کشف رابرت براون حرکت براونی حرکت براونی و نظریه اتمی

01.01.202427.05.2017

حرکت براونیان چیست؟

اکنون با واضح ترین شواهد حرکت حرارتی مولکول ها (دومین موقعیت اصلی نظریه جنبشی مولکولی) آشنا خواهید شد. حتماً سعی کنید از طریق میکروسکوپ جستجو کنید و ببینید که چگونه ذرات به اصطلاح براون حرکت می کنند.

قبلاً یاد گرفتید که چیست انتشار، یعنی مخلوط کردن گازها ، مایعات و مواد جامد در تماس مستقیم. این پدیده را می توان با حرکت تصادفی مولکول ها و نفوذ مولکول های یک ماده به فضای بین مولکول های یک ماده دیگر توضیح داد. این می تواند ، به عنوان مثال ، این واقعیت را توضیح دهد که حجم ترکیبی از آب و الکل کمتر از حجم اجزای تشکیل دهنده آن است. اما واضح ترین شواهد حرکت مولکول ها را می توان با مشاهده از طریق میکروسکوپ کوچکترین ذرات هر ماده جامد معلق در آب به دست آورد. این ذرات تحت حرکت تصادفی قرار می گیرند که نامیده می شود براونی.

این حرکت حرارتی ذرات معلق در یک مایع (یا گاز) است.

مشاهده حرکت براونی

گیاه شناس انگلیسی R. Brown (1773-1858) برای اولین بار این پدیده را در سال 1827 مشاهده کرد و اسپورهای ماس را که از طریق میکروسکوپ در آب معلق است ، بررسی کرد. بعداً او به ذرات کوچک دیگر ، از جمله تکه های سنگ از اهرام مصر نگاه کرد. امروزه ، برای مشاهده حرکت براون ، از ذرات رنگ لثه استفاده می کنند که در آب نامحلول است. این ذرات به طور تصادفی حرکت می کنند. شگفت انگیزترین و غیرمعمول ترین چیز برای ما این است که این جنبش هرگز متوقف نمی شود. ما به این واقعیت عادت کرده ایم که هر بدن متحرک دیر یا زود متوقف می شود. براون در ابتدا تصور می کرد که اسپورهای ماس علائم زندگی را نشان می دهند.

حرکت حرارتی، و نمی تواند متوقف شود. با افزایش دما ، شدت آن افزایش می یابد. شکل 8.3 نمودار حرکت ذرات براون را نشان می دهد. موقعیت ذرات ، که با نقاط مشخص شده اند ، در فواصل منظم 30 ثانیه تعیین می شوند. این نقاط با خطوط مستقیم به هم متصل می شوند. در واقعیت ، مسیر ذرات بسیار پیچیده تر است.

حرکت براونی را می توان در گاز نیز مشاهده کرد. این ناشی از ذرات گرد و غبار یا دود معلق در هوا است.

فیزیکدان آلمانی R. Pohl (1884-1976) حرکت براونی را رنگارنگ توصیف می کند: «پدیده های کمی به اندازه حرکت براونی قادر به جذب ناظر هستند. در اینجا به ناظر اجازه داده می شود که به پشت صحنه اتفاقاتی که در طبیعت می گذرد نگاه کند. دنیای جدیدی در برابر او باز می شود - شلوغی بی وقفه از تعداد زیادی ذرات. کوچکترین ذرات به سرعت در میدان دید میکروسکوپ پرواز می کنند و تقریباً بلافاصله جهت حرکت را تغییر می دهند. ذرات بزرگتر آهسته تر حرکت می کنند، اما به طور مداوم جهت حرکت را تغییر می دهند. ذرات بزرگ عملا در جای خود خرد می شوند. برجستگی های آنها به وضوح چرخش ذرات حول محور خود را نشان می دهد که مدام در فضا تغییر جهت می دهد. هیچ جا اثری از سیستم و نظم نیست. غلبه شانس کور - این تأثیر قوی و قاطع این تصویر بر ناظر است.

در حال حاضر مفهوم حرکت براونیدر معنای گسترده تر استفاده می شود. به عنوان مثال، حرکت براونی، ارتعاش سوزن های ابزار اندازه گیری حساس است که به دلیل حرکت حرارتی اتم های قطعات ابزار و محیط رخ می دهد.

توضیح حرکت براونی

حرکت براونی را می توان تنها بر اساس نظریه جنبشی مولکولی توضیح داد. دلیل حرکت براونی یک ذره این است که تاثیرات مولکول های مایع روی ذره یکدیگر را خنثی نمی کنند.. شکل 8.4 به طور شماتیک موقعیت یک ذره براونی و مولکول های نزدیک به آن را نشان می دهد. وقتی مولکول‌ها به‌طور تصادفی حرکت می‌کنند، تکانه‌هایی که به ذره براونی منتقل می‌کنند، مثلاً به چپ و راست، یکسان نیستند. بنابراین، نیروی فشار حاصل از مولکول های مایع روی ذره براونی غیر صفر است. این نیرو باعث تغییر در حرکت ذره می شود.

فشار متوسط هم در گاز و هم در مایع مقدار مشخصی دارد. اما همیشه انحرافات تصادفی جزئی از این میانگین وجود دارد. هر چه سطح بدن کوچکتر باشد، تغییرات نسبی در نیروی فشار وارد بر این ناحیه بیشتر محسوس است. بنابراین، به عنوان مثال، اگر این ناحیه دارای اندازه‌ای از مرتبه چند قطر مولکول باشد، نیروی فشاری که بر آن وارد می‌شود به طور ناگهانی از صفر به مقدار معینی با برخورد مولکول به این ناحیه تغییر می‌کند.

نظریه جنبشی مولکولی حرکت براونی در سال 1905 توسط A. Einstein (1879-1955) ایجاد شد.

ساخت نظریه حرکت براونی و تایید تجربی آن توسط فیزیکدان فرانسوی جی پرین سرانجام پیروزی نظریه جنبشی مولکولی را تکمیل کرد.

آزمایشات پرین

ایده آزمایش های پرین به شرح زیر است. مشخص شده است که غلظت مولکول های گاز در جو با ارتفاع کاهش می یابد. اگر حرکتی حرارتی وجود نداشت ، تمام مولکول ها به زمین می افتند و جو از بین می رود. با این حال، اگر هیچ جاذبه ای برای زمین وجود نداشت، به دلیل حرکت حرارتی، مولکول ها زمین را ترک می کردند، زیرا گاز قادر به انبساط نامحدود است. در نتیجه عمل این عوامل متضاد، توزیع خاصی از مولکول ها در ارتفاع ایجاد می شود، همانطور که در بالا ذکر شد، یعنی غلظت مولکول ها به سرعت با ارتفاع کاهش می یابد. علاوه بر این ، هرچه جرم مولکول ها بیشتر شود ، غلظت آنها با ارتفاع کاهش می یابد.

ذرات براون در حرکت حرارتی شرکت می کنند. از آنجایی که برهمکنش آنها بسیار ناچیز است، مجموعه این ذرات در یک گاز یا مایع را می توان به عنوان گاز ایده آل مولکول های بسیار سنگین در نظر گرفت. در نتیجه، غلظت ذرات براونی در یک گاز یا مایع در میدان گرانشی زمین باید طبق قانون مشابه غلظت مولکول‌های گاز کاهش یابد. این قانون شناخته شده است.

پرین با استفاده از یک میکروسکوپ با بزرگنمایی بالا با عمق میدان کم (عمق میدان کم)، ذرات براونی را در لایه های بسیار نازک مایع مشاهده کرد. او با محاسبه غلظت ذرات در ارتفاعات مختلف دریافت که این غلظت با ارتفاع طبق قانون غلظت مولکول های گاز کاهش می یابد. تفاوت در این است که به دلیل جرم زیاد ذرات براون ، کاهش خیلی سریع اتفاق می افتد.

علاوه بر این ، شمارش ذرات براون در ارتفاعات مختلف به پرین اجازه می دهد تا با استفاده از یک روش کاملاً جدید ، ثابت Avogadro را تعیین کند. مقدار این ثابت همزمان با مورد شناخته شده بود.

همه این حقایق بیانگر درستی نظریه حرکت براونی است و بر این اساس، ذرات براونی در حرکت حرارتی مولکول ها شرکت می کنند.

شما به وضوح وجود حرکت حرارتی را دیده اید. شاهد یک حرکت آشفته در حال وقوع بود. مولکول ها حتی به طور تصادفی تر از ذرات براون حرکت می کنند.

ماهیت پدیده

حال بیایید سعی کنیم جوهر پدیده حرکت براون را درک کنیم. و این اتفاق می افتد زیرا تمام مایعات و گازها از اتم یا مولکول تشکیل شده اند. اما ما همچنین می دانیم که این ذرات ریز و درشت ، در حرکت هرج و مرج مداوم ، دائماً ذرات براون را از جهات مختلف فشار می دهند.

اما آنچه جالب است این است که دانشمندان ثابت کرده اند که ذرات با اندازه های بزرگتر که بیش از 5 میکرون هستند بی حرکت می مانند و تقریباً در حرکت براونی شرکت نمی کنند، که نمی توان در مورد ذرات کوچکتر گفت. ذرات با اندازه کمتر از 3 میکرون قادر به حرکت انتقالی، انجام چرخش یا نوشتن مسیرهای پیچیده هستند.

هنگامی که یک جسم بزرگ در محیط غوطه ور می شود، به نظر می رسد شوک هایی که به مقدار زیاد اتفاق می افتد به سطح متوسط می رسد و فشار ثابتی را حفظ می کند. در این مورد، نظریه ارشمیدس وارد عمل می شود، زیرا یک جسم بزرگ که از هر طرف توسط محیط احاطه شده است، فشار را متعادل می کند و نیروی بالابر باقی مانده به این جسم اجازه می دهد تا شناور یا غرق شود.

اما اگر بدن دارای ابعادی مانند یک ذره براونی، یعنی کاملا نامحسوس باشد، انحرافات فشار قابل توجه می شود که به ایجاد نیروی تصادفی منجر می شود که منجر به ارتعاش این ذرات می شود. می توان نتیجه گرفت که ذرات براونی در محیط در حالت تعلیق هستند، برخلاف ذرات بزرگی که فرو می روند یا شناور می شوند.

معنی حرکت براونی

بیایید سعی کنیم بفهمیم که آیا حرکت براونی در محیط طبیعی اهمیتی دارد یا خیر:

اول، حرکت براونی نقش مهمی در تغذیه گیاه از خاک دارد.
ثانیاً، در موجودات انسانی و حیوانی، جذب مواد مغذی از طریق دیواره‌های اندام‌های گوارشی به دلیل حرکت براونی صورت می‌گیرد.
ثالثاً در اجرای تنفس پوستی;
و در نهایت، حرکت براونی در توزیع مواد مضر در هوا و آب مهم است.

