Forutsetninger for å utføre akterforsøket. Streng erfaring. Essensen av den strenge opplevelsen

Fra formler

vi får en formel for å beregne rotmiddelkvadrathastigheten for bevegelse av molekyler av en monoatomisk gass:

hvor R er den universelle gasskonstanten.

Avhenger altså av gassens temperatur og natur. Så ved 0°C for hydrogen er det lik 1800 m/s. for nitrogen - 500 m/s.

O. Stern var den første som eksperimentelt bestemte hastigheten til molekyler. I kammeret som luft er evakuert fra, er det to koaksiale sylindre 1 og 2 (fig. 1), som kan rotere rundt en akse med konstant vinkelhastighet.

En sølvbelagt platinatråd strekkes langs aksen, gjennom hvilken en elektrisk strøm føres. Det varmes opp og sølvet fordamper. Sølvatomer kommer inn i sylinder 1 gjennom spalte 4 i veggen til sylinder 2 og legger seg på dens indre overflate, og etterlater et spor i form av en smal stripe parallelt med spalten. Hvis sylindrene er stasjonære, er stripen plassert på motsatt side av sporet (punkt B i fig. 2, a) og har samme tykkelse.

Når sylinderen roterer jevnt med vinkelhastighet, beveger båndet seg i retning motsatt av rotasjonen med en avstand s i forhold til punkt B (fig. 2, b). Punkt B på sylinder 1 har forskjøvet seg med denne avstanden i tid t, som er nødvendig for at sølvatomene skal reise en avstand lik R - r, der R og r er radiene til sylinder 1 og 2.

hvor er den lineære hastigheten til punktene på overflaten til sylinder 1. Derfor

Hastigheten til sølvatomer

Ved å kjenne R, r, og etter å ha målt s eksperimentelt, kan man ved å bruke denne formelen beregne den gjennomsnittlige bevegelseshastigheten til sølvatomer. I Stern-eksperimentet. Denne verdien sammenfaller med den teoretiske verdien av rotmiddelkvadrathastigheten til molekyler. Dette fungerer som eksperimentelt bevis på gyldigheten av formel (1), og følgelig formel (3).

I Sterns eksperiment ble det oppdaget at bredden av stripen på overflaten av en roterende sylinder er mye større enn det geometriske bildet av spalten og tykkelsen er ikke den samme på forskjellige steder (fig. 3, a). Dette kan bare forklares med at sølvatomene beveger seg med ulik hastighet. Atomer som flyr med en viss hastighet når punkt B'. Atomer som flyr raskere havner på et punkt som ligger i figur 2 over punkt B’, og atomer som flyr saktere havner under punkt B’. Dermed tilsvarer hvert punkt i bildet en viss hastighet, som enkelt kan bestemmes av erfaring. Dette forklarer det faktum at tykkelsen på laget av sølvatomer avsatt på overflaten av sylinderen ikke er den samme overalt. Størst tykkelse er i midtre del av laget, og i kantene avtar tykkelsen.

Undersøkelse av tverrsnittsformen til en stripe av avsatt sølv ved hjelp av et mikroskop viste at den har en form som omtrent svarer til den som er vist i figur 3, b. Basert på tykkelsen på det avsatte laget kan man bedømme hastighetsfordelingen til sølvatomer.

La oss dele hele spekteret av eksperimentelt målte hastigheter til sølvatomer i små. La være en av hastighetene i dette intervallet. Ved å bruke tettheten til laget beregner vi antall atomer som har en hastighet i området fra , og plotter funksjonen

hvor N er det totale antallet sølvatomer avsatt på overflaten av sylinderen. Vi får frem kurven vist i figur 4. Den kalles hastighetsfordelingsfunksjonen til molekyler.

