Ռոբերտ Բրաունի բացահայտումը. Բրոունյան շարժում Բրոունյան շարժում և ատոմ-մոլեկուլային տեսություն

01.01.202427.05.2017

Ի՞նչ է Բրոունյան շարժումը:

Այժմ դուք կծանոթանաք մոլեկուլների ջերմային շարժման առավել ակնհայտ ապացույցներին (մոլեկուլային կինետիկ տեսության երկրորդ հիմնական դիրքը): Անպայման փորձեք մանրադիտակով նայել և տեսնել, թե ինչպես են շարժվում այսպես կոչված Բրոունյան մասնիկները:

Նախկինում դուք իմացաք, թե ինչ է դա դիֆուզիոն, այսինքն՝ գազերի, հեղուկների և պինդ մարմինների խառնում անմիջական շփման մեջ։ Այս երեւույթը կարելի է բացատրել մոլեկուլների պատահական տեղաշարժով և մի նյութի մոլեկուլների ներթափանցմամբ մեկ այլ նյութի մոլեկուլների միջև ընկած տարածություն։ Սա կարող է բացատրել, օրինակ, այն փաստը, որ ջրի և սպիրտի խառնուրդի ծավալը փոքր է, քան դրա բաղկացուցիչ բաղադրիչների ծավալը։ Սակայն մոլեկուլների շարժման ամենաակնառու ապացույցը կարելի է ստանալ՝ մանրադիտակի միջոցով դիտարկելով ջրի մեջ կախված ցանկացած պինդ նյութի ամենափոքր մասնիկները: Այս մասնիկները ենթարկվում են պատահական շարժման, որը կոչվում է Բրաունյան.

Սա հեղուկի (կամ գազի) մեջ կասեցված մասնիկների ջերմային շարժումն է:

Բրոունյան շարժման դիտարկում

Անգլիացի բուսաբան Ռ. Բրաունը (1773-1858) առաջին անգամ նկատեց այս երևույթը 1827 թվականին՝ մանրադիտակի միջոցով հետազոտելով ջրի մեջ կախված մամուռի սպորները։ Ավելի ուշ նա նայեց այլ մանր մասնիկների, այդ թվում՝ եգիպտական բուրգերի քարի կտորներին։ Մեր օրերում բրոունյան շարժումը դիտարկելու համար նրանք օգտագործում են մաստակի ներկի մասնիկներ, որոնք չեն լուծվում ջրում։ Այս մասնիկները շարժվում են պատահական: Մեզ համար ամենազարմանալին ու անսովորն այն է, որ այս շարժումը երբեք չի դադարում։ Մենք սովոր ենք, որ ցանկացած շարժվող մարմին վաղ թե ուշ կանգ է առնում։ Բրաունը սկզբում կարծում էր, որ մամուռի սպորները կենդանության նշաններ են ցույց տալիս:

ջերմային շարժում, և այն չի կարող կանգ առնել: Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ նրա ինտենսիվությունը մեծանում է։ Նկար 8.3-ում ներկայացված է Բրոունյան մասնիկների շարժման դիագրամը: Մասնիկների դիրքերը, որոնք նշված են կետերով, որոշվում են 30 վրկ պարբերականությամբ։ Այս կետերը միացված են ուղիղ գծերով։ Իրականում մասնիկների հետագիծը շատ ավելի բարդ է։

Բրաունյան շարժումը կարող է դիտվել նաև գազում։ Այն առաջանում է օդում կախված փոշու կամ ծխի մասնիկներից։

Գերմանացի ֆիզիկոս Ռ. Փոլը (1884-1976) գունեղ նկարագրում է Բրոունյան շարժումը. «Քիչ երևույթներ կարող են գրավել դիտողին այնքան, որքան Բրոունյան շարժումը: Այստեղ դիտորդին թույլատրվում է նայել բնության մեջ կատարվողի կուլիսներում։ Նրա առջև բացվում է մի նոր աշխարհ՝ հսկայական քանակությամբ մասնիկների անդադար եռուզեռ: Ամենափոքր մասնիկները արագ թռչում են մանրադիտակի տեսադաշտով՝ գրեթե ակնթարթորեն փոխելով շարժման ուղղությունը։ Ավելի մեծ մասնիկները ավելի դանդաղ են շարժվում, բայց նրանք նաև անընդհատ փոխում են շարժման ուղղությունը։ Խոշոր մասնիկները գործնականում մանրացված են տեղում: Նրանց ելուստները հստակ ցույց են տալիս իրենց առանցքի շուրջ մասնիկների պտույտը, որն անընդհատ փոխում է ուղղությունը տարածության մեջ։ Համակարգի կամ կարգի հետք ոչ մի տեղ չկա։ Կույր պատահականության գերակայությունը. ահա թե ինչ ուժեղ, ճնշող տպավորություն է թողնում այս նկարը դիտորդի վրա»:

Ներկայումս հայեցակարգը Բրաունյան շարժումօգտագործվում է ավելի լայն իմաստով. Օրինակ, Բրոունյան շարժումը զգայուն չափիչ գործիքների ասեղների թրթռումն է, որն առաջանում է գործիքի մասերի ատոմների և շրջակա միջավայրի ջերմային շարժման պատճառով։