مشق شب

سوالات را با دقت بخوانید و به آنها پاسخ کتبی بدهید:

1. به یاد داشته باشید که چه چیزی انتشار نامیده می شود؟
2. ارتباط بین انتشار و حرکت حرارتی مولکول ها چیست؟
3. حرکت براونی را تعریف کنید.
4. آیا فکر می کنید حرکت براونی حرارتی است و پاسخ خود را توجیه می کنید؟
5. آیا ماهیت حرکت براونی با گرم شدن تغییر می کند؟ اگه تغییر کنه دقیقا چطوری؟
6. برای مطالعه حرکت براونی از چه وسیله ای استفاده می شود؟
7. آیا الگوی حرکت براونی با افزایش دما تغییر می کند و دقیقا چگونه؟
8. اگر امولسیون آب با گلیسرول جایگزین شود، آیا تغییری در حرکت براونی ایجاد می شود؟

G.Ya.Myakishev، B.B.Bukhovtsev، N.N.Sotsky، فیزیک کلاس دهم

امروز ما نگاهی دقیق تر به یک موضوع مهم خواهیم داشت - حرکت براونی قطعات کوچک ماده در یک مایع یا گاز را تعریف می کنیم.

نقشه و مختصات

برخی از دانش آموزان مدرسه ای که از درس های خسته کننده عذاب می کشند، نمی دانند که چرا فیزیک می خوانند. در ضمن همین علم بود که روزگاری کشف آمریکا را ممکن کرد!

بیایید از راه دور شروع کنیم. تمدن های باستانی مدیترانه، به یک معنا، خوش شانس بودند: آنها در سواحل یک مجموعه آبی بسته داخلی توسعه یافتند. دریای مدیترانه به این دلیل نامیده می شود که از هر طرف توسط خشکی احاطه شده است. و مسافران باستانی می‌توانستند با اکسپدیشن خود بسیار دور سفر کنند بدون اینکه سواحل را از دست بدهند. خطوط کلی زمین به ناوبری کمک کرد. و اولین نقشه ها به جای جغرافیایی به صورت توصیفی ترسیم شدند. به لطف این سفرهای نسبتا کوتاه، یونانی ها، فنیقی ها و مصری ها در ساخت کشتی بسیار ماهر شدند. و جایی که بهترین تجهیزات وجود دارد، میل به جابجایی مرزهای دنیای شما وجود دارد.

بنابراین، یک روز خوب، قدرت های اروپایی تصمیم گرفتند وارد اقیانوس شوند. ملوانان در حین دریانوردی در پهنه‌های بی‌پایان بین قاره‌ها، ماه‌ها فقط آب می‌دیدند و مجبور بودند به نحوی راه خود را پیدا کنند. اختراع ساعت های دقیق و قطب نما با کیفیت بالا به تعیین مختصات فرد کمک کرد.

ساعت و قطب نما

اختراع کرنومترهای کوچک دستی کمک زیادی به ملوانان کرد. برای تعیین اینکه دقیقاً کجا هستند، آنها باید یک ابزار ساده داشته باشند که ارتفاع خورشید را در بالای افق اندازه گیری کند و بدانند دقیقاً چه زمانی ظهر است. و به لطف قطب نما، ناخداهای کشتی می دانستند که به کجا می روند. هم ساعت و هم خواص سوزن مغناطیسی توسط فیزیکدانان مطالعه و ایجاد شد. به لطف این، تمام جهان به روی اروپایی ها باز شد.

قاره‌های جدید سرزمین‌های ناشناس، سرزمین‌های ناشناخته بودند. گیاهان عجیبی روی آنها رشد کردند و حیوانات عجیبی پیدا شدند.

گیاهان و فیزیک

همه طبیعت گرایان جهان متمدن برای مطالعه این سیستم های جدید اکولوژیکی عجیب شتافتند. و البته به دنبال بهره مندی از آنها بودند.

رابرت براون یک گیاه شناس انگلیسی بود. او به استرالیا و تاسمانی سفر کرد و مجموعه های گیاهی را در آنجا جمع آوری کرد. از قبل در خانه در انگلستان، او سخت روی توصیف و طبقه بندی مطالب آورده شده کار کرد. و این دانشمند بسیار دقیق بود. یک روز هنگام مشاهده حرکت گرده در شیره گیاهی متوجه شد: ذرات کوچک دائماً حرکات زیگزاگی آشفته ای انجام می دهند. این تعریف حرکت براونی عناصر کوچک در گازها و مایعات است. به لطف این کشف، گیاه شناس شگفت انگیز نام خود را در تاریخ فیزیک نوشت!

براون و گوی

در علم اروپایی مرسوم است که یک اثر یا پدیده را به نام کسی که آن را کشف کرده است نامگذاری کنند. اما اغلب این اتفاق به طور تصادفی رخ می دهد. اما شخصی که یک قانون فیزیکی را توصیف می‌کند، اهمیت آن را کشف می‌کند یا با جزئیات بیشتری بررسی می‌کند، خود را در سایه می‌بیند. این اتفاق در مورد فرانسوی لوئی ژرژ گوی افتاد. این او بود که تعریف حرکت براونی را ارائه کرد (کلاس هفتم قطعاً هنگام مطالعه این موضوع در فیزیک در مورد آن چیزی نمی شنود).

تحقیقات گوی و خواص حرکت براونی

آزمایشگر فرانسوی لویی ژرژ گوی حرکت انواع مختلف ذرات را در چندین مایع از جمله محلول ها مشاهده کرد. علم آن زمان قبلاً قادر به تعیین دقیق اندازه قطعات ماده تا دهم میکرومتر بود. در حین بررسی حرکت براونی (این گوی بود که تعریف این پدیده را در فیزیک ارائه کرد)، دانشمند متوجه شد: شدت حرکت ذرات اگر در محیطی با چسبندگی کمتر قرار گیرند افزایش می یابد. او که یک آزمایشگر طیف وسیع بود، تعلیق را در معرض نور و میدان های الکترومغناطیسی با قدرت های مختلف قرار داد. این دانشمند دریافت که این عوامل به هیچ وجه بر پرش های زیگزاگی آشفته ذرات تأثیر نمی گذارد. گوی به طور واضح آنچه را که حرکت براونی ثابت می کند نشان داد: حرکت حرارتی مولکول های یک مایع یا گاز.

تیم و توده

اکنون اجازه دهید مکانیسم پرش های زیگزاگی قطعات کوچک ماده در یک مایع را با جزئیات بیشتری شرح دهیم.

هر ماده ای از اتم یا مولکول تشکیل شده است. این عناصر جهان بسیار کوچک هستند، هیچ میکروسکوپ نوری نمی تواند آنها را ببیند. در مایع همیشه نوسان می کنند و حرکت می کنند. وقتی هر ذره مرئی وارد محلولی می شود، جرم آن هزاران بار بیشتر از یک اتم است. حرکت براونی مولکول های مایع به طور آشفته ای رخ می دهد. اما با این وجود، همه اتم ها یا مولکول ها یک جمع هستند، آنها به یکدیگر متصل هستند، مانند افرادی که دست به دست هم می دهند. بنابراین، گاهی اوقات اتفاق می افتد که اتم های مایع در یک طرف ذره به گونه ای حرکت می کنند که روی آن "فشار" می کنند، در حالی که محیطی با چگالی کمتر در طرف دیگر ذره ایجاد می شود. بنابراین، ذرات غبار در فضای محلول حرکت می کند. در جاهای دیگر، حرکت جمعی مولکول‌های سیال به‌طور تصادفی روی طرف دیگر یک جزء عظیم‌تر تأثیر می‌گذارد. این دقیقاً چگونه حرکت براونی ذرات رخ می دهد.

زمان و انیشتین

اگر دمای ماده ای غیر صفر باشد، اتم های آن دچار ارتعاشات حرارتی می شوند. بنابراین، حتی در یک مایع بسیار سرد یا فوق سرد، حرکت براونی وجود دارد. این پرش های آشفته ذرات معلق کوچک هرگز متوقف نمی شود.

آلبرت اینشتین شاید مشهورترین دانشمند قرن بیستم باشد. هر کسی که حداقل تا حدودی به فیزیک علاقه دارد فرمول E = mc 2 را می داند. بسیاری ممکن است اثر فوتوالکتریک را که به خاطر آن جایزه نوبل دریافت کرد و نظریه نسبیت خاص را به خاطر داشته باشند. اما تعداد کمی از مردم می دانند که انیشتین فرمولی برای حرکت براونی ایجاد کرده است.

بر اساس نظریه جنبشی مولکولی، دانشمند ضریب انتشار ذرات معلق در مایع را بدست آورد. و این در سال 1905 اتفاق افتاد. فرمول به صورت زیر است:

D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ)،

در جایی که D ضریب مورد نظر است، R ثابت گاز جهانی، T دمای مطلق (بیان شده بر حسب کلوین)، N A ثابت آووگادرو است (مطابق با یک مول از یک ماده یا تقریبا 10 23 مولکول)، a میانگین تقریبی است. شعاع ذرات، ξ ویسکوزیته دینامیکی یک مایع یا محلول است.

و قبلاً در سال 1908 ، فیزیکدان فرانسوی ژان پرین و شاگردانش صحت محاسبات اینشتین را به طور تجربی ثابت کردند.

یک ذره در میدان جنگجو

در بالا، تأثیر جمعی محیط بر بسیاری از ذرات را توضیح دادیم. اما حتی یک عنصر خارجی در یک مایع می تواند باعث ایجاد برخی الگوها و وابستگی ها شود. به عنوان مثال ، اگر برای مدت طولانی یک ذره قهوه ای مشاهده می کنید ، می توانید تمام حرکات آن را ضبط کنید. و خارج از این هرج و مرج ، یک سیستم هماهنگ پدیدار خواهد شد. حرکت متوسط یک ذره قهوه ای در هر جهت متناسب با زمان است.

در آزمایش روی ذره در یک مایع ، مقادیر زیر تصفیه شده است:

ثابت بولتزمن؛
شماره آووگادرو

علاوه بر حرکت خطی ، چرخش هرج و مرج نیز مشخصه است. و میانگین جابجایی زاویه ای نیز متناسب با زمان مشاهده است.

اندازه ها و شکل ها

پس از چنین استدلال ، ممکن است یک سؤال منطقی پیش بیاید: چرا این اثر برای بدنهای بزرگ مشاهده نمی شود؟ زیرا زمانی که وسعت یک جسم غوطه ور در یک مایع بیشتر از مقدار معینی باشد، تمام این "هل"های تصادفی جمعی مولکول ها، همانطور که به طور میانگین محاسبه می شوند، به فشار ثابت تبدیل می شوند. و عمومی Archimedes در حال حاضر روی بدن عمل می کند. بنابراین ، یک قطعه بزرگ از سینک آهن ، و گرد و غبار فلزی در آب شناور می شود.

