Skyriuje apie klausimą Sterno patirtis? trumpai papasakokite svarbiausią dalyką, kurio paprašė autorius Neuropatologas geriausias atsakymas yra Sterno eksperimentas buvo eksperimentas, kurį pirmą kartą atliko vokiečių fizikas Otto Sternas 1920 m. Eksperimentas buvo vienas pirmųjų praktinių medžiagos sandaros molekulinės kinetinės teorijos pagrįstumo įrodymų. Jis tiesiogiai išmatavo molekulių šiluminio judėjimo greitį ir patvirtino dujų molekulių pasiskirstymą pagal greitį.
Eksperimentui atlikti Sternas paruošė prietaisą, susidedantį iš dviejų skirtingo spindulio cilindrų, kurių ašis sutapo ir ant jo buvo uždėta platinos viela, padengta sidabro sluoksniu. Cilindrų viduje esančioje erdvėje buvo palaikomas pakankamai žemas slėgis nuolat siurbiant orą. Praleidus elektros srovę per laidą, buvo pasiekta sidabro lydymosi temperatūra, dėl kurios atomai pradėjo garuoti ir tolygiai ir tiesia linija skrido į vidinį mažo cilindro paviršių greičiu v, atitinkančiu įtampą. sriegio galai. Vidiniame cilindre buvo padarytas siauras plyšys, per kurį atomai galėjo netrukdomai skristi toliau. Cilindrų sienelės buvo specialiai aušinamos, o tai prisidėjo prie ant jų krintančių atomų „nusėdimo“. Šioje būsenoje ant didelio cilindro vidinio paviršiaus susidarė gana aiški siaura sidabrinės plokštelės juostelė, esanti tiesiai priešais mažojo cilindro plyšį. Tada visa sistema pradėjo suktis tam tikru pakankamai dideliu kampiniu greičiu ω. Šiuo atveju apnašų juosta pasislinko priešinga sukimosi krypčiai kryptimi ir prarado aiškumą. Išmatuodamas tamsiausios juostos dalies poslinkį s nuo jos padėties, kai sistema buvo ramybės būsenoje, Sternas nustatė skrydžio laiką, po kurio nustatė molekulių judėjimo greitį:
,
čia s – juostos poslinkis, l – atstumas tarp cilindrų, u – išorinio cilindro taškų judėjimo greitis.
Taip rastas sidabro atomų judėjimo greitis sutapo su greičiu, apskaičiuotu pagal molekulinės kinetikos teorijos dėsnius, o tai, kad gauta juostelė buvo neryški, liudijo, kad atomų greičiai yra skirtingi ir pasiskirstę pagal tam tikras dėsnis - Maksvelo pasiskirstymo dėsnis: atomai, kurie juda greičiau, pasislenka juostos, gautos ramybės būsenoje, atžvilgiu trumpesniais atstumais nei tie, kurie juda lėčiau.
Raktų laikiklis
Pro
(641)
turi rinktis, bet ko tu norėjai?
Devynioliktojo amžiaus antroje pusėje Brauno (chaotiško) molekulių judėjimo tyrimai sukėlė didelį daugelio to meto teorinių fizikų susidomėjimą. Škotijos mokslininko Jameso sukurta medžiaga, nors ji buvo visuotinai priimta Europos mokslo sluoksniuose, egzistavo tik hipotetine forma. Tada nebuvo jokio praktinio patvirtinimo. Molekulių judėjimas liko neprieinamas tiesioginiam stebėjimui, o jų greičio matavimas atrodė tiesiog neišsprendžiama mokslinė problema.
Štai kodėl eksperimentai, galintys praktiškai įrodyti patį materijos molekulinės sandaros faktą ir nustatyti jos nematomų dalelių judėjimo greitį, iš pradžių buvo suvokiami kaip esminiai. Tokių eksperimentų lemiama svarba fiziniam mokslui buvo akivaizdi, nes tai leido gauti praktinį vienos progresyviausių to meto teorijų – molekulinės kinetikos – pagrindimą ir pagrįstumą.
Iki dvidešimtojo amžiaus pradžios pasaulio mokslas buvo pasiekęs pakankamą išsivystymo lygį, kad atsirastų realios Maksvelo teorijos eksperimentinio patikrinimo galimybės. Vokiečių fizikas Otto Sternas 1920 m., naudodamas molekulinio pluošto metodą, kurį 1911 m. išrado prancūzas Louisas Dunoyeris, sugebėjo išmatuoti sidabro dujų molekulių judėjimo greitį. Sterno eksperimentas neginčijamai įrodė dėsnio pagrįstumą.Šio eksperimento rezultatai patvirtino atomų vertinimo teisingumą, kuris išplaukė iš hipotetinių Maxwello prielaidų. Tiesa, Sterno patirtis galėjo suteikti tik labai apytikslę informaciją apie patį greičio gradacijos pobūdį. Išsamesnės informacijos mokslui teko laukti dar devynerius metus.
Lammert'ui pavyko tiksliau patikrinti paskirstymo dėsnį 1929 m., kuris šiek tiek pagerino Sterno eksperimentą, perleisdamas molekulinį spindulį per porą besisukančių diskų, turinčių radialines skylutes ir pasislinkusius vienas kito atžvilgiu tam tikru kampu. Pakeitęs įrenginio sukimosi greitį ir kampą tarp skylių, Lammert sugebėjo atskirti atskiras molekules iš pluošto, turinčias skirtingas greičio charakteristikas. Tačiau būtent Sterno patirtis padėjo pagrindą eksperimentiniams tyrimams molekulinės kinetinės teorijos srityje.
1920 m. buvo sukurta pirmoji eksperimentinė instaliacija, reikalinga tokio pobūdžio eksperimentams atlikti. Jį sudarė pora cilindrų, kuriuos asmeniškai sukūrė Stern. Į prietaiso vidų buvo įdėtas plonas platinos strypas, padengtas sidabru, kuris išgaravo ašį kaitinant elektra. Esant vakuuminėms sąlygoms, kurios buvo sukurtos instaliacijos viduje, siauras sidabro atomų pluoštas praėjo per išilginį plyšį cilindrų paviršiuje ir nusėdo ant specialaus išorinio ekrano. Žinoma, agregatas judėjo, o per tą laiką, kai atomai pasiekė paviršių, jis sugebėjo pasisukti tam tikru kampu. Tokiu būdu Sternas nustatė jų judėjimo greitį.
