13. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСВЕЛЛА

Экспериментально закон распределения молекулярных скоростей был проверен Штерном. Прибор, предназначенный для этой цели, состоял из двух жестко соединенных между собой коаксиальных цилиндров (рис. 17). Вдоль оси цилиндров натягивалась покрытая серебром платиновая проволока. Внутренний цилиндр имел узкую щель, расположенную вдоль образующей цилиндра. Пространство внутри цилиндров откачивалось до высокого вакуума. По платиновой проволоке пропускался электрический ток, в результате чего проволока раскалялась. При этом с ее поверхности испарялись атомы серебра, которые, не встречая на своем пути никаких частиц, двигались прямолинейно, пока не

Рис. 17. Схема опыта Штерна.

ударялись о стенки внутреннего цилиндра и не осаждались на них, образуя налет серебра. В том месте, где помещалась щель, атомы серебра проникали в пространство между цилиндрами и осаждались на внутренней поверхности внешнего цилиндра.

Таким образом, возникало как бы изображение щели, подобное изображениям, получаемым в малярных работах при помощи трафарета. Описанный прибор приводился во вращательное движение вокруг оси цилиндров с угловой скоростью

Во вращающемся приборе серебряный налет оказывался расположенным не против щели, а несколько смещенным в сторону. Это смещение возникало в результате того, что за время в течение которого прямолинейно движущиеся атомы серебра перемещались от щели до стенки наружного цилиндра, прибор успевал повернуться на угол Если бы все атомы двигались с одинаковой скоростью изображение щели смещалось бы, не изменяя своей формы, на некоторое расстояние измеряя которое, можно было бы определить скорость движения атомов.

Действительно, если радиусы внешнего и внутреннего цилиндров соответственно равны то

Величина смещения изображения щели:

или

откуда

На опыте наблюдается не только смещение изображения щели, но и расплывание его, обусловленное различием скоростей движения атомов серебра. Атомы, движущиеся быстро, смещаются меньше, чем атомы, движущиеся медленно. В таком простом оформлении опыта можно было определить только смещение для середины изображения щели и вычислить среднюю скорость движения атомов. Результат проверки удовлетворительно согласовывался с выводами кинетической теории газов.

В последующие годы опыты Штерна многократно повторялись и усовершенствовались. В наиболее точных измерениях

Рис. 18. Опытное исследование распределения молекул по скоростям.

использовалось наблюдение изменения под действием силы тяжести траектории свободно летящих в горизонтальном направлении атомов.

В специальной электрической печи, помещенной в хорошо эвакуированный сосуд (остаточное давление или нагревался цезий. Струя паров цезия проходила через отверстие О (рис. 18). С помощью щели в экране из струи паров вырезался узкий параллельный пучок частиц, направлявшийся на расположенную горизонтально накаленную вольфрамовую проволочку При попадании на раскаленную вольфрамовую проволочку атомы цезия вновь испарялись, но теперь, в силу высокой температуры, в виде ионов. Таким образом, возникали электрические заряды, количество которых было равно количеству атомов, попавших на проволочку. Возникшие ионы собирались с помощью заряженного отрицательного электрода. По величине ионизационного тока можно было определить количество атомов цезия, попадавших на проволочку за 1 секунду.

В отсутствие силы тяжести траектории атомов были бы прямолинейны. В действительности они являлись параболами, тем более отличающимися от прямой, чем медленнее движется атом. Зная то место на плоскости в которое попадает движущийся атом, можно рассчитать его траекторию и вычислить скорость. Перемещая вольфрамовую проволочку в вертикальном направлении, удалось определить число атомов, соответствующее различным траекториям, а следовательно, и скоростям движения атомов, и проверить закон Максвелла.

Результаты этих опытов изображены на рисунке 19. Вдоль оси ординат отложены значения ионизационного тока I, вдоль оси абсцисс — расстояния проволочки по вертикали от точки Сплошная кривая рассчитана теоретически, в предположении, что скорости движения атомов подчиняются закону Максвелла. Точки на графике

Рис. 19. Сопоставление опытных даииых о распределении молекул по скоростям с законом Максвелла.

получены экспериментально. Следует отметить хорошее совпадение теоретически рассчитанной кривой с данными опыта.