обновление от 16.05.2008

Распределение молекул по скоростям.

Интерактивные анимации, иллюстрирующие прямые имзмерения скоростей теплового движения молекул

Мы уже знаем, что все тела состоят из молекул или атомов, которые находятся в состоянии непрекращающегося движения. Как же определить скорости молекул? (В важности этой задачи мы убедимся позже, когда увидим, как многие явления молекулярной физики зависят от скоростей молекул.)

Прямые измерения скоростей теплового движения молекул были выполнены в 1920 г. Отто Штерном в опытах с молекулярными пучками.

Рассмотрим идею его опыта.

Прибор, с помощью которого проводился эксперимент, состоял из двух жестко соединенных между собой цилиндров А и В разных диаметров, вдоль общей оси которых натягивалась платиновая проволока, покрытая тонким слоем серебра — вещества, скорость молекул которого надо было определить. Внутренний цилиндр А имел узкую щель, расположенную вдоль его образующей. Воздух из цилиндров откачивался до высокого вакуума. При пропускании электрического тока по проволоке серебро испарялось и его атомы (молекула серебра, как и других металлов, состоит из одного атома) летели вдоль радиусов цилиндра, не испытывая на своем пути столкновений с частицами очень разряженного газа. Большинство атомов ударялось о стенки цилиндра А и осаждалось на них, образуя налет серебра, и лишь незначительная их часть узким пучком проникала сквозь щель и попадала на внутреннюю поверхность наружного цилиндра В.

При неподвижных цилиндрах этот пучок атомов серебра оседал узкой полоской 1, образуя как бы изображение щели. Когда оба цилиндра приводились в равномерное вращение с некоторой угловой скоростью, то в течение времени t, пока атомы серебра пролетали расстояние R — от щели до стенки наружного цилиндра, последняя успевала повернуться на некоторый угол и атомы попадали в другое место 2. Если бы все атомы двигались с одинаковой скоростью и, то изображение щели смещалось бы, не изменяя своей формы, на некоторое расстояние d, измерив которое можно вычислить скорость атомов.

Поскольку значения радиусов цилиндров и циклическую частоту вращения можно определить (измерить), то можно найти и искорость молекул. Для увеличения точности опыта осажденные слои атомов получают только при вращающихся цилиндрах: сначала вращают их в одну сторону, затем в другую, тогда расстояние между изображениями щели равно 2d.

 


предыдущая : продолжение