Tačiau tai ne vienintelis Otto Sterno mokslinis pasiekimas. Po metų jis kartu su Walteriu Gerlachu atliko eksperimentą, kuris patvirtino sukimosi buvimą atomuose ir įrodė jų erdvinio kvantavimo faktą. Stern-Gerlach eksperimentui reikėjo sukurti specialią eksperimentinę sąranką su galia. Veikiant magnetiniam laukui, kurį sukuria šis galingas komponentas, jie buvo nukreipti pagal savo magnetinio sukimosi kryptį.
5 paskaita
Dėl daugybės dujų molekulių susidūrimų tarpusavyje (~10 9 susidūrimai per 1 sekundę) ir su indo sienelėmis susidaro tam tikras statistinis molekulių pasiskirstymas pagal greitį. Šiuo atveju visos molekulinių greičio vektorių kryptys pasirodo vienodai tikėtinos, o greičio moduliai ir jų projekcijos į koordinačių ašis paklūsta tam tikriems dėsniams.
Susidūrimų metu molekulių greičiai keičiasi atsitiktinai. Gali pasirodyti, kad viena iš susidūrimų serijos molekulių gaus energiją iš kitų molekulių ir jos energija bus žymiai didesnė už vidutinę energijos vertę tam tikroje temperatūroje. Tokios molekulės greitis bus didelis, bet vis tiek turės baigtinę reikšmę, nes didžiausias galimas greitis yra šviesos greitis – 3·10 8 m/s. Vadinasi, molekulės greitis paprastai gali turėti reikšmes nuo 0 iki kai kurių υ maks. Galima teigti, kad labai dideli greičiai, palyginti su vidutinėmis vertėmis, yra reti, kaip ir labai maži.
Kaip rodo teorija ir eksperimentai, molekulių pasiskirstymas pagal greitį nėra atsitiktinis, o gana apibrėžtas. Nustatykime, kiek molekulių arba kokia jų dalis turi greitį, esantį tam tikrame intervale, artimu tam tikram greičiui.
Tegul duotoje dujų masėje yra N molekulės, tuo tarpu dN molekulių greitis svyruoja nuo υ prieš υ +dυ. Akivaizdu, kad tai yra molekulių skaičius dN proporcingas bendram molekulių skaičiui N ir nurodyto greičio intervalo reikšmė dυ
Kur a- proporcingumo koeficientas.
Taip pat akivaizdu, kad dN priklauso nuo greičio υ , nes vienodo dydžio intervalais, bet esant skirtingoms absoliučioms greičio vertėms, molekulių skaičius skirsis (pavyzdys: palyginkite žmonių, gyvenančių 20–21 metų ir 99–100 metų, skaičių). Tai reiškia, kad koeficientas a formulėje (1) turi būti greičio funkcija.
Atsižvelgdami į tai, formoje perrašome (1).
(2)
Iš (2) gauname
(3)
Funkcija f(υ ) vadinama paskirstymo funkcija. Jo fizinė reikšmė išplaukia iš (3) formulės.
jei (4)
Vadinasi, f(υ ) yra lygus santykinei molekulių daliai, kurių greičiai patenka į greičio vieneto intervalą, artimą greičiui υ . Tiksliau, pasiskirstymo funkcija reiškia bet kurios dujų molekulės, kurios greitis yra, tikimybę vieneto intervalas artimas greitis υ . Štai kodėl jie ją vadina tikimybių tankis.
Integruojant (2) per visas greičio vertes nuo 0 iki gauname
(5)
Iš (5) išplaukia, kad
(6)
(6) lygtis vadinama normalizavimo būsena funkcijas. Jis nustato tikimybę, kad molekulė turi vieną iš greičio reikšmių nuo 0 iki . Molekulės greitis turi tam tikrą reikšmę: šis įvykis yra patikimas ir jo tikimybė lygi vienetui.
Funkcija f(υ ) 1859 m. rado Maxwellas. Ji buvo pavadinta Maksvelo paskirstymas:
(7)
Kur A– koeficientas, kuris nepriklauso nuo greičio, m- molekulinė masė, T– dujų temperatūra. Naudodamiesi normalizavimo sąlyga (6) galime nustatyti koeficientą A:
Paėmę šį integralą, gauname A:
Atsižvelgiant į koeficientą A Maxwell paskirstymo funkcija yra tokia:
(8)
Kai didėja υ (8) faktorius kinta greičiau nei auga υ 2. Todėl pasiskirstymo funkcija (8) prasideda nuo pradžios, pasiekia maksimumą prie tam tikro greičio reikšmės, vėliau mažėja, asimptotiškai artėjant prie nulio (1 pav.).
1 pav. Maksvelio molekulių pasiskirstymas
pagal greitį. T 2 > T 1
Naudodami Maksvelo pasiskirstymo kreivę galite grafiškai rasti santykinį molekulių, kurių greičiai yra tam tikrame greičio diapazone nuo υ prieš dυ(1 pav., tamsintos juostelės plotas).
Akivaizdu, kad visas plotas po kreive nurodo bendrą molekulių skaičių N. Iš (2) lygties, atsižvelgdami į (8), randame molekulių, kurių greičiai yra intervale nuo υ prieš dυ
(9)
Iš (8) taip pat aišku, kad konkreti pasiskirstymo funkcijos forma priklauso nuo dujų rūšies (molekulės masės m) ir temperatūra bei nepriklauso nuo dujų slėgio ir tūrio.
Jei izoliuota sistema išvedama iš pusiausvyros ir paliekama savieigai, po tam tikro laiko ji grįš į pusiausvyrą. Šis laikotarpis vadinamas atsipalaidavimo laikas. Skirtingoms sistemoms jis skiriasi. Jei dujos yra pusiausvyros būsenoje, tai molekulių pasiskirstymas pagal greitį laikui bėgant nekinta. Atskirų molekulių greičiai nuolat kinta, bet molekulių skaičius dN, kurių greičiai svyruoja nuo υ prieš dυ visą laiką išlieka pastovus.
