Экспериментальная проверка распределения Максвелла

Первым экспериментальным подтверждением распределения молекул по скоростям можно считать результаты опыта Штерна, описанного выше. Но точность этого опыта была недостаточной для установления конкретного вида распределения.

Прямые измерения скорости атомов ртути в пучке были выполнены в 1929 году Ламмертом. Идея опыта заключалась в следующем.

Атомы легкоплавкого металла, разогретого до высокой температуры, вылетали из печи 1, проходили коллиматор (направляющие щели) 2 и по траектории 4 попадали на соосные быстровращающиеся диски 6, в которых сделаны повернутые на угол j щели 3,, а затем регистрировались детектором 5. (В дисках было сделано несколько щелей для увеличения интенсивности). Вся система находилась в вакуумированной камере.

Атомы могли пролететь щели в дисках, если величина их скорости попадала в определённый интервал [v₀-Dv₁, v₀+Dv₂], где скорость v₀ определялась из равенства

.

Здесь L – расстояние между вращающимися дисками, а величины Dv₁, Dv₂ определялись размерами щелей, геометрией пучка и т.д.

Изменяя угловую скорость вращения дисков w, можно было отбирать из пучка молекулы, имеющие определенную скорость v, и по регистрируемой детектором интенсивности судить об относительном содержании их в пучке.

Таким способом удалось экспериментально проверить статистический закон распределения молекул по скоростям. Позже, когда при создании ядерного оружия возникла необходимость выделения нейтронов с определенной кинетической энергией, подобная схема была применена в устройстве, названном нейтронным монохроматором, позволяющим получать энергетические спектры нейтронов.

Несколько иначе был организован эксперимент по определению распределения по скоростям для атомов цезия, выполненный в 1947 году немецким физиком - экспериментатором Иммануэлем Эстерманом совместно с Симпсоном и Штерном. В эспериментальной установке пучок атомов цезия вылетал через отверстие в печи 1 с некоторой скоростью v и под действием силы тяжести начинал двигаться по параболе. Атомы, прошедшие через узкую щель в диафрагме 2, улавливались детектором 3, который можно было располагать на различных высотах h. Величина отклонения h пучка в гравитационном поле Земли зависела от скорости атома. В этих опытах отклонение h составляло величину порядка нескольких долей миллиметра при расстоянии L от печи до детектора равном 2 метрам. Перемещая датчик и регистрируя количество атомов цезия, попадающих в детектор за единицу времени, можно было построить зависимость интенсивности пучка от величины h. Последующий пересчет, с учетом известной зависимости высоты h от скорости атома v, давал распределение по скоростям атомов цезия.

Все проведенные эксперименты подтвердили справедливость полученного Максвеллом распределения по скоростям для атомных и молекулярных пучков.

Дата добавления: 2014-01-06