione per urto diviene di pi/x ill pi~ abbondante, come appunto si poteva prevedere. La serie di determinazioni riportatt nella tabella I h stata scelta fi-a quelle, ehe offrono l'effetto in mode abbastanza spiccato; ma csso rimane sostanzialmente invaria*~o nelle pi~ diverse tondizioni sperimentaLi. Ptrb sceglicndo giudiziosamente le scale pel potenziale e per 1' intensiti~ di torrente si ottengono diagrammi pi~t dimostrativi colic misure fatte con debole pressione delTaria, in quanto che, put cssendo pifl pictoli i valori delle intensiti~ il ,'apporto fra le due intensith con o senza campo diventa pik notevole, t~ quindi opportune il riprodurre qui un'altra serie, simile a quella della tabella I, ma relativa ad esperienze fattr alia pressione di 0,10 mm.

A. RIGHI

25(;

TABELLA II.

Potenziale in volta

Intensit's in microampere t Campo hullo

Campo 30o gauss

0,077. 10 -~

0 , 0 7 8 . 1 0 - '~

10

0,086

,>

0,088

80

!i 0,107

,,

0,107

))

160

0,124

0,128

>~

240

0,136

320

0,162

0,196

~

360

0,178

0,223

~

2

>)

0,151

Nel diagramma della fig. 4 sono staff segnati con piecoli cerchi i punti che hanno per aseisse i numeri della prima colonna e per ordinate quelli della seeonda, mentre si sono indlcati con eerehi pieni i panti di egaali aseisse e aventi per ordinate i valori delia terza colonna. E cos[ si vede chiaramente r le due curve, insieme sensibilmente confuse in corrispondenza dei plecoli valori del potenziale, si separano poi largamente quando si manifesta la ionizzazione per urto. Ed qui appunto che doveva manifestars[ la magaetoionizzazione, se effettivamente resta abbassato il minimo di energia neeessario perehh avvenga ionizzazione per urto. Si pub incidentalmente osservare, che la eurva inferiore delia figura 4 differisee alquanto da quella della figura 3; ma Bib dipeade solo dalla diversa pressione. In quest'ultima curva largamente sviluppata la parte eorrispondente alia saturazione che invece ~ quasi scomparsa nella prima. Se all'elettrodo F @ della fig. 1 si db~ cariea negativa anzieh~ positiva, l'effetto della magnetoionizzazione diviene di pifl difficile dimostrazione.

SULLA IONIZZAZIO~E

PRODOTTA

ECC.

2~7

Poche parole basteranno in rapporto al case in cul il campo elettrico ~ parallelo a quello magnetico~ il qual case ~, come si ~ detto, il meno importante. Esso si pots facilmente realizzare girando l'apparecehio della fig. 1 di 900 interne al giunto C. :L'effetto del campo consiste in un aumento di intensitY, della

/ / Er ~ 1,5.~0

/-J

J

.6

~.tO

lOG

ZOO ~oL~

Fig. 4.

correntc; ma non si ha mezzo di dccidere qual parto di tale effetto debba attribuirsi alla magnetoionizzazione. Volendo eseguire una serie di misuro come quelle delle tabelle precedentemente trascritte, ~ utile scegliere quel valore del campo magnetic% pel qualo reffetto riescc meglio evidente, e che muta assai quando si cambia la grandezza degli elettrodi~ la lore distanza~ la pressione dell'aria ecc. Convieno Serie y r, Vol. X I I

258

h. RIGHI

dunque eominciare coll'eseguire una serie di misure, come quella ehe qui riferisco a titolo di esempio. L'elettrodo :FG della fig. 1 fu mantenuto stabilmente al potenziale di 240 volta, e si misurb la deviazione elettrometrica sotto l'azione dei campi magnetici di intensitk suecessivamente creseenti intercalando misure senza campo magnetico. Siano d o ed i o la deviazione e la corrispondente intensit5, di corrente in assenza di eampo, e siano d ed i deviazione ed intensitY, quando v'~ il campo in azione. P e r valutare l'effetto d o - - i - -ioi o, ed eceo i del eampo ho ealeolato il rapporto d - -do risultati. TABELLA I I I . Campo magnetico in gauss

0

(i--io) / io

1

215

1,042

302

1,048

430

1,051

650

1,030

837

0,983

1241

0,907

Si vede eosl the eolle attuali eondizioni sperimentali e con una intensitb, di eampo prossima a 430 gauss che la magnetoionizzazione ha il maggior sopravvento sull'effetto delle deviazioni magnetiche. F a r 5 osservare per ultimo, che chi desiderasse istituire una sempliee esperienza dimostrativa della magnetoionizzazione potrebbe limitarsi a fare tre letture. Eeeo an esempio tratto dal giornale di esperienze. Pressione dell'aria 6 5 ram., potenziale 400 volta, campo 430 gauss. T r o v a i : intensitg della corrente con

S U L L A IONIZZAZIOINE P R O D O T T A ECC.

