Warunki przeprowadzenia eksperymentu rufowego. Surowe doświadczenie. Esencja surowego doświadczenia

Z formuł

otrzymujemy wzór na obliczenie średniej kwadratowej prędkości ruchu cząsteczek gazu jednoatomowego:

gdzie R jest uniwersalną stałą gazową.

Zależy to od temperatury i rodzaju gazu. Zatem w temperaturze 0°C dla wodoru wynosi ona 1800 m/s. dla azotu - 500 m/s.

O. Stern jako pierwszy eksperymentalnie określił prędkość cząsteczek. W komorze, z której zostało usunięte powietrze, znajdują się dwa współosiowe cylindry 1 i 2 (rys. 1), które mogą obracać się wokół osi ze stałą prędkością kątową.

Wzdłuż osi naciągnięty jest posrebrzany drut platynowy, przez który przepływa prąd elektryczny. Nagrzewa się i srebro odparowuje. Atomy srebra przedostają się do cylindra 1 przez szczelinę 4 w ściance cylindra 2 i osadzają się na jego wewnętrznej powierzchni, pozostawiając ślad w postaci wąskiego paska równoległego do szczeliny. Jeżeli cylindry są nieruchome, wówczas pasek znajduje się naprzeciwko szczeliny (punkt B na ryc. 2, a) i ma tę samą grubość.

Gdy cylinder obraca się równomiernie z prędkością kątową, taśma przemieszcza się w kierunku przeciwnym do obrotu o odległość s względem punktu B (rys. 2, b). Punkt B cylindra 1 przesunął się o tę odległość w czasie t, która jest konieczna, aby atomy srebra przebyły odległość równą R - r, gdzie R i r są promieniami cylindrów 1 i 2.

gdzie jest prędkością liniową punktów na powierzchni cylindra 1. Stąd

Prędkość atomów srebra

Znając R, r i po doświadczalnym zmierzeniu s, za pomocą tego wzoru można obliczyć średnią prędkość ruchu atomów srebra. W eksperymencie Sterna. Wartość ta pokrywa się z teoretyczną wartością średniej kwadratowej prędkości cząsteczek. Służy to jako eksperymentalny dowód ważności wzoru (1), a co za tym idzie, wzoru (3).

W doświadczeniu Sterna odkryto, że szerokość paska na powierzchni obracającego się cylindra jest znacznie większa niż geometryczny obraz szczeliny, a jej grubość nie jest taka sama w różnych miejscach (ryc. 3, a). Można to wytłumaczyć jedynie faktem, że atomy srebra poruszają się z różnymi prędkościami. Atomy lecące z określoną prędkością docierają do punktu B'. Atomy lecące szybciej lądują w punkcie znajdującym się na rysunku 2 nad punktem B’, natomiast atomy lecące wolniej lądują poniżej punktu B’. Zatem każdemu punktowi obrazu odpowiada pewna prędkość, którą można łatwo określić na podstawie doświadczenia. Wyjaśnia to fakt, że grubość warstwy atomów srebra osadzonych na powierzchni cylindra nie jest wszędzie taka sama. Największa grubość występuje w środkowej części warstwy, a na krawędziach grubość maleje.

Badanie kształtu przekroju poprzecznego paska osadzonego srebra za pomocą mikroskopu wykazało, że ma on kształt w przybliżeniu odpowiadający pokazanemu na ryc. 3, b. Na podstawie grubości osadzonej warstwy można ocenić rozkład prędkości atomów srebra.

Cały zakres eksperymentalnie zmierzonych prędkości atomów srebra podzielmy na mniejsze. Niech będzie jedną z prędkości tego przedziału. Korzystając z gęstości warstwy, obliczamy liczbę atomów posiadających prędkość w zakresie od , i wykreślamy funkcję

gdzie N jest całkowitą liczbą atomów srebra osadzonych na powierzchni cylindra. Otrzymujemy krzywą pokazaną na rysunku 4. Nazywa się to funkcją rozkładu prędkości cząsteczek.