Maksvelo molekulių greičio pasiskirstymas visada nustatomas, kai sistema pasiekia pusiausvyros būseną. Dujų molekulių judėjimas yra chaotiškas. Tikslus terminio judėjimo atsitiktinumo apibrėžimas yra toks: molekulių judėjimas yra visiškai chaotiškas, jei molekulių greičiai pasiskirstę pagal Maksvelą. Iš to išplaukia, kad temperatūrą lemia vidutinė kinetinė energija būtent chaotiški judesiai. Kad ir koks stipraus vėjo greitis bebūtų, jo „neįkaitins“. Net ir stipriausias vėjas gali būti ir šaltas, ir šiltas, nes dujų temperatūrą lemia ne kryptinis vėjo greitis, o chaotiško molekulių judėjimo greitis.
Iš pasiskirstymo funkcijos grafiko (1 pav.) matyti, kad molekulių, kurių greičiai yra tuose pačiuose intervaluose d, skaičius. υ , bet beveik skirtingu greičiu υ , daugiau jei greitis υ artėja prie greičio, atitinkančio funkcijos maksimumą f(υ ). Šis greitis υ n vadinamas labiausiai tikėtinu (labiausiai tikėtina).
Atskirkime (8) ir išvestinę prilyginkime nuliui:
Nes 
,
tada paskutinė lygybė tenkinama, kai:
(10)
(10) lygtis yra įvykdyta, kai:
IR 
Pirmosios dvi šaknys atitinka minimalias funkcijos reikšmes. Tada iš sąlygos randame greitį, atitinkantį pasiskirstymo funkcijos maksimumą:
Iš paskutinės lygties:
(11)
Kur R- universali dujų konstanta, μ - molinė masė.
Atsižvelgdami į (11) iš (8), galime gauti didžiausią pasiskirstymo funkcijos reikšmę
(12)
Iš (11) ir (12) matyti, kad didėjant T arba kai mažėja m kreivės maksimumas f(υ ) pasislenka į dešinę ir tampa mažesnis, tačiau plotas po kreive išlieka pastovus (1 pav.).
Norint išspręsti daugelį problemų, patogu naudoti sumažintą Maxwell paskirstymą. Pateikiame santykinį greitį:
Kur υ - nustatytas greitis, υ n- labiausiai tikėtinas greitis. Atsižvelgiant į tai, (9) lygtis yra tokia:
(13)
(13) yra universali lygtis. Šioje formoje paskirstymo funkcija nepriklauso nuo dujų rūšies ar temperatūros.
Kreivė f(υ ) yra asimetriškas. Iš grafiko (1 pav.) matyti, kad daugumos molekulių greitis yra didesnis nei υ n. Kreivės asimetrija reiškia, kad molekulių vidutinis aritmetinis greitis nėra lygus υ n. Aritmetinis vidutinis greitis lygus visų molekulių greičių sumai, padalytai iš jų skaičiaus:
Atsižvelgkime į tai, kad pagal (2)
(14)
Vertės pakeitimas į (14). f(υ ) iš (8) gauname vidutinį aritmetinį greitį:
(15)
Vidutinis molekulių greičio kvadratas gaunamas apskaičiuojant visų molekulių greičių kvadratų sumos ir jų skaičiaus santykį:
Po pakeitimo f(υ ) iš (8) gauname:
Iš paskutinės išraiškos randame vidutinį kvadratinį greitį:
(16)
Palyginus (11), (15) ir (16), galime daryti išvadą, kad ir vienodai priklauso nuo temperatūros ir skiriasi tik skaitinėmis reikšmėmis: (2 pav.).
2 pav. Maksvelo pasiskirstymas pagal absoliutaus greičio vertes
Maksvelo skirstinys galioja pusiausvyros būsenos dujoms; nagrinėjamų molekulių skaičius turi būti pakankamai didelis. Esant nedideliam skaičiui molekulių, galima pastebėti reikšmingų nukrypimų nuo Maksvelo pasiskirstymo (svyravimų).
Pirmąjį eksperimentinį molekulinių greičių nustatymą atliko Stern 1920 metais. Sterno įtaisą sudarė du skirtingo spindulio cilindrai, sumontuoti toje pačioje ašyje. Oras iš cilindrų buvo išpumpuotas į gilų vakuumą. Išilgai ašies buvo ištemptas platininis siūlas, padengtas plonu sidabro sluoksniu. Praleidus elektros srovę per siūlą, jis įkaisdavo iki aukštos temperatūros (~1200 o C), dėl ko išgaravo sidabro atomai.
Vidinio cilindro sienelėje buvo padarytas siauras išilginis plyšys, pro kurį praeidavo judantys sidabro atomai. Nusėdę ant išorinio cilindro vidinio paviršiaus, jie sudarė aiškiai matomą ploną juostelę tiesiai priešais plyšį.
Cilindrai pradėjo suktis pastoviu kampiniu greičiu ω. Dabar per plyšį praėję atomai nebeatsigyveno tiesiai priešais plyšį, o buvo pasislinkę tam tikru atstumu, nes skrydžio metu išorinis cilindras turėjo laiko pasisukti tam tikru kampu. Kai cilindrai sukasi pastoviu greičiu, atomų suformuotos juostos padėtis išoriniame cilindre pasislinko tam tikru atstumu. l.
Dalelės nusėda 1 taške, kai įrenginys stovi; kai įrenginys sukasi, dalelės nusėda 2 taške.
Gautos greičio vertės patvirtino Maksvelo teoriją. Tačiau šis metodas suteikė apytikslę informaciją apie molekulių greičio pasiskirstymo pobūdį.
Maksvelo pasiskirstymas buvo tiksliau patikrintas eksperimentais Lammert, Easterman, Eldridge ir Costa. Šie eksperimentai gana tiksliai patvirtino Maksvelo teoriją.
Tiesioginiai gyvsidabrio atomų greičio matavimai pluošte buvo atlikti 1929 m Lammert. Supaprastinta šio eksperimento schema parodyta Fig. 3.
3 pav. Lammerto eksperimento diagrama
1 - greitai besisukantys diskai, 2 - siauri plyšiai, 3 - orkaitė, 4 - kolimatorius, 5 - molekulių trajektorija, 6 - detektorius
Du diskai 1, sumontuoti ant bendros ašies, turėjo radialinius plyšius 2, paslinktus vienas kito atžvilgiu kampu φ . Priešais plyšius buvo krosnis 3, kurioje lydus metalas buvo kaitinamas iki aukštos temperatūros. Įkaitinti metalo atomai, šiuo atveju gyvsidabris, išskrido iš krosnies ir, naudojant kolimatorių 4, buvo nukreipti reikiama kryptimi. Dviejų plyšių buvimas kolimatoriuje užtikrino dalelių judėjimą tarp diskų tiesiu keliu 5. Toliau naudojant detektorių 6 buvo registruojami per diskų plyšius praėję atomai. Visa aprašyta instaliacija buvo patalpinta į gilų vakuumą. .