اندازه ذرات ، به عنوان نمونه ای از نوسان مولکول های مایع ، نباید از 5 میکرومتر تجاوز کند. در مورد اشیاء بزرگ ، این اثر قابل توجه نخواهد بود.

گیاه شناس اسکاتلندی رابرت براون (گاهی اوقات نام خانوادگی او به صورت براون رونویسی می شود) در طول زندگی خود، به عنوان بهترین متخصص گیاهان، عنوان "شاهزاده گیاه شناسان" را دریافت کرد. او اکتشافات شگفت انگیز زیادی انجام داد. در سال 1805، پس از یک سفر 4 ساله به استرالیا، او حدود 4000 گونه از گیاهان استرالیایی را که برای دانشمندان ناشناخته بود، به انگلستان آورد و سالهای زیادی را صرف مطالعه آنها کرد. توصیف گیاهانی که از اندونزی و آفریقای مرکزی آورده شده اند. او فیزیولوژی گیاهی را مطالعه کرد و برای اولین بار هسته یک سلول گیاهی را با جزئیات توصیف کرد. آکادمی علوم سن پترزبورگ او را به عضویت افتخاری درآورد. اما نام دانشمند اکنون به دلیل این آثار به طور گسترده شناخته شده است.

در سال 1827 براون تحقیقی در مورد گرده گیاهان انجام داد. او به خصوص به چگونگی مشارکت گرده در فرآیند لقاح علاقه داشت. یک بار او زیر میکروسکوپ به سلول های گرده یک گیاه آمریکای شمالی نگاه کرد. کلارکیا پولچلا(کلارکیای زیبا) دانه های سیتوپلاسمی دراز معلق در آب. ناگهان براون دید که کوچکترین دانه های جامد که به سختی در قطره ای آب دیده می شد، مدام می لرزیدند و از جایی به جای دیگر حرکت می کردند. او دریافت که این حرکات، به قول او، «با جریان در مایع یا تبخیر تدریجی آن مرتبط نیستند، بلکه ذاتی خود ذرات هستند».

مشاهدات براون توسط دانشمندان دیگر تأیید شد. کوچکترین ذرات طوری رفتار می کردند که گویی زنده هستند و "رقص" ذرات با افزایش دما و کاهش اندازه ذرات شتاب می گرفت و هنگام جایگزینی آب با یک محیط چسبناک تر، به وضوح کند شد. این پدیده شگفت انگیز هرگز متوقف نشد: می توان آن را تا زمانی که بخواهیم مشاهده کرد. در ابتدا، براون حتی فکر کرد که موجودات زنده واقعاً در میدان میکروسکوپ افتاده اند، به خصوص که گرده سلول های زایشی نر گیاهان است، اما ذرات گیاهان مرده نیز وجود دارد، حتی از آنهایی که صد سال قبل در گیاهان خشک شده بودند. سپس براون فکر کرد که آیا اینها "مولکول های ابتدایی موجودات زنده" هستند، که طبیعت شناس مشهور فرانسوی ژرژ بوفون (1707-1788)، نویسنده یک کتاب 36 جلدی، در مورد آن صحبت کرد. تاریخ طبیعی. این فرض هنگامی که براون شروع به بررسی اشیاء ظاهراً بی جان کرد ، از بین رفت. در ابتدا ذرات بسیار کوچک زغال سنگ و همچنین دوده و غبار هوای لندن بود و سپس مواد معدنی ریز آسیاب شده بودند: شیشه، بسیاری از مواد معدنی مختلف. براون می‌نویسد: «مولکول‌های فعال» همه جا بودند: «در هر ماده معدنی که من موفق شده‌ام آن‌ها را به اندازه‌ای پودر کنم که بتوان مدتی در آب معلق بماند، این مولکول‌ها را در مقادیر کم یا زیاد پیدا کرده‌ام. "

باید گفت که براون هیچ یک از جدیدترین میکروسکوپ ها را ندارد. وی در مقاله خود به طور خاص تأکید می کند که لنزهای معمولی Biconvex را که چندین سال از آن استفاده می کرد ، داشت. و در ادامه می‌گوید: «در تمام طول مطالعه، به استفاده از همان لنزهایی که کار را با آن شروع کردم، ادامه دادم تا به گفته‌هایم اعتبار بیشتری بدهم و آن‌ها را تا حد امکان برای مشاهدات معمولی در دسترس قرار دهم».

اکنون، برای تکرار مشاهدات براون، کافی است یک میکروسکوپ نه چندان قوی داشته باشیم و از آن برای بررسی دود در یک جعبه سیاه‌شده استفاده کنیم، که از طریق یک سوراخ جانبی با پرتویی از نور شدید روشن شده است. در گاز، این پدیده بسیار واضح‌تر از مایع ظاهر می‌شود: تکه‌های کوچک خاکستر یا دوده (بسته به منبع دود) قابل مشاهده هستند، نور را پراکنده می‌کنند و پیوسته به جلو و عقب می‌پرند.

همانطور که اغلب در علم اتفاق می افتد، سال ها بعد مورخان کشف کردند که در سال 1670، مخترع میکروسکوپ، آنتونی لیوونهوک هلندی، ظاهراً پدیده مشابهی را مشاهده کرد، اما نادر بودن و ناقص بودن میکروسکوپ ها، وضعیت جنینی علم مولکولی در آن زمان. به مشاهدات لیوونهوک توجهی جلب نکرد، بنابراین این کشف به درستی به براون نسبت داده می شود، که اولین کسی بود که آن را به تفصیل مطالعه و توصیف کرد.

حرکت براونی و نظریه اتمی-مولکولی.

پدیده مشاهده شده توسط براون به سرعت به طور گسترده ای شناخته شد. او خودش آزمایش های خود را به همکاران متعددی نشان داد (براون دو ده نام را فهرست می کند). اما نه خود براون و نه بسیاری از دانشمندان دیگر نتوانستند این پدیده مرموز را که "جنبش براونی" نامیده می شد توضیح دهند. حرکات ذرات کاملاً تصادفی بود: طرح‌هایی از موقعیت‌های آنها که در مقاطع مختلف زمانی (مثلاً در هر دقیقه) انجام می‌شد، در نگاه اول امکان یافتن هر الگوی را در این حرکات ممکن نمی‌ساخت.

توضیحی در مورد حرکت براونی (که این پدیده نامیده می شد) توسط حرکت مولکول های نامرئی تنها در ربع آخر قرن نوزدهم ارائه شد، اما بلافاصله توسط همه دانشمندان پذیرفته نشد. در سال 1863، یک معلم هندسه توصیفی از کارلسروهه (آلمان)، لودویگ کریستین وینر (1826-1896)، پیشنهاد کرد که این پدیده با حرکات نوسانی اتم های نامرئی مرتبط است. این اولین توضیح حرکت براونی، اگرچه بسیار دور از مدرن، با ویژگی‌های خود اتم‌ها و مولکول‌ها بود. مهم این است که وینر فرصت استفاده از این پدیده را برای نفوذ به اسرار ساختار ماده دید. او اولین کسی بود که سعی کرد سرعت حرکت ذرات براونی و وابستگی آن به اندازه آنها را اندازه گیری کند. جالب است که در سال 1921 گزارش های آکادمی ملی علوم ایالات متحدهاثری در مورد حرکت براونی وینر دیگر - نوربرت، بنیانگذار مشهور سایبرنتیک منتشر شد.

ایده های L.K. وینر توسط تعدادی از دانشمندان - زیگموند اکسنر در اتریش (و 33 سال بعد - پسرش فلیکس)، جووانی کانتونی در ایتالیا، کارل ویلهلم نگلی در آلمان، لوئیس ژرژ گوی در فرانسه، سه کشیش بلژیکی پذیرفته شد و توسعه یافت. - یسوعیان کاربونلی، دلسو و تیریون و دیگران. از جمله این دانشمندان، فیزیکدان و شیمیدان مشهور انگلیسی ویلیام رمزی بود. به تدریج مشخص شد که کوچکترین دانه های ماده از همه طرف توسط ذرات کوچکتر مورد اصابت قرار می گیرند، که دیگر از طریق میکروسکوپ قابل مشاهده نیستند - همانطور که امواجی که قایق دوردست را تکان می دهند از ساحل قابل مشاهده نیستند، در حالی که حرکات قایق خود کاملاً واضح قابل مشاهده است. همانطور که آنها در یکی از مقالات سال 1877 نوشتند، "... قانون اعداد بزرگ دیگر اثر برخوردها را به فشار یکنواخت متوسط کاهش نمی دهد، نتیجه آنها دیگر برابر با صفر نخواهد بود، بلکه به طور مداوم جهت و مسیر خود را تغییر می دهد. اندازه."

از نظر کیفی، تصویر کاملاً قابل قبول و حتی بصری بود. یک شاخه کوچک یا یک حشره که توسط بسیاری از مورچه ها به جهات مختلف هل داده می شود (یا کشیده می شود)، باید تقریباً به همان روش حرکت کند. این ذرات کوچکتر در واقع در واژگان دانشمندان بودند، اما هیچکس آنها را ندیده بود. آنها مولکول نامیده می شدند. این کلمه که از لاتین ترجمه شده است به معنای "توده کوچک" است. به طرز شگفت انگیزی، این دقیقاً توضیحی است که فیلسوف رومی تیتوس لوکرتیوس کاروس (حدود 99–55 قبل از میلاد) در شعر معروف خود به پدیده مشابهی داده است. درباره ماهیت چیزها. در آن، او کوچکترین ذرات نامرئی با چشم را "اصول اولیه" چیزها می نامد.

اصول چیزها ابتدا خودشان حرکت می کنند،
به دنبال آنها اجسامی از کوچکترین ترکیب آنها وجود دارد،
از نظر قوت به اصول اولیه نزدیک است،
از آنها پنهان شده، با دریافت شوک، شروع به تلاش می کنند،
خود را به حرکت، سپس تشویق بدن بزرگتر.
بنابراین، از ابتدا، حرکت را کم کم شروع کنید
احساسات ما را لمس می کند و همچنین قابل مشاهده می شود
به ما و در ذرات غباری که در نور خورشید حرکت می کند،
حتی اگر لرزش هایی که از آن رخ می دهد نامحسوس باشد ...