239

campo in una certa direzione 5,97.10-~; senza campo 5,51.10-*; campo in opposta direzione: 6,17.10 -~. II eonfronto fra l'intensit~ media col campo: 6,07.10 -~ e quella senza campo :5,51.10 -* fa vedere the questo produce aumento di corrente (dovuto alia magnetoionizzazione), benehb 16 deviazioni sublte dai i o n i e dagli elettroni tenda~lo al risultato opposto. L'apparecehio ad elettrodi piani e paralleli delle figure 1 e 2 non b il solo the si presti per dimostrare la magnetoionizzazione. Un altro, ehe eerto deve potere servire all'uopo 7 /~ l'appareechio ad elettrodi cilindrici coassiali, delle cui speciati proprietb, ho in tante oeeasioni tratto partito. Preparata l'esperienza seeondo questa direttiva, il risultato previsto si b subito ottenuto, e qui ne db notizia. Come sin disposta resperienza lo si seorge dalla figura 5. L'aria rarefatta 6 eontenuta in un tubo di vetro A B avente

Fig. 5. circa 22 mm. di diametro, munito di an elettrodo filiforme A B posto nel suo asse, e di un secondo elettrodo C D in forma di lastra applicata alia parete del tubo. Questo b collocato secondo l'asse della solita elettrocalamita, della quale vedonsi in R, R, le estremitb~ affacciate dei due rocehetti. L'intervallo fra i poli di 6 ceutimetri; ma siccome il tubo b anche pifi lungo, eosl le estremits di esso penetrano nei nuclei dei rocehetti, come vedesi nella figura. Una preeauzione importante ~ quella di fasciare con foglie o lamine metalliche non isolate la parte di tubo the testa visibile fra i poli, onde sottrarre l'elettrodo C D (che b quello

260

h. RIGIII

messo in comunieazione coll'elettrometro, mentre l'altro A B quello che viene stabilmente caricato) all'influenza elettrostatica della eorrent% che percorre i rocehetti, quando nella esperienza interviene il campo magnetieo. ~] note qual sin l'effetto prodotto da an campo magnetite diretto secondo l'asse sul mote dei ioai fra i due elettrodi. Essi acquistano una componente di veloeit~ nel piano perpendieolare all'asse, in virtk della quale, se il campo ~ abbastanza intense un lone (supposto che non subisea eollisioni) finlsce col non potere pifi raggiungere l'ettrodo, verso il quale lo sospinge il campo elettrico. Cib ha per ovvia conseguenza una dimlnuzione della corrente attraversante il gas, non ch~ un aumento det potenziale di scarica. •el corse delle mie rieerehe sull'influenza del campo magnetico sul potenziale di scarica he constatato, che un tal aumento si verifica soltanto quando l'intensit~ del eampo ~ minore di un certo valore, se no si osserva inveee una diminuzione, spiegabile come effetto della magnetoionizzazione. Si pub dunque prevedere, che l'intensitk della corrente nell'aria attraversata dai raggi X presenterS, come nel case delle esperienze precedenti~ un valore massimo in corrispondenza di ua certo piccolo valore del campo. Questo ~ state appunto il risultato ottenuto coll'appareeehio della figara 5; ed ecco a dimostrarlo i risultati numerici di due serie di misure. TABELLA IV. Press. dell'aria ~ 0,13 mm. Potenz. deli'elettrodo AB: 320 volta Campo in gauss

0

Corrente in microampere 1,20. 10 -*

430

1,99

))

650

2,34

)~

837

2,05

))

1442

1,71

)>

SULLA IO~[ZZAZIO~:E PRODOTTA ECC.

261

TABELLA V . Press. dell'aria ~--- 1,9 ram. Potenz. dell'elettrodo A B : 400 volta Corrente

Campo in gauss

in mieroampere

0

4,36.10 -~

430

4,93

)>

837

4,03

)>

1240

3,45

)~

Come dimostrazione della nuova azione del eampo sulla ionizzabilit~ di un gas, questa esperienza non h meno evidente di quelle cui era principalmente dedicata questa mem~)ria.