Kai diskai sukasi pastoviu kampiniu greičiu ω, pro plyšius laisvai prasiskverbdavo tik tam tikru greičiu turintys atomai. υ . Atomams, praeinantiems per abu plyšius, turi būti įvykdyta lygybė:
kur Δ t 1 - molekulių skrydžio tarp diskų laikas, Δ t 2 - laikas pasukti diskus kampu φ . Tada:
Pakeitus diskų sukimosi kampinį greitį, nuo pluošto buvo galima atskirti molekules tam tikru greičiu υ , ir pagal detektoriaus užfiksuotą intensyvumą spręskite jų santykinį kiekį pluošte.
Tokiu būdu buvo galima eksperimentiškai patikrinti Maksvelo molekulinio greičio pasiskirstymo dėsnį.
Dokumentiniai mokomieji filmai. Serija „Fizika“.
Magnetinių momentų buvimas atomuose ir jų kvantavimas buvo įrodytas tiesioginiais Sterno ir Gerlacho (1889-1979) eksperimentais 1921 m. Inde su dideliu vakuumu, naudojant diafragmas, buvo sukurtas smarkiai ribotas tiriamojo elemento atominis spindulys. garinant K krosnyje.Spindulys praėjo per stiprų magnetinio lauko lauką N
tarp elektromagneto polių N ir S. Vienas antgalių (N) atrodė kaip prizmė su aštria briauna, o išilgai kito (S) buvo apdirbtas griovelis. Dėl šios polių konstrukcijos magnetinis laukas buvo labai nehomogeniškas. Praėjęs per magnetinį lauką, spindulys atsitrenkė į fotoplokštę P ir paliko joje pėdsaką.
Pirmiausia apskaičiuokime atominio pluošto elgesį klasikiniu požiūriu, darydami prielaidą, kad nėra magnetinių momentų kvantavimo. Jei atomo m-magnetinis momentas, tai jėga veikia atomą netolygiame magnetiniame lauke
Nukreipkime Z ašį išilgai magnetinio lauko (ty iš N į S statmenai polių dalims). Tada jėgos projekcija šia kryptimi bus
Pirmieji du šios išraiškos terminai nevaidina jokio vaidmens.
Tiesą sakant, pagal klasikines koncepcijas, atomas magnetiniame lauke precesuoja aplink Z ašį, sukdamasis Larmoro dažniu.
(elektrono krūvis žymimas -e). Todėl projekcijos svyruoja tuo pačiu dažniu, pakaitomis tapdamos teigiamos ir neigiamos. Jei precesijos kampinis greitis yra pakankamai didelis, tada jėgos fz vidurkį galima apskaičiuoti laikui bėgant. Tokiu atveju pirmieji du terminai fz išraiškoje išnyks, ir mes galime rašyti
Norėdami susidaryti supratimą apie tokio vidurkio leistinumo laipsnį, atlikime skaitinį įvertinimą. Larmor precesijos laikotarpis yra
kur laukas H matuojamas gausais. Pavyzdžiui, esant H = 1000 G gauname s. Jei atomų greitis pluošte yra = 100 m/s = cm/s, tai per šį laiką atomas nukeliauja cm atstumą, kuris yra nereikšmingas, lyginant su visais būdingais įrenginio matmenimis. Tai įrodo atlikto vidurkio pritaikymą.
Tačiau formulę galima pateisinti ir kvantiniu požiūriu. Tiesą sakant, stipraus magnetinio lauko įtraukimas išilgai Z ašies sukelia atominę būseną, kurioje yra tik vienas specifinis magnetinio momento komponentas, būtent . Likę du šios būsenos komponentai negali turėti tam tikrų verčių. Matuodami tokioje būsenoje gautume skirtingas reikšmes, be to, jų vidurkiai būtų lygūs nuliui. Todėl net ir kvantiniais sumetimais vidurkinimas yra pateisinamas.
Nepaisant to, reikėtų tikėtis skirtingų eksperimentinių rezultatų klasikiniu ir kvantiniu požiūriu. Sterno ir Gerlacho eksperimentuose atominio pluošto pėdsakas pirmiausia buvo gautas išjungus magnetinį lauką, o vėliau jį įjungus. Jei projekcija galėtų įgyti visas įmanomas tęstines reikšmes, kaip reikalauja klasikinė teorija, tai jėga fz taip pat įgautų visas įmanomas tolydžios reikšmes. Įjungus magnetinį lauką, spindulys tik išsiplės. To negalima tikėtis iš kvantinės teorijos. Šiuo atveju projekcija mz ir kartu su ja vidutinė jėga fz yra kvantuojama, tai yra, jie gali užimti tik keletą atskirų pasirinktų verčių. Jeigu atomo orbitinis kvantinis skaičius lygus aš, tada pagal teoriją skaidant rezultatas bus spinduliai (t. y. jis lygus galimų reikšmių skaičiui, kurį gali užimti kvantinis skaičius m). Taigi, priklausomai nuo skaičiaus vertės aš galima tikėtis, kad spindulys suskils į 1, 3, 5, ... komponentus. Numatytas komponentų skaičius visada turi būti nelyginis.
Sterno ir Gerlacho eksperimentai įrodė projekcijos kvantavimą. Tačiau jų rezultatai ne visada atitiko aukščiau išdėstytą teoriją. Pradiniuose eksperimentuose buvo naudojami sidabro atomų pluoštai. Magnetiniame lauke spindulys buvo padalintas į dvi dalis. Tas pats nutiko vandenilio atomams. Kitų cheminių elementų atomams buvo gautas sudėtingesnis skilimo modelis, tačiau suskaidytų pluoštų skaičius buvo ne tik nelyginis, kaip reikalauja teorija, bet ir lyginis, o tai jai prieštarauja. Reikėjo pakoreguoti teoriją.