Obszar zacienionego obszaru to

te. równa względnej liczbie atomów mających prędkość wewnątrz

Widzimy, że liczby cząstek o prędkościach z różnych przedziałów znacznie się różnią. Istnieje pewna prędkość, wokół której wartości są prędkości, z którymi porusza się największa liczba cząsteczek. Nazywa się to prędkością najbardziej prawdopodobną i odpowiada ona maksimum z rysunku 4. Krzywa ta dobrze koresponduje z krzywą otrzymaną przez J. Maxwella, który metodą statystyczną teoretycznie udowodnił, że w gazach znajdujących się w stanie termodynamicznym równowaga, ustalana jest pewna wartość, która nie zmienia się w czasie, rozkład cząsteczek według prędkości, który jest zgodny z dobrze określonym prawem statystycznym, graficznie przedstawionym przez krzywą. Najbardziej prawdopodobna prędkość, jak pokazał Maxwell, zależy od temperatury gazu i masy jego cząsteczek zgodnie ze wzorem

poprawność podstaw kinetyczna teoria gazów . Gazem badanym w doświadczeniu były pary rozrzedzonego srebra, które otrzymywano poprzez odparowanie warstwy srebra osadzonej na drucie platynowym podgrzewanym prądem elektrycznym. Drut znajdował się w naczyniu, z którego odpompowywano powietrze, dzięki czemu atomy srebra swobodnie rozsypały się we wszystkich kierunkach z drutu. Aby uzyskać wąską wiązkę lecących atomów, na ich drodze zainstalowano barierę ze szczeliną, przez którą atomy spadały na mosiężną płytkę o temperaturze pokojowej. Atomy srebra osadzały się na nim w postaci wąskiego paska, tworząc srebrny obraz szczeliny. Za pomocą specjalnego urządzenia wprowadzono całe urządzenie w szybki obrót wokół osi równoległej do płaszczyzny płyty. W wyniku obrotu urządzenia atomy spadły w inne miejsce na płycie: podczas lotu na odległość l od szczeliny do płyty, płyta przesunęła się. Przemieszczenie wzrasta wraz z prędkością kątową w urządzenia i maleje wraz ze wzrostem prędkości w atomy srebra. Wiedząc W I l, może być zdeterminowany w. Ponieważ atomy poruszają się z różną prędkością, pasek zaciera się i staje się szerszy, gdy urządzenie jest obracane. Gęstość osadu w danym miejscu paska jest proporcjonalna do liczby atomów poruszających się z określoną prędkością. Największa gęstość odpowiada najbardziej prawdopodobnej prędkości atomów. Otrzymano w Surowe doświadczenie wartości najbardziej prawdopodobnej prędkości są w dobrej zgodności z wartością teoretyczną uzyskaną na podstawie Dystrybucja Maxwella cząsteczki według prędkości.

Artykuł o słowie „ Surowe doświadczenie” w Wielkiej Encyklopedii Radzieckiej przeczytano 5742 razy

W drugiej połowie XIX wieku badania Browna (chaotycznego) ruchu cząsteczek wzbudziły duże zainteresowanie wielu ówczesnych fizyków teoretyków. Substancja opracowana przez szkockiego naukowca Jamesa, choć była powszechnie akceptowana w europejskich kręgach naukowych, istniała jedynie w postaci hipotetycznej. Nie było wówczas żadnego praktycznego potwierdzenia tego. Ruch cząsteczek pozostawał niedostępny dla bezpośredniej obserwacji, a pomiar ich prędkości wydawał się po prostu nierozwiązalnym problemem naukowym.

Dlatego początkowo za fundamentalne uważano eksperymenty, które mogłyby w praktyce udowodnić sam fakt budowy molekularnej materii i określić prędkość ruchu jej niewidzialnych cząstek. Decydujące znaczenie takich eksperymentów dla nauk fizycznych było oczywiste, gdyż pozwoliło uzyskać praktyczne uzasadnienie i dowód słuszności jednej z najbardziej postępowych teorii tamtych czasów - kinetyki molekularnej.

