Опытное доказательство МКТ (молекулярно-кинетической теории), опыты Штерна и Ламмерта

Средняя кинетическая энергия молекулs газа (в расчете на одну молекулу) определяется выражением

Степени свободы молекулы и средняя энергия движения молекулы.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы идеального газа

Средняя квадратичная скорость молекул

Число степеней свободы: наименьшее число независимых координат, определяющих положение и конфигурацию молекулы в пространстве.

Модели молекул: а- одноатомной, б- двухатомной, в- трехатомной.

Число степеней свободы для одноатомной молекулы -3 (поступательное движение в направлении трех координатных осей),

для двухатомной - 5 (три поступательных и две вращательных, т.к. вращение вокруг оси Х возможно только при очень высоких температурах), для трехатомной -6 (три поступательных и три вращательных).

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ – раздел молекулярной физики, изучающий свойства вещества на основе представлений об их молекулярном строении и определенных законах взаимодействия между атомами (молекулами), из которых состоит вещество. Считается, что частицы вещества находятся в непрерывном, беспорядочном движении и это их движение воспринимается как тепло.

Молекулы газа даже в равновесии движутся беспорядочно, сталкиваясь между собой и со стенкой сосуда, беспрерывно меняя свою скорость. Это означает, что в каждый момент времени в газе есть молекулы, которые имеют самые различные скорости. Вместе с тем, поскольку давление и температура в газе остаются постоянными, то, как бы не менялась скорость молекул, среднее значение ее квадрата остается постоянным. Это оказывается возможным лишь при наличии неизменного во времени и одинакового во всех частях сосуда распределения молекул по скоростям.

Закона распределения скоростей молекул. Первый прибор для этих целей, состоявший из двух коаксиальных цилиндров, был сконструирован немецким физиком Штерном. По оси прибора была натянута нагреваемая электрическим током платиновая нить, с поверхности которого испарялись атомы серебра. В условиях созданного внутри прибора вакуума узкий пучок этих атомов, движущихся в радиальном направлении, проходил через продольную щель на поверхности внутреннего цилиндра и оседал в виде узкой вертикальной полоски на поверхности внешнего цилиндра. Если привести весь прибор во вращение, то за время, пока атомы серебра пролетают зазор между цилиндрами, прибор успевает повернуться на некоторый угол и положение следа от пучка на внешнем цилиндре сместится относительно первоначального. Нетрудно установить связь этого смещения с величиной скорости в пучке молекул и угловой скоростью вращения прибора. Исследования профиля следа, который размывается из-за наличия распределения скоростей в пучке, позволило установить качественную картину этого распределения, которое примерно соответствовало максвелловскому.

О. Штерн в 1920 г., воспользовавшись методом молекулярных пучков, изобретенным французским физиком Луи Дюнойе (1911 г.) измерил скорость газовых молекул и на опыте подтвердил полученное Д. Максвеллом распределение молекул газа по скоростям. (Результаты опыта Штерна подтвердили правильность оценки средней скорости атомов, которая вытекает из распределения Максвелла. О характере самого распределения этот опыт мог дать лишь весьма приближенные сведения.

Более точно закон распределения был проверен в опытах Ламмерта (1929 г.), в которых молекулярный пучок пропускался через два вращающихся диска с радиальными щелями, смещенными относительно друг друга на некоторый угол. Меняя скорость вращения прибора или угол между щелями, можно выделить из пучка молекулы, обладающими различными значениями скорости. Результаты опытов Ламмерта и других исследований, предпринимавшихся с той же целью, находятся в полном соответствии с теоретическим законом распределения скоростей молекул Максвелла.)

Дата добавления: 2015-04-24