Sternove izkušnje - eksperimentalna potrditev teorije

Razumevanje, da je osnova strukture katerekoli snovi obstoj najmanjših delcev - atomov in molekul, ki so v stalnem gibanju in medsebojno dejavno medsebojno - so se pojavile v XIX. Stoletju. Fizika Rudolf Clausius, Ludwig Boltzmann in zlasti James Maxwell so sodelovali pri razvoju molekularno-kinetične teorije na papirju. Kmalu je sledila in potrdila njene praktične raziskave. Najpomembnejša je Sternova izkušnja, izvedena leta 1920.

Genius eksperiment

V biografiji Nobelovega nagrajenca za fiziko (1943) Otta Sterna (1888-1969) je obdobje, ko se je uspešno ukvarjal s teoretičnim razvojem problemov termodinamike na podlagi postulatov kvantne mehanike. Vodja njegovega znanstvenega dela je bil nekoč Albert Einstein. Resnično spoštovanje znanstvene skupnosti mu je prineslo delo eksperimentalnega fizika. Razvil je edinstvene naprave, empirično potrdil in razvil teoretične izračune.

Poleg klasičnega eksperimenta za merjenje hitrosti toplotnega gibanja delcev je znana tudi izkušnja Stern-Gerlacha, zaradi česar je bil dokazan obstoj spin-a - kotnega momenta atomskega jedra ali atoma. Ta eksperiment, izveden leta 1922 skupaj z Walterjem Gerlachom (1889-1979), je bil najpomembnejši dokaz osnovnih načel kvantne teorije.

Opis naprave

Poskus iz leta 1920, katerega rezultat je bil dokaz porazdelitve hitrosti toplotnega gibanja molekul, je bil izveden s tehnično preprosto nastavitvijo. Naprava je temeljila na dveh koaksialnih (koaksialnih) cilindrih različnih premerov, znotraj katerih je bilo s črpanjem zraka ustvarjeno območje nizkega tlaka. Platinasta žica s tanko srebrno prevleko se nahaja na skupni osi. Ko je električni tok priključen na konce vodnika, se žica segreje na temperaturo nad tališčem srebra. Obstaja izhlapevanje kovinskih atomov, ki se začnejo pravokotno enakomerno gibanje na notranjo površino majhnega valja.

V majhnem jeklenku se ozka vrzel prereže skozi katere kovinski atomi prodrejo v veliko. Zunanja, zunanja jeklenka ima sobno temperaturo, ki omogoča hitro ohlajanje ogrevanih kovinskih delcev. Če se valji ne vrtijo, se atomi "pritrdijo" na zaslon in se usedejo pred režo v obliki gladkega posrebrenega traku. Sternove izkušnje so bile naslednje: ko sta se oba valja začela vrteti z določeno kotna hitrost nastal je zamegljen trak plaka, premaknjen v smeri, nasprotni smeri vrtenja.

Molekularna meritev gibanja

Glavni pokazatelj, ki je Sternovo izkušnjo opazil, je hitrost molekul V. Ugotovljeno je bilo, da povprečna hitrost od katerih se atomi srebra med izhlapevanjem gibljejo, ko se vijačnica segreje na 1200 ° C, je od 560 do 650 m / s.

Za merjenje je Stern prejel vse potrebne podatke:

• S - odmik srebrnega traku med rotacijo iz položaja, ki ga je imel v stanju mirovanja;

• L - pot, ki jo prenašajo atomi (razdalja med notranjostjo valjev);

• U je hitrost gibljivih točk na površini zunanjega cilindra;

• t je tranzitni čas atomov.

Rezultat, eksperimentalno pridobljen z nemškim fizikom - V = S / U = L / V = ​​UL / S - sovpada z vrednostmi, dobljenimi kot rezultat upoštevanja molekularne kinetične teorije. Teoretično določena povprečna hitrost gibanja molekul srebra je bila 584 m / s. To je bil dokaz veljavnosti postulatov, ki so jih oblikovali njeni ustanovitelji, med katerimi je vidno mesto James Maxwell.

Maxwellov zakon o distribuciji

Na kratko, Sternovo izkušnjo lahko opredelimo kot vizualizacijo porazdelitve hitrosti toplotnega gibanja atomov in molekul. Ko se je na stene zunanjega cilindra odložilo srebro, ko je sistem miroval, smo dobili trak z dovolj ostrimi robovi. Ko so se valji obrnili, je izginilo.

Razlog za to je razlika v hitrosti gibanja atomov, ki se oddajajo, ko srebrna prevleka žice izhlapi. Hitrejši delci so bili odloženi z manjšim premikom iz reže v majhnem valju, tisti, ki so se gibali počasneje, pa so premagali večjo razdaljo. Razmerje med hitrostmi je v okviru razmerja, ki ga predvidevajo Maxwellovi izračuni. Dobljena krivulja preseka odlaganja sovpada po obliki z grafičnim izrazom formul, ki so bile osnova molekularno-kinetične teorije.

Teorija dokazane prakse

Posebej jasno je, da ima eksperimentalna fizika velik pomen. Sposobnost, da se najde način za dokazovanje pravilnosti teoretičnih načel, je še posebej dragocena, kadar so predmeti, ki jih ni mogoče razločiti s prostim očesom, predmet znanstvenega raziskovanja.

Naknadna zgodovina znanosti, ko je fizika vstopila v fazo raziskav atomske strukture v obdobju iskanja elementarnih delcev je to dokazalo. Eden od pionirjev novega trenda je bil nemški fizik, briljanten eksperimentator Otto Stern.