Опытная проверка распределения Максвелла

В 1920-х появилась реальная возможность экспериментальной проверки максвелловского закона распределения скоростей молекул.
1. Опыт Штерна.[1]
Первым экспериментальным подтверждением существования распределения молекул по скоростям можно считать результаты опыта Штерна. Точность этого опыта была недостаточной для установления конкретного вида распределения. Первый прибор для этих целей, состоявший из двух коаксиальных цилиндров.По оси прибора была натянута нагреваемая электрическим током платиновая нить, с поверхности которого испарялись атомы серебра. В условиях созданного внутри прибора вакуума узкий пучок этих атомов, движущихся в радиальном направлении, проходил через продольную щель на поверхности внутреннего цилиндра и оседал в виде узкой вертикальной полоски на поверхности внешнего цилиндра. Если привести весь прибор во вращение, то за время, пока атомы серебра пролетают зазор между цилиндрами, прибор успевает повернуться на некоторый угол и положение следа от пучка на внешнем цилиндре сместится относительно первоначального. Нетрудно установить связь этого смещения с величиной скорости в пучке молекул и угловой скоростью вращения прибора. Исследования профиля следа, который размывается из-за наличия распределения скоростей в пучке, позволило установить качественную картину этого распределения, которое примерно соответствовало максвелловскому.

2. Опыт Элдриджа и Ламмерта
Более точные измерения оказались возможными, когда Элдридж и независимо от него Ламмерт в 1929г сконструировали селекторы скоростей, работающие на принципе зубчатого колеса. В опытах Ламмерта атомы легкоплавкого металла, испаряясь в печи А, выходят наружу через узкую щель.

Образовавшийся пучок атомов последовательно пропускается через два вращающихся диска D1 и D2 с радиальными щелями, смещенными относительно друг друга на некоторый угол α (около 2°). За вторым диском помещается еще одна щель, пройдя через которую, пучок попадает на стеклянную пластинку P, охлаждаемую жидким азотом, и конденсируется на ней. Пластинку можно наблюдать с помощью микроскопа M. Поскольку вся система (за исключением, конечно, микроскопа) помещается в вакуум, атома пролетают через нее практически без столкновений. Из числа атомов, пролетевших щель в первом диске, через второй диск пролетят только те, которые подлетят к нему в тот момент, когда на пути пучка встанет прорезь во втором диске. Более быстрые молекулы достигнут диска слишком рано, медленные, наоборот, слишком поздно. Таким образом, это устройство позволяет выделить из пучка атомы, обладающие определенным значением скорости, причем из-за конечной ширины щелей прибор выделяет атомы, скорости которых лежат в пределах некоторого интервала ∆V. Меняя скорость вращения прибора можно выделять из пучка атомы, обладающие различными скоростями. Число этих атомов для каждого интервала скоростей определяется по времени, которое требуется для того, чтобы на пластинке появился осадок, видимый в микроскоп. Результаты опытов Ламмерта и других опытов, проводившихся с той же целью, подтвердили справедливость распределения по скоростям, теоретически установленного Максвеллом.
3. Опыт Эстермана.
Несколько иначе был организован эксперимент по определению распределения по скоростям для атомов цезия, выполненный в 1947 году немецким физиком-экспериментатором Иммануэлем Эстерманом (1900 - 1973) совместно с О. Симпсоном и Штерном. На рис. 3 приведено схематическое изображение опыта Эстермана. Пучок атомов цезия вылетал через отверстие в печи 1 с некоторой скоростью V и под действием силы тяжести начинал двигаться по параболе. Атомы, прошедшие через узкую щель в диафрагме 2, улавливались детектором 3, который можно было располагать на различных высотах h.

Схема опыта Эстермана
1 - печь, 2 - диафрагма с узкой щелью, 3 - детектор Величина отклонения h пучка в гравитационном поле Земли зависела от скорости атома. В этих опытах отклонение h составляло величину порядка нескольких долей миллиметра при расстоянии L от печи до детектора равном 2 метрам. Перемещая датчик и регистрируя количество атомов цезия, попадающих в детектор за единицу времени, можно было построить зависимость интенсивности пучка от величины h . Последующий пересчет, с учетом известной зависимости высоты h от скорости атомаV, давал распределение по скоростям атомов цезия. Все проведенные эксперименты подтвердили справедливость полученного Максвеллом распределения по скоростям для атомных и молекулярных пучков.