7 скорости движения газовых молекул атомов серебра были определены

7 скорости движения газовых молекул атомов серебра были определены

Скорости газовых молекул. Опыт Штерна

В середине XIX века была сформулирована молекулярно-кинетическая теория, но тогда не было никаких доказательств существования самих молекул. Вся теория базировалась на предположении о движении молекул, но как измерить скорость их движения, если они невидимы?

Теоретики первыми нашли выход. Из уравнения молекулярно-кинетической теории газов известно, что

Например, при плотности азота, равной 1,25 кг/м, 3 , при t = 0 °С и P = 1 атм, скорости молекул азота . Для водорода: .

При этом интересно отметить, что скорость звука в газе близка к скорости молекул в этом газе , где γ – коэффициент Пуассона. Это объясняется тем, что звуковые волны переносятся молекулами газа.

Проверка того факта, что атомы и молекулы идеальных газов в термически равновесном пучке имеют различные скорости, была осуществлена немецким физиком Отто Штерном (1888-1969) в 1920 г. Схема его установки приведена на рис. 2.1.

Платиновая нить А, покрытая снаружи серебром, располагается вдоль оси коаксиальных цилиндров S1, S3,. Внутри цилиндров поддерживается низкое давление порядка Па. При пропускании тока через платиновую нить она разогревается до температуры выше точки плавления серебра (961,9 °С). Серебро испаряется, и его атомы через узкие щели в цилиндре S1, и диафрагме S2, летят к охлаждаемой поверхности цилиндра S1, на которой они осаждаются. Если цилиндры S1, S3 и диафрагма не вращаются, то пучок осаждается в виде узкой полоски D на поверхности цилиндра S3. Если же вся система приводится во вращение с угловой скоростью то изображение щели смещается в точку и становится расплывчатым.

Пусть l – расстояние между D и , измеренное вдоль поверхности цилиндра S3, оно равно где – линейная скорость точек поверхности цилиндра S3, радиусом R; — время прохождения атомами серебра расстояния . Таким образом, имеем откуда – можно определить величину скорости теплового движения атомов серебра. Температура нити в опытах Штерна равнялась 1200 °С, что соответствует среднеквадратичной скорости . В эксперименте для этой величины получилось значение от 560 до 640 м/с. Кроме того, изображение щели всегда оказывалось размытым, что указывало на то, что атомы Ag движутся с различными скоростями.

Таким образом, в этом опыте были не только измерены скорости газовых молекул, но и показано, что они имеют большой разброс по скоростям. Причина – в хаотичности теплового движения молекул. Ещё в XIX веке Дж. Максвелл утверждал, что молекулы, беспорядочно сталкиваясь друг с другом, как-то «распределяются» по скоростям, причём вполне определённым образом.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Скорость — газовая молекула

Скорости газовых молекул были определены экспериментально путем изучения движения атомов парообразного серебра в высоком вакууме. Найденные величины хорошо согласуются с вычисленными по уравнению ( 1 — 16), что является убедительным доказательством правильности кинетической теории газов. [1]

Значение максвелловского распределения скоростей газовых молекул является настолько важным в кинетической теории газов в принципиальном отношении, что необходимо рассмотреть подробнее эксперименты, которые подтверждают это распределение. Когда оно было найдено Максвеллом в 60 — х годах прошлого столетия, техника физического эксперимента была еще не настолько совершенна, чтобы можно было найти какие-либо пути для прямых исследований, хотя имелся ряд фактов, косвенно указывавших на максвеллов закон распределения. Лишь в 20 — х годах нашего века, когда были достигнуты первые крупные успехи в технике высокого вакуума, можно было рассчитывать на реальную возможность выяснения скоростей молекул. Впрочем, первые исследования были проведены не иа молекулах, а на электронах и были осуществлены в 1908 г. Ричардсоном в связи с наблюдениями по испусканию электронов из накаленных металлов. Опыты показали, что скорости электронов, вылетающих из металла при высокой температуре, хорошо следуют максвелловскому распределению. Постановка опытов возможна в этом случае потому, что электроны обладают электрическим зарядом и вследствие этого потоком электронов легко управлять и измерять заряды тех электронов, которые обладают той или иной скоростью. [2]