Բրոունյան շարժման բացատրություն

Բրաունյան շարժումը կարելի է բացատրել միայն մոլեկուլային կինետիկ տեսության հիման վրա։ Մասնիկի բրոունյան շարժման պատճառն այն է, որ հեղուկի մոլեկուլների ազդեցությունը մասնիկի վրա միմյանց չի ջնջում։. Նկար 8.4-ը սխեմատիկորեն ցույց է տալիս Բրոունյան մեկ մասնիկի դիրքը և նրան ամենամոտ մոլեկուլները: Երբ մոլեկուլները պատահականորեն շարժվում են, իմպուլսները, որոնք նրանք փոխանցում են Բրաունի մասնիկին, օրինակ՝ դեպի ձախ և աջ, նույնը չեն։ Հետևաբար, հեղուկ մոլեկուլների ճնշման ուժը բրոունյան մասնիկի վրա զրոյական չէ: Այս ուժն առաջացնում է մասնիկի շարժման փոփոխություն։

Միջին ճնշումը որոշակի արժեք ունի ինչպես գազի, այնպես էլ հեղուկի մեջ: Բայց միշտ կան աննշան պատահական շեղումներ այս միջինից: Որքան փոքր է մարմնի մակերեսը, այնքան ավելի նկատելի են այս տարածքի վրա ազդող ճնշման ուժի հարաբերական փոփոխությունները: Այսպիսով, օրինակ, եթե տարածքը ունի մոլեկուլի մի քանի տրամագծերի կարգի չափ, ապա դրա վրա ազդող ճնշման ուժը կտրուկ փոխվում է զրոյից մինչև որոշակի արժեք, երբ մոլեկուլը հարվածում է այս տարածքին:

Բրոունյան շարժման մոլեկուլային կինետիկ տեսությունը ստեղծվել է 1905 թվականին Ա.Էյնշտեյնի (1879-1955) կողմից։

Բրոունյան շարժման տեսության կառուցումը և դրա փորձնական հաստատումը ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ջ.Պերինի կողմից վերջապես ավարտին հասցրեց մոլեկուլային կինետիկ տեսության հաղթանակը։

Պերինի փորձերը

Փերինի փորձերի գաղափարը հետևյալն է. Հայտնի է, որ մթնոլորտում գազի մոլեկուլների կոնցենտրացիան բարձրության հետ նվազում է։ Եթե ջերմային շարժում չլիներ, ապա բոլոր մոլեկուլները կիջնեին Երկիր, և մթնոլորտը կվերանա։ Այնուամենայնիվ, եթե դեպի Երկիր ձգողություն չլիներ, ապա ջերմային շարժման պատճառով մոլեկուլները կլքեին Երկիրը, քանի որ գազն ունակ է անսահմանափակ ընդլայնման։ Այս հակադիր գործոնների գործողության արդյունքում հաստատվում է մոլեկուլների որոշակի բաշխում բարձրության վրա, ինչպես նշվեց վերևում, այսինքն՝ մոլեկուլների կոնցենտրացիան բավականին արագ նվազում է բարձրության հետ։ Ավելին, որքան մեծ է մոլեկուլների զանգվածը, այնքան ավելի արագ է նվազում դրանց կոնցենտրացիան բարձրության հետ։

Բրոունյան մասնիկները մասնակցում են ջերմային շարժմանը։ Քանի որ դրանց փոխազդեցությունը աննշանորեն փոքր է, այդ մասնիկների հավաքումը գազի կամ հեղուկի մեջ կարելի է համարել որպես շատ ծանր մոլեկուլների իդեալական գազ: Հետևաբար, Բրոունի մասնիկների կոնցենտրացիան գազի կամ հեղուկի մեջ Երկրի գրավիտացիոն դաշտում պետք է նվազի նույն օրենքի համաձայն, ինչ գազի մոլեկուլների կոնցենտրացիան։ Այս օրենքը հայտնի է.

Պերինը, օգտագործելով դաշտի մակերեսային խորությամբ (դաշտի մակերեսային խորություն) բարձր խոշորացման մանրադիտակ, դիտել է Բրաունյան մասնիկներ հեղուկի շատ բարակ շերտերում։ Հաշվելով մասնիկների կոնցենտրացիան տարբեր բարձրություններում՝ նա պարզեց, որ այդ կոնցենտրացիան բարձրության հետ նվազում է նույն օրենքի համաձայն, ինչ գազի մոլեկուլների կոնցենտրացիան։ Տարբերությունն այն է, որ բրոունյան մասնիկների մեծ զանգվածի պատճառով նվազումը տեղի է ունենում շատ արագ։

Ավելին, Բրաունի մասնիկները տարբեր բարձրություններում հաշվելը Պերինին թույլ տվեց որոշել Ավոգադրոյի հաստատունը՝ օգտագործելով բոլորովին նոր մեթոդ։ Այս հաստատունի արժեքը համընկավ հայտնիի հետ։

