в чем заключается опыт штерна
Понимание того, что в основе строения любого вещества лежит существование мельчайших частиц – атомов и молекул, находящихся в непрерывном движении и активном взаимодействии между собой, – возникло в XIX веке. В разработке молекулярно-кинетической теории на бумаге участвовали физики Рудольф Клаузиус, Людвиг Больцман и особенно Джеймс Максвелл. Вскоре последовали и подтверждающие её практические исследования. Важнейшим из них является опыт Штерна, проведенный в 1920 году.
Гений эксперимента
В биографии нобелевского лауреата по физике (1943 г.) Отто Штерна (1888-1969) есть период, когда он успешно занимался теоретическими разработками проблем термодинамики на основе постулатов квантовой механики. Руководителем его научной работы одно время был Альберт Эйнштейн. Подлинное уважение со стороны научной общественности ему принесла деятельность физика-экспериментатора. Он разработал уникальные приборы, опытным путём подтверждавшие и развивавшие теоретические выкладки.
Описание прибора
Эксперимент 1920 года, результатом которого стало доказательство распределения скоростей теплового движения молекул, был осуществлен с помощью технически несложной установки. Основой прибора послужили два коаксиальных (соосных) цилиндра разного диаметра, внутри которых путём откачки воздуха была создана область низкого давления. На общей оси расположена проволока из платины с тонким серебряным напылением. При подключении к концам проводника электрического тока происходит нагревание проволоки до температуры, превышающей точку плавления серебра. Возникает испарение атомов металла, которые начинают прямолинейное равномерное движение к внутренней поверхности маленького цилиндра.
В малом цилиндре прорезается узкая щель, сквозь которую атомы металла проникают внутрь большого. Внешний, наружный цилиндр имеет комнатную температуру, что обеспечивает быстрое охлаждение разогретых металлических частиц. Если цилиндры не вращаются, атомы «прилипают» к экрану и оседают напротив прорези в виде ровной посеребренной полоски. Опыт Штерна заключался в следующем: когда оба цилиндра начинали вращать с определенной угловой скоростью, образовывалась размытая полоска налета, смещенная в ту сторону, которая противоположна направлению вращения.
Измерение скорости молекулярного движения
Главный показатель, который сделал видимым опыт Штерна, — скорость молекул V. Было установлено, что средняя скорость, с которой двигаются при испарении атомы серебра при нагревании спирали до 1200 °C, – от 560 до 650 м/с.
Для измерения её Штерн получил все необходимые данные:
• t – время пролета атомов.
Результат, экспериментально полученный немецким физиком — V = S / U = L / V = UL / S — совпал со значениями, полученными в результате рассмотрения молекулярно-кинетической теории. Средняя скорость движения молекул серебра, определенная теоретически, была равна 584 м/с.
Закон распределения Максвелла
Кратко опыт Штерна можно определить как визуализацию распределения скорости теплового движения атомов и молекул. При осаждении серебра на стенках внешнего цилиндра, когда система находится в состоянии покоя, получалась полоска с достаточно четкими краями. При вращении цилиндров она выходила размытой.
Причина этого – различие в скорости движения атомов, испускаемых при испарении серебряного покрытия проволоки. Более быстрые частицы осаждались с меньшим смещением от прорези в малом цилиндре, а те, что двигались медленнее, успевали преодолеть большее расстояние. Соотношение скоростей укладывается в пропорцию, предсказанную вычислениями Максвелла. Кривая поперечного сечения полученного напыления совпадает по форме с графическим выражением формул, послуживших основой молекулярно-кинетической теории.
Теория, проверенная практикой
Большое значение, которое имеет экспериментальная физика, опыт Штерна показывает особенно наглядно. Умение найти способ доказательства правильности теоретических постулатов особенно ценно, когда предметом научных исследований становятся объекты, неразличимые невооруженным глазом.
Последующая история науки, когда физика вступила в фазу исследования строения атома в период поиска элементарных частиц, доказала это. Одним из пионеров нового течения был немецкий физик, гениальный экспериментатор Отто Штерн.