Для нахождения численных значений скоростей газовых молекул необходимо знать их массы и число Аво-гадро. [3]

Эта формула дает возможность вычислить скорости газовых молекул , если известны давление и плотность газа. [4]

Эта формула дает возможность вычислить скорости газовых молекул , если известны давление и плотность газа. [6]

Эта формула дает возможность вычислить скорости газовых молекул , если известны давление и плотность газа. [7]

Большой интерес представляет экспериментальное определение скорости газовых молекул , так как это дает возможность определить опытным путем значение постоянной Больцмана k, важность которой в кинетической теории очевидна. [8]

С оростн их сравнимы со скоростями газовых молекул при тепловом движения. [9]

Как видно из приведенных выше примеров, скорости газовых молекул весьма велики и превышают в некоторых случаях скорость звука в воздухе. [10]

В результате воздействия этих факторов изотропность поля скоростей газовых молекул нарушается и устанавливаются некоторые преимущественные направления их перемещения в пространстве. Как следствие, в вакуумной системе появляются направленные молекулярные потоки, деформирующие поле скоростей всего множества газовых частиц, придающие давлению тензорный характер и делающие неадекватными понятия давление и молекулярная концентрация. Часто в таких системах нарушено и термодинамическое равновесие газа со стенками. [11]

Наконец, отметим опыты с молекулярными пучками, позволяющие оценить скорость газовых молекул . Эти опыты были впервые произведены Штерном. [13]

Броуновская частица содержит миллиарды молекул: М / тлгЮ10; скорость газовых молекул составляет несколько сот метров в секунду. Следовательно, скорость броуновских частиц составит несколько миллиметров в секунду, что и наблюдается на практике. [14]

Броуновская частица содержит миллиарды молекул: M / m lQ10; скорость газовых молекул составляет несколько сот метров в секунду. Следовательно, скорость броуновских частиц составит несколько миллиметров в секунду, что и наблюдается на практике. [15]

Площадь густо заштрихованной фигуры численно равна доле Δ N / N общего числа молекул N со скоростями между V и V + Δ V . Площадь, ограниченная кривой распределения и осью абсцисс, равна единице.

Кривые распределения молекул по скоростям имеют следующие особенности:

· они проходят через начало координат,

· асимптотически приближаются к оси абсцисс при бесконечно больших скоростях,

· асимметричны (слева от максимума кривые идут круче, чем справа).

То, что кривая распределения проходит через начало координат, означает, что неподвижных молекул в газе нет. Из того, что кривая при бесконечно больших скоростях асимптотически приближается к оси абсцисс, следует, что слишком большие скорости молекул маловероятны. Значение наиболее вероятной скорости движения молекул соответствует максимуму кривой распределения [16, C. 34].

Вид функции распределения молекул по скорости движения, которую Д. Максвелл определил теоретическим путем, качественно совпал с профилем налета атомов серебра на латунной пластинке в опыте О.Штерна.

Опыт О. Штерна (наряду с опытом Ж. Перрена) был первым прямым доказательством справедливости молекулярно-кинетической теории строения вещества. В настоящее время атомно-молекулярное учение подтверждено многочисленными опытами и является общепризнанным.

1. Большая советская энциклопедия. Т. 19.- М.: Советская энциклопедия, 1975.

2. Гирке, Р. Эксперимент по курсу элементарной физики. Ч. 2/ Р. Гирке, Г. Шпрокхоф — М.: УЧПЕДГИЗ, 1959.

3. Голин , Г. М. Классики физической науки (с древнейших времен до начала 20 века): справочное пособие/Г.М. Голин, С.Р. Филонович — М.: Высшая школа,1989.

4. Дублейников, Ф.Д. Физика и опыт: кн. для учащихся/Ф.Д. Дублейников, И.Н. Веселовский — М.: УЧПЕДГИЗ,1970.

