Sternova zkušenost - experimentální potvrzení teorie

Porozumění, že základem struktury jakékoli látky je existence nejmenších částic - atomů a molekul, které jsou v nepřetržitém pohybu a aktivní interakce mezi sebou - se objevily v 19. století. Fyzika Rudolf Clausius, Ludwig Boltzmann a zejména James Maxwell se podíleli na vývoji molekulárně-kinetické teorie na papíře. Brzy následovala a potvrdila její praktický výzkum. Nejdůležitější z nich je zkušenost Stern, která se uskutečnila v roce 1920.

Experiment Genius

V biografii laureáta Nobelovy ceny ve fyzice (1943) Otto Stern (1888-1969) existuje období, kdy se úspěšně zabýval teoretickým vývojem problémů termodynamiky založených na postulátech kvantové mechaniky. Vedoucí jeho vědecké práce najednou byl Albert Einstein. Skutečný respekt vůči vědecké komunitě přinesl práci experimentálního fyzikovi. Vyvinul unikátní přístroje, empiricky potvrdil a vyvíjel teoretické výpočty.

Vedle klasického experimentu pro měření rychlosti tepelného pohybu částic je známý zážitek ze Stern-Gerlacha, v důsledku čehož byla prokázána existence spin - úhlová hybnost atomového jádra nebo atomu. Tento experiment, vedený v roce 1922 spolu s Walterem Gerlachem (1889-1979), byl nejdůležitějším důkazem základních principů kvantové teorie.

Popis zařízení

Experiment z roku 1920, jehož výsledkem byl důkaz distribuce rychlostí tepelného pohybu molekul, byl proveden s použitím technicky jednoduchého uspořádání. Zařízení bylo založeno na dvou koaxiálních (koaxiálních) válcích různých průměrů, uvnitř kterých vznikla nízkotlaká oblast čerpáním vzduchu. Platinový drát s tenkým stříbrem je umístěn na společné ose. Když je elektrický proud připojen ke koncům vodiče, vodič se ohřeje na teplotu vyšší než je teplota tání stříbra. Odpařování atomů kovů, které začínají přímočaré jednotný pohyb na vnitřní povrch malého válce.

V malém válci se prořízne úzká mezera, přes kterou pronikají kovové atomy do velkých. Vnější vnější válec má pokojovou teplotu, která zajišťuje rychlé ochlazování zahřátých kovových částic. Pokud se válce neotáčejí, atomy se "přilepí" k sítu a usadí se před štěrbinu ve formě hladkého stříbrného pásku. Sternova zkušenost byla následující: když se oba válce začaly otáčet určitým úhlová rychlost byl vytvořen rozmazaný pás plaku, posunutý ve směru opačném ke směru otáčení.

Molekulární měření pohybu

Hlavním indikátorem, který učinil Sternovu zkušenost viditelnou, je rychlost molekul V. Bylo zjištěno, že průměrná rychlost ze kterého se během odpařování střídají atomy stříbra při ohřátí šroubovice na 1200 ° C - od 560 do 650 m / s.

Aby ji změřil, Stern obdržel všechny potřebné údaje:

• S - posunutí stříbrného proužku během otáčení z polohy, ve které byl v klidu;

• L - dráha projížděná atomy (vzdálenost mezi vnitřními plochami válců);

• U je rychlost pohybujících se bodů na povrchu vnějšího válce;

• t je doba přechodu atomů.

Výsledek, experimentálně získaný německým fyzikem - V = S / U = L / V = ​​UL / S - se shodoval s hodnotami získanými z pohledu molekulární kinetiky. Průměrná rychlost pohybu molekul stříbra, teoreticky stanovená, se rovnala 584 m / s. To dokazuje platnost postulátů formulovaných jeho zakladateli, významným místem mezi nimi je James Maxwell.

Maxwellův distribuční zákon

Stručně, Sternova zkušenost může být definována jako vizualizace distribuce rychlosti tepelného pohybu atomů a molekul. Když bylo stříbro uloženo na stěnách vnějšího válce, když byl systém v klidu, získal se pás s dostatečně ostrými hranami. Když se válce otáčely, vybledly.

Důvodem je rozdíl v rychlosti pohybu atomů emitovaných při odpařování stříbrného povlaku drátu. Rychlejší částice byly uloženy s menším posunem ze štěrbiny v malém válci a ty, které se pohybovaly pomaleji, dokázaly překonat větší vzdálenost. Poměr rychlostí je v poměru předpokládaném Maxwellovými výpočty. Křivka průřezu získaného depozitu se shoduje s grafickým vyjádřením vzorců, které sloužily jako základ molekulární kinetické teorie.

Teoreticky ověřená praxe

Velký význam, který má experimentální fyzika, ukazuje zkušenost Sternu zvláště jasně. Schopnost nalézt způsob, jak dokázat správnost teoretických principů, je obzvláště cenná, když objekty, které jsou nerozlišitelné pouhým okem, jsou předmětem vědeckého výzkumu.

Následující historie vědy, kdy fyzika vstoupila do fáze výzkumu atomových struktur ve zkoumaném období elementárních částic, to dokázalo. Jeden z průkopníků nového trendu byl německý fyzik, brilantní experimentátor Otto Stern.