متعاقباً معلوم شد که لوکرتیوس اشتباه کرده است: مشاهده حرکت براونی با چشم غیرمسلح غیرممکن است و ذرات گرد و غبار در یک پرتو خورشید که به دلیل حرکات گردابی هوا به یک اتاق تاریک نفوذ می کند "رقص" می کند. اما در ظاهر هر دو پدیده شباهت هایی دارند. و فقط در قرن 19. برای بسیاری از دانشمندان آشکار شد که حرکت ذرات براونی ناشی از ضربه های تصادفی مولکول های محیط است. مولکول های متحرک با ذرات غبار و سایر ذرات جامد موجود در آب برخورد می کنند. هر چه دما بالاتر باشد، حرکت سریعتر است. اگر یک ذره گرد و غبار بزرگ باشد، به عنوان مثال، اندازه آن 0.1 میلی متر باشد (قطر یک میلیون بار بزرگتر از یک مولکول آب است)، در این صورت بسیاری از ضربه های همزمان از همه طرف به آن متوازن می شوند و عملاً اینطور نیست. آنها را "احساس" کنید - تقریباً مانند یک تکه چوب به اندازه یک بشقاب، تلاش بسیاری از مورچه ها را که آن را به جهات مختلف می کشند یا فشار می دهند، "احساس" نمی کند. اگر ذره گرد و غبار نسبتاً کوچک باشد، تحت تأثیر ضربه های مولکول های اطراف در یک جهت یا جهت دیگر حرکت می کند.

ذرات براونی اندازه ای در حدود 0.1-1 میکرومتر دارند، یعنی. از یک هزارم تا یک ده هزارم میلیمتر، به همین دلیل است که براون قادر به تشخیص حرکت آنها بود زیرا او به دانه های ریز سیتوپلاسمی نگاه می کرد و نه خود گرده (که اغلب به اشتباه در مورد آن نوشته می شود). مشکل این است که سلول های گرده بیش از حد بزرگ هستند. بنابراین، در گرده علفزار که توسط باد حمل می شود و باعث ایجاد بیماری های آلرژیک در انسان می شود (تب یونجه)، اندازه سلول معمولاً در محدوده 20 تا 50 میکرون است، یعنی. آنها برای مشاهده حرکت براونی بسیار بزرگ هستند. همچنین توجه به این نکته مهم است که حرکات تکی یک ذره براونی اغلب و در فواصل بسیار کوتاه اتفاق می افتد، به طوری که دیدن آنها غیرممکن است، اما در زیر میکروسکوپ، حرکاتی که در یک دوره زمانی خاص رخ داده اند قابل مشاهده است.

به نظر می رسد که حقیقت وجود حرکت براونی به طور واضح ساختار مولکولی ماده را ثابت کرد، اما حتی در آغاز قرن بیستم. دانشمندانی از جمله فیزیکدانان و شیمیدانان وجود داشتند که به وجود مولکول ها اعتقاد نداشتند. نظریه اتمی-مولکولی به آرامی و به سختی به رسمیت شناخته شد. بنابراین، مارسلین برتلو، شیمیدان آلی برجسته فرانسوی (1827-1907) نوشت: "مفهوم یک مولکول، از نقطه نظر دانش ما، نامشخص است، در حالی که مفهوم دیگری - اتم - کاملا فرضی است." شیمیدان معروف فرانسوی A. Saint-Clair Deville (1818-1881) حتی واضح تر صحبت کرد: «من نه قانون آووگادرو، نه اتم، و نه یک مولکول را قبول دارم، زیرا از اعتقاد به چیزی که نه می توانم ببینم و نه مشاهده کنم، امتناع می کنم. ” و شیمیدان فیزیک آلمانی ویلهلم استوالد (1853-1932)، برنده جایزه نوبل، یکی از بنیانگذاران شیمی فیزیک، در اوایل قرن بیستم. قاطعانه وجود اتم ها را انکار کرد. او موفق شد یک کتاب درسی سه جلدی شیمی بنویسد که در آن کلمه "اتم" هرگز ذکر نشده است. استوالد در 19 آوریل 1904 با یک گزارش بزرگ در مؤسسه سلطنتی به اعضای انجمن شیمی انگلیس، سعی کرد ثابت کند که اتم ها وجود ندارند و «آنچه ما ماده می نامیم تنها مجموعه ای از انرژی ها است که در یک مکان معین جمع آوری شده اند. محل."

اما حتی آن دسته از فیزیکدانانی که نظریه مولکولی را پذیرفته بودند، نمی توانستند باور کنند که اعتبار نظریه اتمی-مولکولی به این روش ساده اثبات شده است، بنابراین دلایل جایگزین مختلفی برای توضیح این پدیده ارائه شد. و این کاملاً در روح علم است: تا زمانی که علت یک پدیده به طور واضح مشخص نشود، فرضیه های مختلفی ممکن است (و حتی ضروری) باشد که در صورت امکان باید به صورت تجربی یا نظری آزمایش شوند. بنابراین، در سال 1905، مقاله کوتاهی از پروفسور فیزیک سن پترزبورگ، N.A. Gezekhus، معلم آکادمیک مشهور A.F. Ioffe، در فرهنگ لغت دایره المعارف بروکهاوس و افرون منتشر شد. Gesehus نوشته است که به گفته برخی از دانشمندان، حرکت براونی ناشی از "پرتوهای نور یا گرما است که از یک مایع عبور می کنند" و به "جریان های ساده در داخل مایع که هیچ ارتباطی با حرکت مولکول ها ندارند" و این جریان ها تبدیل می شود. می تواند به دلیل "تبخیر، انتشار و دلایل دیگر" ایجاد شود. از این گذشته ، قبلاً شناخته شده بود که حرکت بسیار مشابه ذرات غبار در هوا دقیقاً توسط جریان های گردابی ایجاد می شود. اما توضیحی که Gesehus ارائه کرده است به راحتی می تواند به صورت تجربی رد شود: اگر از طریق یک میکروسکوپ قوی به دو ذره براونی که بسیار نزدیک به یکدیگر قرار دارند نگاه کنید، حرکت آنها کاملاً مستقل خواهد بود. اگر این حرکات ناشی از هر جریانی در مایع باشد، آنگاه چنین ذرات مجاور به طور هماهنگ حرکت می کنند.

نظریه حرکت براونی

علیرغم بی نظمی کامل ظاهری، هنوز هم می توان حرکات تصادفی ذرات براونی را با یک رابطه ریاضی توصیف کرد. برای اولین بار، توضیح دقیق حرکت براونی در سال 1904 توسط فیزیکدان لهستانی ماریان اسمولوچوفسکی (1872-1917) ارائه شد که در آن سالها در دانشگاه لویو کار می کرد. در همان زمان، تئوری این پدیده توسط آلبرت انیشتین (1879-1955)، یک متخصص کلاس دوم کمتر شناخته شده در اداره ثبت اختراعات شهر برن سوئیس، توسعه یافت. مقاله او که در ماه مه 1905 در مجله آلمانی Annalen der Physik منتشر شد با عنوان در مورد حرکت ذرات معلق در سیال در حالت سکون، مورد نیاز نظریه جنبشی مولکولی گرما. انیشتین با این نام می خواست نشان دهد که نظریه جنبشی مولکولی ساختار ماده لزوماً بر وجود حرکت تصادفی کوچکترین ذرات جامد در مایعات دلالت دارد.

جالب است که در همان ابتدای این مقاله، انیشتین می نویسد که با خود این پدیده آشناست، هرچند به صورت سطحی: «این امکان وجود دارد که حرکات مورد بحث با حرکت مولکولی به اصطلاح براونی یکسان باشد، اما داده های موجود. به نظر من در مورد دومی آنقدر نادرست است که نتوانستم نظر قطعی را بیان کنم.» و دهه‌ها بعد، در اواخر عمرش، انیشتین چیز متفاوتی در خاطراتش نوشت - که او اصلاً از حرکت براونی نمی‌دانست و در واقع آن را کاملاً از نظر تئوریک "دوباره کشف" کرده است: "نمی‌دانستیم که مشاهدات "حرکت براونی" مدت‌هاست که انجام شده است. شناخته شده، من کشف کردم که نظریه اتمی منجر به وجود حرکت قابل مشاهده ذرات معلق میکروسکوپی می شود.» به هر حال، مقاله نظری انیشتین با تماس مستقیم آزمایشگران برای آزمایش نتایج او به پایان رسید: «اگر هر محققی بتواند به زودی پاسخ دهد. سؤالاتی که در اینجا مطرح می شود سؤال می کند!" - او مقاله خود را با چنین تعجب غیرمعمولی به پایان می رساند.

پاسخ به درخواست پرشور اینشتین دیری نپایید.

بر اساس نظریه اسمولوچوفسکی-انیشتین، مقدار متوسط جابجایی مجذور یک ذره براونی ( س 2) برای زمان تینسبت مستقیم با دما تیو نسبت معکوس با ویسکوزیته مایع h، اندازه ذرات rو ثابت آووگادرو

نآ: س 2 = 2RTt/6 ساعت rNآ،

جایی که آر- ثابت گاز بنابراین، اگر در 1 دقیقه یک ذره با قطر 1 میکرومتر 10 میکرومتر حرکت کند، در 9 دقیقه - 10 = 30 میکرومتر، در 25 دقیقه - 10 = 50 میکرومتر و غیره. در شرایط مشابه، ذره ای با قطر 0.25 میکرومتر در بازه های زمانی یکسان (1، 9 و 25 دقیقه) به ترتیب 20، 60 و 100 میکرومتر حرکت می کند، زیرا 2 = است. مهم است که فرمول فوق شامل ثابت آووگادرو، که بنابراین، می تواند با اندازه گیری های کمی حرکت یک ذره براونی، که توسط فیزیکدان فرانسوی ژان باپتیست پرین (1870-1942) انجام شد، تعیین شود.

در سال 1908، پرین مشاهدات کمی از حرکت ذرات براونی را زیر میکروسکوپ آغاز کرد. او از یک اولترامیکروسکوپ استفاده کرد که در سال 1902 اختراع شد، که تشخیص کوچکترین ذرات را با پراکندگی نور بر روی آنها از یک روشنگر جانبی قدرتمند امکان پذیر کرد. پرین گلوله های کوچکی به شکل تقریبا کروی و تقریباً هم اندازه از صمغ، شیره تغلیظ شده برخی درختان استوایی به دست آورد (از آن به عنوان رنگ آبرنگ زرد نیز استفاده می شود). این دانه های ریز در گلیسرول حاوی 12 درصد آب معلق شدند. مایع چسبناک مانع از ظهور جریان های داخلی در آن می شود که تصویر را تار می کند. پرین که مجهز به کرونومتر بود، موقعیت ذرات را در فواصل زمانی معین، به عنوان مثال، هر نیم دقیقه، یادداشت کرد و سپس (البته، در مقیاس بسیار بزرگ) روی یک صفحه کاغذ نموداری ترسیم کرد. با اتصال نقاط به دست آمده با خطوط مستقیم، او مسیرهای پیچیده ای به دست آورد که برخی از آنها در شکل نشان داده شده است (آنها از کتاب پرین گرفته شده اند. اتم ها، منتشر شده در سال 1920 در پاریس). چنین حرکت آشفته و بی نظم ذرات منجر به این واقعیت می شود که آنها در فضا کاملاً آهسته حرکت می کنند: مجموع قطعات بسیار بیشتر از جابجایی ذره از اولین نقطه به آخرین نقطه است.

