Приборы и материалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема установки

Содержание

Введение

1. Физические основы измерений

2. Конструктивные особенности метода

3. Альтернативные способы измерения

Список используемой литературы

Введение

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ – раздел молекулярной физики, изучающий свойства вещества на основе представлений об их молекулярном строении и определенных законах взаимодействия между атомами (молекулами), из которых состоит вещество. Считается, что частицы вещества находятся в непрерывном, беспорядочном движении и это их движение воспринимается как тепло.

До 19 в. весьма популярной основой учения о тепле была теория теплорода или некоторой жидкой субстанции, перетекающей от одного тела к другому. Нагревание тел объяснялось увеличением, а охлаждение – уменьшением содержащегося внутри них теплорода. Понятие об атомах долго казалось ненужным для теории тепла, однако многие ученые уже тогда интуитивно связывали тепло с движением молекул. Так, в частности, думал русский ученый М.В.Ломоносов. Прошло немало времени, прежде чем молекулярно-кинетическая теория окончательно победила в сознании ученых и стала неотъемлемым достоянием физики.

Распределение молекул по скоростям. Для газа, находящегося в замкнутом сосуде, результатом многочисленных столкновений молекул между собой и со стенками сосуда, является достаточно быстрое установление универсального распределения молекул по скоростям, которое было теоретически получено Максвеллом в 1860. На уровне макроскопического описания газа максвелловскому распределению молекул по скоростям соответствует состояние теплового равновесия в газе: давление и температура во всех местах внутри сосуда оказываются одинаковыми.

Молекулы газа даже в равновесии движутся беспорядочно, сталкиваясь между собой и со стенкой сосуда, беспрерывно меняя свою скорость. Это означает, что в каждый момент времени в газе есть молекулы, которые имеют самые различные скорости. Вместе с тем, поскольку давление и температура в газе остаются постоянными, то, как бы не менялась скорость молекул, среднее значение ее квадрата остается постоянным. Это оказывается возможным лишь при наличии неизменного во времени и одинакового во всех частях сосуда распределения молекул по скоростям.

В 1920-х появилась реальная возможность экспериментальной проверки максвелловского закона распределения скоростей молекул. Первый прибор для этих целей, состоявший из двух коаксиальных цилиндров, был сконструирован немецким физиком Штерном. По оси прибора была натянута нагреваемая электрическим током платиновая нить, с поверхности которого испарялись атомы серебра. В условиях созданного внутри прибора вакуума узкий пучок этих атомов, движущихся в радиальном направлении, проходил через продольную щель на поверхности внутреннего цилиндра и оседал в виде узкой вертикальной полоски на поверхности внешнего цилиндра. Если привести весь прибор во вращение, то за время, пока атомы серебра пролетают зазор между цилиндрами, прибор успевает повернуться на некоторый угол и положение следа от пучка на внешнем цилиндре сместится относительно первоначального. Нетрудно установить связь этого смещения с величиной скорости в пучке молекул и угловой скоростью вращения прибора. Исследования профиля следа, который размывается из-за наличия распределения скоростей в пучке, позволило установить качественную картину этого распределения, которое примерно соответствовало максвелловскому.

Физические основы измерении

О. Штерн в 1920 г., воспользовавшись методом молекулярных пучков, изобретенным французским физиком Луи Дюнойе (1911 г.) измерил скорость газовых молекул и на опыте подтвердил полученное Д. Максвеллом распределение молекул газа по скоростям. (Результаты опыта Штерна подтвердили правильность оценки средней скорости атомов, которая вытекает из распределения Максвелла. О характере самого распределения этот опыт мог дать лишь весьма приближенные сведения.

Более точно закон распределения был проверен в опытах Ламмерта (1929 г.), в которых молекулярный пучок пропускался через два вращающихся диска с радиальными щелями, смещенными относительно друг друга на некоторый угол. Меняя скорость вращения прибора или угол между щелями, можно выделить из пучка молекулы, обладающими различными значениями скорости. Результаты опытов Ламмерта и других исследований, предпринимавшихся с той же целью, находятся в полном соответствии с теоретическим законом распределения скоростей молекул Максвелла.)

Приборы и материалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема установки

Для постановки опыта по измерению средней скорости движения молекул О. Штерн спроектировал специальную установку. Прибор состоял из двух жестко соединенных коаксиальных цилиндров с радиусами R и r (рис. 1-3). Во внутреннем цилиндре по оси была расположена платиновая нить А. Исследуемым газом в опыте служили разреженные пары серебра. Атомы получались при испарении слоя серебра, нанесённого на платиновую нить, нагревавшуюся электрическим током. Воздух в малом цилиндре был откачан, поэтому испарившиеся атомы серебра свободно разлетались от нити во все стороны.

Рисунок1. Схема устройства прибора О. Штерна для измерения средней скорости движении молекул

Рисунок 2 Схема устройства прибора О. Штерна для измерения средней скорости движения молекул (Интернет школа Просвещение.RU -http://www.internet-school.ru

Вдоль поверхности внутреннего цилиндра была вырезана узкая щель С. Рядом с щелью располагалась диафрагма, которая позволяла "вырезать" из потока атомов серебра тонкий пучок. Конструкция диафрагмы D обеспечивала одно и то же направление скорости всем атомам серебра, попадавшим далее в камеру большого цилиндра. Другими словами, диафрагма фильтровала атомы, движущиеся только в определенном направлении. В вакуумной камере большого цилиндра обеспечивалась высокая степень разреженности (порядка  Па.). Вероятность столкновений атомов серебра с молекулами воздуха была очень мала и, следовательно, была очень невелика вероятность какого-либо отклонения атомов серебра при их равномерном и прямолинейном движении (т.е. рассеяния пучка). На внутренней поверхности внешнего цилиндра помещалась съемная латунная пластинка В. Пластинка имела комнатную температуру. На этой пластинке в области E атомы серебра, охладившись, оседали в виде узкой серебренной полоски. Специальным устройством установка могла приводиться во вращение вокруг собственной оси с частотой 25-45 оборотов в секунду.

Рисунок 3 Схема установки О.Штерна (вид сверху). При покоящейся установке налет серебра образуется точно против щели C