Диффузия гелия
О движении атомов и молекул газов, жидкостей, твердых тел мы можем судить на основе целого ряда наблюдений и экспериментов на основе многих физических явлений. Одним из таких явлений является диффузия, которая состоит во взаимопроникновении атомов или молекул одного вещества между атомами и молекулами другого вещества. Это взаимопроникновение происходит, во-первых, потому что между атомами и молекулами имеются промежутки, и, во-вторых, потому что атомы и молекулы беспрестанно, хаотически, беспорядочно движутся. Легче всего диффузию наблюдать в газах, поскольку атомы и молекулы газов движутся быстрее всего, скорость диффузии максимальна, и, кроме того, расстояние между атомами и молекулами в газе также наибольшее.
Мы сейчас с вами проведем опыт, в котором будем наблюдать диффузию гелия. Но прежде, чем провести сам эксперимент, мы рассмотрим схему действия установки.
На экране схема установки. Вы видите серый стакан из необожженной пористой глины. Этот стакан соединен трубкой с манометром, и, поскольку давление воздуха внутри стакана сейчас равно атомосферному давлению (давлению в камере внутри манометра), то стрелка манометра стоит на нуле. Сверху на стакан из необожженной глины надвинут другой стакан, стеклянный. Он изображен на схеме голубым цветом.
Пустим внутрь стеклянного стакана гелий, заполним гелием стеклянный стакан. Гелий вытеснит воздух из стеклянного стакана. Начинается диффузия атомов гелия (они изображены красными кружочками) внутрь пористого стакана из необожженной глины. И поскольку атомы гелия (они изображены красными кружочками), маленькие, юркие, движутся быстро, они успевают в большом количестве пройти через поры стакана из необожженной глины, зайти внутрь, в то время как тяжелые, менее подвижные молекулы кислорода и азота, вытесняемые атомами гелия и уходящие наружу из стакана, уходят за то же самое время в меньшем количестве. Постепенно количество гелия внутри пористого стакана возрастает, а число молекул воздуха убывает. Но поскольку существенно растет количество атомов гелия внутри стакана из необожженной глины, то растет суммарное давление внутри этого стакана, и это фиксирует манометр. Видите, стрелка манометра на схеме ушла вправо.
Уберем стеклянный стакан. Если убрать стеклянный стакан, то начинается обратное движение. Атомы гелия начинают выходить наружу, а молекулы воздуха заходят внутрь стакана из необожженной глины. И опять более легкие, быстрые атомы гелия уходят из стакана быстрее, чем тяжелые молекулы воздуха, кислорода, азота, успевают войти в стакан. Поэтому суммарное давление внутри стакана не только становится равным атмосферному вследствие ухода атомов гелия, но даже становится меньше, чем атмосферное. Повторяю, что гелий быстрее выходит из этого стакана наружу, чем воздух успевает зайти внутрь. Вы видите, что на манометре стрелка ушла влево.
И лишь через некоторое время, когда воздух зайдет в стакан и выровняется давление, стрелка манометра возвратится к нулю.
Посмотрим сам опыт. Вы видите манометр, соединенный с трубкой с пористым стаканом из необожженной глины. Сейчас давление воздуха в стакане и в камере манометра одинаково, равно атмосферному, и стрелка манометра стоит на нуле. Возьмем второй стакан, стеклянный, и впустим в него гелий из баллона. Поскольку гелий легче воздуха, он вытеснит воздух из стакана. И, таким образом, внутри перевернутого вот таким образом стакана будет сейчас находится гелий. Я открываю редуктор и пускаю гелий в стеклянный стакан.
Надвинем теперь этот стеклянный стакан с гелием на пористый стакан из необожженной глины. Вы видите, стрелка пошла вправо, давление внутри пористого стакана возросло.
Уберем стеклянный стакан. Стрелка идет к нулю, атомы гелия выходят наружу из пористого стакана, а воздух заходит внутрь, но значительно медленнее. Вы видите, что ушел гелий в большем количестве, чем воздух зашел внутрь этого пористого стакана. И сейчас внутри пористого стакана давление оказалось меньше, чем атмосферное, вследствие чего стрелка манометра ушла влево на два деления. Но сейчас молекулы кислорода, азота, тяжелые молекулы посепенно проникают внутрь пористого стакана, идет диффузия воздуха внутрь пористого стакана, и вы видите, как стрелка манометра постепенно возвращается к нулю. Вот она уже на первом делении, и через некоторое время, если бы мы наблюдали опыт до конца, мы бы убедились в том, что стрелка действительно окажется в положении ноль.
