§ 244. Об одном из способов измерения скоростей движения молекул газа (опыт Штерна)

Существуют разнообразные способы определения скоростей движения молекул. Одним из наиболее простых является способ, осуществленный в 1920г. в опыте Штерна.

Для понимания его рассмотрим следующую аналогию. Когда стреляют по движущейся мишени, то, чтобы попасть в нее, приходится целиться в точку, находящуюся впереди мишени. Если же взять прицел на мишень, то пули будут попадать сзади мишени (рис. 391). Это отклонение места попадания от цели будет тем больше, чем быстрее движется мишень и чем меньше скорость пуль.

Рис. 391. Если стрелять из ружья по движущейся мишени так, что ствол ружья направлен на мишень, то пули будут попадать сзади мишени

Рассмотрим еще такой опыт. На столике, который может вращаться, помещен высокий сосуд с водой (рис. 392). Из отверстия в сосуде бьет струя вода. Если столик не вращается, струн попадает в стакан, укрепленный на том же столике. Стоит, однако, начать вращать столик, как струя воды уже будет попадать не в стакан, а сзади него. Отставание струи будет тем больше, чем быстрее вращается столик и чем меньше скорость частиц в струе. Зная скорость вращения и измеряя отклонение струи, можно судить о скорости струи. Нечто аналогичное представляет опыт Штерна. Струе воды в нем соответствует поток молекул.

Рис. 392. При неподвижном столике струя воды из сосуда падает в стакан. При вращении столика струя воды падает сзади стакана

Устройство прибора Штерна схематически представлено на рис. 393. Прибор состоял из расположенного вертикально цилиндра, пространство внутри которого непрерывно откачивалось до очень низкого давления. По оси цилиндра располагалась платиновая нить , покрытая тонким слоем серебра. При пропускании по платиновой нити электрического тока она нагревалась до температуры плавления серебра. Серебро начинало испаряться и его атомы летели к внутренней поверхности цилиндра прямолинейно и равномерно со скоростью , отвечающей температуре платиновой нити. Щель  выделяла узкий пучок молекул (нить  и щель  выполняли роль ружья в рассмотренном выше примере). Стенка цилиндра специально охлаждалась, чтобы попадающие на нее молекулы «прилипали» к ней, образуя налет серебра. Сначала прибор покоился и по образующей  цилиндра получался налет серебра в виде узкой вертикальной полоски. Затем весь прибор приводился в быстрое вращение. Тогда, хотя прицел «молекулярного ружья»  был взят в ту же точку , но цель двигалась и «пули» (молекулы) попадали уже не в точку , а в точку . лежащую позади нее. При вращении прибора налет серебра получался вдоль образующей .

Рис. 393. Схема прибора Штерна для определения скорости молекул паров металла. Если прибор вращается по часовой стрелке, то налет серебра получается в точке

Вычислим длину  дуги . Она равна пути, проходимому точками цилиндра за время  полета молекулы от щели  до цилиндра, т. е. , где  — скорость движения точек цилиндра. С другой стороны, если обозначить скорость молекул через , а расстояние  через , то , так что , или

.

Величина  измеряется по расстоянию между налетами металла при покоящемся и вращающемся цилиндре, скорость точек поверхности цилиндра  и расстояние  тоже могут быть измерены. Тогда, пользуясь последней формулой, можно найти скорость молекул. Таким образом были измерены скорости молекул паров некоторых металлов.

244.1. В опытах Штерна налет серебра на поверхности покоящегося прибора получается в виде узкой полоски, а на поверхности вращающегося прибора — несколько размытым. На что это указывает?