Опыт Штерна
Опыт
Штерна явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям. Впервые проведён немецким физиком Отто Штерном в 1920 году.
А что бы вы предложили на месте Штерна для измерения скорости движения молекулы? (Ответы на вопросы, которые мы вам задаем, очень просты, стоит только немного подумать. Поэтому не торопитесь заглянуть в подсказки, если хотите достичь максимальной пользы от нашего материала.) Теперь кликните:
ПОДСКАЗКА.
Скорость - это расстояние деленное на время: v = l/t. Надо взять молекулу, убрать все препятствия на ее пути (молекулы ужасно любят сталкиваться друг с другом), заставив двигаться ее по прямой. Измерить пройденное ей расстояние и затраченное на это время, и значение скорости у нас в кармане. См. анимацию справа в окне, кликнув кнопку "ПУСК". Черная точка - наша молекула.
Это теория, а на практике? Как, например убрать все препятствия? Вы бы что предложили? ПОДСКАЗКА.
Убрать все препятствия для молекулы просто. Надо поместить установку в вакуум. Кликните снова "ПУСК". Если у молекулы не будет соблазна столкнуться с другими, то она будет двигаться по прямой в соответствии с I законом Ньютона: "...если на тело не действуют другие тела, то..."
Но тут другой вопрос. А как мы сможем увидеть, что молекула стартовала и прошла заданное нами расстояние? Молекула так мала, что ее не увидеть ни в какой микроскоп. А вы бы что предложили? ПОДСКАЗКА.
Если одну молекулу никак не возможно увидеть, то... Правильно, надо взять много молекул, очень много. Так много, чтобы их было видно.
Кликните "ПУСК", и наблюдайте движение молекул. Понятно, у нас все движения замедлены очень сильно, чтобы можно было все разглядеть неторопясь.
А как измерить время полета этих молекул, чтобы узнать их скорость? Какими часами? ПОДСКАЗКА.
Взять секундомер со стрелочкой, только стрелка должна бежать в 100 000 раз быстрее, чем в обычном секундомере. Нам удобнее взять в качестве стрелки сами молекулы, а двигать будем циферблат. На стенке вакуумного цилиндра сделаем отметку (у нас - маленький треугольничек). Выберем для нашей условной стрелки молекулы, летящие в сторону нашей метки. А остальные, чтобы не мешали, прикроем малым цилиндром со щелью как раз напротив метки. И будем цилиндры вращать с огромной скоростью.
Тогда молекулы, пролетающие через щель будут попадать в стенку большого цилиндра с некоторым смещением s от нее. Это смещение и есть наше время пролета молекулы от щели до стенки большого цилиндра. Как в секундомере. Только вращается у нас шкала с меткой, а не стрелка. Чтобы увидеть это (в замедленном темпе) надо кликнуть "ПУСК". Расстояние от метки до молекулы, отрадуированное в микросекундах и есть наше время для подсчета скорости молекулы.
ТЕОРИЯ ВОПРОСА.
Штерн предложил прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала, и на этой оси располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров поддерживался вакуум. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра (1500°С), из-за чего молекулы серебра начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейно со скоростью
v. Ее величину и будем определять.
Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую молекулы могли беспрепятственно пролетать далее. На внутренней (холодной) поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щели малого цилиндра.
Всю систему начинают вращать с некой достаточно большой угловой скоростью
ω = u/R2. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположную направлению вращения, по сравнению с предыдущим опытом. Наши молекулы теперь участвуют в двух движениях одновременно!
С одной стороны они движутся от щели до стенки большого цилиндра, проходя расстояние
l = R2 - R1 за время
t.
С другой стороны пока летит молекула стенка смещается за то же время
t на расстояние
s.
Или:
t = s/u = l/v, тогда
v = ul/s = ωR2(R2 - R1)/s, где
s — смещение полосы,
l — расстояние между цилиндрами,
u — линейная скорость движения точек внешнего цилиндра,
R1 - радиус малого цилиндра,
R2 - радиус большого цилиндра. (Разберитесь с каждым шагом вывода этой формулы). В нижней части анимации вы можете увидеть, как меняется вид серебряного напыления в результате вращения установки.
Все, что нужно, здесь легко измерить на опыте. Штерн получил, что скорость молекул серебра при температуре 1500°С:
v = 500 м/с. Совпадение измеренной на опыте скорости молекул с теоретическим предсказанием МКТ стало блестащим подтверждением ее правильности. Штерн за эти опыты получил Нобелевскую премию.
Чтобы составить себе более полное представление об опыте Штерна можете посмотреть
видео "Опыт Штерна" (3 мин 23 сек).
Ответьте на вопросы для полного и прочного усвоения темы.