Sterno iskustvo - eksperimentalna potvrda

Razumijevanje da je osnova strukture bilo koje supstance postojanje najmanjih čestica - atoma i molekula koje su u stalnom pokretu i aktivne međusobne interakcije - pojavile su se u XIX stoljeću. Fizika Rudolf Clausius, Ludwig Boltzmann i osobito James Maxwell sudjelovali su u razvoju molekularno-kinetičke teorije na papiru. Ubrzo je slijedilo i potvrdilo njezino praktično istraživanje. Najvažnija od njih je iskustvo Sterna, provedeno 1920. godine.

Genius eksperiment

U biografiji dobitnika Nobelove nagrade za fiziku (1943.) Otta Sterna (1888-1969) postoji razdoblje u kojem se uspješno bavio teorijskim razvojem problema termodinamike na temelju postulata kvantne mehanike. Voditelj njegova znanstvenog rada bio je Albert Einstein. Iskreno poštovanje od strane znanstvene zajednice dovelo ga je do rada eksperimentalnog fizičara. Razvio je jedinstvene uređaje, empirijski potvrđujući i razvijajući teoretske izračune.

Osim klasičnog eksperimenta za mjerenje brzine toplinskog gibanja čestica, poznato je iskustvo Stern-Gerlacha, čime je dokazano postojanje spin-a - kutnog momenta atomske jezgre ili atoma. Ovaj eksperiment, proveden 1922. godine zajedno s Walterom Gerlachom (1889-1979), bio je najvažniji dokaz osnovnih postavki kvantne teorije.

Opis uređaja

Eksperiment iz 1920. godine, koji je bio dokaz raspodjele brzina toplinskog gibanja molekula, proveden je tehnički jednostavnim postavljanjem. Uređaj se temeljio na dva koaksijalna (koaksijalna) cilindra različitih promjera, unutar kojih je niskotlačni prostor nastao pumpanjem zraka. Platinasta žica s tankom srebrnom prevlakom nalazi se na zajedničkoj osi. Kada se električna struja spoji na krajeve vodiča, žica se zagrijava na temperaturu iznad točke taljenja srebra. Postoji isparavanje atoma metala, koji počinju pravocrtno ravnomjerno kretanje na unutarnju površinu malog cilindra.

U malom cilindru se reže uski razmak kroz koji metalni atomi prodiru u velike. Vanjski, vanjski cilindar ima sobnu temperaturu koja osigurava brzo hlađenje zagrijanih čestica metala. Ako se cilindri ne okreću, atomi se "zalijepe" za zaslon i smjeste se ispred proreza u obliku glatke posrebrene trake. Sternovo iskustvo bilo je sljedeće: kad su oba cilindra počela rotirati s određenim kutna brzina stvorena je zamagljena traka plaka, pomaknuta u smjeru suprotnom smjeru vrtnje.

Molekularno mjerenje pokreta

Glavni pokazatelj koji je Sternovo iskustvo učinio vidljivim je brzina molekula V. Utvrđeno je da prosječna brzina od kojih se atomi srebra kreću tijekom isparavanja kada se spirala zagrijava na 1200 ° C - od 560 do 650 m / s.

Da bi je izmjerio, Stern je dobio sve potrebne podatke:

• S - pomak srebrne trake tijekom rotacije s mjesta na kojem se nalazi u stanju mirovanja;

• L - putanja koju prenose atomi (udaljenost između unutarnjih površina cilindara);

• U je brzina pokretnih točaka na površini vanjskog cilindra;

• t je vrijeme prolaska atoma.

Rezultat, eksperimentalno dobiven od strane njemačkog fizičara - V = S / U = L / V = ​​UL / S - poklopio se s vrijednostima dobivenim kao rezultat razmatranja molekularne kinetičke teorije. Prosječna brzina kretanja molekula srebra, određena teoretski, iznosila je 584 m / s. To je bio dokaz valjanosti postulata koje su formulirali njezini osnivači, istaknuto mjesto među kojima zauzima James Maxwell.

Maxwellov zakon o distribuciji

Ukratko, Sternovo iskustvo može se definirati kao vizualizacija raspodjele brzine toplinskog gibanja atoma i molekula. Kada se srebro nanosi na zidove vanjskog cilindra, kada je sustav u mirovanju, dobiva se traka s dovoljno oštrim rubovima. Kad su se cilindri okrenuli, ispao je mutan.

Razlog tome je razlika u brzini kretanja atoma emitiranih kada isparava srebrna prevlaka žice. Brže čestice taložile su se s manjim pomakom iz utora u malom cilindru, a one koje su se kretale sporije su prevladale veću udaljenost. Omjer brzina je unutar omjera predviđenog Maxwellovim izračunima. Dobivena krivulja poprečnog presjeka taloženja poklapa se po obliku s grafičkim izrazom formula koje su poslužile kao temelj molekularno-kinetičke teorije.

Teorija dokazane prakse

Velika važnost koju eksperimentalna fizika ima, Sternov doživljaj pokazuje posebno jasno. Posebno je vrijedna sposobnost pronalaženja načina da se dokaže ispravnost teorijskih načela, kada su predmeti koji se ne razlikuju golim okom predmet znanstvenog istraživanja.

Naknadna povijest znanosti, kada je fizika ušla u fazu istraživanja atomske strukture u razdoblju pretraživanja za elementarne čestice, to je dokazalo. Jedan od pionira novog trenda bio je njemački fizičar, sjajni eksperimentator Otto Stern.