Номер 2, страница 83 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

2. В чем заключается опыт Штерна?

2. В чем заключается опыт Штерна?

Опыт Штерна, проведенный в 1920 году немецким физиком Отто Штерном, — это эксперимент, который позволил впервые напрямую измерить скорости теплового движения атомов и экспериментально подтвердить закон распределения молекул по скоростям (распределение Максвелла), являющийся одним из столпов молекулярно-кинетической теории.

Суть эксперимента заключается в следующем. В вакуумной камере размещаются два коаксиальных цилиндра. Вдоль их общей оси натянута платиновая нить, покрытая слоем вещества, атомы которого нужно исследовать (в оригинальном опыте — серебро). При нагревании нити электрическим током вещество испаряется, и его атомы разлетаются во все стороны. Во внутреннем цилиндре имеется узкая продольная щель, через которую может пройти только узкий пучок атомов, летящих в радиальном направлении. Эти атомы попадают на внутреннюю поверхность холодного внешнего цилиндра и оседают на ней.

Если система неподвижна, то атомы образуют на внешнем цилиндре узкую полоску точно напротив щели. В основной части эксперимента вся система (оба цилиндра) приводится в быстрое вращение с постоянной угловой скоростью $\omega$. Атомы, вылетевшие из щели, по-прежнему движутся по прямой к внешнему цилиндру. Однако за время их полета $t$ цилиндры успевают повернуться на некоторый угол $\Delta\phi = \omega t$. В результате атомы попадают на внешний цилиндр не в исходную точку, а в точку, смещенную на расстояние $s$ в сторону, противоположную вращению.

Время полета $t$ зависит от скорости атома $v$: $t = \frac{R_2 - R_1}{v}$, где $R_1$ и $R_2$ — радиусы внутреннего и внешнего цилиндров. Смещение $s$ на поверхности внешнего цилиндра равно $s = R_2 \Delta\phi = R_2 \omega t = \frac{R_2 \omega (R_2 - R_1)}{v}$.

Из этой формулы видно, что смещение $s$ обратно пропорционально скорости атома $v$. Поэтому, измерив $s$, можно вычислить скорость: $v = \frac{R_2 \omega (R_2 - R_1)}{s}$.

Главный результат опыта состоял в том, что на вращающемся цилиндре осаждалась не одна смещенная узкая линия, а широкая, размытая полоса. Это означало, что атомы пара имеют не одну и ту же скорость, а целый спектр скоростей. Наиболее быстрые атомы смещались меньше, а наиболее медленные — больше. Анализируя распределение толщины (плотности) напыленного слоя серебра по ширине полосы, удалось восстановить функцию распределения атомов по скоростям. Это распределение оказалось в прекрасном согласии с теоретически предсказанным распределением Максвелла.

Ответ: Опыт Штерна заключается в измерении скоростей атомов путем анализа смещения пучка атомов, осаждающихся на стенку вращающегося цилиндра. Эксперимент доказал, что атомы в газе имеют не одну, а различные скорости, и подтвердил справедливость закона Максвелла о распределении молекул по скоростям, что стало фундаментальным подтверждением молекулярно-кинетической теории.