分子束

还有一种演示物质分子结构的有趣方法，需要我们研究一下气体和蒸气通过小孔流入周围空间的现象。

设想这样一个装置，在一只陶土圆筒（有一个小孔）上绕上电阻丝，使其成为一个释放热量的小电炉，然后将这个电炉放入一只真空的大玻璃球内（图6-2）。假如在陶土圆筒内加入一些低熔点的金属（如钠或钾），当小电炉加热后，金属蒸气会从陶筒的小孔逸出，进入周围的玻璃球空间。蒸气与凉的玻璃球壁接触后，会附着在上面，此时，通过球壁各部分的薄镜状沉积物，我们可清楚看出这种物质从电炉中逸出后的行进方式。

图6-2　气体通过小孔流入空间

接下来，通过调整炉温，我们会发现，不同的炉温会导致玻璃球壁上形成不同样式的金属膜。当炉温很高时，炉内的金属蒸气密度就很高，从小孔中逸出的蒸气与从茶壶或蒸汽机中逸出的很像。同时，蒸气会在所有方向上扩散（图6-2a），填满整个玻璃球，并在全部球壁上形成一个大体均匀的金属膜。

但在较低的炉温下，炉内的蒸气密度较低，发生的情况就完全不同了。从孔中逸出的物质似乎不再向四面八方扩散，而会沿直线移动，且大部分物质都沉积在小孔正对着的玻璃球壁上。如果在小孔正对的方向上放一块障碍物，这个现象会表现得更清晰（图6-2b）。障碍物后面的球壁上不会留下任何沉积物，且这块空白区域的形状会与障碍物的几何阴影形状一模一样。

如果大家记得，蒸气是由大量独立分子在各个方向上不断冲撞形成的，这种不同密度下气体逸出的行为差异就很好理解了。当蒸气的密度很高时，从小孔逸出的气流就像从一座失火剧院的门口疯狂逃窜的人群，冲出门口的人奔跑时仍会撞到彼此。蒸气的密度较低时，则像一次只有一个人通过门口的情况，因为没人阻碍他，他能一路朝前走下去。

这种穿过炉子开孔的低密度物质流被称为“分子束”，它由大量并排飞过空间的单独分子构成。这种分子束对于研究单个分子的性质非常有用。例如可用它来测量热运动的速度。

研究此类分子束速度的装置最早由奥托·斯特恩（Otto Stern）打造，该装置与菲佐测量光速的装置几乎一模一样。它由两个安装在同一根轴上的齿轮构成，只有以特定转速转动时，分子束才能恰好穿过这两个齿轮（图6-3）。通过用挡板截取来自该装置的细分子束，斯特恩证明了分子运动的速度很高（200℃时钠原子的速度为1.5千米每秒），并会随温度的升高而进一步提高。这提供了热动说的直接证明，根据该理论，物体热量的增加不过就是物体分子无规则热运动的加剧。

图6-3　测量分子速度装置