Robert Browni avastus. Browni liikumine Browni liikumine ja aatomi-molekulaarteooria

01.01.202427.05.2017

Mis on Browni liikumine?

Nüüd saate tutvuda kõige ilmsemate tõenditega molekulide soojusliikumise kohta (molekulaarkineetilise teooria teine põhipositsioon). Proovige kindlasti vaadata läbi mikroskoobi ja näha, kuidas nn Browni osakesed liiguvad.

Varem õppisite, mis see on difusioon, st gaaside, vedelike ja tahkete ainete segunemine otseses kokkupuutes. Seda nähtust saab seletada molekulide juhusliku liikumisega ja ühe aine molekulide tungimisega teise aine molekulide vahele. See võib seletada näiteks asjaolu, et vee ja alkoholi segu ruumala on väiksem kui selle koostisosade maht. Kuid kõige ilmsemad tõendid molekulide liikumise kohta on võimalik saada, kui vaadelda mikroskoobiga mis tahes vees suspendeeritud tahke aine väikseimaid osakesi. Need osakesed läbivad juhusliku liikumise, mida nimetatakse Brownian.

See on vedelikus (või gaasis) hõljuvate osakeste soojusliikumine.

Browni liikumise jälgimine

Inglise botaanik R. Brown (1773-1858) täheldas seda nähtust esmakordselt 1827. aastal, uurides mikroskoobiga vees hõljuvaid samblaeoseid. Hiljem vaatas ta teisi väikeseid osakesi, sealhulgas Egiptuse püramiidide kivitükke. Tänapäeval kasutavad nad Browni liikumise jälgimiseks kummikummivärvi osakesi, mis ei lahustu vees. Need osakesed liiguvad juhuslikult. Meie jaoks on kõige hämmastavam ja ebatavalisem see, et see liikumine ei peatu kunagi. Oleme harjunud, et iga liikuv keha peatub varem või hiljem. Brown arvas alguses, et sambla eosed näitavad elumärke.

termiline liikumine ja see ei saa peatuda. Temperatuuri tõustes suureneb selle intensiivsus. Joonisel 8.3 on kujutatud Browni osakeste liikumise skeem. Täppidega tähistatud osakeste asukohad määratakse korrapäraste intervallidega 30 s. Need punktid on ühendatud sirgjoontega. Tegelikkuses on osakeste trajektoor palju keerulisem.

Browni liikumist võib täheldada ka gaasis. Seda põhjustavad õhus hõljuvad tolmu- või suitsuosakesed.

Saksa füüsik R. Pohl (1884-1976) kirjeldab värvikalt Browni liikumist: „Vähesed nähtused on võimelised vaatlejat nii köitma kui Browni liikumine. Siin on vaatlejal lubatud heita pilk looduses toimuva kulisside taha. Tema ees avaneb uus maailm - tohutu hulga osakeste pidev sagimine. Väiksemad osakesed lendavad kiiresti läbi mikroskoobi vaatevälja, muutes peaaegu koheselt liikumissuunda. Suuremad osakesed liiguvad aeglasemalt, kuid muudavad pidevalt ka liikumissuunda. Suured osakesed purustatakse praktiliselt oma kohale. Nende eendid näitavad selgelt osakeste pöörlemist ümber oma telje, mis muudab ruumis pidevalt suunda. Süsteemist ega korrast pole kuskil jälgegi. Pimeda juhuse domineerimine – see on tugev ja valdav mulje, mille see pilt vaatlejale jätab.

Hetkel kontseptsioon Browni liikumine kasutatakse laiemas tähenduses. Näiteks Browni liikumine on tundlike mõõteriistade nõelte vibratsioon, mis tekib instrumendiosade aatomite ja keskkonna termilise liikumise tõttu.

Browni liikumise seletus

Browni liikumist saab seletada ainult molekulaarkineetilise teooria alusel. Osakese Browni liikumise põhjus on see, et vedelate molekulide mõjud osakesele ei tühista üksteist. Joonis 8.4 kujutab skemaatiliselt ühe Browni osakese asukohta ja sellele kõige lähemal olevaid molekule. Kui molekulid liiguvad juhuslikult, ei ole impulsid, mida nad näiteks vasakule ja paremale Browni osakesele edastavad, samad. Seetõttu on vedelate molekulide survejõud Browni osakesele nullist erinev. See jõud põhjustab muutuse osakeste liikumises.

Keskmisel rõhul on nii gaasis kui ka vedelikus teatud väärtus. Kuid sellest keskmisest on alati väikesed juhuslikud kõrvalekalded. Mida väiksem on keha pindala, seda märgatavamad on sellele alale mõjuva survejõu suhtelised muutused. Näiteks kui ala suurus on suurusjärgus mitu molekuli läbimõõtu, muutub sellele mõjuv survejõud järsult nullist teatud väärtuseni, kui molekul seda piirkonda tabab.

Browni liikumise molekulaarkineetilise teooria lõi 1905. aastal A. Einstein (1879-1955).

Browni liikumise teooria konstrueerimine ja selle eksperimentaalne kinnitamine prantsuse füüsiku J. Perrini poolt viis lõpuks lõpule molekulaarkineetilise teooria võidu.

Perrini katsed

Perrini katsete idee on järgmine. On teada, et gaasimolekulide kontsentratsioon atmosfääris väheneb kõrgusega. Kui soojusliikumist poleks, siis langeksid kõik molekulid Maale ja atmosfäär kaoks. Kui aga Maale ei oleks külgetõmmet, siis soojusliikumise tõttu lahkuksid molekulid Maalt, kuna gaas on võimeline piiramatult paisuma. Nende vastandlike tegurite toime tulemusena kujuneb välja teatud molekulide jaotus kõrguses, nagu eespool mainitud, st molekulide kontsentratsioon väheneb kõrgusega üsna kiiresti. Veelgi enam, mida suurem on molekulide mass, seda kiiremini väheneb nende kontsentratsioon koos kõrgusega.

Browni osakesed osalevad soojusliikumises. Kuna nende koostoime on tühiselt väike, võib nende osakeste kogunemist gaasis või vedelikus pidada väga raskete molekulide ideaalseks gaasiks. Sellest tulenevalt peaks Browni osakeste kontsentratsioon gaasis või vedelikus Maa gravitatsiooniväljas vähenema sama seaduse järgi nagu gaasimolekulide kontsentratsioon. See seadus on teada.

Madala teravussügavuse (madala teravussügavuse) suure suurendusega mikroskoopi kasutades jälgis Perrin Browni osakesi väga õhukestes vedelikukihtides. Arvutades erinevatel kõrgustel olevate osakeste kontsentratsiooni, leidis ta, et see kontsentratsioon väheneb kõrgusega sama seaduse järgi nagu gaasimolekulide kontsentratsioon. Erinevus seisneb selles, et tänu Browni osakeste suurele massile toimub vähenemine väga kiiresti.

Veelgi enam, Browni osakeste loendamine erinevatel kõrgustel võimaldas Perrinil määrata Avogadro konstandi täiesti uue meetodi abil. Selle konstandi väärtus langes kokku teadaolevaga.

Kõik need faktid näitavad Browni liikumise teooria õigsust ja vastavalt sellele, et Browni osakesed osalevad molekulide termilises liikumises.

Olete selgelt näinud soojusliikumise olemasolu; nägi kaootilist liikumist toimumas. Molekulid liiguvad veelgi juhuslikumalt kui Browni osakesed.

Nähtuse olemus

Nüüd proovime mõista Browni liikumise fenomeni olemust. Ja see juhtub seetõttu, et kõik absoluutselt vedelikud ja gaasid koosnevad aatomitest või molekulidest. Kuid me teame ka, et need pisikesed osakesed, olles pidevas kaootilises liikumises, suruvad Browni osakest pidevalt erinevatest suundadest.

Huvitav on aga see, et teadlased on tõestanud, et suurema suurusega osakesed, mis ületavad 5 mikronit, jäävad liikumatuks ega osale peaaegu Browni liikumises, mida ei saa öelda väiksemate osakeste kohta. Osakesed, mille suurus on alla 3 mikroni, on võimelised liikuma translatsiooniliselt, sooritama pöördeid või kirjutama keerulisi trajektoore.

Kui suur keha on keskkonda kastetud, näivad tohutul hulgal esinevad löögid saavutavat keskmise taseme ja säilitavat püsiva rõhu. Sel juhul tuleb mängu Archimedese teooria, kuna suur keha, mis on igast küljest ümbritsetud keskkonnaga, tasakaalustab survet ja allesjäänud tõstejõud võimaldab sellel kehal hõljuda või vajuda.

Kuid kui kehal on sellised mõõtmed nagu Browni osake, see tähendab täiesti märkamatud, muutuvad rõhuhälbed märgatavaks, mis aitab kaasa juhusliku jõu loomisele, mis põhjustab nende osakeste vibratsiooni. Võib järeldada, et söötmes olevad Browni osakesed on suspensioonis, erinevalt suurtest osakestest, mis vajuvad või hõljuvad.

