3. Швидкість молекул газу. Дослід Штерна.

Підставивши у формулу (3.1.8) вираз середньої кінетичної енергії, отримаємо, що середній квадрат швидкості молекул прямо пропорційний абсолютній температурі: . Квадратний корінь із середнього квадрата швидкості називають середньоквадратичною швидкістю, яку обчислюють за формулою:

Замість m₀ підставимо у (3.1.11) вираз :

Середньоквадратична швидкість є характеристикою хаотичного невпорядкованого руху молекул. Середньоквадратична швидкість, розрахована за формулою (3.1.12) для молекул азоту при t = 0 °С, наближено дорівнює 500 м/с, а для молекул водню - 1800 м/с.

Уперше швидкість теплового руху атомів експериментально визначив німецький вчений-фізик О. Штерн 1920 року. Він користувався приладом, схему якого зображено на рис.3.1.12. Уздовж осі двох циліндрів різних діаметрів зі спільною віссю розміщено платиновий дріт С, покритий шаром срібла. Внутрішній циліндр 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 срібла. У результаті на зовнішньому циліндрі супроти щілини утворювалась срібна смужка. Її положення на рис.3.1.12 відповідає точці Д.

Потім циліндри обертали із частотою n. За час t, потрібний атому для проходження шляху, що дорівнює різниці радіусів циліндрів R_B - R_A, циліндри поверталися на деякий кут φ. Через це атоми, що рухалися зі сталою швидкістю, потрапляли на внутрішню поверхню великого циліндра не проти щілини О (рис.3.1.12), а на певній відстані S від кінця радіуса, що проходить через середину щілини до точки Д'. Адже атоми рухаються прямолінійно. Якщо через позначити модуль швидкості обертання точок поверхні зовнішнього циліндра, то S =  t = 2πnR_Bt.                            (3.1.13)

Насправді, не всі атоми срібла мають однакову швидкість. Тому відстань S для різних атомів буде різною. Під S треба розуміти відстань між ділянками на смужках Д і Д' з найбільшою концентрацією атомів срібла. Цій відстані відповідатиме середня швидкість атомів. Середня швидкість атома

Підставивши у формулу (3.1.14) значення з виразу (6), дістанемо

Модулі швидкостей, визначені з досліду, збігаються з теоретичними значеннями середньої квадратичної швидкості.

Цей дослід є експериментальним доказом існування атомів речовини і правильності теорії в цілому.

Запитання для самоперевірки

1. Які параметри характеризують стан макроскопічних тіл?

2. Які ознаки стану теплової рівноваги ви знаєте?

3. Наведіть приклади теплової рівноваги тіл, що оточують вас у повсякденному житті.

4. Якою фізичною величиною характеризується стан теплової рівноваги?

5. Що таке температура і що вона характеризує?

6. Яка залежність об'єму рідин і газів від зміни температури?

7. Яка будова і дія рідинного та газового термометрів?

8. Як пов'язані об'єм, тиск і кількість молекул різних газів у стані теплової рівноваги?

9. Який фізичний зміст постійної Больцмана? Чому вона дорівнює?

10. Що називають абсолютним нулем температури? Який фізичний зміст цього поняття з погляду МКТ?

11. Чому дорівнює тиск ідеального газу на стінки посудини при абсолютному нулі температури?

12. Поясніть принцип побудови температурних шкал Цельсія і Кельвіна. Установіть формули, що виражають співвідношення між значеннями температури, вимірюваної за шкалами Цельсія і Кельвіна.

13. Запишіть формулу, що показує, як залежить від температури середня кінетична енергія поступального руху молекул.

14. Запишіть і поясніть формулу, що показує залежність тиску газу від його температури і концентрації молекул.

15. Напишіть значення температури і тиску газу за нормальних умов.

16. Виведіть формулу середньої квадратичної швидкості руху молекул газу.

17. Як зміниться середня квадратична швидкість руху молекул газу зі збільшенням температури в два рази?

18. Які молекули в атмосфері Землі рухаються швидше: молекули азоту чи молекули кисню?

19. Побудуйте схему досліду Штерна і поясніть його сутність. Запишіть формулу, за якою визначають середню швидкість руху атомів речовини в досліді Штерна.