1. cine și când să efectueze experimente, scopul său istoric
În anul 1828 botanistul englez Robert Brown (1773-1885) a observat că apa suspendată în cele mai mici particule de materie în mișcare. Ele sunt apoi eliminate, apoi se apropie unul de altul, apoi se ridică și se încadrează în jos. Această mișcare, a spus omul de știință, o dată la întâmplare și nu se oprește. mișcarea particulelor în suspensie detectate de oamenii de știință a fost numit în onoarea sa de mișcare browniană.
La sfârșitul secolului al XIX-lea studiul mișcării browniene a dobândit o mare importanță teoretică și a atras atenția multor fizicieni teoretice. În cadrul format de timp, conceptele moleculare cinetice despre structura materiei este mișcare primește o explicație logică: o particulă browniană se mișcă printr-o molecule de lichid impact continuu în care există o suspensie.
În ciuda explicație plauzibilă pentru mobilitatea particulelor browniene este nici o dovadă directă pentru existența moleculelor în sine, și în special mișcarea lor la acel moment nu a existat nici un moment. Teoria moleculara-cinetice a materiei bazate doar pe presupuneri și dezvoltate atât în fizică și în chimie doar ca o ipoteză. Molecule erau încă inaccesibile observației directe, iar problema de măsurare a vitezei particulelor invizibile a apărut la acel moment, pur și simplu de nerezolvat. Acesta este motivul pentru experimentul asociat cu dovada directă a existenței molecule și de a determina viteza de deplasare a acestora, care a fost inițial definită ca fiind unul dintre experimentele științifice fundamentale. crucială sa pentru știință a fost evidentă, deoarece susține în mod direct validitatea teoriei moleculare-cinetică a structurii materiei.
Primele încercări de a găsi viteza medie a moleculelor a luat fizicianul german Rudolf Emanuel Clausius (1822-1888).
R. Clausius a propus o soluție pur teoretică la problema măsurării vitezei moleculelor (1870) Intr-adevar, ecuatia teoriei moleculare cinetice a gazelor, este cunoscut faptul că
Apoi, viteza RMS este:
Dacă luăm în considerare faptul că
apoi viteza medie pătrată se poate obține o expresie, care include valoarea măsurată experimental, și anume:
unde P - presiunea, # 961; - densitatea gazului.
R. Clausius Viteza calculată a moleculelor de gaz au fost neașteptat foarte mari. Rețineți că R. Clausius a presupus că toate moleculele se mișcă cu aceeași viteză, care depinde de temperatura gazului. Conform calculelor, viteza efectivă a moleculelor de oxigen de la 0 C a fost de 461 m / s, un azot - 402 m / s, iar hidrogenul - 1844 m / s.
Imediat o întrebare: cum, pornind de la aceste valori viteza a moleculelor de gaz, explica de ce difuzia în gaze este lentă și gaze conductivitate termică scăzută. R. Clausius a fost în măsură să răspundă la aceste întrebări. El a introdus conceptul de calea medie liberă a moleculei. Acesta a arătat că valoarea sa depinde de temperatura și densitatea gazului.
Principala contribuție la dezvoltarea în continuare a acesteia deținută de DK Maxwell (1831- 1879 gg.) Și L. Boltzmann (1844-1906 gg.).
D. Maxwell a considerat puțin probabil ca toate moleculele se deplaseze cu aceeași viteză. Potrivit acestuia, la fiecare temperatură dată, cele mai multe dintre molecule au viteze care se situează în limite destul de înguste, dar unele dintre moleculele se pot deplasa cu o viteză mai mare sau mai mică. Mai mult, oamenii de știință cred, în fiecare volum de gaz la o temperatură dată este o moleculă având ambele viteze foarte mici și foarte mari. Cu care se confruntă reciproc, unele molecule crescut viteza, iar celălalt este redus. Dar, în cazul în care gazul este într-o stare de echilibru, numărul de molecule care au o anumită viteză rămâne constantă. Pe baza acestei reprezentări, D. Maxwell examinat problema distribuției moleculelor de viteza gazului, care se află într-o stare staționară.
