5.5. Экспериментальная проверка распределения Максвелла
Первым экспериментальным подтверждением существования распределения молекул по скоростям можно считать результаты опыта Штерна, описанного в параграфе 2.3. Но точность этого опыта была недостаточной для установления конкретного вида распределения.
Прямые измерения скорости атомов ртути в пучке были выполнены в 1929 году Ламмертом. Упрощенная схема этого эксперимента показана на рис. 5.6. | Рис. 5.6. Схема опыта Ламмерта 1 - быстро вращающиеся диски, 2 - узкие щели, 3 - печь, 4 - коллиматор, 5 - траектория молекул, 6 - детектор |
Два диска 1, насаженные на общую ось, имели радиальные прорези 2, сдвинутые друг относительно друга на угол ![](../images/ch5_5/fml1.gif) . Напротив щелей находилась печь 3, в которой нагревался до высокой температуры легкоплавкий металл. Разогретые атомы металла, в данном случае ртути, вылетали из печи и с помощью коллиматора 4 направлялись в необходимом направлении. Наличие двух щелей в коллиматоре обеспечивало движение частиц между дисками по прямолинейной траектории 5, параллельной их оси. В установке Ламмерта в дисках было сделано множество щелей (они на рисунке не изображены) с целью увеличения интенсивности прошедшего пучка. Далее атомы, прошедшие прорези в дисках, регистрировались с помощью детектора 6. Вся описанная установка помещалась в глубокий вакуум.
При вращении дисков с постоянной угловой скоростью ![](../images/ch5_5/fml2.gif) , через их прорези беспрепятственно проходили только атомы, имевшие скорость ![](../images/ch5_5/fml3.gif) :
, | (5.75) |
где ![](../images/ch5_5/fml5.gif) - расстояние между вращающимися дисками.
Изменяя угловую скорость вращения дисков можно было отбирать из пучка молекулы, имеющие определенную скорость ![](../images/ch5_5/fml6.gif) , 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, названным 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 (1900 - 1973) совместно с О. Симпсоном и Штерном. На рис. 5.7. приведено схематическое изображение опыта Эстермана. Пучок атомов цезия вылетал через отверстие в печи 1 с некоторой скоростью ![](../images/ch5_5/fml7.gif) 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 ![](../images/ch5_5/fml8.gif) . | Рис. 5.7. Схема опыта Эстермана 1 - печь, 2 - диафрагма с узкой щелью, 3 - детектор |
Величина отклонения ![](../images/ch5_5/fml9.gif) пучка в гравитационном поле Земли зависела от скорости атома. В этих опытах отклонение ![](../images/ch5_5/fml10.gif) составляло величину порядка нескольких долей миллиметра при расстоянии ![](../images/ch5_5/fml11.gif) 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 ![](../images/ch5_5/fml12.gif) . Последующий пересчет, с учетом известной зависимости высоты ![](../images/ch5_5/fml13.gif) от скорости атома ![](../images/ch5_5/fml14.gif) , давал распределение по скоростям атомов цезия.
Все проведенные эксперименты подтвердили справедливость полученного Максвеллом распределения по скоростям для атомных и молекулярных пучков.
|