موقعیت های متوالی هر 30 ثانیه از سه ذره براونی - توپ های آدامس با اندازه حدود 1 میکرون. یک سلول مربوط به فاصله 3 میکرومتر است. اگر پرین بتواند موقعیت ذرات براونی را نه پس از 30، بلکه پس از 3 ثانیه تعیین کند، آنگاه خطوط مستقیم بین هر نقطه همسایه به همان خط شکسته زیگزاگی پیچیده تبدیل می‌شوند، فقط در مقیاس کوچکتر.

پرین با استفاده از فرمول نظری و نتایجش، مقداری برای عدد آووگادرو به دست آورد که برای آن زمان کاملاً دقیق بود: 6.8. . 10 23. پرین همچنین از میکروسکوپ برای مطالعه توزیع عمودی ذرات براونی استفاده کرد. سانتی متر. قانون AVOGADRO) و نشان داد که با وجود اثر گرانش، آنها در محلول معلق باقی می مانند. پرین همچنین صاحب آثار مهم دیگری است. او در سال 1895 ثابت کرد که پرتوهای کاتدی بارهای الکتریکی منفی (الکترون) هستند و در سال 1901 برای اولین بار مدل سیاره ای اتم را پیشنهاد کرد. او در سال 1926 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

نتایج به دست آمده توسط پرین، نتایج نظری اینشتین را تایید کرد. تاثیر قوی گذاشت. همانطور که فیزیکدان آمریکایی A. Pais سالها بعد نوشت: "شما هرگز از این نتیجه که به این روش ساده به دست می آید شگفت زده نمی شوید: کافی است یک آویز توپ تهیه کنید که اندازه آن در مقایسه با اندازه بزرگ است. از مولکول های ساده، یک کرونومتر و یک میکروسکوپ بگیرید و می توانید ثابت آووگادرو را تعیین کنید! همچنین ممکن است تعجب کنید: شرح آزمایش‌های جدید بر روی حرکت براونی هنوز در مجلات علمی (Nature، Science، Journal of Chemical Education) هر از گاهی ظاهر می‌شود! پس از انتشار نتایج پرین، استوالد، مخالف سابق اتمیسم، اعتراف کرد که «تطابق حرکت براونی با الزامات فرضیه جنبشی... اکنون محتاط ترین دانشمند این حق را می دهد که در مورد اثبات تجربی نظریه اتمی صحبت کند. از ماده بنابراین، نظریه اتمی به رتبه یک نظریه علمی و مستدل ارتقا یافته است. هانری پوانکاره، ریاضیدان و فیزیکدان فرانسوی، او را تکرار می کند: "تعیین درخشان تعداد اتم ها توسط پرین، پیروزی اتمیسم را تکمیل کرد... اتم شیمیدانان اکنون به واقعیت تبدیل شده است."

حرکت و انتشار براونی

حرکت ذرات براونی از نظر ظاهری بسیار شبیه به حرکت تک تک مولکول ها در نتیجه حرکت حرارتی آنها است. این حرکت را انتشار می نامند. حتی قبل از کار اسمولوچوفسکی و انیشتین، قوانین حرکت مولکولی در ساده ترین حالت حالت گازی ماده ایجاد شده بود. معلوم شد که مولکول‌های موجود در گازها بسیار سریع حرکت می‌کنند - با سرعت گلوله، اما نمی‌توانند دورتر پرواز کنند، زیرا اغلب با مولکول‌های دیگر برخورد می‌کنند. به عنوان مثال، مولکول های اکسیژن و نیتروژن در هوا که با سرعت متوسط تقریباً 500 متر بر ثانیه حرکت می کنند، در هر ثانیه بیش از یک میلیارد برخورد را تجربه می کنند. بنابراین، مسیر مولکول، اگر امکان دنبال کردن آن وجود داشت، یک خط شکسته پیچیده خواهد بود. ذرات براونی نیز اگر موقعیت آنها در فواصل زمانی معینی ثبت شود، مسیر مشابهی را توصیف می کنند. انتشار و حرکت براونی هر دو نتیجه حرکت حرارتی آشفته مولکول ها هستند و بنابراین با روابط ریاضی مشابه توصیف می شوند. تفاوت این است که مولکول های گازها در یک خط مستقیم حرکت می کنند تا زمانی که با مولکول های دیگر برخورد کنند و پس از آن تغییر جهت می دهند. یک ذره براونی، بر خلاف یک مولکول، هیچ "پرواز آزاد" انجام نمی دهد، اما "ترکش" های کوچک و نامنظم بسیار مکرری را تجربه می کند، در نتیجه به طور آشفته ای در یک جهت یا جهت دیگر جابه جا می شود. محاسبات نشان داده است که برای یک ذره با اندازه 0.1 میکرومتر، یک حرکت در سه میلیاردم ثانیه در فاصله تنها 0.5 نانومتر (1 نانومتر = 0.001 میکرومتر) اتفاق می‌افتد. همانطور که یک نویسنده به درستی بیان می کند، این یادآور حرکت یک قوطی خالی آبجو در میدانی است که جمعیتی از مردم در آن جمع شده اند.

مشاهده انتشار بسیار آسان‌تر از حرکت براونی است، زیرا نیازی به میکروسکوپ ندارد: حرکات نه از ذرات منفرد، بلکه از توده‌های عظیم آنها مشاهده می‌شود، فقط باید اطمینان حاصل کنید که انتشار با همرفت - اختلاط ماده به عنوان یک ماده روی هم قرار نمی‌گیرد. نتیجه جریان های گردابی (این گونه جریان ها به راحتی قابل مشاهده است، با قرار دادن یک قطره محلول رنگی، مانند جوهر، در یک لیوان آب داغ).

مشاهده انتشار در ژل های ضخیم راحت است. چنین ژلی را می توان به عنوان مثال در یک شیشه پنی سیلین با تهیه محلول ژلاتین 4-5٪ در آن تهیه کرد. ژلاتین ابتدا باید چند ساعت متورم شود و سپس با هم زدن با پایین آوردن شیشه در آب داغ کاملاً حل می شود. پس از سرد شدن، یک ژل غیر روان به شکل یک توده شفاف و کمی کدر به دست می آید. اگر با استفاده از موچین های تیز، یک کریستال کوچک از پرمنگنات پتاسیم ("پرمنگنات پتاسیم") را با احتیاط در مرکز این جرم قرار دهید، کریستال در جایی که در آن جا مانده است آویزان می ماند، زیرا ژل از افتادن آن جلوگیری می کند. در عرض چند دقیقه، یک توپ بنفش رنگ در اطراف کریستال شروع به رشد می کند؛ با گذشت زمان، بزرگتر و بزرگتر می شود تا جایی که دیواره های شیشه شکل آن را تغییر می دهند. همین نتیجه را می توان با استفاده از کریستال سولفات مس به دست آورد ، فقط در این صورت توپ نه بنفش بلکه آبی رنگ می شود.

واضح است که چرا توپ بیرون آمد: MnO 4 - یون های MnO 4 که هنگام حل شدن کریستال تشکیل می شوند، به محلول می روند (ژل عمدتاً آب است) و در نتیجه انتشار به طور یکنواخت در همه جهات حرکت می کنند، در حالی که گرانش عملاً تأثیری بر روی آن ندارد. سرعت انتشار انتشار در مایع بسیار کند است: ساعت های زیادی طول می کشد تا توپ چندین سانتی متر رشد کند. در گازها، انتشار بسیار سریعتر است، اما با این حال، اگر هوا مخلوط نمی شد، بوی عطر یا آمونیاک ساعت ها در اتاق پخش می شد.

نظریه حرکت براونی: راه رفتن تصادفی

نظریه اسمولوچوفسکی-اینشتین قوانین انتشار و حرکت براونی را توضیح می دهد. ما می توانیم این الگوها را با استفاده از مثال انتشار در نظر بگیریم. اگر سرعت مولکول باشد تو، سپس، حرکت در یک خط مستقیم، در زمان تیمسافت را طی خواهد کرد L = ut، اما در اثر برخورد با مولکول های دیگر، این مولکول در یک خط مستقیم حرکت نمی کند، بلکه به طور مداوم جهت حرکت خود را تغییر می دهد. اگر بتوان مسیر یک مولکول را ترسیم کرد، اساساً هیچ تفاوتی با نقشه های به دست آمده توسط پرین نداشت. از این شکل ها مشخص است که به دلیل حرکت آشفته مولکول با فاصله جابجا می شود س، به طور قابل توجهی کمتر از L. این مقادیر با رابطه مرتبط هستند س= ، جایی که l فاصله ای است که یک مولکول از یک برخورد به برخورد دیگر می گذرد، میانگین مسیر آزاد. اندازه‌گیری‌ها نشان داده‌اند که برای مولکول‌های هوا در فشار اتمسفر معمولی l ~ 0.1 میکرومتر، به این معنی که با سرعت 500 متر بر ثانیه، یک مولکول نیتروژن یا اکسیژن این فاصله را در 10000 ثانیه (کمتر از سه ساعت) طی می‌کند. L= 5000 کیلومتر، و فقط از موقعیت اصلی جابجا می شود س= 0.7 متر (70 سانتی متر)، به همین دلیل است که مواد به دلیل انتشار، حتی در گازها، بسیار کند حرکت می کنند.

مسیر یک مولکول در نتیجه انتشار (یا مسیر یک ذره براونی) راه رفتن تصادفی نامیده می شود. فیزیکدانان شوخ این عبارت را دوباره به راه رفتن مست تعبیر کردند - «مسیر یک مست.» در واقع، حرکت یک ذره از یک موقعیت به موقعیت دیگر (یا مسیر یک مولکول که در معرض برخوردهای زیادی قرار می‌گیرد) شبیه حرکت یک فرد مست است. این قیاس همچنین به فرد اجازه می دهد تا به سادگی استنباط کند که معادله اساسی چنین فرآیندی بر اساس مثال حرکت یک بعدی است که به راحتی قابل تعمیم به سه بعدی است.