Pe baza legilor mecanicii este, teoretic, explorează mișcarea și coliziune a unui număr de sfere elastice solide de dimensiuni mici, și ajunge la concluzia că într-un astfel de sistem, ca urmare a coliziunilor reciproce stabilite de distribuție a „forțele vii“ (în terminologia modernă - energie cinetică) între particulele „în conformitate cu unele regulate legea. " Este posibil să se determine „numărul mediu de particule a căror viteză se situează între anumite limite, chiar dacă rata de fiecare particulă individuală este schimbat la fiecare coliziune.“ D. Maxwell, ca o concluzie generală afirmă că „viteza particulelor sunt distribuite în conformitate cu aceeași lege, erorile sunt distribuite între observațiile în teoria“ metoda celor mai mici pătrate“. Moleculele de viteză conform calculelor sale, valorile variind de la 0 la. dar numărul de molecule având o viteză foarte mare, potrivit D. Maxwell, este relativ mic.
În cursul acestor studii D. Maxwell introdus în fizica conceptul de probabilitate, înainte de conceptul de probabilitate permisă numai matematică. Este demn de remarcat faptul că, în rezumatul raportului D. Maxwell nu spune un cuvânt despre descoperirea legii de distribuție a vitezei. Cu toate acestea, tocmai în această descoperire acum vedem una dintre principalele merite ale lui D. Maxwell.
Masa și evenimente aleatoare în microcosmosul de natura statistică a deschis legii D. Maxwell. Conform acestei legi nu putem spune cât de mult particulele corpului au o anumită viteză sau o poziție la un moment dat (strict vorbind, audio), este posibilă numai pentru a calcula probabilitatea de a găsi un volum dat al unei anumite particule la o viteză a unei game de viteză predeterminată. De asemenea, este posibil să se răspundă la întrebarea: cât de mult (aproximativ, dar destul de rezonabil) corpul de particule au în prezent viteze și coordonate ale intervale de timp predeterminate. Iar răspunsul la această întrebare precizia va fi mai mare, cu atât mai multe particule din volumul în cauză.
Funcția de distribuție moleculară specii de viteză D. Maxwell determinată teoretic (pe baza teoriei probabilității). Funcția de distribuție Maxwell numit legea lui Maxwell, exprimată prin următoarea formulă:
unde n - numărul total al moleculelor - masa molară a gazului, R - constanta universală a gazelor, e - baza logaritmului natural.
Pe baza ei Formula dedusă D. Maxwell ar putea determina, de exemplu, că molecula de azot la o temperatură de 140 ° C, viteză cea mai probabilă este de 500 m / s. Cu o viteză de 300 până la 700 m / s se muta 59% din moleculele. Are o viteză mai mică de 12,6%, și mai mult - 28,4% din toate moleculele.
Rezultatele lucrării lui D. Maxwell a câștigat de acceptare generală, dar nu a fost confirmată experimental.
D. Stern, în 1920 g. Utilizând metoda de fascicule moleculare inventate de fizicianul francez Lui Dyunoye (1911) au măsurat viteza moleculelor de gaz și Obținută confirmată experimental distribuția D. Maxwell a vitezei moleculelor de gaz [17, pp 47]. (Rezultatele experimentului Stern a confirmat corectitudinea estimării vitezei medii a atomilor, care derivă din distribuția lui Maxwell. natura distribuției acestei experiențe ar putea oferi doar o informație foarte aproximative.
Mai precis, legea de distribuție a fost testată în experimente Lammert (1929), în care fasciculul molecular a trecut prin două disc rotativ cu fante radiale, decalat față de altul la un anumit unghi. Prin variația vitezei sau rotirea dispozitivului unghiul dintre fantele pot fi izolate din fasciculul moleculă având viteze diferite. Rezultatele Lammert ale experimentelor și a altor studii efectuate în același scop sunt în deplin acord cu legea teoretică Maxwell distribuția vitezei a moleculelor).
2. INSTRUMENTE ȘI MATERIALE NECESARE PENTRU DECLARAREA EXPERIENȚĂ SCHEMA DE INSTALARE PRINCIPALUL
Pentru măsurarea experimentului cu o viteză medie a moleculelor G. Stern proiectat instalare specială. Dispozitivul este alcătuit din doi cilindri coaxiali rigid interconectate cu R raze și r (fig. 1-3). În cilindrul interior din filament de platină A fost localizat axa. Cu gazul în experiment au fost rare de argint pereche. Atomii obținut prin evaporarea stratului de argint depus pe sârmă de platină, este încălzit de curentul electric. Aerul din cilindru mic a fost evacuată, astfel încât atomii de argint evaporat din filamentul zburat liber în toate direcțiile.