Browni liikumise tähendus

Proovime välja mõelda, kas Browni liikumisel on looduskeskkonnas mingit tähtsust:

Esiteks, Browni liikumine mängib olulist rolli taimede toitumises mullast;
Teiseks, inim- ja loomaorganismides toimub toitainete imendumine läbi seedeorganite seinte Browni liikumise tõttu;
Kolmandaks, naha hingamise rakendamisel;
Ja lõpuks, Browni liikumine on oluline kahjulike ainete jaotumisel õhus ja vees.

Kodutöö

Lugege küsimused hoolikalt läbi ja vastake neile kirjalikult:

1. Pea meeles, mida nimetatakse difusiooniks?
2. Milline on seos molekulide difusiooni ja soojusliikumise vahel?
3. Defineerige Browni liikumine.
4. Kas arvate, et Browni liikumine on termiline, ja põhjendage oma vastust?
5. Kas Browni liikumise olemus muutub kuumutamisel? Kui see muutub, siis kuidas täpselt?
6. Millise seadmega uuritakse Browni liikumist?
7. Kas ja kuidas täpselt muutub Browni liikumise muster temperatuuri tõustes?
8. Kas veemulsiooni asendamisel glütserooliga muutub Browni liikumine?

G.Ja.Mjakišev, B.B.Buhhovtsev, N.N.Sotski, füüsika 10. klass

Täna vaatleme lähemalt olulist teemat – defineerime väikeste ainetükkide Browni liikumist vedelikus või gaasis.

Kaart ja koordinaadid

Mõned koolilapsed, keda piinavad igavad tunnid, ei saa aru, miks õppida füüsikat. Vahepeal võimaldas just see teadus kunagi Ameerikat avastada!

Alustame kaugelt. Vahemere iidsetel tsivilisatsioonidel oli teatud mõttes õnne: nad arenesid suletud siseveekogu kaldal. Vahemerd nimetatakse nii, sest see on igast küljest ümbritsetud maismaaga. Ja muistsed rändurid võisid oma ekspeditsiooniga päris kaugele sõita, ilma kaldaid silmist kaotamata. Maa piirjooned aitasid orienteeruda. Ja esimesed kaardid koostati pigem kirjeldavalt kui geograafiliselt. Tänu nendele suhteliselt lühikestele reisidele said kreeklased, foiniiklased ja egiptlased väga osavaks laevaehituseks. Ja kus on parim varustus, seal on soov oma maailma piire nihutada.

Seetõttu otsustasid Euroopa suurriigid ühel ilusal päeval ookeani siseneda. Üle mandrite vaheliste lõputute avaruste seilates nägid meremehed mitu kuud ainult vett ja pidid kuidagi oma tee leidma. Täpsete kellade ja kvaliteetse kompassi leiutamine aitas määrata koordinaate.

Kell ja kompass

Väikeste käeshoitavate kronomeetrite leiutamine aitas meremehi suuresti. Nende asukoha täpseks kindlakstegemiseks pidi neil olema lihtne instrument, mis mõõtis päikese kõrgust horisondi kohal, ja teadma, millal täpselt keskpäev on. Ja tänu kompassile teadsid laevakaptenid, kuhu nad lähevad. Nii kella kui ka magnetnõela omadusi uurisid ja lõid füüsikud. Tänu sellele avanes eurooplastele kogu maailm.

Uued mandrid olid terra incognita, uurimata maad. Neil kasvasid imelikud taimed ja leiti kummalisi loomi.

Taimed ja füüsika

Kõik tsiviliseeritud maailma loodusteadlased tormasid neid uusi kummalisi ökoloogilisi süsteeme uurima. Ja loomulikult püüdsid nad neist kasu saada.

Robert Brown oli inglise botaanik. Ta reisis Austraaliasse ja Tasmaaniasse, kogudes seal taimekollektsioone. Juba kodus Inglismaal töötas ta palju kaasa toodud materjali kirjeldamise ja liigitamise kallal. Ja see teadlane oli väga pedantne. Ühel päeval õietolmu liikumist taimemahlas jälgides märkas ta: väikesed osakesed teevad pidevalt kaootilisi siksakilisi liigutusi. See on väikeste elementide Browni liikumise määratlus gaasides ja vedelikes. Tänu avastusele kirjutas hämmastav botaanik oma nime füüsika ajalukku!

Brown ja Gooey

Euroopa teaduses on tavaks nimetada mõju või nähtus selle avastaja järgi. Kuid sageli juhtub see juhuslikult. Kuid inimene, kes füüsikaseadust kirjeldab, avastab selle tähtsuse või uurib seda üksikasjalikumalt, leiab end varjust. See juhtus prantslase Louis Georges Gouyga. Just tema andis Browni liikumise definitsiooni (7. klass füüsikas seda teemat uurides sellest kindlasti ei kuule).

Gouy uurimused ja Browni liikumise omadused

Prantsuse eksperimentaator Louis Georges Gouy jälgis erinevat tüüpi osakeste liikumist mitmes vedelikus, sealhulgas lahustes. Tolleaegne teadus suutis ainetükkide suuruse täpselt määrata kuni kümnendiku mikromeetrini. Uurides, mis on Browni liikumine (see oli Gouy, kes andis selle nähtuse definitsiooni füüsikas), mõistis teadlane: osakeste liikumise intensiivsus suureneb, kui need asetatakse vähem viskoossesse keskkonda. Kuna ta oli laia spektriga eksperimenteerija, eksponeeris ta suspensiooni erineva tugevusega valguse ja elektromagnetväljadega. Teadlane leidis, et need tegurid ei mõjuta kuidagi osakeste kaootilisi siksakhüppeid. Gouy näitas ühemõtteliselt, mida Browni liikumine tõestab: vedeliku või gaasi molekulide termiline liikumine.

Meeskond ja mass

Nüüd kirjeldame üksikasjalikumalt vedelikus olevate väikeste ainetükkide siksakiliste hüpete mehhanismi.

Iga aine koosneb aatomitest või molekulidest. Need maailma elemendid on väga väikesed, ükski optiline mikroskoop neid ei näe. Vedelikus nad võnguvad ja liiguvad kogu aeg. Kui mis tahes nähtav osake lahusesse siseneb, on selle mass tuhandeid kordi suurem kui üks aatom. Vedelate molekulide Browni liikumine toimub kaootiliselt. Kuid sellegipoolest on kõik aatomid või molekulid kollektiiv, nad on üksteisega seotud, nagu inimesed, kes ühendavad käed. Seetõttu juhtub vahel, et osakese ühel poolel olevad vedeliku aatomid liiguvad nii, et “pressivad” sellele peale, samal ajal kui osakese teisel poolel tekib vähem tihe keskkond. Seetõttu liigub tolmuosake lahuse ruumis. Mujal mõjutab vedelikumolekulide kollektiivne liikumine juhuslikult massiivsema komponendi teist poolt. Täpselt nii toimub osakeste Browni liikumine.

Aeg ja Einstein

Kui aine temperatuur on nullist erinev, läbivad selle aatomid termilisi vibratsioone. Seetõttu on isegi väga külmas või ülejahutatud vedelikus Browni liikumine olemas. Need väikeste hõljuvate osakeste kaootilised hüpped ei peatu kunagi.

Albert Einstein on võib-olla kahekümnenda sajandi kuulsaim teadlane. Igaüks, keda vähegi füüsika huvitab, teab valemit E = mc 2. Paljud võivad mäletada ka fotoefekti, mille eest talle anti Nobeli preemia, ja erirelatiivsusteooriat. Kuid vähesed teavad, et Einstein töötas välja Browni liikumise valemi.

Molekulaarkineetilisele teooriale tuginedes tuletas teadlane vedelikus hõljuvate osakeste difusioonikoefitsiendi. Ja see juhtus 1905. aastal. Valem näeb välja selline:

D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ),

kus D on soovitud koefitsient, R on universaalne gaasikonstant, T on absoluutne temperatuur (väljendatud kelvinites), NA on Avogadro konstant (vastab ühele ainemoolile või ligikaudu 10 23 molekulile), a on ligikaudne keskmine osakeste raadius, ξ on vedeliku või lahuse dünaamiline viskoossus.

Ja juba 1908. aastal tõestasid prantsuse füüsik Jean Perrin ja tema õpilased eksperimentaalselt Einsteini arvutuste õigsust.

Üks osake sõdalaste väljal

Eespool kirjeldasime keskkonna kollektiivset mõju paljudele osakestele. Kuid isegi üks võõrelement vedelikus võib tekitada teatud mustreid ja sõltuvusi. Näiteks kui jälgite Browni osakest pikka aega, saate salvestada kõik selle liikumised. Ja sellest kaosest tekib harmooniline süsteem. Browni osakese keskmine liikumine ühes suunas on võrdeline ajaga.