Այս բոլոր փաստերը վկայում են Բրոունյան շարժման տեսության ճիշտության մասին և, համապատասխանաբար, Բրոունի մասնիկները մասնակցում են մոլեկուլների ջերմային շարժմանը։

Դուք հստակ տեսաք ջերմային շարժման գոյությունը. տեսել է քաոսային շարժում. Մոլեկուլները նույնիսկ ավելի պատահական են շարժվում, քան Բրոունի մասնիկները։

Երևույթի էությունը

Այժմ փորձենք հասկանալ Բրոունյան շարժման երեւույթի էությունը։ Եվ դա տեղի է ունենում, քանի որ բոլոր բացարձակապես հեղուկներն ու գազերը բաղկացած են ատոմներից կամ մոլեկուլներից: Բայց մենք նաև գիտենք, որ այս փոքրիկ մասնիկները, լինելով շարունակական քաոսային շարժման մեջ, անընդհատ հրում են Բրաունի մասնիկը տարբեր կողմերից։

Սակայն հետաքրքիրն այն է, որ գիտնականներն ապացուցել են, որ ավելի մեծ չափերի մասնիկները, որոնք գերազանցում են 5 միկրոնը, մնում են անշարժ և գրեթե չեն մասնակցում Բրոունյան շարժմանը, ինչը չի կարելի ասել փոքր մասնիկների մասին: 3 միկրոնից պակաս չափսերով մասնիկները կարող են շարժվել թարգմանաբար, կատարել պտույտներ կամ գրել բարդ հետագծեր։

Երբ մեծ մարմինը ընկղմվում է շրջակա միջավայրի մեջ, հսկայական քանակությամբ տեղի ունեցող ցնցումները կարծես հասնում են միջին մակարդակի և պահպանում են մշտական ճնշում: Այս դեպքում գործում է Արքիմեդի տեսությունը, քանի որ մեծ մարմինը, որը շրջապատված է բոլոր կողմերից շրջակա միջավայրով, հավասարակշռում է ճնշումը, իսկ մնացած բարձրացնող ուժը թույլ է տալիս այս մարմնին լողալ կամ խորտակվել:

Բայց եթե մարմինն ունի բրոունյան մասնիկի նման չափեր, այսինքն՝ բոլորովին աննկատ, ապա նկատելի են դառնում ճնշման շեղումները, որոնք նպաստում են պատահական ուժի ստեղծմանը, որը հանգեցնում է այդ մասնիկների թրթռումների։ Կարելի է եզրակացնել, որ միջավայրում Բրոունյան մասնիկները կախված վիճակում են՝ ի տարբերություն խոշոր մասնիկների, որոնք սուզվում կամ լողում են։

Բրոունյան շարժման իմաստը

Փորձենք պարզել, թե արդյոք Բրոունյան շարժումը որևէ նշանակություն ունի բնական միջավայրում.

Նախ, Բրոունյան շարժումը էական դեր է խաղում հողից բույսերի սնուցման մեջ.
Երկրորդ, մարդու և կենդանիների օրգանիզմներում սննդանյութերի կլանումը տեղի է ունենում մարսողական օրգանների պատերի միջով Բրոունյան շարժման պատճառով.
Երրորդ, մաշկի շնչառության իրականացման ժամանակ.
Եվ վերջապես, Բրոունյան շարժումը կարևոր է օդում և ջրի մեջ վնասակար նյութերի բաշխման համար:

Տնային աշխատանք

Ուշադիր կարդացեք հարցերը և գրավոր պատասխանեք դրանց.

1. Հիշեք, թե ինչ է կոչվում դիֆուզիոն:
2. Ի՞նչ կապ կա մոլեկուլների դիֆուզիայի և ջերմային շարժման միջև:
3. Սահմանել Բրաունյան շարժումը:
4. Ի՞նչ եք կարծում, Բրոունյան շարժումը ջերմակա՞ն է, և հիմնավորում եք ձեր պատասխանը:
5. Բրաունյան շարժման բնույթը կփոխվի՞ տաքանալիս: Եթե այն փոխվում է, ապա ինչպե՞ս:
6. Ի՞նչ սարքով են ուսումնասիրում Բրոունյան շարժումը:
7. Բրաունյան շարժման օրինաչափությունը փոխվու՞մ է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ և ինչպես ճիշտ:
8. Բրաունյան շարժման մեջ փոփոխություններ կլինե՞ն, եթե ջրային էմուլսիան փոխարինվի գլիցերինով:

Գ.Յա.Մյակիշև, Բ.Բ.Բուխովցև, Ն.Ն.Սոցկի, Ֆիզիկա 10-րդ դաս.