Området til det skyggelagte området er

de. lik det relative antallet atomer som har en hastighet innenfor

Vi ser at antallet partikler med hastigheter fra ulike intervaller er sterkt forskjellige. Det er en viss hastighet, rundt verdien som er hastighetene som det største antallet molekyler beveger seg med. Det kalles den mest sannsynlige hastigheten, og den tilsvarer maksimum i figur 4. Denne kurven samsvarer godt med kurven oppnådd av J. Maxwell, som ved hjelp av den statistiske metoden teoretisk beviste at i gasser som er i termodynamisk tilstand likevekt etableres en viss verdi som ikke endres med tiden, fordelingen av molekyler etter hastighet, som adlyder en veldefinert statistisk lov, grafisk avbildet av kurven. Den mest sannsynlige hastigheten, som Maxwell viste, avhenger av temperaturen på gassen og massen til dens molekyler i henhold til formelen

riktigheten av det grunnleggende kinetisk teori om gasser . Gassen som ble undersøkt i eksperimentet var forseldet sølvdamp, som ble oppnådd ved fordampning av et lag sølv avsatt på en platinatråd oppvarmet av en elektrisk strøm. Tråden var plassert i et kar hvorfra luften ble pumpet ut, slik at sølvatomene spredte seg fritt i alle retninger fra ledningen. For å oppnå en smal stråle av flygende atomer, ble det installert en barriere med en spalte i deres vei, gjennom hvilken atomene falt ned på en messingplate som var ved romtemperatur. Sølvatomer ble avsatt på den i form av en smal stripe, og dannet et sølvbilde av spalten. En spesiell enhet ble brukt til å sette hele enheten i rask rotasjon rundt en akse parallelt med platens plan. På grunn av rotasjonen av enheten falt atomene til et annet sted på platen: mens de fløy avstanden l fra sporet til platen forskjøv platen seg. Forskyvningen øker med anordningens vinkelhastighet w og avtar med økende hastighet v sølv atomer. Å vite w Og l, kan bestemmes v. Siden atomer beveger seg med forskjellige hastigheter, blir stripen uskarp og blir bredere når enheten roteres. Tettheten av avsetningen på et gitt sted på stripen er proporsjonal med antall atomer som beveger seg med en viss hastighet. Den høyeste tettheten tilsvarer den mest sannsynlige hastigheten til atomene. Mottatt inn Streng erfaring verdiene for den mest sannsynlige hastigheten er i god overensstemmelse med den teoretiske verdien som er oppnådd basert på Maxwell distribusjon molekyler etter hastighet.

Artikkel om ordet " Streng erfaring" i Great Soviet Encyclopedia ble lest 5742 ganger

I andre halvdel av det nittende århundre vakte studiet av brownsk (kaotisk) bevegelse av molekyler stor interesse blant mange teoretiske fysikere på den tiden. Stoffet utviklet av den skotske forskeren James, selv om det var generelt akseptert i europeiske vitenskapelige sirkler, eksisterte bare i en hypotetisk form. Det var ingen praktisk bekreftelse på det da. Bevegelsen av molekyler forble utilgjengelig for direkte observasjon, og å måle hastigheten deres virket rett og slett et uløselig vitenskapelig problem.

Det er grunnen til at eksperimenter som var i stand til å bevise i praksis selve faktumet om materiens molekylære struktur og bestemme bevegelseshastigheten til dens usynlige partikler, opprinnelig ble oppfattet som grunnleggende. Den avgjørende betydningen av slike eksperimenter for fysisk vitenskap var åpenbar, siden det gjorde det mulig å få en praktisk begrunnelse og bevis på gyldigheten av en av datidens mest progressive teorier - molekylær kinetikk.

Ved begynnelsen av det tjuende århundre hadde verdensvitenskapen nådd et tilstrekkelig utviklingsnivå for fremveksten av reelle muligheter for eksperimentell verifisering av Maxwells teori. Den tyske fysikeren Otto Stern i 1920, ved å bruke molekylstrålemetoden, som ble oppfunnet av franskmannen Louis Dunoyer i 1911, var i stand til å måle bevegelseshastigheten til gassmolekyler av sølv. Sterns eksperiment beviste ugjendrivelig gyldigheten av loven. Resultatene av dette eksperimentet bekreftet riktigheten av vurderingen av atomer, som fulgte av de hypotetiske antakelsene gjort av Maxwell. Riktignok kunne Sterns erfaring bare gi svært omtrentlig informasjon om selve arten av hastighetsgraderingen. Vitenskapen måtte vente ytterligere ni år på mer detaljert informasjon.

Lammert var i stand til å verifisere distribusjonsloven med større nøyaktighet i 1929, som forbedret Sterns eksperiment noe ved å føre en molekylstråle gjennom et par roterende skiver som hadde radielle hull og ble forskjøvet i forhold til hverandre med en viss vinkel. Ved å endre rotasjonshastigheten til enheten og vinkelen mellom hullene, var Lammert i stand til å isolere individuelle molekyler fra strålen som har forskjellige hastighetsegenskaper. Men det var Sterns erfaring som la grunnlaget for eksperimentell forskning innen molekylær kinetisk teori.