Опыт Штерна
Опыт Штерна — опыт, впервые проведённый немецким физиком Отто Штерном в 1920 году. Опыт являлся одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям.
Для проведения опыта Штерном был подготовлен прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала и на ней располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров посредством непрерывной откачки воздуха поддерживалось достаточно низкое давление. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра, из-за чего атомы начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейно со скоростью v, соответствующей подаваемому на концы нити напряжению. Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую атомы могли беспрепятственно пролетать далее. Стенки цилиндров специально охлаждались, что способствовало оседанию попадающих на них атомов. В таком состоянии на внутренней поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щели малого цилиндра. Затем всю систему начинали вращать с некой достаточно большой угловой скоростью ω. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположную направлению вращения, и теряла чёткость. Измерив смещение s наиболее тёмной части полосы от её положения, когда система покоилась, Штерн определил время полёта, через которое нашёл скорость движения молекул:
,
где s — смещение полосы, l — расстояние между цилиндрами, а u — скорость движения точек внешнего цилиндра.
Найденная таким образом скорость движения атомов серебра совпала со скоростью, рассчитанной по законам молекулярно-кинетической теории, а тот факт, что получившаяся полоска была размытой, свидетельствовал в пользу того, что скорости атомов различны и распределены по некоторому закону — закону распределения Максвелла: атомы, двигавшиеся быстрее, смещались относительно полосы, полученной в состоянии покоя, на меньшие расстояния, чем те, которые двигались медленнее.
опыт Штерна? расскажите кратко самое главное
Опыт Штерна — опыт, впервые проведённый немецким физиком Отто Штерном в 1920 году. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям.
Для проведения опыта Штерном был подготовлен прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала и на ней располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров посредством непрерывной откачки воздуха поддерживалось достаточно низкое давление. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра, из-за чего атомы начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейно со скоростью v, соответствующей подаваемому на концы нити напряжению. Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую атомы могли беспрепятственно пролетать далее. Стенки цилиндров специально охлаждались, что способствовало «оседанию» попадающих на них атомов. В таком состоянии на внутренней поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щёли малого цилиндра. Затем всю систему начинали вращать с некой достаточно большой угловой скоростью ω. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположенную направлению вращения, и теряла чёткость. Измерив смещение s наиболее тёмной части полосы от её положения, когда система покоилась, Штерн определил время полёта, через которое нашёл скорость движения молекул:
,
где s — смещение полосы, l — расстояние между цилиндрами, а u — скорость движения точек внешнего цилиндра.
Найденная таким образом скорость движения атомов серебра совпала со скоростью, рассчитанной по законам молекулярно-кинетической теории, а тот факт, что получившаяся полоска была размытой, свидетельствовал в пользу того, что скорости атомов различны и распределены по некоторому закону — закону распределения Максвелла: атомы, двигавшиеся быстрее, смещались относительно полосы, полученной в состоянии покоя, на меньшие расстояния, чем те, которые двигались медленнее
Опыт Штерна—Герлаха
Можно экспериментально доказать, что атомы и элементарные частицы обладают магнитными спинами, которые квантуются.
Многие субатомные частицы обладают собственным угловым моментом (см. Закон сохранения момента импульса), который назвали спин. Обладающая электрическим зарядом и спином элементарная частица (например, электрон или протон) может, в таком случае, быть представлена в виде микроскопического циркулярного тока, который, в свою очередь, производит магнитный момент, связанный со спином, и заряженная частица ведет себя еще и как микроскопический магнит. Итак, и атомы, и элементарные частицы должны производить магнитные поля: первые — в силу циркуляции электронов на орбитах; вторые — в силу присущего им спина.