Prie to reikėtų pridėti Einšteino ir de Haaso (1878-1966), taip pat Barnet (1873-1956) eksperimentų, skirtų giromagnetiniam santykiui nustatyti, rezultatus. Pavyzdžiui, geležies atveju paaiškėjo, kad giromagnetinis santykis yra lygus, t.y., dvigubai didesnis, nei reikalauja teorija.
Galiausiai paaiškėjo, kad šarminių metalų spektriniai terminai turi vadinamąją dubletinę struktūrą, tai yra, jie susideda iš dviejų glaudžiai išdėstytų lygių. Norėdami apibūdinti šią trijų kvantinių skaičių n struktūrą, aš, m pasirodė esąs nepakankamas – reikėjo ketvirto kvantinio skaičiaus. Tai buvo pagrindinis motyvas, paskatinęs Uhlenbecką (g. 1900 m.) ir Goudsmitą (1902–1979) 1925 m. pristatyti elektronų sukimosi hipotezę. Šios hipotezės esmė yra ta, kad elektronas turi ne tik kampinį impulsą ir magnetinį momentą, susijusį su visos šios dalelės judėjimu. Elektronas taip pat turi savo arba vidinį mechaninį kampinį impulsą, šiuo atžvilgiu primenantį klasikinį viršūnę. Šis būdingas kampinis impulsas vadinamas sukimu (iš angliško žodžio to spin – suktis). Atitinkamas magnetinis momentas vadinamas sukimosi magnetiniu momentu. Šie momentai atitinkamai žymimi, priešingai nei orbitos momentai. Sukimasis dažniau žymimas tiesiog s.
Sterno ir Gerlacho eksperimentuose vandenilio atomai buvo s būsenos, t.y., jie neturėjo orbitos momentų. Branduolio magnetinis momentas yra nereikšmingas. Todėl Uhlenbeckas ir Goudsmitas pasiūlė, kad pluošto skilimą sukelia ne orbitalė, o sukimosi magnetinis momentas. Tas pats pasakytina ir apie eksperimentus su sidabro atomais. Sidabro atomas turi vieną atokiausią elektroną. Dėl savo simetrijos atomo šerdis neturi sukimosi ir magnetinių momentų. Visą sidabro atomo magnetinį momentą sukuria tik vienas išorinis elektronas. Kai atomas yra normalioje, t. y. s būsenoje, valentinio elektrono orbitinis impulsas lygus nuliui – visas impulsas yra sukinys.
Patys Uhlenbeckas ir Goudsmitas manė, kad sukinys atsiranda dėl elektrono sukimosi aplink savo ašį. Tuo metu egzistavęs atomo modelis tapo dar panašesnis į Saulės sistemą. Elektronai (planetos) sukasi ne tik aplink šerdį (Saulę), bet ir aplink savo ašis. Tačiau iš karto paaiškėjo tokios klasikinės nugaros idėjos nenuoseklumas. Pauli sistemingai įtraukė sukimąsi į kvantinę mechaniką, tačiau atmetė bet kokią galimybę klasikinei šio dydžio interpretacijai. 1928 m. Diracas parodė, kad elektrono sukinys buvo automatiškai įtrauktas į jo elektronų teoriją, pagrįstą reliatyvistine bangų lygtimi. Dirako teorijoje taip pat yra elektrono sukimosi magnetinis momentas, o giromagnetiniam santykiui gaunama vertė, atitinkanti eksperimentą. Tuo pačiu metu nieko nebuvo pasakyta apie vidinę elektrono struktūrą – pastarasis buvo laikomas taškine dalele, turinti tik krūvį ir masę. Taigi elektronų sukinys pasirodė esąs kvantinis reliatyvistinis efektas, neturintis klasikinės interpretacijos. Tada sukimosi, kaip vidinio kampinio momento, sąvoka buvo išplėsta į kitas elementarias ir sudėtingas daleles ir rado patvirtinimą bei platų pritaikymą šiuolaikinėje fizikoje.
Žinoma, bendrosios fizikos kurse nėra galimybės gilintis į išsamią ir griežtą sukimosi teoriją. Imame pradinę padėtį, kad sukinys s atitinka vektorinį operatorių, kurio projekcijos tenkina tuos pačius komutavimo ryšius kaip ir orbitinio momento operatoriaus projekcijos, t.y.
Iš jų išplaukia, kad viso sukinio kvadratas ir viena iš jo projekcijų tam tikroje ašyje (dažniausiai laikoma Z ašimi) gali turėti tam tikras vertes toje pačioje būsenoje. Jei didžiausia projekcijos sz reikšmė (vienetais ) lygi s, tai visų galimų projekcijų, atitinkančių duotą s, skaičius bus lygus 2s + 1. Sterno ir Gerlacho eksperimentai parodė, kad elektronui šis skaičius yra 2, ty 2s + 1 = 2, iš kur s = 1/2. Didžiausia vertė, kurią gali įgauti sukinio projekcija pasirinkta kryptimi (vienetais), ty skaičius s, yra laikoma dalelės sukimosi reikšme.
Dalelės sukinys gali būti sveikasis arba pusiau sveikasis skaičius. Todėl elektrono sukinys yra 1/2. Iš komutavimo ryšių išplaukia, kad dalelės sukinys kvadratu yra lygus , o elektronui (2 vienetais).
Magnetinio momento projekcijos matavimai Sterno ir Gerlacho metodu parodė, kad vandenilio ir sidabro atomams reikšmė lygi Boro magnetonui, t.y. Taigi, giromagnetinis santykis elektronui
Savivaldybės ugdymo įstaigos gimnazija Nr
Centrinis Volgogrado rajonas
Fizikos pamoka šia tema
Molekulių judėjimas. Eksperimentinis molekulinių greičių nustatymas
10 klasė
Parengė: aukščiausios kategorijos fizikos mokytojas
Petrukhina
Marina Anatolyevna.
UMK: N. S. Purysheva,
N. E. Važejevskaja,
D. A. Isajevas
„Fizika - 10“, šio vadovėlio darbaknygė ir vadovėlio daugialypės terpės programa.
Volgogradas, 2015 m
Pamoka šia tema
Molekulių judėjimas.
Eksperimentinis molekulinių greičių nustatymas
10 klasė
anotacija.