Այսօր մենք ավելի մանրամասն կանդրադառնանք մի կարևոր թեմայի. մենք կսահմանենք նյութի փոքր կտորների բրոունյան շարժումը հեղուկի կամ գազի մեջ:

Քարտեզ և կոորդինատներ

Որոշ դպրոցականներ, որոնք տանջվում են ձանձրալի դասերից, չեն հասկանում, թե ինչու են ֆիզիկա սովորում։ Մինչդեռ այս գիտությունն էր, որ ժամանակին հնարավոր եղավ բացահայտել Ամերիկան։

Սկսենք հեռվից։ Միջերկրական ծովի հնագույն քաղաքակրթությունները, ինչ-որ իմաստով, բախտավոր էին. նրանք զարգացան փակ ներքին ջրային մարմնի ափերին: Միջերկրական ծովն այդպես է կոչվում, քանի որ այն բոլոր կողմերից շրջապատված է ցամաքով։ Իսկ հին ճանապարհորդներն իրենց արշավախմբի հետ կարող էին բավականին հեռու ճանապարհորդել՝ չկորցնելով ափերը։ Երկրի ուրվագծերը օգնեցին նավարկելուն։ Իսկ առաջին քարտեզները կազմվել են ոչ թե աշխարհագրական, այլ նկարագրական: Այս համեմատաբար կարճ ճանապարհորդությունների շնորհիվ հույները, փյունիկեցիները և եգիպտացիները շատ լավ դարձան նավեր կառուցելու գործում: Եվ որտեղ լավագույն սարքավորումներն են, այնտեղ կա ձեր աշխարհի սահմանները ճեղքելու ցանկություն:

Ուստի մի գեղեցիկ օր եվրոպական տերությունները որոշեցին մտնել օվկիանոս։ Մայրցամաքների միջև անծայրածիր տարածություններով նավարկելիս նավաստիները երկար ամիսներ միայն ջուր էին տեսնում, և նրանք ստիպված էին ինչ-որ կերպ գտնել իրենց ճանապարհը: Ճշգրիտ ժամացույցների և բարձրորակ կողմնացույցի հայտնագործումն օգնեց որոշել մարդու կոորդինատները:

Ժամացույց և կողմնացույց

Փոքր ձեռքի քրոնոմետրերի գյուտը մեծապես օգնեց նավաստիներին: Ճշգրիտ որոշելու համար, թե որտեղ են նրանք, նրանք պետք է ունենային մի պարզ գործիք, որը չափում էր արևի բարձրությունը հորիզոնից վերև, և իմանալու, թե երբ է ճիշտ կեսօրը։ Եվ կողմնացույցի շնորհիվ նավերի կապիտանները գիտեին, թե ուր են գնում։ Ե՛վ ժամացույցը, և՛ մագնիսական ասեղի հատկությունները ուսումնասիրվել և ստեղծվել են ֆիզիկոսների կողմից։ Սրա շնորհիվ ամբողջ աշխարհը բացվեց եվրոպացիների առաջ։

Նոր մայրցամաքները եղել են terra incognita, չուսումնասիրված հողեր: Նրանց վրա աճեցին տարօրինակ բույսեր, և հայտնաբերվեցին տարօրինակ կենդանիներ:

Բույսեր և ֆիզիկա

Քաղաքակիրթ աշխարհի բոլոր բնագետները շտապեցին ուսումնասիրել այս նոր տարօրինակ էկոլոգիական համակարգերը։ Եվ իհարկե, նրանք ձգտում էին օգուտ քաղել դրանցից։

Ռոբերտ Բրաունը անգլիացի բուսաբան էր։ Նա մեկնել է Ավստրալիա և Թասմանիա՝ այնտեղ հավաքելով բույսերի հավաքածուներ։ Արդեն տանը՝ Անգլիայում, նա քրտնաջան աշխատել է բերված նյութի նկարագրության ու դասակարգման վրա։ Իսկ այս գիտնականը շատ բծախնդիր էր։ Մի օր բույսերի հյութի մեջ ծաղկափոշու շարժը դիտարկելիս նա նկատեց՝ մանր մասնիկները անընդհատ զիգզագի քաոսային շարժումներ են անում։ Սա գազերում և հեղուկներում փոքր տարրերի բրոունյան շարժման սահմանումն է։ Բացահայտման շնորհիվ զարմանալի բուսաբանն իր անունը գրեց ֆիզիկայի պատմության մեջ:

Բրաուն և Գուեյ

Եվրոպական գիտության մեջ ընդունված է էֆեկտը կամ երեւույթը անվանել այն հայտնաբերողի անունով։ Բայց հաճախ դա պատահական է լինում։ Բայց նա, ով նկարագրում, բացահայտում է ֆիզիկական օրենքի կարևորությունը կամ ավելի մանրամասն ուսումնասիրում է, հայտնվում է ստվերում: Դա տեղի է ունեցել ֆրանսիացի Լուի Ժորժ Գույի հետ։ Հենց նա է տվել Բրոունյան շարժման սահմանումը (7-րդ դասարանը հաստատ չի լսում այդ մասին ֆիզիկայի այս թեման ուսումնասիրելիս):

