Характерні швидкості газових молекул та їх вимірювання. Дослід Штерна.

Швидкість руху молекул газу. Прирівнюючи формули для середньої кінетичної енергії поступального руху молекул газу можна отримати вираз для середньої квадратичної швидкості руху молекул.

З формул і отримуємо .

Обчисливши за цією формулу середню квадратичну швидкість, наприклад, молекул азоту при t = 0 °С, отримуємо значення 500 м/с. Молекули водню при t = 0 °С мають швидкість 1800 м/с.

Коли вперше дістали ці числа (друга половина XIX ст.), то це приголомшило багатьох фізиків, і вони висловили сумніви щодо правильності молекулярно-кінетичної теорії. Адже відомо, що пахощі поширюються досить повільно: потрібні десятки секунд, щоб пахощі парфумів, розлитих в одному кутку кімнати, досяг іншого кутка. Наразі ви можете це легко пояснити великою кількістю зіткнень між молекулами.

Дослід Штерна. Вперше швидкість теплового руху атомів експериментально визначив у 1920 році німецький вчений-фізик О. Штерн (1888 - 1969). Він користувався приладом, схему якого зображено на мал. 24, а.

Уздовж осі двох жорстко з’єднаних циліндрів (А і В) різних діаметрів зі спільною віссю розміщувався платиновий дріт, покритий шаром срібла. Внутрішній циліндр (А) мав щілину. Дріт нагрівався під час пропускання електричного струму через нього і при t = 1300 °С срібло з його поверхні випаровувалось. У такий спосіб у камері циліндрів, повітря з якої заздалегідь відкачувалося до тиску 1,3·10^-4 Па, утворювався газ із атомів Аргентуму. У результаті на зовнішньому циліндрі (В) навпроти щілини утворювався срібний наліт. Його положення на мал. 24, а, б визначається областю L.

Потім циліндри обертали із частотою ω. За час t, потрібний атомам для проходження відстані, що дорівнює різниці радіусів циліндрів (R – r), циліндри поверталися на деякий кут. Через це атоми, що рухалися зі сталою швидкістю, потрапляли на внутрішню поверхню великого циліндра (В) не проти щілини, а на певній відстані, у область М (мал. 24, а,б).

Зміщення нальоту пояснюється тим, що за час t, поки атоми срібла із швидкістю пролітають відстань (R – r), зовнішній циліндр встигає повернутись на кут . Відповідно, кожна точка поверхні зовнішнього циліндра зміщується на відстань , де - радіус зовнішнього циліндра, - лінійна швидкість руху точок на його поверхні. Це призводить до зміщення точок осідання атомів срібла.

Оскільки наліт в області М розмивається, то це підтверджує те, що не всі атоми мають однакову швидкість. Тому для подальших розрахунків використовують середнє значення швидкості .

Таким чином час t, поки атоми срібла із швидкістю пролітають відстань (R – r), можна визначити так: .

Звідки .

Знаючи радіуси циліндрів R та r, кутову швидкість їх обертання ω та вимірявши відстань () між областями L і М (між точками найбільшого скупчення атомів) можна визначити швидкість руху молекул.

У досліді О.Штерна було встановлено, що середня швидкість руху атомів срібла дорівнює 650 м/с.

Цей фундаментальний дослід є експериментальним доказом існування атомів речовини і правильності молекулярно-кінетичної теорії в цілому.

Дата добавления: 2015-11-14