Suprasti svarbiausius šiuolaikinės fizikos klausimus neįmanoma be kai kurių, bent jau elementariausių idėjų apie statistinius dėsnius. Dujų vertinimas kaip sistema, susidedanti iš daugybės dalelių, leidžia mums prieinama forma pateikti idėją apie tokių sistemų tikimybę, statistinį dėsnių pobūdį, statistinius pasiskirstymus, nurodančius, kokia tikimybe yra sistemos dalelės. turėti vienokią ar kitokią jų būseną lemiančių parametrų reikšmę ir, remdamiesi tuo, nubrėžkite pagrindines klasikinės dujų teorijos nuostatas. Viena iš pamokų, leidžiančių suformuoti šią idėją, yra pristatyta „Drofa“ leidyklos mokymo medžiagos pamoka: N. S. Puryshevos, N. E. Važejevskajos, D. A. Isajevo fizikos vadovėlis, šio vadovėlio darbaknygė ir daugialypės terpės programa vadovėliui.
Aiškinamasis raštas.
Šią pamoką galima vesti studijuojant temą „Materijos MCT sandaros pagrindai“ 10 klasėje.
Nauja pamokos medžiaga leidžia mokiniams pagilinti dujų kinetinės teorijos pagrindų žinias ir panaudoti jas sprendžiant įvairių dujų molekulių greičių nustatymo uždavinius.
Kiekvieną pamokos etapą lydi teminė multimedijos programos skaidrė ir vaizdo fragmentas.
Pamokos tikslas:
Veikla: naujų mokinių veiklos būdų formavimas (gebėjimas užduoti efektyvius klausimus ir į juos atsakyti; probleminių situacijų aptarimas; gebėjimas vertinti savo veiklą ir žinias).
Pamokos tikslai:
Švietimas: ugdyti gebėjimą analizuoti, lyginti, perkelti žinias į naujas situacijas, planuoti savo veiklą konstruojant atsakymą, atliekant užduotis ir ieškant veiklos pagal fizines sąvokas (tikėtiniausias greitis, vidutinis greitis, vidutinis kvadratinis greitis), intensyvinti protinę veiklą. studentai.
Švietimas: ugdyti discipliną atliekant grupines užduotis, sudaryti sąlygas teigiamai motyvacijai studijuojant fiziką, naudojant įvairias veiklos technikas, perduodant įdomią informaciją; ugdyti pagarbos pašnekovui jausmą, individualią bendravimo kultūrą.
Vystomasis: ugdyti gebėjimą žodine kalba konstruoti savarankiškus teiginius remiantis išmokta mokomąja medžiaga, ugdyti loginį mąstymą, ugdyti vieningo matematinio požiūrio gebėjimą kiekybiniam fizikinių reiškinių aprašymui remiantis molekulinėmis sąvokomis sprendžiant uždavinius.
Pamokos tipas: naujos medžiagos mokymosi pamoka.
Mokymo metodai: euristinė, aiškinamoji – iliustracinė, problemų sprendimo, demonstracinės ir praktinės užduotys, fizinio turinio problemų sprendimas.
Tikėtini Rezultatai:
gebėti daryti išvadas remiantis eksperimentu;
sukurti diskusijų taisykles ir jų laikytis;
suprasti aptariamų klausimų prasmę ir parodyti susidomėjimą tema.
Parengiamasis etapas: pagrindinių lygčių, priklausomybių šia tema žinios (kiekvienam studentui prieinamas teorinis blokas paskaitos-konspekto pavidalu)
Įranga: prietaisas Sterno eksperimentui demonstruoti;
kompiuteris ir projektorius pristatymui ir vaizdo klipui „The Stern Experience“ demonstruoti.
Pamokos etapai.
Organizacinis etapas (pasisveikinimas, pasirengimo pamokai tikrinimas, emocinė nuotaika), (1 min.)
Tikslų nustatymo etapas, pamokos uždaviniai ir uždaviniai apie molekulių greičio matavimo metodą, (4 min.)
Naujos mokomosios medžiagos studijavimo etapas, pristatymo skaidrės su mokinių komentarais, leidžiančios susidaryti vizualinį temos įspūdį, aktyvinti regimąją atmintį (patikrinti šios temos sąvokų sistemos įvaldymo lygį), (20 min.)
Įgytų žinių įtvirtinimo sprendžiant problemas etapas (žinių pritaikymas praktikoje ir antrinis jų suvokimas), (8 min.)
Pamokos apibendrinimo ir apibendrinimo etapas (išanalizuokite žinių ir veiklos metodų įsisavinimo sėkmę), (4 min.)
Informacija apie namų darbus (siekiama toliau tobulinti žinias), (1 min.)
Apmąstymas, (2 minutės)
Pamokos scenarijus.
Fizikos mokytojo veikla
Studentų veikla
Organizacinis etapas.
Sveiki bičiuliai! Džiaugiuosi galėdamas pasveikinti jus pamokoje, kurioje ir toliau atversime klasikinės dujų teorijos žinių puslapius. Mūsų laukia įdomūs atradimai. Sveikinkite vieni kitus.
Tada pradėkime...
Tikslų nustatymas ir motyvacija.
Paskutinėje pamokoje susipažinome su pagrindiniais idealių dujų molekulinės kinetinės teorijos principais. Dalyvaujančios nuolatiniame chaotiškame judėjime, molekulės nuolat susiduria viena su kita, o susidūrusių dalelių skaičius jų greitis yra skirtingi kiekvienu laiko momentu.
Kaip manote, kokia pamokos tema mūsų „laukia“ šiandien?
Taip, iš tikrųjų tikslas, kurį šiandien keliame sau, yra susipažinti su vienu iš molekulių judėjimo greičio nustatymo metodų – molekulinio pluošto metodu, kurį 1920 metais pasiūlė vokiečių fizikas Otto Sternas.
Atsivertėme sąsiuvinius, užsirašėme šios dienos pamokos datą ir temą: Molekulių judėjimas. Molekulinio judėjimo greičių eksperimentinis nustatymas.
Prisiminkime, koks yra molekulių šiluminio judėjimo greitis?
Apskaičiuokime sidabro molekulių greitį Ag garuojant nuo paviršiaus, T = 1500K.
Priminsiu, kad garso greitis – 330 m/s, o sidabro molekulių – 588 m/s, palyginkite.
Apskaičiuokime vandenilio molekulių greitį H 2 esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui T=28K.
