Тема 4. Молекулярна фізика

1. Досліди Штерна

В перше значення швидкостей молекул газу експериментально визначив у 1920 році німецький вчений Отто Штерн. Отже розглянемо дослід Штерна, а саме: дослідну установку; проведення дослідів; результати дослідів; висновки з дослідів.

Швидкість молекул визначають наступним чином: в циліндрі 1 з вертикальною щілиною 2, з якого видалено повітря, знаходиться вольфрамова (платинова) нитка розжарювання, покрита, наприклад, сріблом. Циліндр 1 знаходиться в циліндрі 3, з якого також відкачали повітря. Якщо через вольфрамову нитку пропустити струм, то при її нагріванні срібло буде випаровуватися, причому частина молекул срібла буде проходити через щілину 2 циліндра 1 та потрапляти на внутрішню стінку циліндра 3, утворюючи при цьому наліт з металу. Якщо цю установку привести в рухомий стан, то можна помітити зміщення місця нальоту метала у бік, протилежний обертанню. Це пояснюється тим, що поки молекули рухались від циліндра 1 до точки М на внутрішній стіні циліндра 3, положення точки М змістилося на відрізок МL. Якщо обидва циліндри рівномірно оберталися з кутовою швидкістю , то протягом часу , за який атоми срібла пролітали відстань від щілини до стінки зовнішнього циліндра, останній встигав повернутися на кут , і атоми потрапляли в інше місце. Коли б усі атоми рухалися з однаковою швидкістю , зображення щілини зміщувалося б, не змінюючи своєї форми, на деяку відстань , вимірявши яку можна обчислити швидкість атомів. Зміщення зображення щілини , а час , тоді , звідки

Знаючи місто від щілини до точки М та відстань зміщення МL, число обертів установки і радіус зовнішнього циліндру, можна обчислити швидкість молекул. Цей дослід має назву дослід Штерна. Чим більша швидкість молекул срібла, тим на більшу відстань вони зміщуються. При проведенні досліду при різних температурах, з’ясувалося, що при збільшенні температури швидкість молекул збільшується, при зменшенні температури – зменшується. Чим пояснити те, що швидкість дифузії дуже мала порівняно з швидкістю руху атомів? Значення середніх швидкостей молекул деяких газів (в м/с) при температурі 0ºС і нормальному атмосферному тискові: азот – 454 м/с, водень – 1693 м/с, вуглекислий газ – 362 м/с, гелій – 1200м/с, кисень – 425 м/с, пара води – 566 м/с. Тобто атоми і молекули твердого тіла внаслідок нагрівання набувають такої рухливості, що вже можуть, як у рідинах, стрибкоподібно пересуватися. У кристалічних тілах (наприклад, металах) це відбувається за певної температури, яку називають температурою плавлення. Так, температура плавлення алюмінію дорівнює 660 °С, заліза -- 1535 °С, вольфраму -- 3387 °С.

2. Вирощування кристалів

Для отримання кристаліч­ного зародка необхідно врахо­вувати різноманітні форми, об­межені площинами. Бо саме під час утворення зародка ок­ремі складові елементи розмі­щуються на різних поверхнях або в різних місцях однієї по­верхні, які можуть бути доско­налими чи мати тріщини. Крім того, існує ймовірність, що ок­ремі складові елементи на зов­нішній поверхні можуть змі­щуватися. Процес утворення кристалічного зародка досить складний. Математичний роз­рахунок цього процесу вико­нали І. Странський і Р. Каї­шев (1934).

« Зародки кристалізації мож­на отримати і в розплавленій речовині охолодженням, змі­ною тиску і температури, дією магнітного і електричного по­лів, у-променів і ультразвуку, і Перші експериментальні до­слідження розплавлених орга­нічних речовин були проведе­ні Г. Тамманном і його спів­робітниками (Т922).

Утворення зародка в твер­дому стані можливе у структурних переходах, які виявля­ються за певних температур у багатьох кристалах, під час ві­докремлення тих чи інших ком­понент, у мішаних кристалах з обмеженою межею розчин­ності і, нарешті, в рекристалі­зації з пластичне деформова­них полікристалічних металів. Початок згаданих процесів і є початком утворення зародка і врешті-решт самого кристала.

Під час вирощування крис­тала на його ріст можуть впли­вати різні чинники. Це, зок­рема, температура, тиск, од­норідність розчину (розплаву, пари), наявність домішок, електричні й магнітні поля та багато інших чинників. Тому кристали однієї й тієї самої ре­човини можуть бути різними.

Наприклад, щоб виростити кристал з газоподібної фа­зи, треба щоб різниця темпе­ратур між кристалом і парою була незначною. За сталої тем­ператури і переохолодження вирощують монокристали, які утворюються з пари зі швид­кістю росту 2 мм/год. Ступінь переохолодження впливає на форму кристала .

Прозорі кристали алюмо­калієвого галуну можна ви­ростити з водного розчину за кілька годин. Розчинимо у 400 г гарячої води 60 г подрібненого у порошок білого алюмокаліє­вого галуну. Відфільтровуємо розчин гаря­чим, дайємо ос­тигнути і вне­сіть у розчин кілька пороши­нок галуну — так звану за-травку. Потра­пивши в пере­насичений роз­чин, порошин­ки галуну не­гайно почнуть рости. Так са­мо можна ви­ростити один великий кристал. Для цього ще в теплий розчин треба по­класти або підвісити на нитці невеликий кристалик — за-травку. Спочатку він трохи роз­чиниться, а потім почне рости.

Якщо в посудину з розчи­ном опустити який-небудь предмет, на якому перебуває багато затравок, він весь об­росте кристаликами.