I 1920 ble den første eksperimentelle installasjonen som var nødvendig for å gjennomføre eksperimenter av denne typen opprettet. Den besto av et par sylindre designet personlig av Stern. En tynn platinastav belagt med sølv ble plassert inne i enheten, som fordampet når aksen ble varmet opp med elektrisitet. Under vakuumforhold som ble skapt inne i installasjonen, passerte en smal stråle av sølvatomer gjennom en langsgående spalte kuttet på overflaten av sylindrene og satte seg på en spesiell ekstern skjerm. Selvfølgelig var enheten i bevegelse, og i løpet av tiden atomene nådde overflaten, klarte den å rotere gjennom en viss vinkel. På denne måten bestemte Stern hastigheten på bevegelsen deres.

Men dette er ikke den eneste vitenskapelige prestasjonen til Otto Stern. Et år senere utførte han, sammen med Walter Gerlach, et eksperiment som bekreftet tilstedeværelsen av spinn i atomer og beviste faktumet av deres romlige kvantisering. Stern-Gerlach-eksperimentet krevde opprettelsen av et spesielt eksperimentelt oppsett med kraft i kjernen. Under påvirkning av magnetfeltet generert av denne kraftige komponenten, ble de avbøyet i henhold til orienteringen til deres eget magnetiske spinn.

År. Eksperimentet var et av de første praktiske bevisene på gyldigheten av den molekylære kinetiske teorien om materiens struktur. Den målte direkte hastigheten på termisk bevegelse av molekyler og bekreftet tilstedeværelsen av en fordeling av gassmolekyler etter hastighet.

For å gjennomføre eksperimentet forberedte Stern en enhet bestående av to sylindre med forskjellige radier, hvis akse falt sammen og en platinatråd belagt med et lag sølv ble plassert på den. Et tilstrekkelig lavt trykk ble opprettholdt i rommet inne i sylindrene gjennom kontinuerlig pumping av luft. Når en elektrisk strøm ble ført gjennom ledningen, ble smeltepunktet for sølv nådd, på grunn av dette begynte sølvet å fordampe og sølvatomene fløy til den indre overflaten av den lille sylinderen jevnt og rettlinjet med en hastighet v, bestemt av oppvarmingstemperaturen til platinatråden, dvs. smeltepunktet for sølv. Det ble laget en smal spalte i den indre sylinderen, som atomer kunne fly videre gjennom uten hindring. Sylindrenes vegger ble spesielt avkjølt, noe som bidro til at atomer falt på dem. I denne tilstanden dannet det seg en ganske klar smal stripe av sølvplakett på den indre overflaten av den store sylinderen, som ligger rett overfor spalten til den lille sylinderen. Da begynte hele systemet å rotere med en viss tilstrekkelig høy vinkelhastighet ω . I dette tilfellet forskjøv plakettbåndet seg i motsatt retning av rotasjonsretningen og mistet sin klarhet. Ved å måle forskyvningen s den mørkeste delen av stripen fra sin posisjon når systemet var i ro, bestemte Stern flytiden, hvoretter han fant bevegelseshastigheten til molekylene:

$t=\backslash frac(s)(u)=\backslash frac(l)(v)\; \backslash Høyrepil\; v=\backslash frac(ul)(s)=\backslash frac(\backslash omega\; R\_(stor)\; (R\_(stor)-R\_(liten)\; )))(er)$,

Hvor s- stripe offset, l- avstanden mellom sylindrene, og u- bevegelseshastigheten til punktene til den ytre sylinderen.

Bevegelseshastigheten til sølvatomer funnet på denne måten falt sammen med hastigheten beregnet etter molekylær kinetisk teoris lover, og det faktum at den resulterende stripen ble uskarp vitnet om at hastighetene til atomene er forskjellige og fordelt iht. en viss lov - Maxwells distribusjonslov: atomer, de som beveger seg raskere forskjøv seg i forhold til stripen oppnådd i hvile med kortere avstander enn de som beveger seg saktere.

Skriv en anmeldelse av artikkelen "Stern Experience"

Litteratur

• Kort ordbok over fysiske termer / Comp. A. I. Bolsun, rektor. M. A. Elyashevich. - Mn. : Høyere skole, 1979. - S. 388. - 416 s. - 30 000 eksemplarer.