Pavyzdžiui: keleivinio lėktuvo greitis 900 m/s, Mėnulio greitis aplink Žemę 1000 m/s.
Dabar atsistokite į XIX amžiaus mokslininkų vietą, kai buvo gauti šie duomenys, kilo abejonių dėl pačios kinetinės teorijos teisingumo. Juk žinoma, kad kvapai sklinda gana lėtai: užtrunka keliasdešimt sekundžių, kol viename kambario kampe išsiliejęs kvepalų kvapas pasklis į kitą kampą.
Taigi kyla klausimas: koks yra tikrasis molekulių greitis?
Ar pasklidus kvepalų kvapui kažkas netrukdo kvepalų molekulėms?
Kaip tai veikia kryptingo molekulių judėjimo greitį?
Apskaičiuokime vandenilio molekulių greitį H 2 esant artimai kambario temperatūrai T=293K.
Tada koks greitis? Ką?
Tačiau kaip tai išmatuoti, nustatyti jo vertę praktiškai? Išspręskime šią problemą:
Tegul bus 1 molekulė. Būtina nustatyti molekulių laisvojo kelio greitį. Kaip molekulės juda tarp susidūrimų?
Tegul molekulė nukeliauja 1 metrą, suraskite laiką 1911 m/s vandenilio greičiu, pasirodo 0,00052 s.
Kaip matote, laikas yra labai trumpas.
Problema vėl iškyla!
Naujos mokomosios medžiagos mokymosi etapas.
Neįmanoma išspręsti šios problemos mokykloje; Otto Sternas (1888–1970) tai padarė už mus 1920 m., pakeisdamas transliacinį judesį sukamuoju.
Pažiūrėkime trumpą vaizdo klipą ir tada aptarkime kai kuriuos klausimus.
Kokią instaliaciją naudojo O. Sternas?
Kaip buvo atliktas eksperimentas?
Greičio vertės buvo artimos greičiui, apskaičiuotam pagal formulę:
, 
,
Kur 
– taškų tiesinis greitis cilindro B paviršiuje.
, Tai
, kuris sutampa su molekuline kinetikos teorija. Molekulių greitis sutampa su apskaičiuotuoju, gautu remiantis MCT, tai buvo vienas iš jo pagrįstumo patvirtinimų.
Iš O. Sterno eksperimento buvo nustatyta, kad 120 0 C temperatūroje daugumos sidabro atomų greičiai svyruoja nuo 500 m/s iki 625 m/s. Pasikeitus eksperimentinėms sąlygoms, pavyzdžiui, medžiagos, iš kurios pagamintas laidas, temperatūrai, gaunamos kitos greičio reikšmės, tačiau atomų pasiskirstymo nusodintame sluoksnyje pobūdis nesikeičia.
Kodėl Sterno eksperimente sidabrinė juostelė yra pasislinkusi ir neryški kraštuose, taip pat nevienodo storio?
Kokią išvadą galima padaryti apie atomų ir molekulių greičio pasiskirstymą?
Apsvarstykite vadovėlio lentelę Nr. 12 98 puslapyje apie azoto molekules. Ką galima pamatyti iš stalo?
Anglų fizikas D.C.Maxwellas taip pat laikė neįtikėtinu, kad visos molekulės juda vienodu greičiu. Jo nuomone, esant bet kokiai temperatūrai, daugumos molekulių greitis yra gana siaurose ribose, tačiau kai kurios molekulės gali judėti didesniu ar mažesniu greičiu. Be to, mokslininkas tikėjo, kad kiekviename dujų tūryje tam tikroje temperatūroje yra labai mažo ir labai didelio greičio molekulių. Susidurdamos viena su kita, vienos molekulės padidina greitį, o kitos mažina. Bet jei dujos yra nejudančios būsenos, tai molekulių skaičius vienokiu ar kitokiu greičiu išlieka pastovus. Remdamasis šia idėja, D. Maksvelas ištyrė molekulių greičio pasiskirstymo stacionarios būsenos dujose klausimą.
Šią priklausomybę jis nustatė gerokai prieš O. Sterno eksperimentus. D. K. Maxwello darbo rezultatai sulaukė visuotinio pripažinimo, tačiau nebuvo patvirtinti eksperimentiškai. Tai padarė O. Sternas.
Pagalvok apie tai? Koks O. Sterno nuopelnas?
Pažiūrėkime į pav. 64 vadovėlio 99 puslapyje ir išnagrinėti molekulių pasiskirstymo pagal greitį pobūdį.
Molekulinio greičio pasiskirstymo funkcijos forma, kurią D. Maxwellas nustatė teoriškai, kokybiškai sutapo su sidabro atomų nusėdimo ant žalvario plokštės profiliu O. Sterno eksperimente.
Sidabrinės juostelės profilio tyrimas leido mokslininkui padaryti išvadą apie jos egzistavimą labiausiai tikėtinas vidutinis greitis dalelių judėjimas (t. y. greitis, kuriuo juda didžiausias molekulių skaičius).
Kur pasiskirstymo kreivės maksimumas pasislenka didėjant temperatūrai?
Be labiausiai tikėtinų ir vidutinių greičių, molekulių judėjimui būdingas vidutinis greičio kvadratas:
, o šios reikšmės kvadratinė šaknis yra vidutinis kvadratinis greitis.
Dar kartą pažiūrėkime, kaip atsirado pažinimas tiriant molekulių judėjimo greičio klausimą?
Įgytų žinių įtvirtinimo sprendžiant problemas etapas.
Atlikime matematinius skaičiavimus ir išbandykime teoriją konkrečioje situacijoje.
Užduotis Nr.1
Kokį greitį turėjo sidabro garų molekulė, jei jos kampinis poslinkis Sterno eksperimente buvo 5,4º, kai prietaiso sukimosi greitis buvo 150 sˉ¹? Atstumas tarp vidinio ir išorinio cilindro yra 2 cm.
Apibendrinimo etapas ir pamokos apibendrinimas
Šiandien pamokoje sužinojome apie vieną iš molekulių judėjimo greičio nustatymo metodų – molekulinio pluošto metodą, kurį pasiūlė vokiečių fizikas Otto Sternas.
Kokią reikšmę turi O. Sterno patirtis plėtojant idėjas apie materijos sandarą?
Informacija apie namų darbus.