Nota. Volendo prevedere se ed in qual senso i cambiamenti sublti dalle traicttorie dei i o n i e degli elettroni per opera di un campo magnetico influiseono sulla intenslt~ della corrente fra due elettrodi in un gas ionizzato, toraano utili le formole da me date in una preeedente pubblicazione. ( S u l moto dei ionl ed elettroni in un campo elettrico e magnetico ecc. ~ e m o r i e della/~. Accademia di Bologna 18 aprile 1915; Nuovo Cimento, gennaio 1916: Annales de Physique, t. IV pug. 229, 1915), le quali hanno l'unieo pregio della massima generalits cosicch~ da esse si deduce la trattazione dei vari casi particolari sparsi helle pubblicazioni di diversi autori. Le formole, controsegnate in quella Memoria con (1), (2)7 e (3), riguardano appunto il moto di una partieella elettrizzata (lone od elettrone) interamente libera; e quanto da esse si ricava sar~ applieabile al easo di un gas molto rarefatto. :Ma nello stesso mio lavoro ho stabilito anche nuove formole (segnate da (4) a (9))~ colic quali si traggono risultati riguardanti l'ef-

262

A. RIGHI

fetto prodotto quando ]1 gas b poehissimo o non b rarefatto. Si aequistano cosl utili cognizioni per due casi llmiti, fl'a i quail b compreso il caso reale. :Nel fare uso di quelle formole supporrb gli assi collocati nel modo seguente. L'asse delle x sia nella direzione dell'asse dell'apparecchio fig. 1; quello delle y sia nella direzione del campo magnetico (quindi perpendicolare al piano d;- figure); qaello delle z sar~ quindi diretto perpendieolarmente alle due lastre metalliche D E , F O . I1 campo elettrico ed il campo magnetico sono percib fra loro ortogonali; diverranno paralleli se si farb. girare l'appareeehio intorno al giunto C. Cominciamo da questo seeondo caso.

1. -- Effet/o prodotto dal campo magaetico nel caso di campi Taralleli ir gas molto rare~atto. Se il campo magnetico uniforme b parallelo al campo elettrico supposto uniforme esso pure, valgono le equazioni: x=x~

(l~c~

-o s e n p t ' y ~ - - : q o + V ~

2mEt"

Z = Z o - - - u~ p (1 - - cos~vt) + w~ sen2pt , in cui z o Yo za sono le coordinate della particclla di cariea e e masse m nell'istante t ~ 0 , u o v o wo le componenti della sue velocit~ iniziale, x , y, z, le coordinate all'istante t. Si indieano con E ed H l e intensit~ del campo elettrieo e deL tempo magnetic% e si b posto p ~ H e/re. Queste cquazioni si possono ottenere direttamente integrando le equazioni differenziali relative al caso attuale: a~x ~---H~ 3z m -~-p (~ ,

~ m ~a - y - - Ee

,

a~z m c3t ~ __

H e at0zi "

Ma possono ricavarsi dalle (3) della citata Memoria, ponedoviX:Z:0, Y=E, ~---7~0, ~.~---H, essendo X Y Z le eomponenti di E , ed ~ ? 7 quelle di H. Poiehb y non contiene I-I, si vede intanto che il t e m p o magnctieo non inttuisce sul moto secondo ?/. Sieeomc poi po-

S U L L A IONIZZAZIO:N]~ P R O D O T T A ECC.

263

nendo tana = w o ] u o le espressioni di x e z possono assumere la forma :

sen (p t - - <~),

--

cos

(~ot --

a),

si seorge subito, the la proieziono della traiettoria sul piano x z ~ una cireonferenza di raggio t/%~q - w O ] p , il cni centre ha per coordinate x o -4- w e / p , z o - - u o / 2 , e e h e l a velocit~ colla quale tale cireonferenza b percorsa ~ ]/uo~-b- Wo~ cio5 resta quale era inizialmente. L'effetto del magnetismo si riduce dunque a questo. L a velocitk della particella non muta grandezza; ma mentre senza campo magnetite la sua componente 1/Uo~q-We~ nel piano ~z restava immutata, e quindi la proiezione della particella si allontanava indefinitamente della posizione iniziale, per effetto del magnetismo non se ne allontana ehe sine ad una certa distanza. A.ccadr/~ dunque che certi ioni partiti della lastra F G , i quali per l'obliquitk della lore veloeitk iniziale non potevano eolpire l'elettrodo D E lo raggiungano quando agisce il campo magnetico. Questo render/~ dunque pi~t intensa la eorrente. Si pub qui ineidentalmente osservar% che da quanto precede mi sembra ricavarsi la spiegazione di un note fenomeno, quello del raeeogliersi in un pitt ristretto fascio dei raggi catodici, allorchh si fa su essi agire un campo magnetite parallelo ella lore direzione media. 2. ~

Campi paraUeli

in un gas a non piccola pressione. --

Occorre adesso investigare se e come la precedente conclusione rimanga modificata qualora la particella in mote sia esposta a frcquenti collisioni durante il sue tragltto. :Per raggiungere questo scope si utilizzano la formola (5) della citata Memoria, ed il metodo generale cui si riferisce la formola medesim% il quale insegna a calcolare i valori medi delle componenti, secondo i tre assi~ della veloeit~ delle par-

264~

h. RIO}II

tieelle in mote, in funzione di E, H~ 6 m, e del tempo T~ che in media trascorre ira due successive eollisioni. Chiamando u, v, w le eomponenti della veloeiti~ per una determinata particella~ si ricava dalle precedenti equazioni:

u~-Wosenptq-uocospt

,

Ee v-~-Voq---t

,

w ~-~ - - % sen p t q- wo cos p t.