Linker

• Landsberg. Lærebok i elementær fysikk. Bind 1. Mekanikk. Varme. Molekylær fysikk. - 12. utg. - M.: FIZMATLIT, 2001. - ISBN 5-9221-0135-8.
• Internett-skole Prosveshchenie.ru.(russisk) (utilgjengelig lenke - historie) . Hentet 5. april 2008.
• Streng erfaring- artikkel fra Great Soviet Encyclopedia.

Utdrag som karakteriserer Stern-eksperimentet

Så han lå nå på sengen sin, lente det tunge, store, vansirede hodet på den fyldige armen og tenkte, med ett øye åpent, og kikket inn i mørket.
Siden Bennigsen, som korresponderte med suverenen og hadde mest makt i hovedkvarteret, unngikk ham, var Kutuzov roligere i den forstand at han og troppene hans ikke ville bli tvunget til igjen å delta i ubrukelige offensive aksjoner. Lærdommen fra Tarutino-slaget og dens kveld, smertelig minneverdig for Kutuzov, burde også ha hatt en effekt, mente han.
«De må forstå at vi bare kan tape ved å opptre offensivt. Tålmodighet og tid, dette er mine helter!» – tenkte Kutuzov. Han visste ikke å plukke et eple mens det var grønt. Den vil falle av seg selv når den er moden, men hvis du plukker den grønn, vil du ødelegge eplet og treet, og du setter tennene på kanten. Han, som en erfaren jeger, visste at dyret var såret, såret som bare hele den russiske styrken kunne såre, men om det var dødelig eller ikke var et spørsmål som ennå ikke var avklart. Nå, ifølge utsendelsene til Lauriston og Berthelemy og ifølge rapportene fra partisanene, visste Kutuzov nesten at han var dødelig såret. Men mer bevis var nødvendig, vi måtte vente.
«De vil løpe og se hvordan de drepte ham. Vent og se. Alle manøvrer, alle angrep! - han tenkte. - For hva? Alle vil utmerke seg. Det er definitivt noe gøy med å slåss. De er som barn som du ikke kan få noen mening fra, slik tilfellet var, fordi alle ønsker å bevise hvordan de kan kjempe. Det er ikke poenget nå.
Og hvilke dyktige manøvrer alle disse tilbyr meg! Det ser ut til at de fant opp to eller tre ulykker (han husket den generelle planen fra St. Petersburg), oppfant de alle. Og alle har ikke noe nummer!"
Det uavklarte spørsmålet om såret som ble påført i Borodino var dødelig eller ikke dødelig, hadde hengt over hodet til Kutuzov i en hel måned. På den ene siden okkuperte franskmennene Moskva. På den annen side følte Kutuzov utvilsomt med hele sitt vesen at det forferdelige slaget, der han, sammen med hele det russiske folk, anstrengte all sin styrke, burde ha vært dødelig. Men i alle fall trengtes bevis, og han hadde ventet på det i en måned, og jo lengre tid som gikk, jo mer utålmodig ble han. Han lå på sengen sine søvnløse netter og gjorde akkurat det som disse unge generalene gjorde, akkurat det han bebreidet dem for. Han kom med alle mulige situasjoner der denne sikre, allerede fullførte døden til Napoleon ville komme til uttrykk. Han kom med disse beredskapene på samme måte som unge mennesker, men med den eneste forskjellen at han ikke baserte noe på disse antakelsene og at han ikke så to eller tre, men tusenvis. Jo lenger han tenkte, jo flere av dem dukket opp. Han kom med alle slags bevegelser av den napoleonske hæren, hele eller deler av den - mot St. Petersburg, mot den, utenom den, kom han på (som han var mest redd for) og sjansen for at Napoleon ville kjempe mot ham med sine egne våpen, at han ville bli i Moskva og vente på ham. Kutuzov drømte til og med om bevegelsen av Napoleons hær tilbake til Medyn og Yukhnov, men en ting han ikke kunne forutse var det som skjedde, det vanvittige, krampaktige rushet fra Napoleons hær i løpet av de første elleve dagene av talen hans fra Moskva - kastingen som gjorde det mulig noe som Kutuzov fortsatt ikke turte å tenke på selv da: fullstendig utryddelse av franskmennene. Dorokhovs rapporter om Broussiers divisjon, nyheter fra partisanene om katastrofene til Napoleons hær, rykter om forberedelser til avreise fra Moskva - alt bekreftet antagelsen om at den franske hæren var beseiret og var i ferd med å flykte; men dette var bare antakelser som virket viktige for unge mennesker, men ikke for Kutuzov. Med sine seksti års erfaring visste han hvilken vekt ryktene skulle tillegges, han visste hvor dyktige folk som vil ha noe er til å gruppere alle nyhetene slik at de ser ut til å bekrefte det de ønsker, og han visste hvordan de i dette tilfellet villig savner alt som motsier. Og jo mer Kutuzov ønsket dette, jo mindre tillot han seg å tro det. Dette spørsmålet opptok hele hans mentale styrke. Alt annet var for ham bare den vanlige oppfyllelsen av livet. En slik vanemessig oppfyllelse og underordning av livet var hans samtaler med ansatte, brev til m me Stael, som han skrev fra Tarutin, lesing av romaner, utdeling av priser, korrespondanse med St. Petersburg, etc. n. Men franskmennenes død, forutsett av ham alene, var hans åndelige, eneste ønske.

