Ответьте на вопросы, страница 80 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему в опыте Штерна установку помещают в вакуумную камеру?

2. Почему толщина слоя серебра, осаждающегося на поверхность вращающегося цилиндра, в опыте Штерна не везде одинакова?

Рис. 97. График зависимости силы взаимодействия атомов от расстояния между ними

1. Почему в опыте Штерна установку помещают в вакуумную камеру?

Опыт Штерна был поставлен для экспериментального определения скоростей атомов и проверки положений молекулярно-кинетической теории. В этом эксперименте пучок атомов (например, серебра) движется от источника к детектору (вращающемуся цилиндру).

Если бы в камере находился воздух, то атомы серебра на своем пути сталкивались бы с молекулами газов, входящих в состав воздуха (азота, кислорода и др.). Каждое такое столкновение приводило бы к изменению скорости и направления движения атома серебра. В результате, до детектора долетали бы не все атомы, а те, что долетели, имели бы скорости, отличающиеся от их первоначальных скоростей. Это сделало бы невозможным измерение истинного распределения скоростей атомов, вылетающих из источника.

Для того чтобы атомы двигались от источника к детектору без столкновений, необходимо обеспечить им свободный путь. Это достигается путем создания в камере глубокого вакуума (сильно разреженной среды). В вакууме расстояние, которое частица может пролететь без столкновений (длина свободного пробега), становится много больше размеров установки. Таким образом, атомы движутся прямолинейно, сохраняя свою скорость, что позволяет корректно измерить их.

Ответ: Установку в опыте Штерна помещают в вакуумную камеру для того, чтобы исключить столкновения атомов исследуемого вещества с молекулами воздуха. Это позволяет атомам двигаться прямолинейно, не меняя своей скорости на пути от источника до детектора, что является необходимым условием для корректного измерения их скоростей.

2. Почему толщина слоя серебра, осаждающегося на поверхность вращающегося цилиндра, в опыте Штерна не везде одинакова?

Толщина слоя серебра, который оседает на вращающемся цилиндре, напрямую зависит от количества атомов, попавших на данный участок поверхности. Неодинаковая толщина этого слоя объясняется тем, что атомы в пучке, вылетающем из источника, имеют разные скорости.

Согласно молекулярно-кинетической теории, скорости атомов в газе или паре распределены по закону Максвелла-Больцмана. Это означает, что в пучке есть как очень быстрые, так и очень медленные атомы, но большинство атомов имеют скорости, близкие к некоторому наиболее вероятному значению.

В ходе эксперимента вращающийся цилиндр разделяет атомы по скоростям.

• Атомы с большой скоростью проходят расстояние от щели до цилиндра за меньшее время. За это время цилиндр успевает повернуться на небольшой угол, и эти атомы оседают ближе к "нулевой" отметке (место, куда бы они попали при неподвижном цилиндре).
• Атомы с малой скоростью летят дольше. За это время цилиндр поворачивается на больший угол, и они оседают дальше от "нулевой" отметки.

Поскольку количество атомов для каждого значения скорости разное (согласно распределению Максвелла), то и количество атомов, попадающих на разные участки цилиндра, будет разным. Наибольшее количество атомов имеет скорость, близкую к наиболее вероятной. Поэтому полоска серебра будет самой толстой и яркой в том месте, куда попадают эти атомы. В областях, соответствующих очень малым или очень большим скоростям, слой серебра будет значительно тоньше, так как таких атомов в пучке гораздо меньше. Таким образом, получившаяся на цилиндре полоска неодинаковой толщины является наглядным изображением распределения атомов по скоростям.

Ответ: Толщина слоя серебра не везде одинакова, потому что атомы в пучке имеют разные скорости, распределенные по закону Максвелла-Больцмана. Вращающийся цилиндр разделяет атомы по скоростям, и толщина осажденного слоя в каждом месте пропорциональна числу атомов, имевших соответствующую скорость. Так как число атомов с разными скоростями неодинаково, то и толщина слоя получается переменной.