Գույի հետազոտությունը և Բրոունյան շարժման հատկությունները

Ֆրանսիացի փորձարար Լուի Ժորժ Գույը դիտարկել է տարբեր տեսակի մասնիկների շարժումը մի քանի հեղուկներում, այդ թվում՝ լուծույթներում։ Այն ժամանակվա գիտությունն արդեն կարողանում էր ճշգրիտ որոշել նյութի կտորների չափերը մինչև միկրոմետրի տասներորդական մասը։ Ուսումնասիրելով, թե ինչ է Բրաունյան շարժումը (հենց Գույը տվեց այս երևույթի սահմանումը ֆիզիկայում), գիտնականը հասկացավ. մասնիկների շարժման ինտենսիվությունը մեծանում է, եթե դրանք տեղադրվեն ավելի քիչ մածուցիկ միջավայրում: Լինելով լայն սպեկտրի փորձարար՝ նա կախոցը ենթարկել է տարբեր ուժգնության լույսի և էլեկտրամագնիսական դաշտերի ազդեցությանը։ Գիտնականը պարզել է, որ այս գործոնները ոչ մի կերպ չեն ազդում մասնիկների քաոսային զիգզագային ցատկերի վրա։ Գույը միանշանակ ցույց տվեց, թե ինչ է ապացուցում Բրոունյան շարժումը՝ հեղուկի կամ գազի մոլեկուլների ջերմային շարժումը։

Թիմ և զանգված

Հիմա եկեք ավելի մանրամասն նկարագրենք հեղուկի մեջ նյութի փոքր կտորների զիգզագ ցատկերի մեխանիզմը:

Ցանկացած նյութ բաղկացած է ատոմներից կամ մոլեկուլներից։ Աշխարհի այս տարրերը շատ փոքր են, ոչ մի օպտիկական մանրադիտակ չի կարող տեսնել դրանք: Հեղուկի մեջ նրանք անընդհատ տատանվում և շարժվում են։ Երբ որևէ տեսանելի մասնիկ մտնում է լուծույթ, նրա զանգվածը հազարավոր անգամ մեծ է մեկ ատոմից: Հեղուկի մոլեկուլների Բրոունյան շարժումը քաոսային է լինում։ Բայց, այնուամենայնիվ, բոլոր ատոմները կամ մոլեկուլները մի կոլեկտիվ են, դրանք կապված են միմյանց հետ, ինչպես մարդիկ, ովքեր իրար ձեռք են տալիս։ Ուստի երբեմն պատահում է, որ մասնիկի մի կողմում գտնվող հեղուկի ատոմներն այնպես են շարժվում, որ «սեղմում» են դրա վրա, մինչդեռ մասնիկի մյուս կողմում ստեղծվում է ավելի քիչ խիտ միջավայր։ Հետեւաբար, փոշու մասնիկը շարժվում է լուծույթի տարածության մեջ։ Այլուր, հեղուկի մոլեկուլների հավաքական շարժումը պատահականորեն ազդում է ավելի զանգվածային բաղադրիչի մյուս կողմի վրա: Հենց այսպես է տեղի ունենում մասնիկների բրոունյան շարժումը։

Ժամանակը և Էյնշտեյնը

Եթե նյութը ունի ոչ զրոյական ջերմաստիճան, ապա նրա ատոմները ենթարկվում են ջերմային թրթռումների։ Հետևաբար, նույնիսկ շատ սառը կամ գերսառեցված հեղուկի մեջ Բրաունյան շարժում գոյություն ունի: Փոքր կասեցված մասնիկների այս քաոսային թռիչքները երբեք չեն դադարում:

Ալբերտ Էյնշտեյնը թերեւս քսաներորդ դարի ամենահայտնի գիտնականն է: Յուրաքանչյուր ոք, ով գոնե ինչ-որ չափով հետաքրքրված է ֆիզիկայով, գիտի E = mc 2 բանաձևը: Շատերը կարող են հիշել նաև ֆոտոէլեկտրական էֆեկտը, որի համար նրան Նոբելյան մրցանակ են տվել, և հարաբերականության հատուկ տեսությունը։ Սակայն քչերը գիտեն, որ Էյնշտեյնը մշակել է Բրոունյան շարժման բանաձեւը։

Հիմնվելով մոլեկուլային կինետիկ տեսության վրա՝ գիտնականը հանգեցրել է հեղուկի մեջ կասեցված մասնիկների դիֆուզիայի գործակիցը։ Եվ դա տեղի ունեցավ 1905 թ. Բանաձևն այսպիսի տեսք ունի.

D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ),

որտեղ D-ը ցանկալի գործակիցն է, R-ը գազի համընդհանուր հաստատունն է, T-ը բացարձակ ջերմաստիճանն է (արտահայտված Կելվինում), N A-ն Ավոգադրոյի հաստատունն է (համապատասխանում է նյութի մեկ մոլին կամ մոտավորապես 1023 մոլեկուլին), a-ն մոտավոր միջինն է։ մասնիկների շառավիղը, ξ-ը հեղուկի կամ լուծույթի դինամիկ մածուցիկությունն է։

Եվ արդեն 1908 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ժան Պերինը և նրա ուսանողները փորձարարական կերպով ապացուցեցին Էյնշտեյնի հաշվարկների ճիշտությունը:

Մեկ մասնիկ մարտիկի դաշտում

Վերևում մենք նկարագրեցինք շրջակա միջավայրի հավաքական ազդեցությունը շատ մասնիկների վրա: Բայց հեղուկի մեջ նույնիսկ մեկ օտար տարր կարող է առաջացնել որոշ օրինաչափություններ և կախվածություններ: Օրինակ, եթե երկար ժամանակ դիտում եք Բրոունյան մասնիկը, կարող եք գրանցել նրա բոլոր շարժումները։ Եվ այս քաոսից դուրս կգա ներդաշնակ համակարգ։ Բրոունյան մասնիկի միջին շարժումը ցանկացած ուղղությամբ համաչափ է ժամանակին:

Հեղուկի մեջ մասնիկի վրա փորձերի ժամանակ զտվել են հետևյալ քանակությունները.

