40. Вимірювання швидкостей молекул

Оскільки явища молекулярної фізики залежать від швидкості руху молекул, то дуже важливо було визначити швидкість руху молекул.

Рис 41.1

П ерші дослідження з визначення швидкості молекул провів німецький фізик-експериментатор О. Штерн у 1920 році. Схему установки, на якій проводилось вимірювання швидкостей молекул, зображено на рис.41.1 Металеву дротину (платинову), покриту тонким шаром матеріалу (срібло, кадмій, цезій), швидкість молекул якого визначали, поміщали на осі двох коаксіальних циліндрів А і В, з яких викачували повітря. Дротину розгрівали електричним струмом і за певної температури молекули речовини, якою покривали дротину, випаровувались. Наприклад, срібло випаровувалось за температури близько 1300⁰ С.

Молекули, що покидали поверхню дротини, розлітались у різні сторони. У циліндрі А було зроблено вузьку щілину, паралельну осі дротини. Через цю щілину молекули срібла вилітали в циліндр В, у якому за допомогою системи діафрагм утворювався потік молекул, напрямлений вздовж радіуса циліндра. Молекули, що пройшли через щілини і систему діафрагм, осідали на внутрішній стінці циліндра В, утворюючи смужку з досить різкими краями.

Рис 41.2

Я кщо циліндри будуть обертатись з кутовою швидкістю ω, то за проміжок часу t, поки молекула пролетить відстань від внутрішнього циліндра до зовнішнього R - r, де R – радіус зовнішнього циліндра, r – радіус внутрішнього циліндра, циліндри повернуться на деякий кут φ і молекула попаде не в ту точку, у яку вона попала б, якби циліндри були нерухомі, а зміститься на деяку відстань довжиною а.

Знаючи кутову швидкість обертання циліндрів та їх радіуси, можна визначити швидкість u молекули:

,

де a – довжина дуги, на яку змістилася точка попадання молекули. Таким чином, вперше було експериментально визначено швидкість руху молекул. Виявилось, що середня швидкість атомів срібла за температури досліду (1300⁰ С) становила 650 м/с.

Якби всі молекули рухались з однаковими швидкостями, то товщина плівки срібла, що утворилась під час досліду на внутрішній стінці посудини, була би в усіх точках однаковою. Дослід показує, що плівка розмита по краях і має більшу товщину посередині, ніж по краях. Це говорить про те, що за однієї і тієї ж температури різні молекули однієї і тієї ж речовини рухаються з різними швидкостями. Із дослідів Штерна можна знайти розподіл молекул за швидкостями. Для цього потрібно виміряти товщину шару молекул, які осіли на стінці циліндра в різних точках, що лежать на одній дузі радіуса R. Товщина шару пропорційна кількості молекул, що осіли в даній точці і рухаються з швидкість u. Таким методом було вперше знайдено розподіл молекул за швидкостями. Цей метод не дає великої точності, тому експериментальне вивчення розподілу молекул за швидкостями проводиться іншими методами, зокрема за допомогою досліду Ельдріджа.

На рис. 41.2 зображена крива, отримана із дослідів Ельдріджа. Вздовж осі ординат відкладено товщину шару молекул, що осіли на екрані (товщина шару пропорційна кількості молекул, що осіли в даній точці); на осі абсцис відкладені швидкості руху молекул. Отримана крива виражає дуже важливий закон розподілу молекул за швидкостями, отриманий теоретичним шляхом Максвеллом. Вона називається кривою розподілу Максвелла.