فرض کنید یک ملوان بداخلاق در اواخر شب از یک میخانه بیرون آمد و در امتداد خیابان حرکت کرد. پس از پیمودن مسیر l به نزدیکترین فانوس ، استراحت کرد و رفت ... یا جلوتر ، به فانوس بعدی ، یا برگشت ، به میخانه - بالاخره او به یاد نمی آورد از کجا آمده است. سوال این است که آیا او هرگز کدو سبز را ترک خواهد کرد یا فقط در اطراف آن پرسه می زند، حالا دور می شود، حالا به آن نزدیک می شود؟ (نسخه دیگری از مشکل بیان می کند که در هر دو انتهای خیابان، جایی که چراغ های خیابان ختم می شود، گودال های کثیفی وجود دارد و می پرسد که آیا ملوان می تواند از افتادن در یکی از آنها جلوگیری کند.) به طور شهودی، به نظر می رسد که پاسخ دوم صحیح است. اما نادرست است: معلوم می شود که ملوان به تدریج از نقطه صفر دورتر و دورتر می شود، اگرچه بسیار کندتر از زمانی که فقط در یک جهت راه برود. در اینجا نحوه اثبات آن آمده است.

ملوان پس از گذراندن اولین بار به نزدیکترین لامپ (به سمت راست یا چپ) در فاصله ای قرار می گیرد. س 1 = ± l از نقطه شروع. از آنجایی که ما فقط به فاصله آن از این نقطه علاقه داریم، نه جهت آن، با مربع کردن این عبارت از شر علائم خلاص خواهیم شد: س 1 2 = l 2. پس از مدتی، ملوان، که قبلاً تکمیل شده بود ن"سرگردان"، در فاصله خواهد بود

اس ن= از ابتدا و دوباره (در یک جهت) به نزدیکترین فانوس، در فاصله ای دور راه افتادیم اس ن+1 = اس ن± l یا با استفاده از مربع جابجایی، س 2 ن+1 = س 2 ن± 2 اس ن l + l 2. اگر ملوان این حرکت را بارها تکرار کند (از نقبل از ن+ 1)، سپس در نتیجه میانگین گیری (با احتمال مساوی می گذرد نگام به راست یا چپ)، ترم 2± اس نمن لغو خواهم کرد، بنابراین s 2 ن+1 = s2 ن+ l 2> (پرانتزهای زاویه مقدار متوسط را نشان می دهند) L = 3600 m = 3.6 کیلومتر، در حالی که جابجایی از نقطه صفر برای همان زمان تنها برابر خواهد بود. س= = 190 متر در سه ساعت می گذرد L= 10.8 کیلومتر، و تغییر خواهد کرد س= 330 متر و غیره

کار کنید تو l در فرمول حاصل را می توان با ضریب انتشار مقایسه کرد ، که همانطور که توسط فیزیکدان ایرلندی و ریاضیدان جورج گابریل استوکس (1903-1819) نشان داده شده است ، به اندازه ذرات و ویسکوزیته محیط بستگی دارد. بر اساس ملاحظات مشابه، انیشتین معادله خود را استخراج کرد.

نظریه حرکت براونی در زندگی واقعی.

تئوری پیاده روی تصادفی کاربردهای عملی مهمی دارد. آنها می گویند در غیاب نقاط دیدنی (خورشید ، ستاره ها ، سر و صدای بزرگراه یا راه آهن و غیره) ، شخصی در جنگل سرگردان می شود ، در یک میدان در طوفان برفی یا در مه غلیظ در محافل ، همیشه به او باز می گردد مکان اصلی در واقع، او به صورت دایره ای راه نمی رود، بلکه تقریباً به همان روشی حرکت می کند که مولکول ها یا ذرات براونی حرکت می کنند. او می تواند به مکان اصلی خود بازگردد، اما فقط به صورت تصادفی. اما او بارها از مسیر خود عبور می کند. آنها همچنین می گویند که افرادی که در طوفان برفی یخ زده اند "از نزدیکترین مسکن یا جاده" مقداری کیلومتر "پیدا شده اند ، اما در حقیقت شخص هیچ فرصتی برای پیاده روی این کیلومتر نداشت ، و به همین دلیل است.

برای محاسبه میزان جابه‌جایی یک فرد در نتیجه پیاده‌روی‌های تصادفی، باید مقدار l را بدانید، یعنی. مسافتی که فرد می تواند در یک خط مستقیم بدون هیچ علامت مشخصی طی کند. این مقدار توسط دکتری علوم زمین شناسی و کانی شناسی B.S. Gorobets با کمک دانشجویان داوطلب اندازه گیری شد. او ، البته ، آنها را در یک جنگل متراکم یا در یک میدان پوشیده از برف نگذاشت ، همه چیز ساده تر بود - دانش آموز در مرکز یک استادیوم خالی قرار گرفت ، چشم بسته و از او خواسته شد تا به انتهای زمین فوتبال راه برود سکوت کامل (برای حذف جهت گیری توسط صداها). معلوم شد که به طور متوسط دانش آموز فقط در حدود 20 متر در یک خط مستقیم قدم می زند (انحراف از خط مستقیم ایده آل از 5 درجه تجاوز نمی کند) ، و سپس شروع به انحراف بیشتر و بیشتر از جهت اصلی کرد. در پایان، او به دور از رسیدن به لبه ایستاد.

بگذارید اکنون شخصی با سرعت 2 کیلومتر در ساعت در جنگل قدم بزند (یا به عبارت بهتر ، سرگردان باشد) (برای یک جاده بسیار کند است ، اما برای یک جنگل متراکم بسیار سریع است) ، پس اگر مقدار L 20 باشد متر ، سپس در یک ساعت 2 کیلومتر را تحت پوشش قرار می دهد ، اما در دو ساعت فقط 200 متر حرکت خواهد کرد - حدود 280 متر ، در سه ساعت - 350 متر ، در 4 ساعت - 400 متر و غیره و در یک خط مستقیم حرکت می کند چنین سرعتی ، یک شخص در 4 ساعت 8 کیلومتر قدم می زند ، بنابراین ، در دستورالعمل ایمنی برای کار میدانی این قانون زیر وجود دارد: اگر نشانه ها از بین بروند ، باید در محل خود بمانید ، یک پناهگاه تنظیم کنید و منتظر پایان باشید از آب و هوای بد (آفتاب ممکن است بیرون بیاید) یا برای کمک. در جنگل ، نقاط دیدنی - درختان یا بوته ها - به شما کمک می کند تا در یک خط مستقیم حرکت کنید و هر بار که نیاز دارید به دو نقطه دیدنی بچسبید - یکی در جلو ، دیگری در پشت. اما، البته، بهتر است یک قطب نما با خود داشته باشید ...

ایلیا لینسون

ادبیات:

ماریو لیوزی. تاریخچه فیزیک. م، میر، 1970
کرکر ام. حرکات براونی و واقعیت مولکولی قبل از سال 1900. مجله آموزش شیمیایی ، 1974 ، جلد. 51، شماره 12
Leenson I.A. واکنش های شیمیایی. م.، آسترل، 2002

کشف براون

در سال 1827 براون تحقیقی در مورد گرده گیاهان انجام داد. او به خصوص به چگونگی مشارکت گرده در فرآیند لقاح علاقه داشت. یک بار ، در زیر میکروسکوپ ، او دانه های سیتوپلاسمی دراز را معلق در آب از سلولهای گرده از گیاه کلارکیا پالچلا در آمریکای شمالی معلق کرد. ناگهان براون دید که کوچکترین دانه های جامد که به سختی در قطره ای آب دیده می شد، مدام می لرزیدند و از جایی به جای دیگر حرکت می کردند. او دریافت که این حرکات، به قول او، «با جریان در مایع یا تبخیر تدریجی آن مرتبط نیستند، بلکه ذاتی خود ذرات هستند».

مشاهدات براون توسط دانشمندان دیگر تأیید شد. کوچکترین ذرات طوری رفتار می کردند که گویی زنده هستند و "رقص" ذرات با افزایش دما و کاهش اندازه ذرات شتاب می گرفت و هنگام جایگزینی آب با یک محیط چسبناک تر، به وضوح کند شد. این پدیده شگفت انگیز هرگز متوقف نشد: می توان آن را تا زمانی که بخواهیم مشاهده کرد. در ابتدا، براون حتی فکر کرد که موجودات زنده واقعاً در میدان میکروسکوپ افتاده اند، به خصوص که گرده سلول های زایشی نر گیاهان است، اما ذرات گیاهان مرده نیز وجود دارد، حتی از آنهایی که صد سال قبل در گیاهان خشک شده بودند. سپس براون از این سؤال كرد كه آیا این "مولكول های ابتدایی موجودات زنده" است كه ژرژ بوفون ، طبیعت گرای معروف فرانسوی (1707-1788) ، نویسنده تاریخ طبیعی 36 جلدی ، در مورد آن صحبت كرد. زمانی که براون شروع به بررسی اجسام به ظاهر بی جان کرد، این فرض از بین رفت. در ابتدا ذرات بسیار کوچک زغال سنگ و همچنین دوده و غبار هوای لندن بود و سپس مواد معدنی ریز آسیاب شده بودند: شیشه، بسیاری از مواد معدنی مختلف. براون می‌نویسد: «مولکول‌های فعال» همه جا بودند: «در هر ماده معدنی که من موفق شده‌ام آن‌ها را به اندازه‌ای پودر کنم که بتوان مدتی در آب معلق بماند، این مولکول‌ها را در مقادیر کم یا زیاد پیدا کرده‌ام. "

حرکت براونی و نظریه اتمی-مولکولی.

توضیحی در مورد حرکت براونی (که این پدیده نامیده می شد) توسط حرکت مولکول های نامرئی تنها در ربع آخر قرن نوزدهم ارائه شد، اما بلافاصله توسط همه دانشمندان پذیرفته نشد. در سال 1863، یک معلم هندسه توصیفی از کارلسروهه (آلمان)، لودویگ کریستین وینر (1826-1896)، پیشنهاد کرد که این پدیده با حرکات نوسانی اتم های نامرئی مرتبط است. این اولین توضیح حرکت براونی، اگرچه بسیار دور از مدرن، با ویژگی‌های خود اتم‌ها و مولکول‌ها بود. مهم این است که وینر فرصت استفاده از این پدیده را برای نفوذ به اسرار ساختار ماده دید. او اولین کسی بود که سعی کرد سرعت حرکت ذرات براونی و وابستگی آن به اندازه آنها را اندازه گیری کند. جالب است که در سال 1921، در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده، اثری در مورد حرکت براونی وینر دیگر، نوربرت، بنیانگذار مشهور سایبرنتیک، منتشر شد.

