Вопыт Штерна - эксперыментальнае абгрунтаванне малекулярна-кінетычнай тэорыі

У другой палове дзевятнаццатага стагоддзя даследаванне броўнаўскага (хаатычнага) руху малекул выклікала востры цікавасць у шматлікіх фізікаў-тэарэтыкаў таго часу. Распрацаваная шатландскім навукоўцам Джэймсам Максвеллом тэорыя малекулярна-кінэтычнага будынкі рэчывы хоць і была агульнапрызнанай ў еўрапейскіх навуковых колах, але існавала толькі ў гіпатэтычным выглядзе. Ніякага практычнага яе пацверджання тады не было. Рух малекул заставалася недаступным непасрэднаму назіранню, а вымярэнне іх хуткасці здавалася проста невырашальнай навуковай праблемай.

Менавіта таму эксперыменты, здольныя на практыцы даказаць сам факт малекулярнага будовы рэчыва і вызначыць хуткасць руху яго нябачных часціц, першапачаткова ўспрымаліся як фундаментальныя. Вырашальнае значэнне такіх эксперыментаў для фізічнай навукі было відавочна, так як дазваляла атрымаць практычнае абгрунтаванне і доказ справядлівасці адной з самых прагрэсіўных тэорый таго часу - малекулярна-кінетычнай.

Да пачатку дваццатага стагодзьдзя сусветная навука дасягнула дастатковага ўзроўню развіцця для з'яўлення рэальных магчымасцяў эксперыментальнай праверкі тэорыі Максвелла. Нямецкі фізік Ота Штерн ў 1920-м годзе, ужыўшы метад малекулярных пучкоў, які быў вынайдзены французам Луі Дюнойе ў 1911-м годзе, здолеў вымераць хуткасць руху газавых малекул срэбра. Вопыт Штерна неабвержна даказаў справядлівасць закона размеркавання Максвелла. Вынікі гэтага эксперыменту пацвердзілі вернасць ацэнкі сярэдніх хуткасцяў атамаў, якая выцякала з гіпатэтычных здагадак, зробленых Максвеллом. Праўда, адносна характару хуткасны градацыі вопыт Штерна змог даць толькі вельмі прыблізныя звесткі. Больш падрабязнай інфармацыі навуцы прыйшлося чакаць яшчэ дзевяць гадоў.

З большай дакладнасцю закон размеркавання ўдалося праверыць Ламмерту ў 1929-м годзе, некалькі Удасканаліць вопыт Штерна шляхам прапускання малекулярнага пучка скрозь пару верцяцца дыскаў, якія мелі радыяльныя адтуліны і змешчаных адносна адзін аднаго на пэўны кут. Змяняючы хуткасць кручэння агрэгата і кут паміж адтулінамі, Ламмерт змог вылучыць з пучка асобныя малекулы, якія валодаюць рознымі хуткаснымі паказчыкамі. Але менавіта вопыт Штерна паклаў пачатак эксперыментальным пошукам ў галіне малекулярна-кінетычнай тэорыі.

У 1920-м годзе была створана першая эксперыментальная ўстаноўка, неабходная для правядзення эксперыментаў такога роду. Яна складалася з пары цыліндраў, сканструяваных асабіста Штерном. Ўнутр прыбора быў змешчаны тонкі плацінавы стрыжань з срэбным напыленнем, якое і выпараецца пры награванні восі электрычнасцю. Ва ўмовах вакууму, якія былі створаныя ўнутры ўстаноўкі, вузкі пучок атамаў срэбра праходзіў звазіў падоўжную шчыліну, праразаецца на паверхні цыліндраў, і асядаў на спецыяльным знешнім экране. Зразумела, агрэгат знаходзіўся ў руху, і за той час, пакуль атамы дасягалі паверхні, паспяваў павярнуцца на некаторы кут. Такім спосабам Штерн і вызначыў хуткасць іх руху.

Але гэта не адзінае навуковае дасягненне Ота Штерна. Праз год ён сумесна з Вальтэрам Герлахом правёў эксперымент, які пацвердзіў наяўнасць у атамаў спіна і які даказаў факт іх прасторавага квантавання. Вопыт Штерна-Герлаха запатрабаваў стварэння спецыяльнай эксперыментальнай устаноўкі з магутным пастаянным магнітам у яе аснове. Пад уздзеяннем магнітнага поля, генераванага гэтым магутным кампанентам, элементарныя часціцы адхіляліся згодна арыентацыі іх уласнага магнітнага спіна.