(v),

Applicando ad esse il metodo suddett% e indicando con (u), (w), i valori medi delle veloeit~ di tutte le particelle si trova :

(u)-----0

,

-1Ee-T

(v)--2

,

m

(w)--0

Se ne deduce, the il campo magnetite diretto parallelamente alla forza elettrica non influlsce sulla corrente trasmessa daI gas ionizzato, e ciob l'aumento di intensitg trovato nel case del gas molto rarefatto tende a scomparire eoll'addensarsi del gas in conseguenza alle eollisioni di pifl in pik frequenti che le particelle devono subire. 3. - - Campi ortogonali in gas assai rarefatto. - - Questo il case dell'apparecehio fig. 1~ poichb il campo elettrico viene supposto dicetto secondo l'asse delle Z, mentro il campo magnetico ~ sempre diretto secondo l'asse delle Y. Le espressioni per x, y, z~ possono rieavarsi dalle (3) della citata Memorla; ma si possono altresl stabilire integrando le equazioni differenziali valide in questo caso~ che sono:

m asx Ot~

He a-t oz '

m ~o~y = 0 ,

m - a~z a~=Ee--He

ax ~t

I1 risultato, come b facile verificare, b il seguente:

~ C ~ X O - K H t - K ~- l - - c o s 2 t y-----yo + rot z ~ z o + ~I ( E

--~

- - u o senpt

,

- - u o ) ( 1 - - c o s T t ) W+~ sPe n p t

,

S U L L A IONIZZA.ZIO1NE PRODOTTA. ECC.

265

:Lo spostamento z - - z o ammette un massimo quando t tale ehe si abbia: H--

u~ s e u p t - - = - - w

o cosTt

,

e tale massimo b eguale a 1 [EIE t --u o + ~/(E H ~--uo)~+ w0]

9

Dunque la particella elettrizzata noa sempre arriva sino all'elettrodo, anzi da esso nuovamente si allontana tanto pifi presto quanto pilk intenso b il eampo magnetieo. A1 ereseere di questo l'intensit~ della eorrente diverr~ dunque di pi~t in pid pieeola. E eosl si vede come le deviazioni magnetiehe tendano a dissimulare quell'aumento di eorrente, ehe si deve alia magnetoionizzazione. 4. - -

C a m p i ortogonall in gas a non piccola pressione. - lqel lavoro citato sul principio di questa N o r a ho trattato

questo caso, ma non posso traserivere senz'altro quelle formole, perchb qui gli assi sono diversamente eolloeati. Partirb dunq.ue invece dai valori preeedenti di x, y, z, dai quali si deduce per derivazione:

u~ii

+w

senpt--

--Uo

cospt ,

v=v

o

w ---- ( E - - uo) sen T t + Wo COSp t

Chiamando ora (u], (v), (w), i valori medii delle eomponenti della velocit~ delle particelle, col metodo dimostrato nel citato lavoro si trova: (u)

E p T - - sen p T --~H pT

,

(v)=O,

E 1 - - cos 19T (w)=HTT--

266

A. RIC~HI

Noterb incidentalmente, ehe con queste formole si rende eonto del fenomeno di Hall, dato che le particelle di cariea e e di massa m siano gli elettroni m,,bili entro un metallo, ed anzi la eorrente trasversale sarebbe proporzlonale ad (~e). Se si suppone piccolo il prodotto p T ~ H T elm (eonservando sino alia quarta potenza), le precedenti equazioni diventano : (u) - - H E e"~T' 6,,,'

,

(w)=

E eT ( 2,~ 1

H ' , ~T ~ a2~'/

'

e pifl faeilmonto si discutono. Come si vede, ha sempre luogo una diminuzione di (w), e quindi della intensit~ di eorrente fi-a i due elettrodi, mentre nel case dei due eampi paralleli ognl effetto tendeva a sparire al crescere della pressione del gas. Si vede altresl ehe In diminuzione di corrente ~ meno sensibile quando m b pih grande, e quindi pill marcata se si tratta di elettroni anzieh~ di ioni.