Բոլցմանի հաստատունը;
Ավոգադրոյի համարը.

Բացի գծային շարժումից, բնորոշ է նաև քաոսային պտույտը։ Իսկ միջին անկյունային տեղաշարժը նույնպես համաչափ է դիտարկման ժամանակին։

Չափերը և ձևերը

Նման պատճառաբանությունից հետո կարող է տրամաբանական հարց առաջանալ՝ ինչո՞ւ այդ ազդեցությունը չի նկատվում խոշոր մարմինների համար։ Որովհետև, երբ հեղուկի մեջ ընկղմված առարկայի ծավալը մեծ է որոշակի արժեքից, ապա մոլեկուլների այս բոլոր պատահական կոլեկտիվ «հրումները» վերածվում են մշտական ճնշման, քանի որ դրանք միջինացված են: Իսկ զորավար Արքիմեդն արդեն գործում է մարմնի վրա։ Այսպիսով, երկաթի մի մեծ կտոր խորտակվում է, և մետաղի փոշին լողում է ջրի մեջ։

Մասնիկների չափերը, որոնց օրինակով բացահայտվում է հեղուկի մոլեկուլների տատանումը, չպետք է գերազանցի 5 միկրոմետրը։ Ինչ վերաբերում է խոշոր օբյեկտներին, ապա այս ազդեցությունը նկատելի չի լինի։

Շոտլանդացի բուսաբան Ռոբերտ Բրաունը (երբեմն նրա ազգանունը տառադարձվում է որպես Բրաուն) իր կյանքի ընթացքում, որպես բույսերի լավագույն փորձագետ, ստացել է «Բուսաբանների արքայազն» կոչումը։ Նա շատ հրաշալի բացահայտումներ արեց։ 1805 թվականին Ավստրալիա չորս տարվա արշավանքից հետո նա Անգլիա բերեց գիտնականներին անհայտ ավստրալական բույսերի մոտ 4000 տեսակ և երկար տարիներ անցկացրեց դրանք ուսումնասիրելու վրա։ Նկարագրված է Ինդոնեզիայից և Կենտրոնական Աֆրիկայից բերված բույսերը։ Նա ուսումնասիրել է բույսերի ֆիզիոլոգիան և առաջին անգամ մանրամասն նկարագրել բույսերի բջջի միջուկը։ Պետերբուրգի գիտությունների ակադեմիան նրան դարձրեց պատվավոր անդամ։ Սակայն գիտնականի անունը այժմ լայնորեն հայտնի է ոչ այս աշխատանքների պատճառով։

1827 թվականին Բրաունը հետազոտություն է անցկացրել բույսերի ծաղկափոշու վերաբերյալ։ Նրան մասնավորապես հետաքրքրում էր, թե ինչպես է ծաղկափոշին մասնակցում բեղմնավորման գործընթացին։ Մի անգամ նա մանրադիտակի տակ նայեց հյուսիսամերիկյան բույսի ծաղկափոշու բջիջներին: Clarkia pulchella(բավականին կլարկիա) երկարաձգված ցիտոպլազմային հատիկներ՝ կախված ջրի մեջ: Հանկարծ Բրաունը տեսավ, որ ամենափոքր պինդ հատիկները, որոնք հազիվ էին երևում մի կաթիլ ջրի մեջ, անընդհատ դողում էին և տեղից տեղ շարժվում։ Նա պարզել է, որ այդ շարժումները, իր խոսքերով, «կապված չեն ոչ հեղուկի հոսքերի, ոչ էլ դրա աստիճանական գոլորշիացման հետ, այլ բնորոշ են հենց մասնիկներին»։

