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2023-07-01
科学中的分子束研究：物质流密度测量与热运动速度
【摘要】：从小孔排出的小蒸气密度的物质流被称为“分子束”，是由大量独立的分子并排地在空间中飞行所形成的。这种分子束在研究单个分子的性质时是非常有用的，比如可以用它来测量热运动的速度。最早发明出研究分子束运动速度装置的是美国物理学家奥托·斯特恩，该装置与菲索测量光速的装置基本相同。它包括安装在同一根轴上的两个齿轮，这样的安排使得只有旋转的角速度相当的分子束才能通过。图46研究分子束运动速度的装置
在气体或者蒸汽通过小孔涌向四周真空环境的研究中，人们发现了另外一个可以演示物质具有分子结构的有趣方法。
假设我们有一个高真空的大玻璃灯泡（见图45），里面放着一个小电炉，电炉是由黏土制成的圆筒，上面缠有电阻丝以提供热量，筒壁上开有一个小孔。如果我们在圆筒里放一些像钠或者钾一样的低熔点金属，电炉内部就会充满金属蒸气，它们会从筒壁的小孔逸出到周围的空间里。与玻璃灯泡的冷壁接触后，蒸气会附着在玻璃灯泡的内壁上，形成薄薄的像镜子一样的沉积，这样就可以看到物质从电炉中逸出后的运动形式。
再进一步研究，我们会发现在不同的电炉温度下玻璃壁上金属膜的形态也不同。当电炉的温度很高时，内部的金属蒸气密度很大，这时所看到的景象跟水蒸气从茶壶或者蒸汽机里喷出来的常见景象一样。从小孔里逸出后，金属蒸气向各个方向扩散［见图45（a）］，充满整个玻璃灯泡，在整个外表面形成均匀的沉积物。
图45 大玻璃灯泡
但是当电炉的温度较低时，电炉内的金属蒸气密度也低，这时的现象将会完全不同。从小洞里逸出的物质不再向各个方向扩散，而是沿着一条直线运动，并且大部分都沉积在电炉小孔对着的玻璃内壁上。当在开口前面放一个小物体的时候［见图45（b）］这种现象格外明显。物体后面的玻璃内壁上不会有任何沉积，并且沉积空白的这块区域的形状和障碍物的形状完全一致。
如果你们还记得蒸气是由大量分散的分子在空间中向各个方向运动并且连续不断地相互碰撞产生的，那么高温和低温状况下蒸气逸出所表现出的差异就很容易理解了。当蒸气密度大时，可以把从小孔中逸出的蒸气比作从一座着火的剧院出口疯狂逃窜的人群，从出口逃出以后，人群在街上四处散开并互相碰撞；而密度小的时候，这就好像一次只有一个人从出口逃出，所以一直往前走，不会受到任何干扰。
从小孔排出的小蒸气密度的物质流被称为“分子束”，是由大量独立的分子并排地在空间中飞行所形成的。这种分子束在研究单个分子的性质时是非常有用的，比如可以用它来测量热运动的速度。
最早发明出研究分子束运动速度装置的是美国物理学家奥托·斯特恩，该装置与菲索测量光速的装置基本相同（见图31）。它包括安装在同一根轴上的两个齿轮，这样的安排使得只有旋转的角速度相当的分子束才能通过（见图46）。斯特恩用一个隔膜截取一束很细的分子束，通过这样的装置可以证明分子运动的速度一般很大（钠原子在200℃时的速度为1.5千米/秒），并且随着气体温度的升高而增加，这就直接证明了热动力学理论。根据这个理论，物体热量的增加就是分子不规则运动性的增强。
图46 研究分子束运动速度的装置
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