Розуміння того, що в основі будови будь-якої речовини лежить існування найдрібніших частинок – атомів і молекул, що знаходяться в безперервному русі і активній взаємодії між собою, – виникло в XIX столітті. У розробці молекулярно-кінетичної теорії на папері брали участь фізики Рудольф Клаузіус, Людвіг Больцман і особливо Джеймс Максвелл. Незабаром пішли і підтверджують її практичні дослідження. Найважливішим з них є досвід Штерна, проведений в 1920 році.
Геній експерименту
У біографії нобелівського лауреата з фізики (1943) Отто Штерна (1888-1969) є період, коли він успішно займався теоретичними розробками проблем термодинаміки на основі постулатів квантової механіки. Керівником його наукової роботи один час був Альберт Ейнштейн. Справжню повагу з боку наукової громадськості йому принесла діяльність фізика-експериментатора. Він розробив унікальні прилади, досвідченим шляхом підтверджували і розвивали теоретичні викладки.
Крім класичного експерименту з вимірювання швидкості теплового руху частинок, відомий дослід Штерна-Герлаха, в результаті якого було доведено існування спина – моменту імпульсу атомного ядра або атома. Цей експеримент, проведений в 1922 році спільно з Вальтером Герлахом (1889-1979), став найважливішим доказом основних постулатів квантової теорії.
Опис приладу
Експеримент 1920 року, результатом якого стало доказ розподілу швидкостей теплового руху молекул, був здійснений з допомогою технічно нескладної установки. Основою приладу стали два коаксіальних (співвісних) різного діаметра циліндра, усередині яких шляхом відкачування повітря була створена область низького тиску. На загальній осі розташована дріт з платини з тонким срібним напиленням. При підключенні до кінців провідника електричного струму відбувається нагрівання дроту до температури, що перевищує точку плавлення срібла. Виникає випаровування атомів металу, які починають прямолінійний рівномірний рух до внутрішньої поверхні маленького циліндра.
У малому циліндрі прорізається вузька щілина, крізь яку атоми металу проникають всередину великого. Зовнішній, зовнішній циліндр має кімнатну температуру, що забезпечує швидке охолодження розігрітих металевих частинок. Якщо циліндри не обертаються, атоми «прилипають» до екрану і осідають навпаки прорізи у вигляді рівної посрібленою смужки. Досвід Штерна полягав в наступному: коли обидва циліндра починали обертати з певною кутовою швидкістю, утворювалася розмита смужка нальоту, зміщена в ту сторону, що протилежна напрямку обертання.
Вимірювання швидкості молекулярного руху
Головний показник, який зробив видимим досвід Штерна, — швидкість молекул V. Було встановлено, що середня швидкість, з якою рухаються при випаровуванні атоми срібла при нагріванні спіралі до 1200 °C, – від 560 до 650 м/с.
Для виміру її Штерн отримав всі необхідні дані:
• S – зсув смуги срібла при обертанні від того положення, яке вона займала у стані спокою;
• L – шлях, пройдений атомами (відстань між внутрішніми поверхнями циліндрів);
• U – швидкість переміщення точок поверхні зовнішнього циліндра;
• t – час прольоту атомів.
Результат, експериментально отриманий німецьким фізиком — V = S / U = L / V = UL / S — збігся зі значеннями, отриманими в результаті розгляду молекулярно-кінетичної теорії. Середня швидкість руху молекул срібла, визначена теоретично, була дорівнює 584 м/с.
Це стало доказом справедливості постулатів, сформульованих її основоположниками, чільне місце серед яких займає Джеймс Максвелл.
Закон розподілу Максвелла
Коротко досвід Штерна можна визначити як візуалізацію розподілу швидкості теплового руху атомів і молекул. При осадженні срібла на стінку зовнішнього циліндра, коли система знаходиться в стані спокою, виходила смужка з досить чіткими краями. При обертанні циліндрів вона виходила розмитою.
Причина цього – різниця в швидкості руху атомів, що випускаються при випаровуванні срібного покриття дроту. Більш швидкі частинки осідали з меншим зміщенням від прорізу в малому циліндрі, а ті, що рухалися повільніше, встигали подолати більшу відстань. Співвідношення швидкостей укладається в пропорцію, передбачену обчисленнями Максвелла. Крива поперечного перерізу отриманого напилення збігається за формою з графічним вираженням формул, що послужили основою молекулярно-кінетичної теорії.
Теорія, перевірена практикою
Велике значення, яке має експериментальна фізика, досвід Штерна показує особливо наочно. Вміння знайти спосіб доказу правильності теоретичних постулатів особливо цінно, коли предметом наукових досліджень стають об’єкти, невиразні неозброєним оком.
Подальша історія науки, коли фізика вступила у фазу дослідження будови атома в період пошуку елементарних частинок, довела це. Одним з піонерів нової течії був німецький фізик, геніальний експериментатор Отто Штерн.