Բրաունի դիտարկումը հաստատել են այլ գիտնականներ։ Ամենափոքր մասնիկները իրենց պահում էին այնպես, ասես կենդանի են, և մասնիկների «պարը» արագանում էր ջերմաստիճանի բարձրացման և մասնիկների չափի նվազման հետ և ակնհայտորեն դանդաղում էր, երբ ջուրը փոխարինում էին ավելի մածուցիկ միջավայրով: Այս զարմանահրաշ երևույթը երբեք չի դադարել. այն կարելի է դիտարկել այնքան ժամանակ, որքան ցանկանաք: Սկզբում Բրաունը նույնիսկ կարծում էր, որ կենդանի էակները իրականում ընկել են մանրադիտակի դաշտը, մանավանդ, որ ծաղկափոշին բույսերի տղամարդու վերարտադրողական բջիջներն են, բայց կային նաև մեռած բույսերի մասնիկներ, նույնիսկ հարյուր տարի առաջ հերբարիումներում չորացածներից: Այնուհետև Բրաունը մտածեց, թե արդյոք դրանք «կենդանի էակների տարրական մոլեկուլներ են», ինչի մասին խոսեց հայտնի ֆրանսիացի բնագետ Ժորժ Բուֆոնը (1707–1788), 36 հատորանոց գրքի հեղինակ։ Բնական պատմություն. Այս ենթադրությունն անհետացավ, երբ Բրաունը սկսեց զննել ակնհայտորեն անշունչ առարկաները. սկզբում դա ածուխի շատ փոքր մասնիկներ էր, ինչպես նաև լոնդոնյան օդի մուր և փոշի, հետո մանր աղացած անօրգանական նյութեր՝ ապակի, բազմաթիվ տարբեր հանքանյութեր: «Ակտիվ մոլեկուլներ» կային ամենուր. «Յուրաքանչյուր միներալում,- գրում է Բրաունը,- որը ինձ հաջողվել է այնպես փոշիացնել, որ այն կարող է որոշ ժամանակ կասեցվել ջրի մեջ, ես գտել եմ այս մոլեկուլները մեծ թե փոքր քանակությամբ: »:

Պետք է ասել, որ Բրաունը չի ունեցել նորագույն մանրադիտակներ։ Իր հոդվածում նա հատուկ ընդգծում է, որ ունեցել է սովորական երկուռուցիկ ոսպնյակներ, որոնք օգտագործել է մի քանի տարի։ Եվ նա շարունակում է. «Ողջ ուսումնասիրության ընթացքում ես շարունակեցի օգտագործել նույն ոսպնյակները, որոնցով սկսեցի աշխատանքը՝ իմ հայտարարություններին ավելի վստահելի դարձնելու և դրանք սովորական դիտարկումներին հնարավորինս հասանելի դարձնելու համար»։

Այժմ, կրկնելու համար Բրաունի դիտարկումը, բավական է ունենալ ոչ շատ ուժեղ մանրադիտակ և օգտագործել այն՝ ուսումնասիրելու ծուխը սևացած տուփի մեջ, որը լուսավորված է ինտենսիվ լույսի ճառագայթով կողային անցքի միջով։ Գազի մեջ երևույթը շատ ավելի պարզ է դրսևորվում, քան հեղուկում. մոխրի կամ մուրի փոքր կտորները (կախված ծխի աղբյուրից) տեսանելի են, ցրում են լույսը և անընդհատ ցատկում ետ ու առաջ։

Ինչպես հաճախ է պատահում գիտության մեջ, շատ տարիներ անց պատմաբանները պարզեցին, որ դեռևս 1670 թվականին մանրադիտակի գյուտարար, հոլանդացի Անտոնի Լեուվենհուկը, ըստ երևույթին, նկատեց նմանատիպ երևույթ, բայց մանրադիտակների հազվադեպությունն ու անկատարությունը, այդ ժամանակվա մոլեկուլային գիտության սաղմնային վիճակը։ ուշադրություն չգրավեց Լյուվենհուկի դիտարկմանը, հետևաբար հայտնագործությունը իրավամբ վերագրվում է Բրաունին, որն առաջինն էր, ով ուսումնասիրեց և մանրամասն նկարագրեց այն։

Բրաունի շարժումը և ատոմ-մոլեկուլային տեսությունը.

Բրաունի նկատած ֆենոմենը շատ արագ լայնորեն հայտնի դարձավ։ Նա ինքն է ցույց տվել իր փորձերը բազմաթիվ գործընկերների (Բրաունը թվարկում է երկու տասնյակ անուն): Բայց ոչ ինքը Բրաունը, ոչ էլ շատ այլ գիտնականներ երկար տարիներ չէին կարող բացատրել այս առեղծվածային երևույթը, որը կոչվում էր «Բրաունյան շարժում»: Մասնիկների շարժումները միանգամայն պատահական էին. նրանց դիրքերի էսքիզները, որոնք արված էին ժամանակի տարբեր կետերում (օրինակ՝ ամեն րոպե) առաջին հայացքից հնարավորություն չտվեցին գտնել որևէ օրինաչափություն այդ շարժումներում:

Բրոունյան շարժման (ինչպես կոչվում էր այս երևույթը) անտեսանելի մոլեկուլների շարժման բացատրությունը տրվեց միայն 19-րդ դարի վերջին քառորդում, բայց անմիջապես չընդունվեց բոլոր գիտնականների կողմից։ 1863 թվականին Կարլսրուեից (Գերմանիա) նկարագրական երկրաչափության ուսուցիչ Լյուդվիգ Քրիստիան Վիները (1826–1896) ենթադրեց, որ այդ երեւույթը կապված է անտեսանելի ատոմների տատանողական շարժումների հետ։ Սա Բրոունյան շարժման առաջին, թեև շատ հեռու ժամանակակից բացատրությունն էր հենց ատոմների և մոլեկուլների հատկություններով։ Կարեւոր է, որ Վիները հնարավորություն տեսավ օգտագործելու այս երեւույթը նյութի կառուցվածքի գաղտնիքները թափանցելու համար։ Նա առաջինն էր, ով փորձեց չափել Բրոունյան մասնիկների շարժման արագությունը և դրանց չափից կախվածությունը։ Հետաքրքիր է, որ 1921 թ ԱՄՆ Գիտությունների ազգային ակադեմիայի զեկույցներըՄեկ այլ Վիների՝ կիբեռնետիկայի հայտնի հիմնադիր Նորբերտի Բրոունյան շարժման վերաբերյալ աշխատություն է հրատարակվել։

