Опыт Штерна

В начале нашего столетия, в связи с развитием радиоэлектроники и необходимостью рассчитывать эмиссию нагретых катодов, максвелловское распределение по скоростям (6.63) приобрело практическое значение. Кроме того, сама техника эксперимента стала достаточно совершенной, чтобы иметь возможность проверить правильность теоретически выведенного распределения.

В 1920 г. Штерн осуществил следующий опыт: по оси двух коаксиальных цилиндров была протянута серебряная нить, которая нагревалась током так, что атомы серебра испарялись и образовывали вокруг нити пар. Молекулы пара, оседая на стенках внутреннего цилиндра, покрывали бы его равномерным слоем. Но во внутреннем цилиндре параллельно его оси была сделана узкая прорезь, по всей длине цилиндра. Через эту щель молекулы серебра вырывались за стенки внутреннего цилиндра и откладывались на внешнем цилиндре узкой полоской.

Если цилиндры привести во вращение с постоянной угловой скоростью w, полоска из атомов серебра на стенке внешнего цилиндра должна сместиться противоположно направлению вращения (рис. 6.11). Дело в том, что молекуле, летящей со скоростью u, требуется время t = l / u секунд, чтобы пролететь расстояние l между цилиндрами. За это время цилиндры успеют повернуться на угол j = w t, то есть полоска сместится на угол

Рис. 6.11

.

(6.73)

Поскольку скорости молекул различны, то и отклонятся они все на разные углы. В результате молекулы, осевшие на стенке внешнего цилиндра, окажутся рассортированными по скоростям: молекулы с большей скоростью сместятся на малый угол от полоски, полученной при неподвижных цилиндрах. Медленным же молекулам будет соответствовать большой угол. Естественно, что толщина слоя молекул будет определяться их числом. Очень быстрых и очень медленных молекул будет мало, и толщина слоя будет максимальна где-то посередине, там, где угол соответствует наивероятнейшей скорости. Величину этого угла нетрудно замерить и по формуле (6.73) рассчитать величину наивероятнейшей скорости.

Сравнение экспериментально полученного Штерном значения u _н практическисовпалос тем, которое дает уравнение (6.72). Следовательно, максвелловское распределение молекул по скоростям верно, так как результаты эксперимента подтвердили теоретические выводы.