Разумно предположить, что северный и южный полюса этих атомных и субатомных магнитов могут быть ориентированы произвольным образом. Постулаты квантовой механики, однако, такого произвола не допускают. Подобно всем иным свойствам частиц в мире квантовой физики, направление магнитного спина квантуется: во внешнем электромагнитном поле он может принимать только направления, относящиеся к фиксированному набору. Отто Штерн и Вальтер Герлах в 1921 году как раз и провели опыт, позволивший экспериментально подтвердить как наличие у атомов спина, так и факт его пространственного квантования.
В основе их экспериментальной установки лежал мощный постоянный магнит, между близко расположенными полюсами которого образовывалось сильно неоднородное магнитное поле. Под воздействием такого поля частица, обладающая собственным магнитным моментом, обязана отклоняться в направлении, зависящем от ориентации ее магнитного спина.
Если бы атом управлялся законами классической механики Ньютона (то есть, квантования спинов не наблюдалось бы), полюса микроскопических магнитов были бы ориентированы хаотичным образом, и они отклонялись бы во всевозможных направлениях. Где бы позади магнита мы ни разместили датчики, какие-то атомы обязательно отклонялись бы в этом направлении и попадали на них. Если же верна квантово-механическая гипотеза, и спины атомов и частиц квантуются, они будут отклоняться лишь в «разрешенных» направлениях и на разрешенные углы.
В исходном эксперименте исследовались свойства именно атомов (сначала серебра, а затем и других металлов. — Прим. переводчика), и атомы некоторых веществ, как выяснилось, вообще отклоняются лишь в двух направлениях (условно говоря, «вверх» или «вниз» в зависимости от ориентации их магнитного спина «на север» или «на юг»). Позже уже одному Штерну удалось получить аналогичные результаты и для пучков протонов и электронов. Тем самым, этот опыт стал одним из главных подтверждений правильности постулатов квантовой механики.
Немецкий, затем американский физик. Родился в Зохрау (современный г. Жоры, Польша). Окончил Университет в Бреслау (современный Вроцлав). В 1921 году переехал во Франкфурт, где познакомился в уроженцем этого города и сотрудником местного университета Вальтером Герлахом (Walter Gerlach, 1889–1979), вместе с которым они в том же году и провели прославивший их опыт. В качестве профессора физической химии Гамбургского университета Штерн изучал магнитные свойства элементарных частиц, за что был удостоен Нобелевской премии по физике в 1943 году. К тому времени Штерн уже 10 лет жил и работал в Технологическом институте Карнеги в Питтсбурге (США), ведущим сотрудником которого оставался до конца своих дней.
Мне хотелось бы провести модифицированный опыт Штерна-Герлаха, в котором атомный пучок отодвинут от плоскости симметрии магнитного поля на первом и втором магнитах.
Я ожидаю, что в этом случае дочерний пучок перестанет расщепляться, что продемонстрирует работоспособность классической физики в масштабах микромира.
Подробности: http://217.122.116.6/nanoworld/20041130/forum/astronom/as_p_ 019.htm
Кто подскажет, в каком ВУЗе есть установка для повторени опыта Штрена-Герлаха?
Подробности: http://nanoworld.pointclark.net/nanoworld/forums_copy/rassyl ka/index.htm
Ширина пучка не является строго единичной (один атом). Атом является магнитом или намагничивается при пролете и в пучке ориентация при пролете любого по степени однородности поля распределена хаотически и в среднем может быть даже равномерна. Следовательно, притяжение к разным полюсам тоже должно происходить равномерно. Отсюда и симметричное расположение компонент. В поле магнита большинство атомов будет выправлять ориентацию к ближайшему полюсу, то есть ориентироваться соответствующим полюсом к ближайшему полюсному наконечнику и будет к нему притягиваться. Современная феноменология постоянных (да и вообще) магнитов совершенно не учитывает краевого эффекта у полюсных наконечников. На острых кромках (периферия полюсного наконечника) силы притяжения или отталкивания более значительны, чем в центральной плоской поверхности полюсного наконечника. Кстати, такой же эффект имеется и в электростатике.
Есть две схемы проведения опыта.