Vedelikus oleva osakesega katsetes täpsustati järgmisi koguseid:

Boltzmanni konstant;
Avogadro number.

Lisaks lineaarsele liikumisele on iseloomulik ka kaootiline pöörlemine. Ja keskmine nurknihe on samuti võrdeline vaatlusajaga.

Suurused ja kujundid

Pärast sellist arutlust võib tekkida loogiline küsimus: miks seda mõju suurte kehade puhul ei täheldata? Sest kui vedelikku sukeldatud objekti ulatus on suurem kui teatud väärtus, muutuvad kõik need juhuslikud molekulide kollektiivsed "tõuked" konstantseks rõhuks, nagu neid keskmistatakse. Ja kindral Archimedes tegutseb juba kehal. Nii vajub suur tükk rauda alla ja vees hõljub metallitolm.

Osakeste suurus, mille näitena ilmneb vedelate molekulide kõikumine, ei tohiks ületada 5 mikromeetrit. Suurte objektide puhul pole see mõju märgatav.

Šoti botaanik Robert Brown (mõnikord on tema perekonnanimi transkribeeritud kui Brown) sai oma eluajal parima taimeeksperdina tiitli "Botaanikute prints". Ta tegi palju imelisi avastusi. 1805. aastal tõi ta pärast neli aastat kestnud ekspeditsiooni Austraaliasse Inglismaale umbes 4000 teadlastele tundmatu Austraalia taimeliiki ja veetis neid aastaid uurides. Kirjeldatud Indoneesiast ja Kesk-Aafrikast toodud taimi. Ta õppis taimefüsioloogiat ja kirjeldas esimest korda üksikasjalikult taimeraku tuuma. Peterburi Teaduste Akadeemia tegi ta auliikmeks. Kuid teadlase nimi on nüüd laialt tuntud mitte nende tööde tõttu.

1827. aastal viis Brown läbi taimede õietolmu uuringuid. Teda huvitas eriti see, kuidas õietolm väetamisprotsessis osaleb. Kord vaatas ta mikroskoobi all Põhja-Ameerika taime õietolmurakke. Clarkia pulchella(päris clarkia) vees suspendeeritud piklikud tsütoplasmaatilised terad. Järsku nägi Brown, et väikseimad tahked terad, mida vaevu veetilgas näha, värisesid pidevalt ja liikusid ühest kohast teise. Ta leidis, et tema sõnul ei ole need liikumised "seotud ei vedeliku voolu ega selle järkjärgulise aurustumisega, vaid on omased osakestele endile".

Browni tähelepanekut kinnitasid ka teised teadlased. Väiksemad osakesed käitusid justkui elus ning osakeste “tants” kiirenes temperatuuri tõustes ja osakeste suuruse vähenedes ning vee asendamisel viskoossema keskkonnaga aeglustus selgelt. See hämmastav nähtus ei lakanud kunagi: seda võis jälgida nii kaua, kui sooviti. Algul arvas Brown isegi, et mikroskoobi väljale sattusid tegelikult elusolendid, seda enam, et õietolm on taimede meessoost sugurakud, kuid osakesi leidus ka surnud taimedelt, isegi sada aastat varem herbaariumites kuivatatutest. Seejärel mõtles Brown, kas need on "elusolendite elementaarsed molekulid", millest rääkis kuulus prantsuse loodusteadlane Georges Buffon (1707–1788), 36-köitelise raamatu autor. Looduslugu. See oletus langes ära, kui Brown hakkas uurima näiliselt elutuid objekte; algul olid need väga väikesed söeosakesed, samuti Londoni õhust pärit tahm ja tolm, seejärel peeneks jahvatatud anorgaanilised ained: klaas, palju erinevaid mineraale. "Aktiivsed molekulid" olid kõikjal: "Igas mineraalis," kirjutas Brown, "mida mul on õnnestunud nii palju pulbristada, et see võib mõnda aega vees suspendeerida, olen leidnud neid molekule suuremas või väiksemas koguses. ."

Peab ütlema, et Brownil polnud uusimaid mikroskoope. Oma artiklis rõhutab ta konkreetselt, et tal olid tavalised kaksikkumerad läätsed, mida ta kasutas mitu aastat. Ja jätkab: "Kogu uuringu vältel kasutasin ma samu objektiive, millega tööd alustasin, et anda oma väidetele rohkem usaldusväärsust ja muuta need tavaliste vaatluste jaoks võimalikult kättesaadavaks."

Nüüd, kui korrata Browni tähelepanekut, piisab mitte väga tugevast mikroskoobist ja selle abil uurida suitsu mustaks tõmbunud kastis, mis on valgustatud läbi külgava intensiivse valgusvihuga. Gaasi puhul avaldub nähtus palju selgemalt kui vedelikus: nähtaval on väikesed tuha- või tahmatükid (olenevalt suitsuallikast), mis hajutavad valgust ja hüppavad pidevalt edasi-tagasi.

Nagu teaduses sageli juhtub, avastasid ajaloolased aastaid hiljem, et juba 1670. aastal täheldas mikroskoobi leiutaja hollandlane Antonie Leeuwenhoek ilmselt sarnast nähtust, kuid mikroskoopide haruldus ja ebatäiuslikkus, tolleaegse molekulaarteaduse embrüonaalne seisund. ei äratanud Leeuwenhoeki tähelepanekule tähelepanu, seetõttu omistatakse avastus õigustatult Brownile, kes oli esimene, kes seda üksikasjalikult uuris ja kirjeldas.

Browni liikumine ja aatomi-molekulaarteooria.

Browni täheldatud nähtus sai kiiresti laialt tuntuks. Ta ise näitas oma katseid arvukatele kolleegidele (Brown loetleb kaks tosinat nime). Kuid ei Brown ise ega paljud teised teadlased ei suutnud aastaid seletada seda salapärast nähtust, mida nimetati "Browni liikumiseks". Osakeste liikumised olid täiesti juhuslikud: erinevatel ajahetkedel (näiteks igal minutil) tehtud visandid nende asukohtade kohta ei võimaldanud esmapilgul nendes liikumistes mingit mustrit leida.

Browni liikumise (nagu seda nähtust nimetati) seletus nähtamatute molekulide liikumise kaudu anti alles 19. sajandi viimasel veerandil, kuid kõik teadlased ei võtnud seda kohe omaks. Karlsruhes (Saksamaa) pärit kirjeldava geomeetria õpetaja Ludwig Christian Wiener (1826–1896) pakkus 1863. aastal, et nähtus on seotud nähtamatute aatomite võnkuvate liikumistega. See oli esimene, kuigi tänapäevasest väga kaugel, seletus Browni liikumise kohta aatomite ja molekulide endi omaduste põhjal. On oluline, et Wiener nägi võimalust kasutada seda nähtust mateeria struktuuri saladustesse tungimiseks. Ta oli esimene, kes püüdis mõõta Browni osakeste liikumiskiirust ja selle sõltuvust nende suurusest. On kurioosne, et 1921. a USA riikliku teaduste akadeemia aruanded Avaldati teos teise viineri – kuulsa küberneetika rajaja Norberti – Browni liikumisest.

L. K. Wieneri ideid võtsid omaks ja arendasid välja mitmed teadlased – Sigmund Exner Austrias (ja 33 aastat hiljem – tema poeg Felix), Giovanni Cantoni Itaalias, Karl Wilhelm Negeli Saksamaal, Louis Georges Gouy Prantsusmaal, kolm Belgia preestrit - Jesuiidid Carbonelli, Delso ja Tirion jt. Nende teadlaste hulgas oli hilisem kuulus inglise füüsik ja keemik William Ramsay. Tasapisi sai selgeks, et kõige pisemaid aineterasid tabavad igalt poolt veel väiksemad osakesed, mida mikroskoobis enam näha ei olnud – nii nagu pole kaldalt näha kaugel asuvat paati õõtsuvaid laineid, samas kui paadi liigutused. ise on üsna selgelt nähtavad. Nagu nad kirjutasid ühes artiklis 1877. aastal: "...suurte arvude seadus ei vähenda enam kokkupõrgete mõju keskmise ühtlase rõhuni; nende resultant ei võrdu enam nulliga, vaid muudab pidevalt oma suunda ja suurusjärk."

Kvalitatiivselt oli pilt üsna usutav ja isegi visuaalne. Väike oks või putukas peaks liikuma ligikaudu samamoodi, paljude sipelgate poolt eri suundades lükkama (või tõmbama). Need väiksemad osakesed olid tegelikult teadlaste sõnavaras, kuid keegi polnud neid kunagi näinud. Neid nimetati molekulideks; Ladina keelest tõlgituna tähendab see sõna "väike mass". Hämmastav on see, et just sellise seletuse andis sarnasele nähtusele Rooma filosoof Titus Lucretius Carus (umbes 99–55 eKr) oma kuulsas luuletuses. Asjade olemusest. Selles nimetab ta kõige pisemaid silmale nähtamatuid osakesi asjade “ürgseteks põhimõteteks”.

