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Versuch von Stern Mit dem gelang Otto Stern im Jahre 1920 zum ersten Mal eine direkte Messung der Geschwindigkeit von At

Versuch von Stern

Mit dem Versuch von Stern gelang Otto Stern im Jahre 1920 zum ersten Mal eine direkte Messung der Geschwindigkeit von Atomen.

Versuchsprinzip Bearbeiten

In einem hochevakuierten Gefäß befindet sich ein mit Silber überzogener Platindraht. Dieser wird so elektrisch geheizt, dass das Silber verdampft. Die Silberatome bewegen sich radial nach allen Seiten mit einer temperaturspezifischen Geschwindigkeit. Durch eine schmale Blende wird ein feiner Strahl von Silberatomen fokussiert, der bei ruhender Apparatur den Schirm an der Stelle S0 schwärzen würde.

Zur Messung der Atomgeschwindigkeit lässt man die ganze Apparatur mit der Frequenz um den Draht rotieren. Auch dann ist die Bahn eines Atoms geradlinig (vom Laborsystem aus betrachtet). Vom mitrotierenden Bezugssystem aus betrachtet erscheint die Bahn jedoch gekrümmt, der Strahl wird also scheinbar um die Strecke abgelenkt. Je nach Drehrichtung wird der Schirm an einer Stelle S1 oder S2 geschwärzt.

Versuchsergebnis Bearbeiten

Schwärzungsbild des Versuchs von Stern

Die Grafik zeigt das Schwärzungsbild, wie man es im Versuch erhält, wenn die Apparatur zuerst in Links- und dann in Rechtsdrehung versetzt wird. Die beim Stern’schen Versuch gemessenen Geschwindigkeiten stimmen gut mit den durch die Theorie vorhergesagten Geschwindigkeiten überein. Die Unschärfe der beiden Linien S1 und S2 zeigt, dass die Atome verschiedene Geschwindigkeiten haben. Diese Geschwindigkeitsverteilung wurde im 19. Jahrhundert von James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann als die Maxwell-Boltzmann-Verteilung theoretisch vorhergesagt.

Berechnung der Atomgeschwindigkeit Bearbeiten

Im mitrotierenden System ist die Geschwindigkeitskomponente eines Silberatoms in radialer Richtung durch die Geschwindigkeit gegeben, mit der das Atom aus dem Draht austritt. Die Zeit vom Passieren der Blende bis zum Auftreffen auf dem Schirm ist deshalb

Die Ablenkung ergibt sich aus der Proportion

wobei die Dauer für eine ganze Umdrehung der Apparatur bezeichnet.

Hieraus folgt

bzw.

Literatur Bearbeiten

  • Horst Schmidt-Böcking, Wolfgang Trageser: Ein fast vergessener Pionier. Die von Otto Stern entwickelte Molekularstrahlmethode ist essenziell für Physik und Chemie. In: Physik Journal. Wiley-VCH Verlag Chemie, März 2012, S. 47–51 (pro-physik.de [PDF]).

Weblinks Bearbeiten

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Veröffentlichungsdatum:
Mit dem Versuch von Stern gelang Otto Stern im Jahre 1920 zum ersten Mal eine direkte Messung der Geschwindigkeit von Atomen Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsprinzip 1 1 Versuchsergebnis 1 2 Berechnung der Atomgeschwindigkeit 2 Literatur 3 WeblinksVersuchsprinzip BearbeitenIn einem hochevakuierten Gefass befindet sich ein mit Silber uberzogener Platindraht Dieser wird so elektrisch geheizt dass das Silber verdampft Die Silberatome bewegen sich radial nach allen Seiten mit einer temperaturspezifischen Geschwindigkeit Durch eine schmale Blende wird ein feiner Strahl von Silberatomen fokussiert der bei ruhender Apparatur den Schirm an der Stelle S0 schwarzen wurde Zur Messung der Atomgeschwindigkeit lasst man die ganze Apparatur mit der Frequenz f displaystyle f nbsp um den Draht rotieren Auch dann ist die Bahn eines Atoms geradlinig vom Laborsystem aus betrachtet Vom mitrotierenden Bezugssystem aus betrachtet erscheint die Bahn jedoch gekrummt der Strahl wird also scheinbar um die Strecke D s displaystyle Delta s nbsp abgelenkt Je nach Drehrichtung wird der Schirm an einer Stelle S1 oder S2 geschwarzt Versuchsergebnis Bearbeiten nbsp Schwarzungsbild des Versuchs von SternDie Grafik zeigt das Schwarzungsbild wie man es im Versuch erhalt wenn die Apparatur zuerst in Links und dann in Rechtsdrehung versetzt wird Die beim Stern schen Versuch gemessenen Geschwindigkeiten stimmen gut mit den durch die Theorie vorhergesagten Geschwindigkeiten uberein Die Unscharfe der beiden Linien S1 und S2 zeigt dass die Atome verschiedene Geschwindigkeiten haben Diese Geschwindigkeitsverteilung wurde im 19 Jahrhundert von James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann als die Maxwell Boltzmann Verteilung theoretisch vorhergesagt Berechnung der Atomgeschwindigkeit Bearbeiten Im mitrotierenden System ist die Geschwindigkeitskomponente eines Silberatoms in radialer Richtung durch die Geschwindigkeit v displaystyle v nbsp gegeben mit der das Atom aus dem Draht austritt Die Zeit D t displaystyle Delta t nbsp vom Passieren der Blende bis zum Auftreffen auf dem Schirm ist deshalb D t l v displaystyle Delta t frac l v nbsp Die Ablenkung D s displaystyle Delta s nbsp ergibt sich aus der Proportion D s 2 p R D t T displaystyle frac Delta s 2 pi cdot R frac Delta t T nbsp wobei T 1 f displaystyle T frac 1 f nbsp die Dauer fur eine ganze Umdrehung der Apparatur bezeichnet Hieraus folgt D s 2 p R T D t 2 p R l T v 2 p R l f v displaystyle Delta s frac 2 pi cdot R T cdot Delta t frac 2 pi cdot R cdot l T cdot v frac 2 pi cdot R cdot l cdot f v nbsp bzw v 2 p R l f D s displaystyle v frac 2 pi cdot R cdot l cdot f Delta s nbsp Literatur BearbeitenHorst Schmidt Bocking Wolfgang Trageser Ein fast vergessener Pionier Die von Otto Stern entwickelte Molekularstrahlmethode ist essenziell fur Physik und Chemie In Physik Journal Wiley VCH Verlag Chemie Marz 2012 S 47 51 pro physik de PDF Weblinks BearbeitenVersuchsbeschreibung und Auswertung auf Schulerniveau LEIFI Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Versuch von Stern amp oldid 238437279