Опытное обоснование молекулярно-кинетической теории

Рассмотрим некоторые явления, экспери­ментально подтверждающие основные по­ложения и выводы молекулярно-кинетиче­ской теории.

1. Броуновское движение.Шотландский ботаник Р. Броун (1773—1858), на­блюдая под микроскопом взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что частицы пыльцы оживленно и беспорядочно двига­лись, то вращаясь, то перемещаясь с места на место, подобно пылинкам в сол­нечном луче. Впоследствии оказалось, что подобное сложное зигзагообразное движение характерно для любых частиц малых размеров (»1мкм), взвешенных в газе или жидкости. Интенсивность этого движения, называемого броуновским,по­вышается с ростом температуры среды, с уменьшением вязкости и размеров частиц (независимо от их химической при­роды). Причина броуновского движения долго оставалась неясной. Лишь через 80 лет после обнаружения этого эффекта ему было дано объяснение: броуновское движение взвешенных частиц вызывается ударами молекул среды, в которой части­цы взвешены. Так как молекулы движутся хаотически, то броуновские частицы полу­чают толчки с разных сторон, поэтому и совершают движение столь причудливой формы. Таким образом, броуновское дви­жение является подтверждением выводов молекулярно-кинетической теории о хао­тическом тепловом движении атомов и мо­лекул.

2. Опыт Штерна.Первое эксперимен­тальное определение скоростей молекул выполнено немецким физиком О. Штерном (1888—1970). Его опыты позволили также оценить распределение молекул по скоро­стям. Схема установки Штерна представ­лена на рис. 70. Вдоль оси внутреннего цилиндра с щелью натянута платиновая проволока, покрытая слоем серебра, кото­рая нагревается током при откачанном воздухе. При нагревании серебро испаря­ется. Атомы серебра, вылетая через щель, попадают на внутреннюю поверхность второго цилиндра, давая изображение щели О.

Если прибор привести во вращение вокруг общей оси цилиндров, то атомы серебра осядут не против щели, а сместят­ся от точки О на некоторое расстояние s. Изображение щели получается размы­тым. Исследуя толщину осажденного слоя, можно оценить распределение моле­кул по скоростям, которое соответствует максвелловскому распределению.

Зная радиусы цилиндров, их угловую скорость вращения, а также измеряя s, можно вычислить скорость движения ато­мов серебра при данной температуре про­волоки. Результаты опыта показали, что средняя скорость атомов серебра близка к той, которая следует из максвелловского распределения молекул по скоростям.

3. Опыт Ламмерт.Этот опыт позволя­ет более точно определить закон распреде­ления молекул по скоростям. Схема ваку­умной установки приведена на рис. 71. Молекулярный пучок, сформированный источником, проходя через щель, попадает в приемник. Между источником и прием­ником помещают два диска с прорезями, закрепленных на общей оси. При непод­вижных дисках молекулы достигают при­емника, проходя через прорези в обоих

дисках. Если ось привести во вращение, то приемника достигнут только те прошедшие прорезь в первом диске молекулы, которые затрачивают для пробега между дисками время, равное или кратное времени оборо­та диска. Другие же молекулы задержива­ются вторым диском. Меняя угловую ско­рость вращения дисков и измеряя число молекул, попадающих в приемник, можно выявить закон распределения скоростей молекул. Этот опыт также подтвердил справедливость максвелловского распре­деления молекул по скоростям.

4. Опытное определение постоянной Авогадро.Воспользовавшись идеей рас­пределения молекул по высоте (см. форму­лу (45.4)), французский ученый Ж Перрен (1870—1942) экспериментально опре­делил постоянную Авогадро. Исследуя под микроскопом броуновское движение, он убедился, что броуновские частицы рас­пределяются по высоте подобно молекулам газа в поле тяготения. Применив к ним больцмановское распределение, можно за­писать

где m—масса частицы, m₁— масса вы­тесненной ею жидкости: m=⁴/₃pr³r, m₁ = ⁴/₃pr³r₁ (r — радиус частицы, r— плотность частицы, r₁ — плотность жидко­сти).

Если n₁ и n₂ — концентрации частиц на уровнях h₁и h₂, a k=R/N_A, то

Значение N_a, получаемое из работ Ж. Перрена, соответствовало значениям, полученным в других опытах, что под­тверждает применимость к броуновским частицам распределения (45.4).