Asjade põhimõtted liiguvad kõigepealt ise,
Neile järgnevad kehad nende väikseimast kombinatsioonist,
Peamiste põhimõtete tugevuselt justkui lähedane,
Nende eest peidus, šokkide saamisel hakkavad nad pingutama,
Ise end liigutama, seejärel julgustades suuremaid kehasid.
Nii et algusest alustades liikumine vähehaaval
See puudutab meie tundeid ja muutub ka nähtavaks
Meile ja tolmutükkides, mis päikesevalguses liiguvad,
Kuigi värinad, millest see tekib, on märkamatud...

Seejärel selgus, et Lucretius eksis: Browni liikumist on palja silmaga võimatu jälgida ja õhukeeriste liikumiste tõttu pimedasse ruumi tunginud tolmuosakesed päikesekiires "tantsivad". Kuid väliselt on mõlemal nähtusel mõningaid sarnasusi. Ja alles 19. sajandil. Paljudele teadlastele sai selgeks, et Browni osakeste liikumine on põhjustatud söötme molekulide juhuslikest mõjudest. Liikuvad molekulid põrkuvad kokku tolmuosakeste ja muude vees olevate tahkete osakestega. Mida kõrgem on temperatuur, seda kiirem on liikumine. Kui tolmukübe on suur, näiteks 0,1 mm suurune (läbimõõt on miljon korda suurem veemolekuli omast), siis on paljud samaaegsed löögid sellele igalt poolt vastastikku tasakaalustatud ja praktiliselt mitte. "Katsuge" neid - umbes sama kui plaadisuurune puutükk, ei "tunne" paljude sipelgate pingutusi, mis tõmbavad või lükkavad seda eri suundades. Kui tolmuosake on suhteliselt väike, liigub see ümbritsevate molekulide mõjul ühes või teises suunas.

Browni osakeste suurus on suurusjärgus 0,1–1 μm, s.o. tuhandest kuni kümnetuhandik millimeetrini, mistõttu Brown suutis nende liikumist eristada, kuna ta vaatas pisikesi tsütoplasma terakesi, mitte õietolmu ennast (mille kohta sageli ekslikult kirjutatakse). Probleem on selles, et õietolmu rakud on liiga suured. Seega on niiduheina õietolmus, mida tuul kannab ja mis põhjustab inimesel allergilisi haigusi (heinanohu), raku suurus jääb tavaliselt vahemikku 20 - 50 mikronit, s.o. need on liiga suured, et jälgida Browni liikumist. Samuti on oluline märkida, et Browni osakese üksikud liikumised toimuvad väga sageli ja väga lühikeste vahemaade tagant, nii et neid pole võimalik näha, kuid mikroskoobis on nähtavad teatud aja jooksul toimunud liikumised.

Näib, et Browni liikumise olemasolu tõestas ühemõtteliselt aine molekulaarset struktuuri, kuid isegi 20. sajandi alguses. Oli teadlasi, sealhulgas füüsikuid ja keemikuid, kes ei uskunud molekulide olemasolusse. Aatomi-molekulaarne teooria saavutas tunnustuse vaid aeglaselt ja vaevaliselt. Nii kirjutas juhtiv prantsuse orgaaniline keemik Marcelin Berthelot (1827–1907): "Molekuli mõiste on meie teadmiste seisukohast ebakindel, samas kui teine mõiste - aatom - on puhtalt hüpoteetiline." Kuulus prantsuse keemik A. Saint-Clair Deville (1818–1881) rääkis veelgi selgemalt: „Ma ei aktsepteeri Avogadro seadust, aatomit ega molekuli, sest ma keeldun uskumast sellesse, mida ma ei näe ega vaadelda. ” Ja saksa füüsikaline keemik Wilhelm Ostwald (1853–1932), Nobeli preemia laureaat, üks füüsikalise keemia rajajaid, 20. sajandi alguses. eitas otsustavalt aatomite olemasolu. Tal õnnestus kirjutada kolmeköiteline keemiaõpik, milles sõna "aatom" isegi ei mainita. Ostwald püüdis 19. aprillil 1904 rääkides suure ettekandega kuninglikus instituudis Inglise Keemiaühingu liikmetele tõestada, et aatomeid ei ole olemas ja „see, mida me nimetame aineks, on vaid teatud energiate kogum. koht.”

Kuid isegi need füüsikud, kes aktsepteerisid molekulaarteooriat, ei suutnud uskuda, et aatom-molekulaarteooria paikapidavus on nii lihtsal viisil tõestatud, mistõttu esitati nähtuse selgitamiseks mitmesuguseid alternatiivseid põhjuseid. Ja see on üsna teaduse vaimus: kuni nähtuse põhjust pole üheselt tuvastatud, on võimalik (ja isegi vajalik) oletada mitmesuguseid hüpoteese, mida tuleks võimalusel katseliselt või teoreetiliselt kontrollida. Nii avaldati 1905. aastal Brockhausi ja Efroni entsüklopeedilises sõnastikus Peterburi füüsikaprofessori N. A. Gezekhusi, kuulsa akadeemiku A. F. Ioffe õpetaja, lühike artikkel. Gesehus kirjutas, et mõnede teadlaste arvates põhjustab Browni liikumist "vedelikku läbivad valgus- või soojuskiired" ja see taandub "lihtsateks vooludeks vedelikus, millel pole molekulide liikumisega mingit pistmist" ja need voolud. võib olla põhjustatud "aurustumisest, difusioonist ja muudest põhjustest". Oli ju juba varem teada, et väga sarnane tolmuosakeste liikumine õhus on põhjustatud just keerisvooludest. Kuid Gesehuse antud seletuse saaks eksperimentaalselt kergesti ümber lükata: kui vaadata läbi tugeva mikroskoobi kahte üksteisele väga lähedal asuvat Browni osakest, siis osutub nende liikumine täiesti sõltumatuks. Kui need liikumised oleksid põhjustatud vedeliku vooludest, liiguksid sellised naaberosakesed kooskõlastatult.

Browni liikumise teooria.

Vaatamata näilisele täielikule häirele oli Browni osakeste juhuslikke liikumisi siiski võimalik kirjeldada matemaatilise seosega. Esimest korda andis Browni liikumise range selgituse 1904. aastal poola füüsik Marian Smoluchowski (1872–1917), kes töötas neil aastatel Lvivi ülikoolis. Samal ajal töötas selle nähtuse teooria välja Albert Einstein (1879–1955), toona vähetuntud 2. klassi ekspert Šveitsi linna Berni patendiametis. Tema artikkel, mis avaldati mais 1905 Saksa ajakirjas Annalen der Physik, kandis pealkirja Puhkeolekus vedelikus hõljuvate osakeste liikumise kohta, mida nõuab soojuse molekulaarkineetiline teooria. Selle nimega soovis Einstein näidata, et aine struktuuri molekulaarkineetiline teooria eeldab tingimata väikseimate tahkete osakeste juhusliku liikumise olemasolu vedelikes.

On uudishimulik, et selle artikli alguses kirjutab Einstein, et on nähtusega ise tuttav, kuigi pealiskaudselt: "Võimalik, et kõnealused liikumised on identsed niinimetatud Browni molekulaarse liikumisega, kuid olemasolevad andmed minu jaoks on viimaste kohta nii ebatäpsed, et ma ei suutnud sõnastada ja see on kindel arvamus. Ja aastakümneid hiljem, juba hilises elus, kirjutas Einstein oma memuaarides midagi muud - et ta ei teadnud Browni liikumisest üldse ja "avastas" selle tegelikult puhtalt teoreetiliselt: "Teadmata, et "Browni liikumise" vaatlused on juba pikka aega olnud. Teadaolevalt avastasin, et aatomiteooria viib mikroskoopiliste hõljuvate osakeste vaadeldava liikumise olemasoluni." Olgu kuidas on, Einsteini teoreetiline artikkel lõppes otsese üleskutsega eksperimenteerijatele katsetada tema järeldusi eksperimentaalselt: "Kui mõni teadlane suudaks peagi vastata siin tõstatatud küsimused on küsimused!" – lõpetab ta oma artikli sellise ebatavalise hüüatusega.

Vastust Einsteini kirglikule üleskutsele ei tulnud kaua oodata.

