Опитът на Стърн - експериментално потвърждение на теорията

Разбирането, че основата на структурата на всяка субстанция е съществуването на най-малките частици - атоми и молекули, които са в непрекъснато движение и активно взаимодействие помежду си - възниква през XIX век. Физика Рудолф Клаузиус, Лудвиг Болцман и особено Джеймс Максуел участваха в развитието на молекулярно-кинетичната теория на хартия. Скоро последва и потвърди практическото й изследване. Най-важният от тях е опитът на Стърн, проведен през 1920 година.

Genius експеримент

В биографията на Нобеловия лауреат по физика (1943) Ото Стърн (1888-1969) има период, в който той успешно се занимава с теоретично развитие на проблемите на термодинамиката, основани на постулатите на квантовата механика. Ръководител на неговата научна работа по едно и също време беше Алберт Айнщайн. Истинското уважение от страна на научната общност му донесе работата на експерименталния физик. Той разработва уникални устройства, емпирично потвърждаващи и развиващи теоретични изчисления.

В допълнение към класическия експеримент за измерване на скоростта на топлинно движение на частиците е известен опитът на Щерн-Герлах, в резултат на което е доказано съществуването на спин - ъгловия момент на атомно ядро ​​или атом. Този експеримент, проведен през 1922 г. заедно с Валтер Герлах (1889-1979), е най-важното доказателство за основните принципи на квантовата теория.

Описание на устройството

Експериментът от 1920 г., резултатът от който е доказателство за разпределението на скоростите на топлинното движение на молекули, е извършен с помощта на технически проста настройка. Устройството се основава на два коаксиални (коаксиални) цилиндъра с различен диаметър, вътре в които се създава зона на ниско налягане чрез изпомпване на въздух. Платинена тел с тънко сребърно покритие се намира на обща ос. Когато електрическият ток е свързан към краищата на проводника, жицата се нагрява до температура над точката на топене на среброто. Има изпаряване на метални атоми, които започват праволинейни равномерно движение към вътрешната повърхност на малък цилиндър.

В малък цилиндър се изрязва тясна междина, през която металните атоми проникват в голямото. Външният външен цилиндър има стайна температура, което осигурява бързо охлаждане на нагретите метални частици. Ако цилиндрите не се въртят, атомите се прилепват към екрана и се поставят пред слота под формата на гладка сребриста ивица. Опитът на Стърн беше следният: когато и двата цилиндъра започнаха да се въртят с определено ъгловата скорост образува се замъглена лента от плака, изместена в посока, обратна на посоката на въртене.

Измерване на молекулярно движение

Основният показател, който направи опит на Стърн видим, е скоростта на молекулите V. Установено е, че средна скорост от които сребърните атоми се движат по време на изпаряване, когато спиралата се загрява до 1200 ° С - от 560 до 650 m / s.

За да я измери, Стърн получи всички необходими данни:

• S - отместване на сребърната ивица по време на въртене от позицията, която заема в състояние на покой;

• L - път, пренасян от атоми (разстоянието между вътрешните повърхности на цилиндрите);

• U е скоростта на движещите се точки по повърхността на външния цилиндър;

• t е времето за преминаване на атомите.

Резултатът, експериментално получен от германския физик - V = S / U = L / V = ​​UL / S - съвпадна със стойностите, получени в резултат на разглеждане на молекулярната кинетична теория. Средната скорост на движението на молекулите на среброто, определена теоретично, е равна на 584 m / s. Това е доказателство за валидността на постулатите, формулирани от нейните основатели, видно място сред които е Джеймс Максуел.

Закон за разпространението на Максуел

Накратко, опитът на Стърн може да се определи като визуализация на разпределението на скоростта на топлинно движение на атоми и молекули. Когато среброто се отлага върху стените на външния цилиндър, когато системата е в покой, се получава лента с достатъчно остри ръбове. Когато цилиндрите се завъртяха, изчезнаха размазани.

Причината за това е разликата в скоростта на движение на атомите, емитирани, когато сребърното покритие на проводника се изпарява. По-бързи частици се отлагат с по-малко изместване от процепа в малкия цилиндър, а тези, които се движат по-бавно, успяват да преодолеят по-голямо разстояние. Съотношението на скоростите е в съотношението, предсказано от изчисленията на Максуел. Получената крива на напречното сечение на отлагането съвпада по форма с графичния израз на формулите, които са послужили за основа на молекулярно-кинетичната теория.

Теория доказана практика

Особено ясно показва огромното значение, което има експерименталната физика, опитът на Стърн. Способността да се намери начин да се докаже коректността на теоретичните догми е особено ценна, когато предмети, които са неразличими с просто око, са предмет на научни изследвания.

Последващата история на науката, когато физиката навлезе във фазата на научните изследвания атомни структури в периода на търсене на елементарни частици го доказа. Един от пионерите на новата тенденция е немски физик, брилянтен експериментатор Ото Стърн.