Na początku XX wieku nauka światowa osiągnęła wystarczający poziom rozwoju, aby pojawiły się realne możliwości eksperymentalnej weryfikacji teorii Maxwella. Niemiecki fizyk Otto Stern w 1920 roku, wykorzystując metodę wiązki molekularnej, którą wynalazł Francuz Louis Dunoyer w 1911 roku, był w stanie zmierzyć prędkość ruchu cząsteczek gazu i srebra. Eksperyment Sterna niezbicie udowodnił słuszność tego prawa, a jego wyniki potwierdziły poprawność oceny atomów, która wynikała z hipotetycznych założeń Maxwella. To prawda, że ​​doświadczenie Sterna mogło dostarczyć jedynie bardzo przybliżonych informacji na temat samej natury gradacji prędkości. Nauka musiała poczekać kolejne dziewięć lat na bardziej szczegółowe informacje.

Lammertowi udało się zweryfikować prawo rozkładu z większą dokładnością w 1929 r., co nieco udoskonaliło eksperyment Sterna, przepuszczając wiązkę molekularną przez parę obracających się dysków, które miały promieniowe otwory i były przesunięte względem siebie o pewien kąt. Zmieniając prędkość obrotową urządzenia i kąt między otworami, Lammertowi udało się wyizolować z wiązki pojedyncze cząsteczki charakteryzujące się różną charakterystyką prędkości. Ale to doświadczenie Sterna położyło podwaliny pod badania eksperymentalne w dziedzinie teorii kinetyki molekularnej.

W 1920 roku powstała pierwsza instalacja doświadczalna, niezbędna do prowadzenia tego typu eksperymentów. Składał się z pary cylindrów zaprojektowanych osobiście przez Sterna. Wewnątrz urządzenia umieszczono cienki platynowy pręt pokryty srebrem, który odparowuje pod wpływem ogrzewania osi elektrycznością. W warunkach próżni, jakie wytworzyły się wewnątrz instalacji, wąska wiązka atomów srebra przechodziła przez podłużną szczelinę wyciętą w powierzchni cylindrów i osadzała się na specjalnym zewnętrznym ekranie. Jednostka oczywiście była w ruchu i w momencie dotarcia atomów do powierzchni zdążyła obrócić się o pewien kąt. W ten sposób Stern określił prędkość ich ruchu.

Ale to nie jedyne osiągnięcie naukowe Otto Sterna. Rok później wraz z Walterem Gerlachem przeprowadził doświadczenie, które potwierdziło obecność spinu w atomach i udowodniło fakt ich przestrzennej kwantyzacji. Eksperyment Sterna-Gerlacha wymagał stworzenia specjalnego układu eksperymentalnego, którego rdzeniem była moc. Pod wpływem pola magnetycznego generowanego przez ten potężny element ulegały one odchyleniu zgodnie z orientacją własnego spinu magnetycznego.

Rok. Eksperyment był jednym z pierwszych praktycznych dowodów na słuszność molekularnej teorii kinetyki budowy materii. Zmierzył bezpośrednio prędkość ruchu termicznego cząsteczek i potwierdził obecność rozkładu cząsteczek gazu ze względu na prędkość.