Smoluchowski-Einsteini teooria kohaselt on Browni osakese ruudu nihke keskmine väärtus ( s 2) aja pärast t otseselt võrdeline temperatuuriga T ja pöördvõrdeline vedeliku viskoossusega h, osakeste suurusega r ja Avogadro konstant

N V: s 2 = 2RTt/6ph rN A,

Kus R- gaasikonstant. Niisiis, kui 1 minutiga liigub osake läbimõõduga 1 μm 10 μm, siis 9 minutiga - 10 = 30 μm, 25 minutiga - 10 = 50 μm jne. Sarnastes tingimustes liigub osake läbimõõduga 0,25 μm sama ajaperioodi jooksul (1, 9 ja 25 min) vastavalt 20, 60 ja 100 μm, kuna = 2. On oluline, et ülaltoodud valem sisaldaks Avogadro konstanti, mida saab seega määrata Browni osakese liikumise kvantitatiivsete mõõtmiste abil, mille viis läbi prantsuse füüsik Jean Baptiste Perrin (1870–1942).

Kolme Browni osakese järjestikused asendid iga 30 sekundi järel – umbes 1 mikroni suurused kummipallid. Üks lahter vastab 3 µm kaugusele. Kui Perrin suudaks Browni osakeste asukoha määrata mitte 30, vaid 3 sekundi pärast, muutuksid iga naaberpunkti vahelised sirged samasuguseks keeruliseks siksakiliseks katkendlikuks jooneks, ainult väiksemas skaalas.

Kasutades teoreetilist valemit ja oma tulemusi, sai Perrin Avogadro arvu jaoks tolle aja kohta üsna täpse väärtuse: 6,8 . 10 23 . Perrin kasutas mikroskoopi ka Browni osakeste vertikaalse jaotuse uurimiseks ( cm. AVOGADRO SEADUS) ja näitas, et vaatamata gravitatsiooni mõjule jäävad need lahusesse hõljuma. Perrinile kuulub ka teisi olulisi teoseid. 1895. aastal tõestas ta, et katoodkiired on negatiivsed elektrilaengud (elektronid) ja 1901. aastal pakkus ta esmakordselt välja aatomi planeedimudeli. 1926. aastal pälvis ta Nobeli füüsikaauhinna.

Perrini saadud tulemused kinnitasid Einsteini teoreetilisi järeldusi. See jättis tugeva mulje. Nagu Ameerika füüsik A. Pais kirjutas palju aastaid hiljem, "te ei lakka imestamast selle tulemuse üle, mis saadakse nii lihtsal viisil: piisab, kui valmistada kuulide suspensiooni, mille suurus on võrreldes suurusega suur. lihtsatest molekulidest, võtke stopper ja mikroskoop ning saate määrata Avogadro konstandi! Võib ka üllatuda: teadusajakirjades (Nature, Science, Journal of Chemical Education) ilmub aeg-ajalt ikka veel kirjeldusi uutest Browni liikumise katsetest! Omaaegne atomismi vastane Ostwald tunnistas pärast Perrini tulemuste avaldamist, et „Browni liikumise kokkulangevus kineetilise hüpoteesi nõuetega... annab nüüd kõige ettevaatlikumale teadlasele õiguse rääkida aatomiteooria eksperimentaalsest tõestusest. mateeriast. Seega on aatomiteooria tõstetud teadusliku, hästi põhjendatud teooria auastmesse. Teda kordab prantsuse matemaatik ja füüsik Henri Poincaré: "Perrini hiilgav aatomite arvu määramine viis lõpule atomismi võidukäigu... Keemikute aatom on nüüdseks saanud reaalsuseks."

Browni liikumine ja difusioon.

Browni osakeste liikumine on välimuselt väga sarnane üksikute molekulide liikumisega nende soojusliikumise tulemusena. Seda liikumist nimetatakse difusiooniks. Juba enne Smoluchowski ja Einsteini tööd kehtestati aine gaasilise oleku lihtsaimal juhul molekulide liikumise seadused. Selgus, et gaaside molekulid liiguvad väga kiiresti - kuulikiirusel, kuid nad ei saa kaugele lennata, kuna põrkuvad väga sageli teiste molekulidega. Näiteks õhus olevad hapniku- ja lämmastikumolekulid, mis liiguvad keskmise kiirusega ligikaudu 500 m/s, kogevad igas sekundis enam kui miljardit kokkupõrget. Seetõttu oleks molekuli tee, kui seda oleks võimalik jälgida, keeruline katkendjoon. Browni osakesed kirjeldavad ka sarnast trajektoori, kui nende asukoht registreeritakse teatud ajavahemike järel. Nii difusioon kui ka Browni liikumine on molekulide kaootilise soojusliikumise tagajärg ja seetõttu kirjeldatakse neid sarnaste matemaatiliste seostega. Erinevus seisneb selles, et gaaside molekulid liiguvad sirgjooneliselt, kuni põrkuvad teiste molekulidega, misjärel nad suunda muudavad. Browni osake, erinevalt molekulist, ei soorita mingeid “vabalende”, vaid kogeb väga sagedasi väikeseid ja ebaregulaarseid “värinaid”, mille tulemusena nihkub kaootiliselt ühes või teises suunas. Arvutused on näidanud, et 0,1 µm suuruse osakese puhul toimub üks liikumine kolme miljardindikuga sekundis vaid 0,5 nm kaugusel (1 nm = 0,001 µm). Nagu üks autor tabavalt ütleb, meenutab see tühja õllepurgi liigutamist väljakul, kuhu on kogunenud rahvamass.

Difusiooni on palju lihtsam jälgida kui Browni liikumist, kuna see ei vaja mikroskoopi: liikumist ei jälgita mitte üksikute osakeste, vaid nende tohutute masside puhul, peate lihtsalt tagama, et difusiooni ei kataks konvektsioon - aine segunemine keerisvoolude tulemus (sellist voolu on lihtne märgata, kui asetada tilk värvilist lahust, näiteks tinti, klaasi kuuma vee sisse).

Difusiooni on mugav jälgida paksudes geelides. Sellist geeli saab valmistada näiteks penitsilliinipurgis, valmistades sinna 4–5% želatiinilahuse. Esmalt peab želatiin mitu tundi paisuma ja seejärel lahustub see segades täielikult, pannes purki kuuma vette. Pärast jahutamist saadakse läbipaistva, kergelt häguse massi kujul mittevoolav geel. Kui sisestate teravate pintsettidega selle massi keskele ettevaatlikult väikese kaaliumpermanganaadi kristalli ("kaaliumpermanganaadi"), jääb kristall rippuma sellesse kohta, kuhu see jäi, kuna geel takistab selle kukkumist. Mõne minuti pärast hakkab kristalli ümber kasvama lillakas pall, mis aja jooksul muutub aina suuremaks, kuni purgi seinad selle kuju moonutavad. Sama tulemuse saab ka vasksulfaadi kristalli abil, ainult sel juhul ei osutu pall lillaks, vaid siniseks.

On selge, miks pall välja tuli: MnO 4 – kristalli lahustumisel tekkivad ioonid lähevad lahusesse (geel on peamiselt vesi) ja difusiooni tulemusena liiguvad ühtlaselt igas suunas, samas kui gravitatsioonil pole praktiliselt mingit mõju. difusioonikiirus. Difusioon vedelikus on väga aeglane: kulub mitu tundi, enne kui pall kasvab mitu sentimeetrit. Gaasides on difusioon palju kiirem, kuid siiski, kui õhku ei segaks, leviks parfüümi või ammoniaagi lõhn ruumis tundideks.

Browni liikumisteooria: juhuslikud jalutuskäigud.

Smoluchowski-Einsteini teooria selgitab nii difusiooni kui ka Browni liikumise seadusi. Neid mustreid saame käsitleda difusiooni näitel. Kui molekuli kiirus on u, siis sirgjooneliselt liikudes ajas t läheb kaugusesse L = ut, kuid kokkupõrgete tõttu teiste molekulidega ei liigu see molekul sirgjooneliselt, vaid muudab pidevalt oma liikumissuunda. Kui oleks võimalik visandada molekuli teekond, ei erineks see põhimõtteliselt Perrini saadud joonistest. Nendelt joonistelt on selge, et kaootilise liikumise tõttu nihkub molekul vahemaa võrra s, oluliselt vähem kui L. Need suurused on seotud suhtega s= , kus l on kaugus, mille molekul lendab ühest kokkupõrkest teise, keskmine vaba tee. Mõõtmised on näidanud, et õhumolekulide puhul normaalsel atmosfäärirõhul l ~ 0,1 μm, mis tähendab, et kiirusel 500 m/s lendab lämmastiku- või hapnikumolekul kaugust 10 000 sekundiga (alla kolme tunni) L= 5000 km ja nihkub algsest asendist vaid võrra s= 0,7 m (70 cm), mistõttu ained liiguvad difusiooni tõttu nii aeglaselt isegi gaasides.

Molekuli teekonda difusiooni tulemusena (või Browni osakese teekonda) nimetatakse juhuslikuks kõnniks. Vaimukad füüsikud tõlgendasid seda väljendit ümber kui joodiku kõnnak – “joodiku tee”. see analoogia võimaldab ka üsna lihtsalt tuletada sellise protsessi põhivõrrandi, mis põhineb ühemõõtmelise liikumise näitel, mida on lihtne üldistada kolmemõõtmeliseks.