از نظر کیفی، تصویر کاملاً قابل قبول و حتی بصری بود. یک شاخه کوچک یا یک حشره که توسط بسیاری از مورچه ها به جهات مختلف هل داده می شود (یا کشیده می شود)، باید تقریباً به همان روش حرکت کند. این ذرات کوچکتر در واقع در واژگان دانشمندان بودند، اما هیچکس آنها را ندیده بود. آنها مولکول نامیده می شدند. این کلمه که از لاتین ترجمه شده است به معنای "توده کوچک" است. به طرز شگفت انگیزی، این دقیقاً توضیحی است که فیلسوف رومی تیتوس لوکرتیوس کاروس (حدود 99–55 قبل از میلاد) در شعر معروف خود در مورد طبیعت اشیا به پدیده ای مشابه داده است. در آن، او کوچکترین ذرات نامرئی با چشم را "اصول اولیه" چیزها می نامد.

اصول چیزها ابتدا خودشان حرکت می کنند،

به دنبال آنها اجسامی از کوچکترین ترکیب آنها وجود دارد،

از نظر قوت به اصول اولیه نزدیک است،

از آنها پنهان شده، با دریافت شوک، شروع به تلاش می کنند،

خود را به حرکت، سپس تشویق بدن بزرگتر.

بنابراین، از ابتدا، حرکت را کم کم شروع کنید

احساسات ما را لمس می کند و همچنین قابل مشاهده می شود

به ما و در ذرات غباری که در نور خورشید حرکت می کند،

حتی اگر لرزش هایی که از آن رخ می دهد نامحسوس باشد ...

به نظر می رسد که حقیقت وجود حرکت براونی به طور واضح ساختار مولکولی ماده را ثابت کرد، اما حتی در آغاز قرن بیستم. دانشمندانی از جمله فیزیکدانان و شیمیدانان وجود داشتند که به وجود مولکول ها اعتقاد نداشتند. نظریه اتمی-مولکولی به آرامی و به سختی به رسمیت شناخته شد. بنابراین، مارسلین برتلو، شیمیدان آلی برجسته فرانسوی (1827-1907) نوشت: "مفهوم یک مولکول، از نقطه نظر دانش ما، نامشخص است، در حالی که مفهوم دیگری - اتم - کاملا فرضی است." شیمیدان معروف فرانسوی A. Saint-Clair Deville (1818-1881) حتی واضح تر صحبت کرد: «من نه قانون آووگادرو، نه اتم، و نه مولکول را قبول دارم، زیرا از باور به چیزی که نه می توانم ببینم و نه مشاهده کنم، امتناع می کنم. ” و شیمیدان فیزیک آلمانی ویلهلم استوالد (1853-1932)، برنده جایزه نوبل، یکی از بنیانگذاران شیمی فیزیک، در اوایل قرن بیستم. قاطعانه وجود اتم ها را انکار کرد. او موفق شد یک کتاب درسی سه جلدی شیمی بنویسد که در آن کلمه "اتم" هرگز ذکر نشده است. استوالد در 19 آوریل 1904 با یک گزارش بزرگ در مؤسسه سلطنتی به اعضای انجمن شیمی انگلیس، سعی کرد ثابت کند که اتم ها وجود ندارند و «آنچه ما ماده می نامیم تنها مجموعه ای از انرژی ها است که در یک مکان معین جمع آوری شده اند. محل."

اما حتی آن دسته از فیزیکدانانی که نظریه مولکولی را پذیرفته بودند، نمی توانستند باور کنند که اعتبار نظریه اتمی-مولکولی به این روش ساده اثبات شده است، بنابراین دلایل جایگزین مختلفی برای توضیح این پدیده ارائه شد. و این کاملاً در روح علم است: تا زمانی که علت یک پدیده به طور واضح مشخص نشود، فرضیه های مختلفی ممکن است (و حتی ضروری) باشد که در صورت امکان باید به صورت تجربی یا نظری آزمایش شوند. بنابراین، در سال 1905، مقاله کوتاهی از پروفسور فیزیک سن پترزبورگ، N.A. Gezehus، معلم آکادمیک مشهور A.F. Ioffe، در فرهنگ لغت دایره المعارف بروکهاوس و افرون منتشر شد. Gesehus نوشته است که به گفته برخی از دانشمندان، حرکت براونی ناشی از "پرتوهای نور یا گرما است که از یک مایع عبور می کنند" و به "جریان های ساده در داخل مایع که هیچ ارتباطی با حرکت مولکول ها ندارند" و این جریان ها تبدیل می شود. می تواند به دلیل "تبخیر، انتشار و دلایل دیگر" ایجاد شود. از این گذشته ، قبلاً شناخته شده بود که حرکت بسیار مشابه ذرات غبار در هوا دقیقاً توسط جریان های گردابی ایجاد می شود. اما توضیحی که Gesehus ارائه کرده است به راحتی می تواند به صورت تجربی رد شود: اگر از طریق یک میکروسکوپ قوی به دو ذره براونی که بسیار نزدیک به یکدیگر قرار دارند نگاه کنید، حرکت آنها کاملاً مستقل خواهد بود. اگر این حرکات ناشی از هر جریانی در مایع باشد، آنگاه چنین ذرات مجاور به طور هماهنگ حرکت می کنند.

نظریه حرکت براونی

در آغاز قرن بیستم. اکثر دانشمندان ماهیت مولکولی حرکت براونی را درک کردند. اما همه توضیحات صرفاً کیفی باقی ماندند؛ هیچ نظریه کمی نمی تواند آزمایش تجربی را تحمل کند. علاوه بر این، خود نتایج آزمایشی نامشخص بود: منظره خارق‌العاده ذرات عجله‌کننده بدون توقف، آزمایش‌کنندگان را هیپنوتیزم کرد و آنها دقیقاً نمی‌دانستند چه ویژگی‌هایی از این پدیده باید اندازه‌گیری شود.
علیرغم بی نظمی کامل ظاهری، هنوز هم می توان حرکات تصادفی ذرات براونی را با یک رابطه ریاضی توصیف کرد. برای اولین بار، توضیح دقیق حرکت براونی در سال 1904 توسط فیزیکدان لهستانی ماریان اسمولوچوفسکی (1872-1917) ارائه شد که در آن سالها در دانشگاه لویو کار می کرد. در همان زمان، تئوری این پدیده توسط آلبرت انیشتین (1879-1955)، یک متخصص کلاس دوم کمتر شناخته شده در اداره ثبت اختراعات شهر برن سوئیس، توسعه یافت. مقاله او که در ماه مه 1905 در مجله آلمانی Annalen der Physik منتشر شد، تحت عنوان "حرکت ذرات معلق در سیال در حالت سکون، مورد نیاز نظریه جنبشی مولکولی گرما" بود. انیشتین با این نام می خواست نشان دهد که نظریه جنبشی مولکولی ساختار ماده لزوماً بر وجود حرکت تصادفی کوچکترین ذرات جامد در مایعات دلالت دارد.

پاسخ به درخواست پرشور اینشتین دیری نپایید.

بر اساس نظریه اسمولوچوفسکی-اینشتین، مقدار متوسط جابجایی مجذور یک ذره براونی (s2) در طول زمان t با دمای T نسبت مستقیم دارد و با ویسکوزیته مایع h، اندازه ذرات r و ثابت آووگادرو نسبت معکوس دارد.

NA: s2 = 2RTt/6phrNA،

جایی که R ثابت است. بنابراین، اگر در 1 دقیقه یک ذره با قطر 1 میکرومتر 10 میکرومتر حرکت کند، در 9 دقیقه - 10 = 30 میکرومتر، در 25 دقیقه - 10 = 50 میکرومتر و غیره. در شرایط مشابه، ذره ای با قطر 0.25 میکرومتر در بازه های زمانی یکسان (1، 9 و 25 دقیقه) به ترتیب 20، 60 و 100 میکرومتر حرکت می کند، زیرا 2 = است. مهم است که فرمول فوق شامل ثابت آووگادرو، که بنابراین، می تواند با اندازه گیری های کمی حرکت یک ذره براونی، که توسط فیزیکدان فرانسوی ژان باپتیست پرین (1870-1942) انجام شد، تعیین شود.

در سال 1908، پرین مشاهدات کمی از حرکت ذرات براونی را زیر میکروسکوپ آغاز کرد. او از یک اولترامیکروسکوپ استفاده کرد که در سال 1902 اختراع شد، که تشخیص کوچکترین ذرات را با پراکندگی نور بر روی آنها از یک روشنگر جانبی قدرتمند امکان پذیر کرد. پرین گلوله های کوچکی به شکل تقریبا کروی و تقریباً هم اندازه از صمغ، شیره تغلیظ شده برخی درختان استوایی به دست آورد (از آن به عنوان رنگ آبرنگ زرد نیز استفاده می شود). این دانه های ریز در گلیسرول حاوی 12 درصد آب معلق شدند. مایع چسبناک مانع از ظهور جریان های داخلی در آن می شود که تصویر را تار می کند. پرین که مجهز به کرونومتر بود، موقعیت ذرات را در فواصل زمانی معین، به عنوان مثال، هر نیم دقیقه، یادداشت کرد و سپس (البته، در مقیاس بسیار بزرگ) روی یک صفحه کاغذ نموداری ترسیم کرد. با اتصال نقاط به دست آمده با خطوط مستقیم، او مسیرهای پیچیده ای را به دست آورد که برخی از آنها در شکل نشان داده شده است (آنها از کتاب اتمی پرین، چاپ شده در سال 1920 در پاریس گرفته شده اند). چنین حرکت آشفته و بی نظم ذرات منجر به این واقعیت می شود که آنها در فضا کاملاً آهسته حرکت می کنند: مجموع قطعات بسیار بیشتر از جابجایی ذره از اولین نقطه به آخرین نقطه است.

موقعیت های متوالی هر 30 ثانیه از سه ذره براونی - توپ های آدامس با اندازه حدود 1 میکرون. یک سلول مربوط به فاصله 3 میکرومتر است.
موقعیت های متوالی هر 30 ثانیه از سه ذره براونی - توپ های آدامس با اندازه حدود 1 میکرون. یک سلول مربوط به فاصله 3 میکرومتر است. اگر پرین بتواند موقعیت ذرات براونی را نه پس از 30، بلکه پس از 3 ثانیه تعیین کند، آنگاه خطوط مستقیم بین هر نقطه همسایه به همان خط شکسته زیگزاگی پیچیده تبدیل می‌شوند، فقط در مقیاس کوچکتر.