Do przeprowadzenia eksperymentu Stern przygotował urządzenie składające się z dwóch cylindrów o różnych promieniach, których osie pokrywały się i nałożono na nie platynowy drut pokryty warstwą srebra. Wystarczająco niskie ciśnienie w przestrzeni wewnątrz cylindrów utrzymywano poprzez ciągłe pompowanie powietrza. Kiedy przez drut przepłynął prąd elektryczny, srebro osiągnęło temperaturę topnienia, w wyniku czego srebro zaczęło parować, a atomy srebra poleciały równomiernie i prostoliniowo na wewnętrzną powierzchnię małego cylindra z prędkością w, określona przez temperaturę nagrzewania drutu platynowego, czyli temperaturę topnienia srebra. W wewnętrznym cylindrze wykonano wąską szczelinę, przez którą atomy mogły bez przeszkód latać dalej. Ścianki cylindrów były specjalnie chłodzone, co przyczyniało się do osiadania spadających na nie atomów. W tym stanie na wewnętrznej powierzchni dużego cylindra, znajdującego się dokładnie naprzeciw szczeliny małego cylindra, utworzył się dość wyraźny wąski pasek srebrnej płytki. Następnie cały układ zaczął się obracać z pewną odpowiednio dużą prędkością kątową ω . W tym przypadku pas płytki przesunął się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu i utracił przejrzystość. Mierząc przemieszczenie S najciemniejszej części paska z jego położenia, gdy układ był w stanie spoczynku, Stern określił czas lotu, po czym wyznaczył prędkość ruchu cząsteczek:

$t=\backslash frac(s)(u)=\backslash frac(l)(v)\; \backslash Rightarrow\; v=\backslash frac(ul)(s)=\backslash frac(\backslash omega\; R\_(duży)\; (R\_(duży)-R\_(mały\; )))(S)$,

Gdzie S- przesunięcie pasków, l- odległość między cylindrami i ty- prędkość ruchu punktów zewnętrznego cylindra.

Stwierdzona w ten sposób prędkość ruchu atomów srebra pokrywała się z prędkością obliczoną zgodnie z prawami teorii kinetyki molekularnej, a fakt, że powstały pasek był rozmyty, świadczył o tym, że prędkości atomów są różne i rozkładają się według pewne prawo - prawo rozkładu Maxwella: atomy poruszające się szybciej przesunęły się względem paska uzyskanego w spoczynku na krótsze odległości niż te poruszające się wolniej.

Napisz recenzję artykułu „Stern Experience”

Literatura

• Krótki słownik terminów fizycznych / Comp. A. I. Bolsun, rektor. M. A. Eliaszewicz. - Mn. : Szkoła wyższa, 1979. - s. 388. - 416 s. - 30 000 egzemplarzy.

Spinki do mankietów

• Landsberga. Podręcznik do fizyki elementarnej. Tom 1. Mechanika. Ciepło. Fizyka molekularna. - wyd. 12. - M.: FIZMATLIT, 2001. - ISBN 5-9221-0135-8.
• Szkoła internetowa Prosveshchenie.ru.(Rosyjski) (niedostępny link - fabuła) . Źródło 5 kwietnia 2008.
• Surowe doświadczenie- artykuł z Wielkiej Encyklopedii Radzieckiej.