Oletame, et hilisõhtul tuli kõrtsist välja tige madrus ja suundus mööda tänavat. Käinud mööda teed l lähima laterna juurde, ta puhkas ja läks... kas edasi, järgmise laterna juurde või tagasi, kõrtsi - ta ju ei mäleta, kust ta tuli. Küsimus on selles, kas ta lahkub kunagi suvikõrvitsast või uitab selle ümber, nüüd eemaldudes, nüüd lähenedes? (Teine versioon probleemist väidab, et tänava mõlemas otsas on määrdunud kraavid, kus tänavavalgustid lõpevad, ja küsib, kas meremees suudab vältida ühte neist kukkumist.) Intuitiivselt tundub, et teine vastus on õige. Kuid see on vale: selgub, et meremees liigub järk-järgult nullpunktist üha kaugemale, kuigi palju aeglasemalt, kui kõndides ainult ühes suunas. Siin on, kuidas seda tõestada.

Pärast esimest korda lähima laternani (paremale või vasakule) möödumist on meremees kaugel s 1 = ± l alguspunktist. Kuna meid huvitab ainult selle kaugus sellest punktist, kuid mitte suund, siis vabaneme märkidest selle avaldise ruudustamisel: s 1 2 = l 2. Mõne aja pärast on meremees juba lõpetanud N"rändlev", jääb eemale

s N= algusest peale. Ja kõndinud uuesti (ühes suunas) lähima laternani, eemal s N+1 = s N± l või, kasutades nihke ruutu, s 2 N+1 = s 2 N± 2 s N l + l 2. Kui meremees kordab seda liigutust mitu korda (alates N enne N+ 1), siis keskmistamise tulemusena (see möödub võrdse tõenäosusega N samm paremale või vasakule), tähtaeg ± 2 s N Ma tühistan, seega s 2 N+1 = s2 N+ l 2> (nurksulud näitavad keskmist väärtust). L = 3600 m = 3,6 km, samas kui nihe nullpunktist sama aja jooksul on võrdne ainult s= = 190 m. Kolme tunni pärast läheb üle L= 10,8 km ja nihkub võrra s= 330 m jne.

Töö u Saadud valemis võib l-d võrrelda difusioonikoefitsiendiga, mis, nagu näitas iiri füüsik ja matemaatik George Gabriel Stokes (1819–1903), sõltub osakeste suurusest ja keskkonna viskoossusest. Sarnaste kaalutluste põhjal tuletas Einstein oma võrrandi.

Browni liikumise teooria päriselus.

Juhuslike jalutuskäikude teoorial on olulisi praktilisi rakendusi. Räägitakse, et orientiiride puudumisel (päike, tähed, maantee- või raudteemüra jne) rändab inimene metsas, lumetormis üle põllu või paksus udus ringides, pöördudes alati oma juurde tagasi. algne koht. Tegelikult ei kõnni ta ringides, vaid ligikaudu samamoodi, nagu liiguvad molekulid või Browni osakesed. Ta võib naasta oma algsele kohale, kuid ainult juhuslikult. Kuid tema tee ristub mitu korda. Nad räägivad ka, et lumetormis külmunud inimesed leiti lähimast eluasemest või teest mõne kilomeetri kaugusel, kuid tegelikult polnud inimesel võimalust seda kilomeetrit kõndida ja siin on põhjus.

Et arvutada, kui palju inimene juhuslike jalutuskäikude tulemusena nihkub, peate teadma l väärtust, s.o. vahemaa, mida inimene suudab sirgjooneliselt kõndida ilma orientiirideta. Selle väärtuse mõõtis geoloogia- ja mineraaliteaduste doktor B.S. Gorobets vabatahtlike üliõpilaste abiga. Ta muidugi ei jätnud neid tihedasse metsa ega lumega kaetud väljakule, kõik oli lihtsam - õpilane paigutati tühja staadioni keskele, seoti silmad kinni ja tal paluti kõndida jalgpalliväljaku lõppu. täielik vaikus (helide järgi orienteerumise välistamiseks). Selgus, et keskmiselt kõndis õpilane sirgjooneliselt vaid umbes 20 meetrit (hälve ideaalsest sirgest ei ületanud 5°) ning hakkas seejärel üha enam algsest suunast kõrvale kalduma. Lõpuks jäi ta seisma, kaugel servani jõudmisest.

Las inimene nüüd kõnnib (õigemini eksleb) metsas kiirusega 2 kilomeetrit tunnis (tee puhul on see väga aeglane, aga tiheda metsa puhul väga kiire), siis kui l väärtus on 20 meetrit, siis tunniga läbib ta 2 km, kuid liigub vaid 200 m, kahe tunniga - umbes 280 m, kolme tunniga - 350 m, 4 tunniga - 400 m jne. Ja liikudes sirgjooneliselt kl. sellise kiirusega kõnniks inimene 4 tunniga 8 kilomeetrit, seetõttu on välitööde ohutusjuhendis järgmine reegel: orientiiride kadumise korral tuleb jääda paigale, püstitada varjualune ja oodata lõppu. halva ilma tõttu (päike võib välja tulla) või abi saamiseks. Metsas aitavad orientiirid – puud või põõsad – liikuda sirgjooneliselt ning iga kord tuleb kinni pidada kahest sellisest orientiirist – üks ees, teine taga. Aga muidugi on kõige parem kompass kaasa võtta...

Ilja Leenson

Kirjandus:

Mario Liozzi. Füüsika ajalugu. M., Mir, 1970
Kerker M. Browni liikumised ja molekulaarne reaalsus enne 1900. aastat. Journal of Chemical Education, 1974, kd. 51, nr 12
Leenson I.A. Keemilised reaktsioonid. M., Astrel, 2002

Browni avastus.

1827. aastal viis Brown läbi taimede õietolmu uuringuid. Teda huvitas eriti see, kuidas õietolm väetamisprotsessis osaleb. Kord uuris ta mikroskoobi all Põhja-Ameerika taime Clarkia pulchella õietolmurakkudest vees suspendeeritud piklikke tsütoplasma terakesi. Järsku nägi Brown, et väikseimad tahked terad, mida vaevu veetilgas näha, värisesid pidevalt ja liikusid ühest kohast teise. Ta leidis, et tema sõnul ei ole need liikumised "seotud ei vedeliku voolu ega selle järkjärgulise aurustumisega, vaid on omased osakestele endile".

Browni tähelepanekut kinnitasid ka teised teadlased. Väiksemad osakesed käitusid justkui elus ning osakeste “tants” kiirenes temperatuuri tõustes ja osakeste suuruse vähenedes ning vee asendamisel viskoossema keskkonnaga aeglustus selgelt. See hämmastav nähtus ei lakanud kunagi: seda võis jälgida nii kaua, kui sooviti. Algul arvas Brown isegi, et mikroskoobi väljale sattusid tegelikult elusolendid, seda enam, et õietolm on taimede meessoost sugurakud, kuid osakesi leidus ka surnud taimedelt, isegi sada aastat varem herbaariumites kuivatatutest. Seejärel mõtles Brown, kas need on "elusolendite elementaarsed molekulid", millest rääkis kuulus prantsuse loodusteadlane Georges Buffon (1707–1788), 36-köitelise loodusloo autor. See oletus langes ära, kui Brown hakkas uurima näiliselt elutuid objekte; algul olid need väga väikesed söeosakesed, samuti Londoni õhust pärit tahm ja tolm, seejärel peeneks jahvatatud anorgaanilised ained: klaas, palju erinevaid mineraale. "Aktiivsed molekulid" olid kõikjal: "Igas mineraalis," kirjutas Brown, "mida mul on õnnestunud nii palju pulbristada, et see võib mõnda aega vees suspendeerida, olen leidnud neid molekule suuremas või väiksemas koguses. ."

Browni liikumine ja aatomi-molekulaarteooria.

Browni liikumise (nagu seda nähtust nimetati) seletus nähtamatute molekulide liikumise kaudu anti alles 19. sajandi viimasel veerandil, kuid kõik teadlased ei võtnud seda kohe omaks. Karlsruhes (Saksamaa) pärit kirjeldava geomeetria õpetaja Ludwig Christian Wiener (1826–1896) pakkus 1863. aastal, et nähtus on seotud nähtamatute aatomite võnkuvate liikumistega. See oli esimene, kuigi tänapäevasest väga kaugel, seletus Browni liikumise kohta aatomite ja molekulide endi omaduste põhjal. On oluline, et Wiener nägi võimalust kasutada seda nähtust mateeria struktuuri saladustesse tungimiseks. Ta oli esimene, kes püüdis mõõta Browni osakeste liikumiskiirust ja selle sõltuvust nende suurusest. On kurioosne, et 1921. aastal avaldati Ameerika Ühendriikide riikliku teaduste akadeemia toimetistes teos teise viineri, kuulsa küberneetika rajaja Norberti Browni liikumisest.