В первой пучок пролетает между заостренным и плоским наконечниками магнита.
Острых кромок две: при входе и при выходе. В результате имеем две компоненты.
Если увеличить ширину пролета, автоматически увеличим и время пролета и уменьшим скорость. Тогда не получим ни одной пары.
Если вместо второго плоского полюса использовать острый наконечник, тоже не получим ни одной лишней компоненты. По этому-то так и стремились получить запрограммированную неоднородность поля. При одинаковой форме наконечников краевой эффект сказываться не будет. Опять же играть можно и силой магнита.
Во второй схеме пучок пропускался вдоль длинных полюсных наконечников. Один из них острый, а противоположный наконечник выполнен с прямоугольной канавкой посредине.
И до чего же хитро сделано. Пучок проходит в 5 раз ближе к острой грани верхнего наконечника, чем к граням нижнего. Что получается: на входе в магнит имеем три острых места, а на выходе тоже три. Но при этом за счет близости к верхнему наконечнику, «правильно» к нему ориентированные атомы до конца не долетают. Во как. И получаем вместо 3-х два острых места. В итоге имеем искомых ПЯТЬ компонент.
Выходит намеренно навели тень на плетень. И что самое интересное, магнитный поток во втором случае практически как раз однороден.
Под углом ко входящему потоку расположил такие наконечники (разинув пасть) и три компоненты с превеликим удовольствием. Поближе сдвинул, вообще ни одной.
резкая критика опыта Рудневым.
автор правильно подметил время взаимодействия атома с полем, и дело еще и в этой квадратной выемке с двумя горбами. Отсюда именно растут ноги.
Выводы: опыт решительно ничего не доказывает. Наоборот, является явной выдачей желаемого за действительное. Существование спина электрона таким образом под сомнением. И это еще мягко сказано.
Штерна опыт
Полезное
Смотреть что такое «Штерна опыт» в других словарях:
Опыт Штерна — У этого термина существуют и другие значения, см. опыт Штерна Герлаха. 1 платиновая проволока с нанесённым на неё слоем серебра; 2 щель, формирующая пучок атомов серебра; 3 пластинка, на которой осаждаются атомы серебра; П и П1 положения полосок… … Википедия
Опыт Штерна — Герлаха — У этого термина существуют и другие значения, см. опыт Штерна. Квантовая механика Принцип неопределённости … Википедия
ШТЕРНА — ГЕРЛАХА ОПЫТ — показал, что проекция магнитного момента атома на направление магн. поля принимает дискр. значения (пространственно квантована). Поставлен в 1922 нем. физиками О. Штерном (О. Stern) и В. Герлахом (W. Gerlach) с целью проверки теор. ф лы… … Физическая энциклопедия
Штерна-Герлаха опыт — опыт, экспериментально подтвердивший, что атомы обладают магнитным моментом, проекция которого на направление внешнего магнитного поля принимает лишь определённые значения (пространственно квантована). Осуществлен в 1922 О. Штерном и… … Большая советская энциклопедия
ШТЕРНА — ГЕРЛАХА ОПЫТ — ШТЕРНА ГЕРЛАХА ОПЫТ, доказал наличие у атома магнитного момента, определенным образом ориентированного во внешнем магнитном поле. Узкий пучок атомов Ag, проходя через область неоднородного магнитного поля, разделялся на 2 пучка, что и подтвердило … Энциклопедический словарь
Опыт Ламмерта — (1929) был проведён для подтверждения распределения Максвелла. Суть эксперимента Опыт Ламмерта На опыте (на рисунке) внутри ящика находится газ, молекулы которого вылетают через отверстие наружу. Диаметр отверстия много меньше длины свободного… … Википедия
ШТЕРНА — ГЕРЛАХА ОПЫТ доказал наличие у атома магнитного момента, определенным образом ориентированного во внешнем магнитном поле. Узкий пучок атомов Ag, проходя через область неоднородного магнитного поля, разделялся на 2 пучка, что и подтвердило… … Большой Энциклопедический словарь