Fragment charakteryzujący Eksperyment Sterna

Leżał więc teraz na łóżku, opierając swoją ciężką, dużą, zniekształconą głowę na pulchnym ramieniu i myślał jednym okiem otwartym, wpatrując się w ciemność.
Ponieważ Bennigsen, który korespondował z władcą i miał największą władzę w kwaterze głównej, unikał go, Kutuzow był spokojniejszy w tym sensie, że on i jego żołnierze nie będą zmuszeni ponownie uczestniczyć w bezużytecznych akcjach ofensywnych. Lekcja bitwy pod Tarutino i jej wigilii, boleśnie pamiętna dla Kutuzowa, również powinna była wywrzeć skutek, pomyślał.
Muszą zrozumieć, że możemy przegrać tylko ofensywnie. Cierpliwość i czas, to moi bohaterowie!” – pomyślał Kutuzow. Wiedział, że nie wolno zrywać jabłka, póki jest zielone. Kiedy dojrzeje, sama spadnie, ale jeśli zerwiesz ją na zielono, zepsujesz jabłko i drzewo i zgrzytasz zębami. On, jako doświadczony myśliwy, wiedział, że zwierzę zostało ranne, ranne tak, jak tylko całe siły rosyjskie mogą zranić, ale czy było to śmiertelne, czy nie, było jeszcze nie wyjaśnione. Obecnie, według meldunków Lauristona i Berthelemy’ego oraz meldunków partyzantów, Kutuzow niemal wiedział, że jest śmiertelnie ranny. Ale potrzeba było więcej dowodów, musieliśmy poczekać.
„Chcą uciec i zobaczyć, jak go zabili. Poczekaj i zobacz. Wszystkie manewry, wszystkie ataki! - on myślał. - Po co? Wszyscy będą się wyróżniać. Zdecydowanie jest coś zabawnego w walce. Są jak dzieci, od których nie można wywnioskować żadnego rozumu, jak to miało miejsce w przeszłości, bo każdy chce udowodnić, że potrafi walczyć. Nie o to teraz chodzi.
I jakie zręczne manewry mi to wszystko oferują! Wydaje im się, że wymyślając dwa, trzy wypadki (przypomniał sobie ogólny plan z Petersburga), wymyślili je wszystkie. I wszystkie nie mają numeru!”
Nierozwiązana kwestia, czy rana zadana w Borodinie jest śmiertelna, czy nie, wisiała nad głową Kutuzowa przez cały miesiąc. Z jednej strony Francuzi zajęli Moskwę. Z drugiej strony niewątpliwie Kutuzow całym sobą czuł, że ten straszliwy cios, w który on wraz z całym narodem rosyjskim wytężył wszystkie siły, powinien był być śmiertelny. Tak czy inaczej potrzebny był dowód, a on czekał na niego od miesiąca, a im więcej czasu upływało, tym bardziej się niecierpliwił. Leżąc na łóżku w bezsenne noce, zrobił dokładnie to samo, co ci młodzi generałowie, dokładnie to, za co im zarzucał. Wymyślił wszystkie możliwe scenariusze, w których wyrazi się ta pewna, dokonana już śmierć Napoleona. Wymyślił te ewentualności w ten sam sposób, co młodzi ludzie, z tą tylko różnicą, że nie opierał się na tych założeniach i że widział nie dwa, trzy, ale tysiące. Im dalej myślał, tym więcej ich pojawiało się. Wymyślał wszelkiego rodzaju ruchy armii napoleońskiej, całości lub jej części - w stronę Petersburga, przeciwko niemu, omijając ją, wymyślił (czego najbardziej się obawiał) i szansę, że Napoleon będzie walczył z go z jego własną bronią, aby pozostał w Moskwie i czekał na niego. Kutuzowowi przyśnił się nawet ruch armii napoleońskiej z powrotem do Medynu i Juchnowa, ale jednej rzeczy nie mógł przewidzieć – tego, co się wydarzyło: tego szalonego, konwulsyjnego pędu armii Napoleona w ciągu pierwszych jedenastu dni jego przemówienia z Moskwy – rzucenia, które sprawiło, że się udało. możliwe było coś, o czym Kutuzow nawet wtedy nie śmiał myśleć: całkowita eksterminacja Francuzów. Doniesienia Dorochowa o dywizji Broussiera, wieści od partyzantów o klęskach armii napoleońskiej, pogłoski o przygotowaniach do wyjazdu z Moskwy – wszystko potwierdzało przypuszczenie, że armia francuska została pokonana i miała zamiar uciekać; ale to były tylko założenia, które wydawały się ważne młodym ludziom, ale nie Kutuzowowi. Dzięki swojemu sześćdziesięcioletniemu doświadczeniu wiedział, jaką wagę należy przypisywać plotkom, wiedział, jak potrafią ludzie, którzy czegoś chcą, tak pogrupować wszystkie wiadomości, aby zdawały się potwierdzać to, czego chcą, i wiedział, jak w tym przypadku chętnie tęsknić za wszystkim, co jest sprzeczne. A im bardziej Kutuzow tego chciał, tym mniej pozwalał sobie w to wierzyć. To pytanie pochłonęło całą jego siłę umysłową. Wszystko inne było dla niego zwykłym spełnieniem życia. Takim nawykowym spełnieniem i podporządkowaniem życia były jego rozmowy z personelem, listy do mnie Staela, które pisał z Tarutina, czytanie powieści, rozdawanie nagród, korespondencja z Petersburgiem itp. n. Ale śmierć Francuzów, przewidziana przez niego samego, była jego duchowym, jedynym pragnieniem.

