Методи експериментального визначення швидкостей молекул
Такий дослід і справді провід О. Штерн, але досягнута точність вимірювань була недосить високою. Тому Штерн І Ламберт (у 1926 і 1929 рр.) використали дещо інший метод експериментальної перевірки закону розподілу молекул за швидкостями, який тех. Ґрунтувався на використанні методу молекулярних пучків.
Розглянемо суть досліду Ламберта, який дав найбільш точні результати. Джерелом пучка атомів у цьому досліді є ртуть, яка випаровується в печі А. При проходженні атомів через щілини S1 і S2 виділяється вузенький пучок атомів, який потім потрапляє на радіальний проріз першого обертового диска D1, подібного до зубчастого колеса. На тій же осі на відстані в 6 см від першого диска укріплено другий диск D2, в якому теж є прорізи по радіусу, але вони зміщені на 2о відносно прорізів першого диска. За диском D2 є третя щілина S3, аза нею - скляна пластинка Р, яка охолоджується рідким азотом (щоб атоми ртуті осідали на ній). За пластикою можна вести спостереження в мікроспор. Вся система (за винятком мікроскопа) знаходиться у високому вакуумі.
Цілком зрозуміло, що коли диски не обертаються, то пучок атомів ртуті не може потрапити на пластинку Р. Якщо ж вони обертаються, то при певному співвідношенні між швидкістю обертання і швидкостями молекул у пучку вони потрапляють на пластинку, і за допомогою мікроскопа на ній можна спостерігати наліт атомів ртуті. Легко зрозуміти, що з числа молекул, які пролетіли через щілину в першому диску, через другий диск пролетять лише ті, які підлетять до нього в той момент, коли на шляху пучка стане проріз у другому диску. Більш швидкі молекули досягнуть другого диска надто рано, а повільніші - надто пізно для того, щоб пройти через щілину. Таким чином, цей пристрій дає можливість виділити з пучка молекули, які мають певне значення швидкості (оскільки щілина має конечну ширину, то прилад виділяє молекули, швидкості яких лежать у межах певного інтервалу ). Середня швидкість виділених приладом молекул може бути знайдена з умови, що час t1, за який молекули пролітають відстань l між дисками , повинен збігатися з часом t2, за який диски повернуться на - кут зміщення прорізів у дисках . Прирівнявши ці два проміжки часу, дістанемо
Змінюючи швидкість обертання приладу (або кут між прорізати у диску ), можна виділяти з пучка молекули, які мають різні швидкості. Спостерігаючи осідання цих молекул на пластинці певний час, можна визначити їх відносну кількість у пучку.
Зупинімося на цьому детальніше. Коли б усі атоми ртуті мали однакові швидкості, тобто не існувало ніякого розподілу атомів за швидкостями, то видимий наліт атомів ртуті на скляній пластинці утворювався б за мінімальні проміжки часу, оскільки пучок, який пройшов через щілину S3, містив би всі атоми, виділені щілинами S1 і S2, якщо швидкості обертання дисків підібрані так, що перший, другий, третій і т.д. прорізи в диску D2 припадають проти щілини S3 у момент надходження туди атомів.
Оскільки ж атоми ртуті різні швидкості, то поява на пластинці Р дуже швидких атомів реєструється при певній досить великій швидкості обертання дисків. У міру зменшення швидкості обертання через систему щілин і прорізів проходять і осідають на латинці Р все повільніші групи атомів. Чим більше атомів находиться в групі даного інтервалу швидкостей, тим менше часу потрібно для утворення на пластинці видимого нальоту ртуті.
В дослідах Ламберта диски мали по 50 прорізів, а швидкість їх обертання змінювалась від 12,1 до 40 об/сек. Це давало можливість виділяти ряд груп атомів ртуті, швидкості яких перебували в інтервалах в 50 м/сек.. Результати дослідів Ламберта і ряду інших вчених, проведених з тією ж метою, повністю підтвердили максвеллівський закон розподілу молекул за швидкостями.
Читачів не повинна бентежити та обставина, що сліди Штарна і Ламберта виконувалися із сріблом або ртуттю, а, скажімо, не з азотом чи киснем, адже срібло чи ртуть у стані газу нічим не гірші за інші гази.
На закінчення одне зауваження. Справа в тому, що розподіл молекул за швидкостями в молекулярному пучку, що пройшов через отвір у посудині, дещо відрізняється від розподілу, який має місце в закритій посудині. Оскільки більш швидких молекул проходить через отвір відносно більша кількість, ніж повільних, то пучок є багатшим на більш швидкі молекули. Тому вид функції розподілу трохи змінюється, проте як саме, ми розглядати не будемо.
Використана література:
С.У.Гончаренко. Фізика для допитливих. - К., 1973.