Експериментальна перевірка закону розподілу Максвела

Вперше експериментальна задачу про визначення швидкостей була вирішена в 1920 р. Отто Штерном, який вперше використав метод молекулярних пучків (м.п. - це вузькі потоки молекул, які літають у вакуумі без зіткнень прямолінійно). Але точність його методу була недостатньою.

В 1947 р. Штерн разом із Істерманом і Сімпсоном для перевірки закону розподілу закону молекул за швидкостями поставили інший більш складний і кропіткий дослід із використанням того ж методу молекулярних пучків. В цьому досліді спостерігались вільне падіння молекул пучка в полі сил тяжіння.

Джерелом атомів являвся розплавлений цезій (температура його плавлення 301.1 К або 28.5 ^оС), який випаровувався із певної точки А. В ній цезій нагрівався до 450 К. З пічки атоми цезію вилітають через вузьку щілину шириною 0.02 мм. На відстані 1 мм від розташовується друга щілина такої ж ширини, як і перша. Мішень - тонкий вольфрамовий дріт товщиною 0.02 мм знаходиться на відстані 1 м від (дріт перпендикулярний до площині рисунка). Повний шлях пучку – 2 м. Весь пристрій розміщувався в посудині із високим вакуумом. Щілини , та мішень розташовувались на одній горизонтальній прямій.

Дріт-мішень нагрівають до такої температури, при якій атоми цезію, що попадають на неї, іонізуються і перетворюються на позитивні іони. Іони тут же лишають мішень і попадають на від’ємно заряджений циліндр, в якому власне дріт і розміщується (зрозуміло, що в ньому є прорізи для проходження атомів). Між дротом і циліндром тече струм, який після підсилення і вимірюється. Сила струму безпосередньо визначається кількістю іонів, а отже і кількістю атомів, що попали на дріт.

Атом цезію під дією сили тяжіння рухається за параболою. Отже навішень попадуть тільки частинки, що вилетіли під деяким кутом .

Для координат та будь-якої точки траєкторії можна записати

,

і - це рівняння параболи.

В точці траєкторії атомів , а рівняння параболи отримує вигляд

.

Звідси вираз для :

Тепер ми підставимо цю величину в рівняння параболи при x = L

.

Остаточно, зміщення атомів вздовж визначаються лише значенням , які при малих взагалі близькі до самої швидкості.

Якщо переміщувати дріт по висоті і вимірювати струм, то можна визначити кількість атомів, які мають різні швидкості. Тобто в такий спосіб можна переварити розподіл молекул за швидкостями.

Відзначимо, вимірявши кількість атомів на певній висоті, ми визначимо кількість атомів, які лежать у деякому інтервалі швидкостей, оскільки товщина дроту конечна і на неї попадають атоми з близькими, а не однаковими швидкостями.

В експерименті навіть найповільніші атоми зміщуються лише на 0.2 мм. Але ж товщина дроту складала 0.02 мм! Тобто вимірювання були проведені із достатньо великою точністю.

Вимірювання підтвердили розподіл Максвела.