Badanie dyfuzji i ruchów Browna dostarcza pewnego wglądu w prędkość chaotycznego ruchu cząsteczek gazu. Jednym z najprostszych i najbardziej wizualnych eksperymentów służących jego wyznaczeniu jest eksperyment O. Sterna przeprowadzony przez niego w 1920 roku. Istota tego doświadczenia jest następująca.

Na poziomym stole, który może obracać się wokół osi O (rys. 3.2), prostopadle do stołu wzmocnione są cylindryczne powierzchnie A i B. Powierzchnia B jest pełna, a w powierzchni A znajduje się wąska szczelina równoległa do osi O. Posrebrzany drut platynowy jest umieszczony pionowo wzdłuż osi O, która jest zawarta w obwodzie elektrycznym. Kiedy przepływa prąd, drut świeci się, a srebro wyparowuje z jego powierzchni. Cząsteczki srebra latają we wszystkich kierunkach i osiadają głównie po wewnętrznej stronie cylindrycznej powierzchni A. Tylko wąska wiązka cząsteczek srebra przelatuje przez szczelinę w tej szczelinie

powierzchni i osiada w obszarze M na powierzchni B. Szerokość osadu w M jest określona przez szerokość szczeliny w powierzchni A. Aby zapobiec rozproszeniu cząsteczek srebra podczas zderzeń z cząsteczkami powietrza, cała instalacja pokryta jest korek, spod którego wypompowywane jest powietrze. Im węższa szczelina w powierzchni A, tym węższa powłoka w obszarze M i tym dokładniej można określić prędkość ruchu cząsteczek.

Sama definicja prędkości opiera się na następującej idei. Jeśli całą instalację wprawimy w obrót wokół osi O ze stałą prędkością kątową, to w czasie, w którym cząsteczka leci ze szczeliny na powierzchnię B, ta ostatnia będzie miała czas na obrót i osad przesunie się z obszaru M do obszar K. W konsekwencji czas lotu cząsteczki po promieniu i czas przemieszczenia punktu M powierzchni B o tę samą odległość. Ponieważ cząsteczka leci równomiernie

gdzie jest pożądaną prędkością, jest promieniem powierzchni cylindrycznej A. Ponieważ prędkość liniowa punktów na powierzchni B jest równa południu, czas można wyrazić innym wzorem:

Zatem,

Ponieważ podczas eksperymentu pozostają one stałe i są ustalane z góry, wówczas mierząc można znaleźć prędkość cząsteczki. W doświadczeniu Sterna okazało się, że jest to prędkość bliska 500 m/s.

Ponieważ osad w obszarze K wydaje się rozmyty, możemy stwierdzić, że cząsteczki srebra lecą na powierzchnię B z różnymi prędkościami. Średnie prędkości cząsteczek można wyrazić matematycznie za pomocą wzoru

Jako przykład zauważamy, że w temperaturze 0°C średnia prędkość cząsteczek wodoru wynosi 1840 m/s, a azotu 493 m/s. Zmiana grubości płytki w obszarze K daje wyobrażenie o rozmieszczeniu cząsteczek w zależności od prędkości ich ruchu. Okazuje się, że niewielka liczba cząsteczek ma prędkość kilkukrotnie większą niż prędkość średnia.

(Zastanów się, gdzie na rys. 3.2 pozostawiły ślad cząsteczek, których prędkości są większe od prędkości średniej i jak zmieni się położenie osadu, jeśli zwiększy się prąd w przewodzie O.)