پرین با استفاده از فرمول نظری و نتایجش، مقدار نسبتاً دقیقی برای عدد آووگادرو برای آن زمان به دست آورد: 6.8.1023. پرین همچنین از یک میکروسکوپ برای مطالعه توزیع عمودی ذرات براونی استفاده کرد (به قانون آووگادرو مراجعه کنید) و نشان داد که با وجود اثر گرانش، آنها در محلول معلق می مانند. پرین همچنین صاحب آثار مهم دیگری است. او در سال 1895 ثابت کرد که پرتوهای کاتدی بارهای الکتریکی منفی (الکترون) هستند و در سال 1901 برای اولین بار مدل سیاره ای اتم را پیشنهاد کرد. او در سال 1926 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

حرکت و انتشار براونی

واضح است که چرا توپ بیرون آمد: یونهای MnO4- تشکیل شده در هنگام انحلال کریستال به محلول می روند (ژل عمدتاً آب است) و در نتیجه انتشار به طور مساوی در همه جهات حرکت می کند ، در حالی که گرانش عملاً تأثیری ندارد. بر روی نرخ انتشار انتشار در مایع بسیار کند است: ساعت های زیادی طول می کشد تا توپ چندین سانتی متر رشد کند. در گازها، انتشار بسیار سریعتر است، اما با این حال، اگر هوا مخلوط نمی شد، بوی عطر یا آمونیاک ساعت ها در اتاق پخش می شد.

نظریه حرکت براونی: راه رفتن تصادفی

نظریه اسمولوچوفسکی-اینشتین قوانین انتشار و حرکت براونی را توضیح می دهد. ما می توانیم این الگوها را با استفاده از مثال انتشار در نظر بگیریم. اگر سرعت یک مولکول u باشد، پس با حرکت در یک خط مستقیم، در زمان t مسافت L = ut را طی می کند، اما در اثر برخورد با مولکول های دیگر، این مولکول در یک خط مستقیم حرکت نمی کند، بلکه پیوسته تغییر می کند. جهت حرکت آن اگر بتوان مسیر یک مولکول را ترسیم کرد، اساساً هیچ تفاوتی با نقشه های به دست آمده توسط پرین نداشت. از چنین اشکالی مشخص است که به دلیل حرکت آشفته، مولکول با فاصله s، به طور قابل توجهی کمتر از L، جابه جا می شود. این مقادیر با رابطه s = مرتبط هستند، که در آن l فاصله ای است که مولکول از یک برخورد به آن پرواز می کند. دیگری ، متوسط مسیر آزاد. اندازه‌گیری‌ها نشان داده است که برای مولکول‌های هوا در فشار اتمسفر معمولی l ~ 0.1 میکرومتر، به این معنی که با سرعت 500 متر بر ثانیه، یک مولکول نیتروژن یا اکسیژن در 10000 ثانیه (کمتر از سه ساعت) فاصله L = 5000 کیلومتر پرواز می‌کند و جابجایی از موقعیت اولیه فقط s = 0.7 متر (70 سانتی متر) است، به همین دلیل است که مواد به دلیل انتشار، حتی در گازها، بسیار کند حرکت می کنند.

ملوان پس از راه رفتن برای اولین بار به نزدیکترین فانوس (به سمت راست یا چپ)، خود را در فاصله s1 = ± l از نقطه شروع می بیند. از آنجایی که ما فقط به فاصله آن از این نقطه علاقه داریم، نه جهت آن، با مربع کردن این عبارت از شر علائم خلاص خواهیم شد: s12 = l2. پس از مدتی، ملوان که قبلاً N "سرگردان" را انجام داده است، در فاصله ای قرار می گیرد

SN = از ابتدا. و با عبور مجدد (در یک جهت) به نزدیکترین لامپ، در فاصله sN+1 = sN ± l، یا با استفاده از مربع جابجایی، s2N+1 = s2N ±2sN l + l2. اگر ملوان بارها این حرکت را تکرار کند (از N به N + 1)، سپس در نتیجه میانگین گیری (با احتمال مساوی گام N را به سمت راست یا چپ برمی دارد) از عبارت ±2sNl کاسته می شود، بنابراین که (پرانتزهای زاویه مقدار میانگین را نشان می دهند).

از آنجایی که s12 = l2، پس

S22 = s12 + l2 = 2l2، s32 = s22 + l2 = 3ll2 و غیره، یعنی. s2N = Nl2 یا sN =l. کل مسافت طی شده L را می توان هم به عنوان ضرب سرعت ملوان و زمان سفر (L = ut) و هم به عنوان حاصل ضرب تعداد سرگردانی و فاصله بین فانوس ها (L = Nl) نوشت، بنابراین، ut = Nl، از آنجا N = ut/l و در نهایت sN = . بنابراین، وابستگی جابجایی ملوان (و همچنین مولکول یا ذره براونی) را به زمان بدست می آوریم. به عنوان مثال، اگر 10 متر بین فانوس ها فاصله باشد و ملوان با سرعت 1 متر بر ثانیه راه برود، در یک ساعت کل مسیر او L = 3600 متر = 3.6 کیلومتر خواهد بود، در حالی که جابجایی از نقطه صفر در طول همان زمان فقط s = = 190 متر خواهد بود. در عرض سه ساعت L = 10.8 کیلومتر را طی می کند و s = 330 متر و غیره جابجا می شود.

حاصلضرب ul در فرمول به دست آمده را می توان با ضریب انتشار مقایسه کرد، که همانطور که توسط فیزیکدان و ریاضیدان ایرلندی جورج گابریل استوکس (1819-1903) نشان داده شده است، به اندازه ذرات و ویسکوزیته محیط بستگی دارد. بر اساس ملاحظات مشابه، انیشتین معادله خود را استخراج کرد.

نظریه حرکت براونی در زندگی واقعی.

ذرات معلق کوچک تحت تأثیر ضربه های مولکول های مایع به طور آشفته حرکت می کنند.

در نیمه دوم قرن نوزدهم، بحث جدی در مورد ماهیت اتم ها در محافل علمی شعله ور شد. در یک طرف مقامات انکارناپذیری مانند ارنست ماخ ( سانتی متر.امواج شوک) ، که استدلال می کند که اتمها به سادگی کارکردهای ریاضی هستند که با موفقیت پدیده های فیزیکی قابل مشاهده را توصیف می کنند و هیچ مبنای جسمی واقعی ندارند. از سوی دیگر، دانشمندان موج جدید - به ویژه، لودویگ بولتزمن ( سانتی متر.ثابت بولتزمن) - اصرار داشت که اتم ها واقعیت های فیزیکی هستند. و هیچ یک از دو طرف متوجه نشدند که چندین دهه قبل از شروع اختلاف آنها، نتایج آزمایشی به دست آمده بود که یک بار برای همیشه مسئله را به نفع وجود اتم ها به عنوان یک واقعیت فیزیکی حل کرد - با این حال، آنها در این رشته به دست آمدند. علوم طبیعی در مجاورت فیزیک توسط گیاه شناس رابرت براون.

در تابستان 1827، براون هنگام مطالعه رفتار گرده گل زیر میکروسکوپ (او سوسپانسیون آبی گرده گیاهان را مطالعه کرد. کلارکیا پولچلا، ناگهان متوجه شد که هاگ های منفرد حرکات تکانه ای کاملاً آشفته انجام می دهند. او به یقین تشخیص داد که این حرکات به هیچ وجه با تلاطم و جریان آب یا تبخیر آن مرتبط نیست، پس از آن، با توصیف ماهیت حرکت ذرات، صادقانه به ناتوانی خود در توضیح منشأ این اعتراف کرد. حرکت آشفته با این حال، براون به عنوان یک آزمایشگر دقیق، ثابت کرد که چنین حرکت آشفته ای مشخصه هر ذره میکروسکوپی است - خواه گرده گیاهان، مواد معدنی معلق یا به طور کلی هر ماده خرد شده باشد.

تنها در سال 1905 بود که کسی جز آلبرت انیشتین برای اولین بار متوجه شد که این پدیده اسرارآمیز در نگاه اول به عنوان بهترین تأیید تجربی صحت نظریه اتمی ساختار ماده است. او آن را چیزی شبیه به این توضیح داد: یک هاگ معلق در آب توسط مولکول های آب در حال حرکت به طور مداوم در معرض "بمباران" قرار می گیرد. به طور متوسط، مولکول ها از هر طرف با شدت یکسان و در فواصل زمانی مساوی روی آن اثر می کنند. با این حال، هر چقدر هم که اسپور کوچک باشد، به دلیل انحرافات کاملاً تصادفی، ابتدا یک تکانه از مولکولی دریافت می کند که از یک طرف به آن برخورد کرده است، سپس از طرف مولکولی که به آن برخورد کرده است و غیره. در نتیجه. از میانگین گرفتن چنین برخوردهایی، معلوم می شود که در یک لحظه ذره در یک جهت "انقباض" می کند، سپس اگر از طرف دیگر توسط مولکول های بیشتری "هل" شود، در سمت دیگر و غیره. با استفاده از قوانین آمار ریاضی. و نظریه جنبشی مولکولی گازها، انیشتین معادله ای را به دست آورد که وابستگی جابجایی ریشه میانگین مربع ذره براونی را به پارامترهای ماکروسکوپی توصیف می کند. (واقعیت جالب: در یکی از مجلدات مجله آلمانی "Annals of Physics" ( آنالن der Physik) در سال 1905 ، سه مقاله توسط انیشتین منتشر شد: مقاله ای با توضیح نظری از حرکت براون ، مقاله ای در مورد مبانی تئوری ویژه نسبیت و سرانجام ، مقاله ای که تئوری اثر فوتوالکتریک را توصیف می کند. به خاطر دومی بود که آلبرت انیشتین در سال 1921 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.)

در سال 1908 ، فیزیکدان فرانسوی ژان باپتیست پرین (1870-1942) یک سری آزمایش های درخشان را انجام داد که صحت توضیحات انیشتین در مورد پدیده حرکت براون را تأیید کرد. سرانجام مشخص شد که حرکت "آشوب" مشاهده شده ذرات براونی نتیجه برخوردهای بین مولکولی است. از آنجا که "کنوانسیون های ریاضی مفید" (طبق گفته ماچ) نمی تواند منجر به حرکات قابل مشاهده و کاملاً واقعی ذرات فیزیکی شود ، سرانجام مشخص شد که بحث در مورد واقعیت اتمها به پایان رسیده است: آنها در طبیعت وجود دارند. به عنوان "بازی جایزه" ، پرین فرمول حاصل از انیشتین را دریافت کرد ، که به فرانسوی اجازه می داد تا میانگین اتم ها و/یا مولکول های برخورد با یک ذرات معلق در یک مایع را در یک دوره زمانی معین ، تجزیه و تحلیل و تخمین بزند و با استفاده از این نشانگر، اعداد مولی مایعات مختلف را محاسبه کنید. این ایده مبتنی بر این واقعیت بود که در هر لحظه معین شتاب یک ذره معلق به تعداد برخورد با مولکول های رسانه بستگی دارد ( سانتی متر.قوانین مکانیک نیوتن) و در نتیجه بر تعداد مولکول ها در واحد حجم مایع. و این چیزی بیش از این نیست شماره آووگادرو (سانتی متر.قانون آووگادرو) یکی از ثابت های اساسی است که ساختار جهان ما را تعیین می کند.