Kvalitatiivselt oli pilt üsna usutav ja isegi visuaalne. Väike oks või putukas peaks liikuma ligikaudu samamoodi, paljude sipelgate poolt eri suundades lükkama (või tõmbama). Need väiksemad osakesed olid tegelikult teadlaste sõnavaras, kuid keegi polnud neid kunagi näinud. Neid nimetati molekulideks; Ladina keelest tõlgituna tähendab see sõna "väike mass". Hämmastaval kombel on just sellise seletuse sarnasele nähtusele andnud Rooma filosoof Titus Lucretius Carus (umbes 99–55 eKr) oma kuulsas luuletuses Asjade olemusest. Selles nimetab ta kõige pisemaid silmale nähtamatuid osakesi asjade “ürgseteks põhimõteteks”.

Asjade põhimõtted liiguvad kõigepealt ise,

Neile järgnevad kehad nende väikseimast kombinatsioonist,

Peamiste põhimõtete tugevuselt justkui lähedane,

Nende eest peidus, šokkide saamisel hakkavad nad pingutama,

Ise end liigutama, seejärel julgustades suuremaid kehasid.

Nii et algusest alustades liikumine vähehaaval

See puudutab meie tundeid ja muutub ka nähtavaks

Meile ja tolmutükkides, mis päikesevalguses liiguvad,

Kuigi värinad, millest see tekib, on märkamatud...

Kuid isegi need füüsikud, kes aktsepteerisid molekulaarteooriat, ei suutnud uskuda, et aatom-molekulaarteooria paikapidavus on nii lihtsal viisil tõestatud, mistõttu esitati nähtuse selgitamiseks mitmesuguseid alternatiivseid põhjuseid. Ja see on üsna teaduse vaimus: kuni nähtuse põhjust pole üheselt tuvastatud, on võimalik (ja isegi vajalik) oletada mitmesuguseid hüpoteese, mida tuleks võimalusel katseliselt või teoreetiliselt kontrollida. Nii avaldati veel 1905. aastal Brockhausi ja Efroni entsüklopeedilises sõnastikus Peterburi füüsikaprofessori N. A. Gezehusi, kuulsa akadeemiku A. F. Ioffe õpetaja, lühike artikkel. Gesehus kirjutas, et mõnede teadlaste arvates põhjustab Browni liikumist "vedelikku läbivad valgus- või soojuskiired" ja see taandub "lihtsateks vooludeks vedelikus, millel pole molekulide liikumisega mingit pistmist" ja need voolud. võib olla põhjustatud "aurustumisest, difusioonist ja muudest põhjustest". Oli ju juba varem teada, et väga sarnane tolmuosakeste liikumine õhus on põhjustatud just keerisvooludest. Kuid Gesehuse antud seletuse saaks eksperimentaalselt kergesti ümber lükata: kui vaadata läbi tugeva mikroskoobi kahte üksteisele väga lähedal asuvat Browni osakest, siis osutub nende liikumine täiesti sõltumatuks. Kui need liikumised oleksid põhjustatud vedeliku vooludest, liiguksid sellised naaberosakesed kooskõlastatult.

Browni liikumise teooria.

20. sajandi alguses. enamik teadlasi mõistis Browni liikumise molekulaarset olemust. Kuid kõik seletused jäid puhtalt kvalitatiivseks; ükski kvantitatiivne teooria ei talunud eksperimentaalset testimist. Lisaks olid katsetulemused ise ebaselged: fantastiline vaatepilt lakkamatult tormavatest osakestest hüpnotiseeris eksperimenteerijaid ja nad ei teadnud täpselt, milliseid nähtuse omadusi on vaja mõõta.
Vaatamata näilisele täielikule häirele oli Browni osakeste juhuslikke liikumisi siiski võimalik kirjeldada matemaatilise seosega. Esimest korda andis Browni liikumise range selgituse 1904. aastal poola füüsik Marian Smoluchowski (1872–1917), kes töötas neil aastatel Lvivi ülikoolis. Samal ajal töötas selle nähtuse teooria välja Albert Einstein (1879–1955), toona vähetuntud 2. klassi ekspert Šveitsi linna Berni patendiametis. Tema artikkel, mis avaldati 1905. aasta mais Saksa ajakirjas Annalen der Physik, kandis pealkirja "Oma vedelikus suspendeeritud osakeste liikumisest puhkeolekus", mida nõuab soojuse molekulaarkineetiline teooria. Selle nimega soovis Einstein näidata, et aine struktuuri molekulaarkineetiline teooria eeldab tingimata väikseimate tahkete osakeste juhusliku liikumise olemasolu vedelikes.

Vastust Einsteini kirglikule üleskutsele ei tulnud kaua oodata.

Smoluchowski-Einsteini teooria kohaselt on Browni osakese (s2) ruudu nihke keskmine väärtus aja t jooksul võrdeline temperatuuriga T ja pöördvõrdeline vedeliku h viskoossusega, osakese suuruse r ja Avogadro konstandiga.

NA: s2 = 2RTt/6phrNA,

Kus R on gaasikonstant. Niisiis, kui 1 minuti jooksul liigub osake, mille läbimõõt on 1 mikronit, 10 mikronit, siis 9 minutiga - 10 = 30 mikronit, 25 minutiga - 10 = 50 mikronit jne. Sarnastes tingimustes liigub osake läbimõõduga 0,25 μm sama ajaperioodi jooksul (1, 9 ja 25 min) vastavalt 20, 60 ja 100 μm, kuna = 2. On oluline, et ülaltoodud valem sisaldaks Avogadro konstanti, mida saab seega määrata Browni osakese liikumise kvantitatiivsete mõõtmiste abil, mille viis läbi prantsuse füüsik Jean Baptiste Perrin (1870–1942).

1908. aastal alustas Perrin Browni osakeste liikumise kvantitatiivseid vaatlusi mikroskoobi all. Ta kasutas 1902. aastal leiutatud ultramikroskoopi, mis võimaldas tuvastada väikseimaid osakesi, hajutades neile võimsa külgvalgusti valgust. Perrin sai kummist, mõne troopilise puude kondensmahlast (seda kasutatakse ka kollase akvarellvärvina), peaaegu sfäärilise kujuga ja ligikaudu sama suurusega pallikesed. Need pisikesed helmed suspendeeriti glütseroolis, mis sisaldas 12% vett; viskoosne vedelik takistas sisemiste voolude tekkimist, mis pilti häguseks muutsid. Stopperiga relvastatud Perrin märkis ja visandas seejärel (loomulikult oluliselt suurendatud skaalal) graafikuga paberilehele osakeste asukoha kindlate ajavahemike järel, näiteks iga poole minuti järel. Saadud punkte sirgjoontega sidudes sai ta keerulised trajektoorid, millest osa on joonisel näidatud (need on võetud Perrini raamatust Atomy, mis ilmus 1920. aastal Pariisis). Osakeste selline kaootiline, korratu liikumine viib selleni, et nad liiguvad ruumis üsna aeglaselt: segmentide summa on palju suurem kui osakese nihkumine esimesest punktist viimasesse.

Kolme Browni osakese järjestikused asendid iga 30 sekundi järel – umbes 1 mikroni suurused kummipallid. Üks lahter vastab 3 µm kaugusele.
Kolme Browni osakese järjestikused asendid iga 30 sekundi järel – umbes 1 mikroni suurused kummipallid. Üks lahter vastab 3 µm kaugusele. Kui Perrin suudaks Browni osakeste asukoha määrata mitte 30, vaid 3 sekundi pärast, muutuksid iga naaberpunkti vahelised sirged samasuguseks keeruliseks siksakiliseks katkendlikuks jooneks, ainult väiksemas skaalas.

Kasutades teoreetilist valemit ja oma tulemusi, sai Perrin Avogadro arvu tolle aja kohta üsna täpse väärtuse: 6.8.1023. Perrin kasutas mikroskoopi ka Browni osakeste vertikaalse jaotuse uurimiseks (vt AVOGADRO SEADUS) ja näitas, et vaatamata gravitatsiooni mõjule jäävad need lahusesse hõljuma. Perrinile kuulub ka teisi olulisi teoseid. 1895. aastal tõestas ta, et katoodkiired on negatiivsed elektrilaengud (elektronid) ja 1901. aastal pakkus ta esmakordselt välja aatomi planeedimudeli. 1926. aastal pälvis ta Nobeli füüsikaauhinna.

Browni liikumine ja difusioon.