Atspindys.
Per mūsų pamoką jūs parodėte, kad esate pastabūs teoretikai, gebantys ne tik pastebėti viską, kas nauja ir įdomu aplinkui, bet ir savarankiškai atlikti mokslinius tyrimus.
Mūsų pamoka baigėsi.
Atsakykime į klausimą: „Kas tau patiko pamokoje? ir "Ką prisiminėte iš pamokos?"
Baigdamas noriu pacituoti Virey žodžius:
„Visi atradimai moksle ir filosofijoje dažnai kyla iš apibendrinimų arba fakto pritaikymo kitiems panašiems faktams“.
Ačiū, vaikinai, kad dirbate kartu. Man buvo malonu susipažinti. Iki!
Pamokos tema: Molekulių judėjimo greičio nustatymas.
(mokiniai į sąsiuvinius užsirašo pamokos datą ir temą)
(kelių mokinių atsakymai)
, kitoje pusėje
žinant tai 
, iš čia
, arba 
, Kur
- universali dujų konstanta, 
8,31 
Sidabro molekulių greitis viršgarsinis.
590m/s, tas pats!!! Negali būti!
Kokį greitį turėtume rasti ir išmatuoti?
Oro molekulės trukdo.
Jis mažėja.
Turime didelį greitį, ir niekas netrukdo molekulėms judėti?
Laisvas molekulių greitis.
Tolygiai.
Kaip jį išmatuoti?
(Žiūrėti video)
Instaliaciją sudarė: platinos siūlas, padengtas plonu sidabro sluoksniu, kuris buvo išilgai ašies cilindro viduje, kurio spindulys 
ir išorinis cilindras 
. Iš cilindro išpumpuojamas oras.
Per laidą praleidžiant elektros srovę, jis įkaisdavo iki temperatūros, viršijančios sidabro lydymosi temperatūrą 961,9 0 C. Išorinio cilindro sienelės buvo atvėsintos, kad sidabro molekulės geriau nusėstų ekrano kelyje. Įrenginys buvo sukamas 2500 – 2700 aps./min kampiniu greičiu.
Sukant prietaisą sidabro juostelė įgavo kitokią išvaizdą, nes jei visi atomai, skrendantys iš siūlų, būtų vienodu greičiu, tada plyšio vaizdas ekrane nepasikeistų forma ir dydžiu, o tik pasislinktų. šiek tiek į šoną. Sidabrinės juostelės neryškumas rodo, kad iš karšto siūlelio išbėgantys atomai juda skirtingu greičiu. Greitai judantys atomai juda mažiau nei atomai, judantys lėčiau.
Atomų ir molekulių pasiskirstymas pagal greitį rodo tam tikrą jų judėjimą apibūdinantį modelį.
Lentelėje matyti, kad daugiausia azoto molekulių turi greitį nuo 300 m/s iki 500 m/s.
91% molekulių greitis yra nuo 100 m/s iki 700 m/s.
9% molekulių greitis yra mažesnis nei 100 m/s ir didesnis nei 700 m/s.
O. Sternas, naudodamas prancūzų fiziko Louiso Dunoyer (1911) išrastą molekulinio pluošto metodą, išmatavo dujų molekulių greitį ir eksperimentiškai patvirtino dujų molekulių pasiskirstymą greičiu, gautu D. C. Maxwello. Sterno eksperimento rezultatai patvirtino vidutinio atomų greičio įvertinimo teisingumą, kuris išplaukia iš Maksvelo skirstinio.
Iš grafiko buvo galima nustatyti plyšio vaizdo vidurio poslinkį ir atitinkamai apskaičiuoti Vidutinis greitis
atomų judėjimas.
Esant T 2 T 1 pasiskirstymo kreivės maksimumas pasislenka į didesnių greičio verčių sritį.
N. S. Purysheva, N. E. Vazheevskaya, D. A. Isaev, vadovėlis „Fizika - 10“, šio vadovėlio darbo knyga.
Fizika: 3800 uždavinių moksleiviams ir stojantiems į universitetus. – M.: Bustardas, 2000 m.
Rymkevičius A.P. Fizikos uždavinių rinkinys. 10-11 klasių – M.: Bustard, 2010 m.
L.A. Kirikas „Nepriklausomas ir bandomasis fizikos darbas“. 10 klasė. M.: Ilexa, Charkovas: Gimnazija, 1999 m.
Enciklopedija vaikams. Technika. M.: Avanta+, 1999 m.
Enciklopedija vaikams. Fizika. I dalis M.: Avanta+, 1999 m.
Enciklopedija vaikams. Fizika. Ch.P.M.: Avanta+, 1999 m.
Fizinis eksperimentas mokykloje./ Comp. G. P. Mansvetova, V. F. Gudkova. - M.: Išsilavinimas, 1981 m.
Glazunovas A. T. Technologijos vidurinės mokyklos fizikos kursuose. M.: Išsilavinimas, 1977 m.
Iš pradžių buvo iškelta hipotezė, kad molekulės juda skirtingu greičiu.
Šie greičiai yra susiję su temperatūra ir yra tam tikras molekulių pasiskirstymo pagal greitį dėsnis, kuris išplaukia iš stebėjimų, ypač Brauno judėjimo.
Eksperimentas yra vienas iš pagrindinių fizinių eksperimentų. Šiuo metu atominis-molekulinis mokymas buvo patvirtintas daugybe eksperimentų ir yra visuotinai priimtas.
Ugdomųjų veiksmų atspindys.
Šiandien sužinojau...
Tai buvo įdomu…
Buvo sunku…
Supratau, kad...išmokau...
Buvau nustebęs...
Naudotos knygos:
Elektroninės programos:
L. Ya. Borevsky „XXI amžiaus fizikos kursas“, pagrindinis + moksleiviams ir pretendentams. MediaHouse. 2004 m
Interaktyvus fizikos kursas 7 – 11 klasėms. „Physikon LLC“, 2004 m. Rusiška „Gyvosios fizikos“ versija, Naujųjų technologijų institutas
Fizika, X-XI kl. Multimedijos kursas-M.: Russobit Publishing LLC.-2004 (http://www. russobit-m. ru/)
Atvira fizika. Per 2 valandas (CD) / Red. CM. Ožka. – M.: Physikon LLC. – 2002 m. (http://www.physicon.ru/.)
