§ 75. Измерение скоростей молекул газа

Хотя закон распределения молекул по скоростям следует из исключительно четких теоретических предпосылок, справедливость которых подтверждается огромной массой физических фактов, несмотря на это, представляло бы интерес подвергнуть формулу распределения непосредственной опытной проверке.

Произвести измерение скоростей молекул газа в объеме можно лишь косвенным путем: если молекула излучает свет, то скорость ее движения скажется на ширине спектральных линий (доплер-эффект). Прямые возможности дает методика молекулярных пучков.

Длинную и широкую трубу перегородим двумя заслонками с весьма малыми отверстиями. В крайний отсек поместим газ. Тогда молекулы начнут проникать сначала в средний отсек, а иногда будут попадать и во второй крайний. Очевидно, что пролететь через всю трубу могут лишь те молекулы, у которых вектор скорости в момент вылета через первое отверстие направлен вдоль оси трубы. Таким способом из газа выделяется молекулярный пучок. Молекулы пучка имеют одинаково направленные скорости. Что же касается величины скорости, то, очевидно, по принципу молекулярного хаоса распределение этих молекул по скоростям такое же, как у молекул любого другого направления движения.

Для измерения скоростей молекул пучка можно прибегнуть к установке, напоминающей прибор для измерения скорости пули.

Представим себе два картонных диска, жестко насаженных на ось и вращающихся со скоростью со около нее. Если пуля летит параллельно оси вращения, то диски будут пробиты последовательно в двух точках, сдвинутых по азимуту на угол на который повернулась система, пока пуля прошла расстояние I между дисками. Время поворота на угол равно значит, скорость пули

Так как молекулы не пробивают отверстий, то аналогичный опыт для молекулярных пучков ставится с дисками, в которых сделаны прорези по окружности. Угловое расстояние прорезей равно Очевидно, что молекулы со скоростью смогут пройти через два вертящихся диска с отверстиями лишь при определенной скорости удовлетворяющей условию Таким образом, меняя можно фильтровать молекулы по скоростям, собирать молекулы одной скорости и мерить их относительные количества.

Многочисленными опытами были подтверждены обсужденные выше формулы распределения по скоростям, а значит, и формулы среднего и вероятного значения скорости молекул.