Miks pall välja tuli, on selge: kristalli lahustumisel tekkinud MnO4– ioonid lähevad lahusesse (geel on peamiselt vesi) ja liiguvad difusiooni tulemusena ühtlaselt igas suunas, samas kui gravitatsioonil praktiliselt puudub mõju. difusioonikiiruse kohta. Difusioon vedelikus on väga aeglane: kulub mitu tundi, enne kui pall kasvab mitu sentimeetrit. Gaasides on difusioon palju kiirem, kuid siiski, kui õhku ei segaks, leviks parfüümi või ammoniaagi lõhn ruumis tundideks.

Browni liikumisteooria: juhuslikud jalutuskäigud.

Smoluchowski-Einsteini teooria selgitab nii difusiooni kui ka Browni liikumise seadusi. Neid mustreid saame käsitleda difusiooni näitel. Kui molekuli kiirus on u, siis sirgjooneliselt liikudes läbib see ajas t vahemaa L = ut, kuid kokkupõrgete tõttu teiste molekulidega see molekul ei liigu sirgjooneliselt, vaid muutub pidevalt selle liikumise suund. Kui oleks võimalik visandada molekuli teekond, ei erineks see põhimõtteliselt Perrini saadud joonistest. Sellistelt joonistelt on selge, et kaootilise liikumise tõttu nihkub molekul kauguse s võrra, mis on oluliselt väiksem kui L. Need suurused on seotud seosega s =, kus l on kaugus, mille molekul lendab ühest kokkupõrkest kuni punktini. teine, keskmine vaba tee. Mõõtmised on näidanud, et õhumolekulide puhul normaalsel atmosfäärirõhul l ~ 0,1 μm, mis tähendab, et kiirusel 500 m/s lendab lämmastiku- või hapnikumolekul 10 000 sekundiga (alla kolme tunni) kaugusele L = 5000 km ja nihe algsest asendist on vaid s = 0,7 m (70 cm), mistõttu ained liiguvad difusiooni tõttu nii aeglaselt isegi gaasides.

Olles esimest korda kõndinud lähima laterna juurde (paremale või vasakule), leiab purjetaja end stardipunktist kaugusel s1 = ± l. Kuna meid huvitab ainult selle kaugus sellest punktist, kuid mitte suund, siis vabaneme märkidest selle avaldise ruudustamisel: s12 = l2. Mõne aja pärast on madrus, kes on juba N rännakut läbinud, eemal

SN = algusest peale. Ja liikudes uuesti (ühes suunas) lähima laternani, vahemaa tagant sN+1 = sN ± l või nihke ruutu kasutades s2N+1 = s2N ±2sN l + l2. Kui meremees kordab seda liigutust mitu korda (N-st N + 1-ni), siis keskmistamise tulemusena (ta teeb N-nda sammu võrdse tõenäosusega paremale või vasakule) väheneb liige ±2sNl, nii et et (nurksulud näitavad keskmist väärtust).

Kuna s12 = l2, siis

S22 = s12 + l2 = 2l2, s32 = s22 + l2 = 3ll2 jne, st. s2N = Nl2 või sN = 1. Kogu läbitud vahemaa L saab kirjutada nii meremehe kiiruse ja reisiaja korrutisena (L = ut), kui ka eksirännakute arvu ja laternate vahemaa korrutisena (L = Nl), seega ut = Nl, kust N = ut/l ja lõpuks sN = . Seega saame meremehe (nagu ka molekuli ehk Browni osakese) nihke sõltuvuse ajast. Näiteks kui laternate vahele jääb 10 m ja madrus kõnnib kiirusega 1 m/s, siis tunni pärast on tema koguteekond L = 3600 m = 3,6 km, kusjuures nihe nullpunktist sama aeg on ainult s = = 190 m. Kolme tunniga läbib see L = 10,8 km ja nihkub s = 330 m jne.

Saadud valemis olevat korrutist ul saab võrrelda difusioonikoefitsiendiga, mis, nagu näitas Iiri füüsik ja matemaatik George Gabriel Stokes (1819–1903), sõltub osakeste suurusest ja keskkonna viskoossusest. Sarnaste kaalutluste põhjal tuletas Einstein oma võrrandi.

Browni liikumise teooria päriselus.

Väikesed hõljuvad osakesed liiguvad vedelikumolekulide mõjul kaootiliselt.

19. sajandi teisel poolel lahvatas teadusringkondades tõsine arutelu aatomite olemuse üle. Ühel pool olid ümberlükkamatud autoriteedid nagu Ernst Mach ( cm. Lööklained), kes väitsid, et aatomid on lihtsalt matemaatilised funktsioonid, mis kirjeldavad edukalt jälgitavaid füüsilisi nähtusi ja millel puudub tegelik füüsiline alus. Teisest küljest, uue laine teadlased - eriti Ludwig Boltzmann ( cm. Boltzmanni konstant) – väitis, et aatomid on füüsikalised reaalsused. Ja kumbki pool ei mõistnud, et juba aastakümneid enne vaidluse algust saadi katsetulemused, mis lahendasid küsimuse lõplikult aatomite kui füüsilise reaalsuse olemasolu kasuks – need saadi siiski distsipliinis. botaanik Robert Browni loodusteaduste ja füüsika kõrval.

1827. aasta suvel uuris Brown lillede õietolmu käitumist mikroskoobi all (ta uuris taimede õietolmu vesisuspensiooni Clarkia pulchella), avastas äkki, et üksikud eosed teevad absoluutselt kaootilisi impulssliigutusi. Ta otsustas kindlalt, et need liikumised ei olnud kuidagi seotud vee turbulentsi ja hoovuste või selle aurustumisega, misjärel, kirjeldades osakeste liikumise olemust, tunnistas ta ausalt oma võimetust selle päritolu selgitamisel. kaootiline liikumine. Olles aga hoolas eksperimenteerija, tegi Brown kindlaks, et selline kaootiline liikumine on omane igale mikroskoopilisele osakesele – olgu selleks siis taimede õietolm, hõljuvad mineraalid või mis tahes purustatud aine üldiselt.

Alles 1905. aastal mõistis ei keegi muu kui Albert Einstein esimest korda, et see esmapilgul salapärane nähtus on parim eksperimentaalne kinnitus mateeria struktuuri aatomiteooria õigsuse kohta. Ta selgitas seda umbes nii: vees hõljuvat eost "pommitavad" pidevalt kaootiliselt liikuvad veemolekulid. Keskmiselt mõjuvad molekulid sellele igast küljest võrdse intensiivsusega ja võrdsete ajavahemike järel. Kuid ükskõik kui väike see eos ka poleks, saab see puhtjuhuslike kõrvalekallete tõttu kõigepealt impulsi ühelt poolt tabanud molekulilt, seejärel teiselt poolt tabanud molekuli küljelt jne. selliste kokkupõrgete keskmistamisest selgub, et mingi hetk osake “tõmbleb” ühes suunas, siis kui teisel pool “tõukab” rohkem molekule – teises jne. Matemaatilise statistika seadusi kasutades ja gaaside molekulaarkineetiline teooria tuletas Einstein võrrandi, mis kirjeldab Browni osakese ruutkeskmise nihke sõltuvust makroskoopilistest parameetritest. (Huvitav fakt: ühes Saksa ajakirja "Annals of Physics" köites ( Annalen der Physik) 1905. aastal avaldati kolm Einsteini artiklit: Browni liikumise teoreetilise selgitusega artikkel, erirelatiivsusteooria aluseid käsitlev artikkel ja lõpuks fotoelektrilise efekti teooriat kirjeldav artikkel. Just viimase eest pälvis Albert Einstein 1921. aastal Nobeli füüsikaauhinna.)

1908. aastal viis prantsuse füüsik Jean-Baptiste Perrin (1870-1942) läbi hiilgava katseseeria, mis kinnitas Einsteini seletuse õigsust Browni liikumise fenomeni kohta. Lõpuks sai selgeks, et Browni osakeste täheldatud "kaootiline" liikumine on molekulidevaheliste kokkupõrgete tagajärg. Kuna “kasulikud matemaatilised kokkulepped” (Machi järgi) ei saa viia füüsiliste osakeste jälgitavate ja täiesti reaalsete liikumisteni, sai lõplikult selgeks, et debatt aatomite reaalsuse üle on lõppenud: nad on looduses olemas. Perrin sai "auhinnamänguna" Einsteini tuletatud valemi, mis võimaldas prantslasel analüüsida ja hinnata keskmist aatomite ja/või molekulide arvu, mis põrkuvad teatud aja jooksul vedelikus hõljuva osakesega, ja seda kasutades. indikaator, arvutage erinevate vedelike molaararvud. See idee põhines asjaolul, et igal ajahetkel sõltub hõljuva osakese kiirendus kokkupõrgete arvust keskkonna molekulidega ( cm. Newtoni mehaanikaseadused) ja seega ka molekulide arvu kohta vedeliku mahuühiku kohta. Ja see pole midagi enamat kui Avogadro number (cm. Avogadro seadus) on üks põhikonstante, mis määravad meie maailma struktuuri.