Studiet av diffusjon og Brownsk bevegelse gir litt innsikt i hastigheten på kaotisk bevegelse av gassmolekyler. Et av de enkleste og mest visuelle eksperimentene for å bestemme det er eksperimentet til O. Stern, utført av ham i 1920. Essensen av dette eksperimentet er som følger.

På et horisontalt bord, som kan rotere rundt O-aksen (fig. 3.2), forsterkes sylindriske flater A og B vinkelrett på bordet. Overflate B er solid, og i flate A er det en smal spalte parallelt med O-aksen. En sølvbelagt platinatråd er plassert vertikalt langs O-aksen, som er inkludert i den elektriske kretsen. Når strøm går gjennom, gløder ledningen og sølv fordamper fra overflaten. Sølvmolekyler flyr i alle retninger og legger seg hovedsakelig på innsiden av den sylindriske overflaten A. Bare en smal stråle av sølvmolekyler flyr gjennom spalten i denne

overflate og legger seg i område M på overflate B. Bredden på avsetningen i M bestemmes av bredden på spalten i overflate A. For å hindre at sølvmolekyler spres ved kollisjoner med luftmolekyler, dekkes hele installasjonen med en hette, hvorfra luft pumpes ut. Jo smalere gapet er i overflate A, desto smalere er belegget i område M og jo mer nøyaktig kan bevegelseshastigheten til molekyler bestemmes.

Selve definisjonen av hastighet er basert på følgende idé. Hvis hele installasjonen bringes i rotasjon rundt O-aksen med en konstant vinkelhastighet, vil i løpet av den tiden molekylet flyr fra spalten til overflaten B, sistnevnte ha tid til å rotere og avsetningen vil skifte fra område M til region K. Følgelig flytiden til molekylet langs radius og tiden forskyvningen av punkt M av overflate B med samme avstand. Siden molekylet flyr jevnt, altså

hvor er ønsket hastighet, er radien til den sylindriske overflaten A. Siden den lineære hastigheten til punktene på overflaten B er lik sør, kan tiden uttrykkes med en annen formel:

Dermed,

Siden de under eksperimentet forblir konstante og er bestemt på forhånd, kan du ved å måle finne hastigheten til molekylet. I Sterns forsøk viste det seg å være nær 500 m/s.

Siden avsetningen i region K virker uskarp, kan vi konkludere med at sølvmolekylene flyr til overflate B med forskjellige hastigheter. De gjennomsnittlige molekylhastighetene kan uttrykkes matematisk med formelen

Som et eksempel merker vi at ved 0 °C er gjennomsnittshastigheten til hydrogenmolekyler 1840 m/s, og nitrogen er 493 m/s. Endringen i plakktykkelse i K-regionen gir en ide om fordelingen av molekyler i henhold til hastigheten på deres bevegelse. Det viser seg at et lite antall molekyler har hastigheter flere ganger høyere enn gjennomsnittshastigheten.

(Tenk hvor i fig. 3.2 de etterlot et spor av molekyler hvis hastigheter er større enn gjennomsnittshastigheten og hvordan posisjonen til avsetningen vil endre seg hvis strømmen i ledningen O økes.)