Досвід Штерна - експериментальне обгрунтування молекулярно-кінетичної теорії

У другій половині дев'ятнадцятого століття дослідження броунівського (хаотичного) руху молекул викликало гострий інтерес у багатьох фізиків-теоретиків того часу. Розроблена шотландським вченим Джеймсом Максвеллом теорія молекулярно-кінетичного будови речовини хоч і була загальновизнаною в європейських наукових колах, але існувала лише в гіпотетичному вигляді. Ніякого практичного її підтвердження тоді не було. Рух молекул залишалося недоступним безпосередньому спостереженню, а вимір їх швидкості здавалася просто нерозв'язною науковою проблемою.

Досвід Штерна

Саме тому експерименти, здатні на практиці довести сам факт молекулярної будови речовини і визначити швидкість руху його невидимих частинок, спочатку сприймалися як фундаментальні. Вирішальне значення таких експериментів для фізичної науки було очевидно, тому що дозволяло отримати практичне обґрунтування і доказ справедливості однією з найпрогресивніших теорій того часу - молекулярно-кінетичної.

До початку двадцятого сторіччя світова наука досягла достатнього рівня розвитку для появи реальних можливостей експериментальної перевірки теорії Максвелла. Німецький фізик Отто Штерн в 1920-му році, застосувавши метод молекулярних пучків, який був винайдений французом Луї дюною в 1911-му році, зумів виміряти швидкість руху газових молекул срібла. Досвід Штерна незаперечно довів справедливість закону розподілу Максвелла. Результати цього експерименту підтвердили вірність оцінки середніх швидкостей атомів, яка випливала з гіпотетичних припущень, зроблених Максвеллом. Правда, про сам характер швидкісний градації досвід Штерна зміг дати тільки дуже приблизні відомості. Більш докладної інформації науці довелося чекати ще дев'ять років.

Досвід Штерна - Герлаха

З більшою точністю закон розподілу вдалося перевірити Ламмерт в 1929-му році, кілька удосконалити досвід Штерна шляхом пропускання молекулярного пучка крізь пару обертових дисків, що мали радіальні отвори і зміщених щодо один одного на певний кут. Змінюючи швидкість обертання агрегату і кут між отворами, Ламмерт зміг виділити з пучка окремі молекули, які володіють різними швидкісними показниками. Але саме досвід Штерна поклав початок експериментальним дослідженням в області молекулярно-кінетичної теорії.

Рух молекул

У 1920-му році була створена перша експериментальна установка, необхідна для проведення експериментів такого роду. Вона складалася з пари циліндрів, сконструйованих особисто Штерном. Усередину приладу був поміщений тонкий платиновий стрижень з срібним напиленням, яке і випаровувалося при нагріванні осі електрикою. В умовах вакууму, які були створені усередині установки, вузький пучок атомів срібла проходив звезення подовжню щілину, що прорізає на поверхні циліндрів, і осідав на спеціальному зовнішньому екрані. Зрозуміло, агрегат перебував у русі, і за той час, поки атоми досягали поверхні, встигав повернутися на деякий кут. Таким способом Штерн і визначив швидкість їх руху.

Але це не єдине наукове досягнення Отто Штерна. Через рік він спільно з Вальтером Герлахом провів експеримент, що підтвердив наявність у атомів спина і довів факт їх просторового квантування. Досвід Штерна-Герлаха зажадав створення спеціальної експериментальної установки з потужним постійним магнітом в її основі. Під впливом магнітного поля, що генерується цим потужним компонентом, елементарні частинки відхилялися згідно орієнтації їх власного магнітного спина.