Приборы и материалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема установки

1.1 Приборы и материалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема установки

Для постановки опыта по измерению средней скорости движения молекул О. Штерн спроектировал специальную установку. Прибор состоял из двух жестко соединенных коаксиальных цилиндров с радиусами R и r (рис. 1-3). Во внутреннем цилиндре по оси была расположена платиновая нить А. Исследуемым газом в опыте служили разреженные пары серебра. Атомы получались при испарении слоя серебра, нанесённого на платиновую нить, нагревавшуюся электрическим током. Воздух в малом цилиндре был откачан, поэтому испарившиеся атомы серебра свободно разлетались от нити во все стороны.

Рисунок1. Схема устройства прибора О. Штерна для измерения средней скорости движении молекул

Рисунок 2 Схема устройства прибора О. Штерна для измерения средней скорости движения молекул (Интернет школа Просвещение.RU -http://www.internet-school.ru

Вдоль поверхности внутреннего цилиндра была вырезана узкая щель С. Рядом с щелью располагалась диафрагма, которая позволяла "вырезать" из потока атомов серебра тонкий пучок. Конструкция диафрагмы D обеспечивала одно и то же направление скорости всем атомам серебра, попадавшим далее в камеру большого цилиндра. Другими словами, диафрагма фильтровала атомы, движущиеся только в определенном направлении. В вакуумной камере большого цилиндра обеспечивалась высокая степень разреженности (порядка  Па.). Вероятность столкновений атомов серебра с молекулами воздуха была очень мала и, следовательно, была очень невелика вероятность какого-либо отклонения атомов серебра при их равномерном и прямолинейном движении (т.е. рассеяния пучка). На внутренней поверхности внешнего цилиндра помещалась съемная латунная пластинка В. Пластинка имела комнатную температуру. На этой пластинке в области E атомы серебра, охладившись, оседали в виде узкой серебренной полоски. Специальным устройством установка могла приводиться во вращение вокруг собственной оси с частотой 25-45 оборотов в секунду.

Рисунок 3 Схема установки О.Штерна (вид сверху). При покоящейся установке налет серебра образуется точно против щели C

1.3 Порядок проведения опыта

Опыт проводился в следующей последовательности. По платиновой нити, располагающейся по оси малого цилиндра, пропускался электрический ток. Нить нагревалась практически до температуры плавления серебра Тп = 1234° К, и серебро начинало испаряться. Часть атомов серебра проходило сквозь щель. Отфильтрованные диафрагмой, далее они двигались по радиальным направлениям к внутренней поверхности большого цилиндра прямолинейно и равномерно со скоростью, соответствующей температуре платиновой нити. Стенка большого цилиндра охлаждалась так, чтобы попадающие на нее атомы "прилипали" к ней, образуя налет серебра в форме щели, но немного больших размеров. [1, С. 147] Сначала прибор покоился, и изображение щели на экране (латунной пластинке) приходилось как раз против нее самой (рис. 3). Затем прибор приводился в быстрое вращение вокруг собственной оси с частотой 1500 - 2700 об/мин и, результаты опыта существенно изменялись. Каждый атом по-прежнему двигался прямолинейно, но за время, которое требовалось атому, чтобы, пройдя щель, долететь до латунной пластинки, последняя успевала повернуться на некоторый угол, и атом уже прилипал к ней не точно против щели, а несколько в стороне [ там же] (рис. 4). Смещение полоски серебра при вращении установки позволяло определить величину скорости движения атомов серебра и сравнить ее со значением, полученным теоретическим путем. Способ нахождения скорости атомов серебра был достаточно прост. Атом, двигаясь со скоростью υ, проходил расстояние:

(1.3.1)

где R и r – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров, а τ – время прохождения этого расстояния. Любая точка внешнего цилиндра за это время проходила путь:

(1.3.2)

Решая эти уравнения совместно, О. Штерн определил среднюю скорость движения атомов:

(1.3.3)

Измеряя значения ω, R, r и S можно рассчитать среднюю скорость движения атомов серебра при температуре нити – Тн. Меняя температуру накала нити можно найти температурную зависимость скорости теплового движения атомов.

Рисунок 4 При вращении прибора по часовой стрелке налет серебра смещается.

Толщина налета серебра определялась в опыте О.Штерна оптическим методом.