5. Дуков, В. М. Исторические обзоры в курсе физики средней школы: пособие для учителе/ В.М. Дуков- М.: Просвещение, 1983.

6. Зисман, Г. А. Курс общей физики: Механика, молекулярная физика, колебания и волны. Т. 1./Г.А. Зисман, О.М. Тодес – М.: Наука, 1974.

7. Кудрявцев, Б.Б. Курс физики: теплота и молекулярная физика: учебное пособие для пед. институтов/Б.Б. Кудрявцев — М.: Просвещение, 1965.

8. Кудрявцев, П. С. История физики и техники: учебное пособие для студентов пед. Институтов/ П.С. Кудрявцев, И.Я. Конфедератов — М.: Просвещение, 1965.

9. Кудрявцев, П. С. История физики: учебное пособие для студентов пед. институтов – М.: УЧПЕДГИЗ, 1956.

10. Лебедев, В. И. Исторические опыты по физике/ В.И. Лебедев — Л.: Главн. ред. научно-популярной и юношеской литературы, 1937.

11. Липсон, Г. Великие эксперименты в физике/ Г. Липсон; пер. с англ. И.Б. Виханского и В.А. Кузьмина; под. ред. канд. физ.-мат. наук В.И. Рыдника- М.: Мир,1972.

12. Льоцци, М. История физики /М. Льоцци — М.: Мир, 1970.

13. Мелешко, Л. О. Молекулярная физика введение в термодинамику/ Л.О. Мелешко – Минск: Высшая школа, 1977.

14. Мякишев, Г. Я. Физика: учебн. для 10 кл. общеобразоват. учреждений/ Г. Я. Мякишев, Б. Б Буховцев, Н. Н. Сотский — М.: Просвещение, 2002.

15. Оспенникова, Е. В. Основы технологии развития исследовательской самостоятельности школьников. Эксперимент как вид учебного исследования: Учебное пособие / Перм. гос. пед. ун-т. — Пермь, 2002. – 375 с.

16. Радченко, И. В. Молекулярная физика/ И.В. Радченко — М.:Наука, 1965.

17. Розенбергер, Ф. История физики. Часть 1. История физики в древности и в средние века/ Ф. Розенбергер; пер. с нем. под ред. И. Сеченова, вновь проверенный и переработанный В.С. Гохманом – Л.:ОНТИГТТИ – 1934.

18. Физика, Х-Х I классы. Мультимедийный курс-М.: ООО «Руссобит Паблишинг».-2004( http :// www . russobit — m . ru /)

19. Фриш, С. Э. Курс общей физики Т. 1/С.Э. Фриш, А.В. Тиморева — М.: ФИЗМАТГИЗ,1962.

20. Храмов, Ю. А. Физики: биографический справочник. М.: ФИЗМАТГИЗ, 1983.

21. Эйнштейн, А. Брауновское движение: сб. ст./А. Эйнштейн, М. Смолуховский; под ред. Б. И. Давыдова – Л.: ОНТИНКТТП, 1936.

22. Электронная библиотека. http :// www . n — t . ru /

23. Элементарный учебник физики. Том 1.:учебное пособие. В 3 т.; Под ред. Г. С. Ландсберга – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000.

24. Открытая физика. В 2 ч. ( CD ) / Под ред. С.М. Козела. – М.: ООО «Физикон». — 2002 (http://www.physicon.ru/.)

26. Галилей Г. Пробирных дел мастер – М., 1987.

3. Природа науки — http://elementy.ru/biography/21080

4. Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов «Эффективная физика»— http://www.effects.ru/

6. Сто великих научных открытий — http://a-nomalia.narod.ru/100otkr/index.htm

10. Галерея портретов великих ученых — history . rsuh . ru / historycd / HISTORY / HTML / Portrets / port _ s . htm

17. Рубрикон. Энциклопедии, словари, справочники . — http://www.rubricon.com

18. Портал фундаментального химического образования России