The Stern Experience - Conferma sperimentale della teoria

La comprensione che la base della struttura di ogni sostanza è l'esistenza delle particelle più piccole - atomi e molecole che sono in continuo movimento e interazione attiva l'una con l'altra - è emersa nel XIX secolo. Fisica Rudolf Clausius, Ludwig Boltzmann e soprattutto James Maxwell hanno partecipato allo sviluppo della teoria cinetico-molecolare su carta. Presto seguì e confermò la sua ricerca pratica. La più importante di queste è l'esperienza Stern, condotta nel 1920.

Esperimento genio

Nella biografia del premio Nobel per la fisica (1943) Otto Stern (1888-1969) c'è un periodo in cui si è impegnato con successo nello sviluppo teorico dei problemi della termodinamica basati sui postulati della meccanica quantistica. Il capo del suo lavoro scientifico in una volta era Albert Einstein. Il vero rispetto della comunità scientifica gli portò il lavoro del fisico sperimentale. Ha sviluppato dispositivi unici, confermando empiricamente e sviluppando calcoli teorici.

Oltre all'esperimento classico per misurare la velocità del movimento termico delle particelle, è nota l'esperienza di Stern-Gerlach, a seguito della quale è stata dimostrata l'esistenza di uno spin - il momento angolare di un nucleo o di un atomo atomico. Questo esperimento, condotto nel 1922 insieme a Walter Gerlach (1889-1979), fu la prova più importante dei principi fondamentali della teoria dei quanti.

Descrizione del dispositivo

L'esperimento del 1920, il cui risultato fu la prova della distribuzione delle velocità del moto termico delle molecole, fu effettuato usando un setup tecnicamente semplice. Il dispositivo era basato su due cilindri coassiali (coassiali) di diversi diametri, all'interno dei quali veniva creata un'area a bassa pressione pompando aria. Il filo di platino con una sottile placcatura d'argento si trova su un asse comune. Quando la corrente elettrica è collegata alle estremità del conduttore, il filo viene riscaldato a una temperatura superiore al punto di fusione dell'argento. C'è un'evaporazione di atomi di metallo, che iniziano rettilineo movimento uniforme alla superficie interna di un piccolo cilindro.

In un cilindro piccolo, viene tagliato uno spazio ristretto attraverso il quale gli atomi di metallo penetrano nel grande. Il cilindro esterno esterno ha una temperatura ambiente che fornisce un rapido raffreddamento delle particelle di metallo riscaldate. Se i cilindri non ruotano, gli atomi "si attaccano" allo schermo e si depositano davanti alla fessura sotto forma di una striscia argentata liscia. L'esperienza di Stern era la seguente: quando entrambi i cilindri cominciarono a ruotare con un certo velocità angolare si formò una striscia sfocata di placca, spostata nella direzione opposta alla direzione di rotazione.

Misurazione del movimento molecolare

L'indicatore principale che ha reso visibile l'esperienza di Stern è la velocità delle molecole V. È stato stabilito che velocità media da cui gli atomi di argento si muovono durante l'evaporazione quando l'elica è riscaldata a 1200 ° C, è compresa tra 560 e 650 m / s.

Per misurarla, Stern ha ricevuto tutti i dati necessari:

• S - spostamento della striscia d'argento durante la rotazione dalla posizione occupata nello stato di riposo;

• L - percorso percorso dagli atomi (la distanza tra le superfici interne dei cilindri);

• U è la velocità dei punti mobili sulla superficie del cilindro esterno;

• t è il tempo di transito degli atomi.

Il risultato, ottenuto sperimentalmente dal fisico tedesco - V = S / U = L / V = ​​UL / S - coincide con i valori ottenuti come risultato della considerazione della teoria cinetica molecolare. La velocità media del movimento delle molecole d'argento, determinata teoricamente, era pari a 584 m / s. Questa fu la prova della validità dei postulati formulati dai suoi fondatori, un posto di rilievo tra i quali è occupato da James Maxwell.

Legge sulla distribuzione di Maxwell

In breve, l'esperienza di Stern può essere definita come visualizzazione della distribuzione della velocità del moto termico di atomi e molecole. Quando l'argento è stato depositato sulle pareti del cilindro esterno, quando il sistema è a riposo, è stata ottenuta una striscia con bordi sufficientemente affilati. Quando i cilindri ruotarono, si spense.

La ragione di ciò è la differenza nella velocità di movimento degli atomi emessi quando il rivestimento argentato del filo evapora. Le particelle più veloci sono state depositate con uno spostamento più piccolo dalla fessura nel cilindro piccolo, e quelle che si muovevano più lentamente riuscivano a superare una distanza maggiore. Il rapporto delle velocità è all'interno della proporzione prevista dai calcoli di Maxwell. La curva della sezione trasversale della deposizione ottenuta coincide in forma con l'espressione grafica delle formule che sono servite come base della teoria cinetico-molecolare.

Teoria pratica comprovata

La grande importanza che ha la fisica sperimentale, l'esperienza di Stern mostra in modo particolarmente chiaro. La capacità di trovare un modo per dimostrare la correttezza dei principi teorici è particolarmente utile quando oggetti che sono indistinguibili ad occhio nudo sono oggetto di ricerca scientifica.

La successiva storia della scienza, quando la fisica entrò nella fase di ricerca strutture atomiche nel periodo di ricerca delle particelle elementari, lo ha dimostrato. Uno dei pionieri della nuova tendenza fu un fisico tedesco, un brillante sperimentatore Otto Stern.