Լ.Կ. Վիների գաղափարներն ընդունվել և մշակվել են մի շարք գիտնականների կողմից՝ Զիգմունդ Էքսները Ավստրիայում (և 33 տարի անց՝ նրա որդին՝ Ֆելիքսը), Ջովանի Կանտոնին Իտալիայում, Կարլ Վիլհելմ Նեգելին Գերմանիայում, Լուի Ժորժ Գույը Ֆրանսիայում, երեք բելգիացի քահանաներ։ - ճիզվիտներ Կարբոնելին, Դելսոն և Տիրիոնը և ուրիշներ։ Այդ գիտնականների թվում էր հետագայում հայտնի անգլիացի ֆիզիկոս և քիմիկոս Ուիլյամ Ռեմզեյը։ Աստիճանաբար պարզ դարձավ, որ նյութի ամենափոքր հատիկները բոլոր կողմերից հարվածում են նույնիսկ ավելի փոքր մասնիկներին, որոնք այլևս տեսանելի չէին մանրադիտակի միջոցով, ինչպես որ հեռավոր նավը ցնցող ալիքները տեսանելի չեն ափից, մինչդեռ նավակի շարժումները: ինքնին բավականին հստակ տեսանելի են: Ինչպես նրանք գրել են 1877 թվականի հոդվածներից մեկում, «...մեծ թվերի օրենքը այլևս չի նվազեցնում բախումների ազդեցությունը մինչև միջին միատեսակ ճնշում, դրանց արդյունքն այլևս հավասար չի լինի զրոյի, այլ շարունակաբար կփոխի իր ուղղությունը և մեծություն»:

Որակապես պատկերը բավականին հավանական էր և նույնիսկ տեսողական։ Փոքր ոստը կամ վրիպակը պետք է շարժվի մոտավորապես նույն կերպ՝ բազմաթիվ մրջյունների կողմից հրելով (կամ քաշելով) տարբեր ուղղություններով: Այս փոքր մասնիկները իրականում եղել են գիտնականների բառապաշարում, բայց ոչ ոք երբեք չի տեսել դրանք: Նրանք կոչվում էին մոլեկուլներ; Լատիներենից թարգմանված այս բառը նշանակում է «փոքր զանգված»։ Զարմանալի է, բայց հենց այսպիսի երևույթի բացատրությունն է տվել հռոմեացի փիլիսոփա Տիտոս Լուկրեցիոս Կարուսը (մոտ մ.թ.ա. 99–55) իր հայտնի պոեմում։ Իրերի բնույթի մասին. Դրանում նա աչքի համար անտեսանելի ամենափոքր մասնիկներին անվանում է իրերի «նախնական սկզբունքներ»։

Իրերի սկզբունքները նախ իրենք են շարժվում,
Նրանց հետևում են մարմիններն իրենց ամենափոքր համակցությունից,
Մոտ, ասես, ուժով առաջնային սկզբունքներին,
Նրանցից թաքնված, ցնցումներ ստանալով, նրանք սկսում են ձգտել,
Իրենք շարժվել, ապա խրախուսել ավելի մեծ մարմինները:
Ուրեմն սկզբից սկսած շարժումը քիչ-քիչ
Այն դիպչում է մեր զգացմունքներին և նույնպես տեսանելի է դառնում
Մեզ և փոշու բծերի մեջ, որոնք շարժվում են արևի լույսի ներքո,
Թեև ցնցումները, որոնցից այն տեղի է ունենում, աննկատ են...

Հետագայում պարզվեց, որ Լուկրեցիուսը սխալ էր. անհնար է դիտարկել Բրաունի շարժումը անզեն աչքով, և փոշու մասնիկները արևի ճառագայթում, որը մութ սենյակ ներթափանցեց օդի պտտվող շարժումների պատճառով: Բայց արտաքուստ երկու երևույթներն էլ որոշ նմանություններ ունեն։ Եվ միայն 19-րդ դ. Շատ գիտնականների համար ակնհայտ դարձավ, որ բրոունյան մասնիկների շարժումը պայմանավորված է միջավայրի մոլեկուլների պատահական ազդեցությամբ: Շարժվող մոլեկուլները բախվում են փոշու և այլ պինդ մասնիկների հետ, որոնք գտնվում են ջրի մեջ: Որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան ավելի արագ է շարժումը: Եթե փոշու մի մասնիկը մեծ է, օրինակ, ունի 0,1 մմ չափս (տրամագիծը միլիոն անգամ ավելի մեծ է, քան ջրի մոլեկուլը), ապա դրա վրա բոլոր կողմերից բազմաթիվ միաժամանակյա ներգործություններ փոխադարձաբար հավասարակշռված են, և այն գործնականում չի գործում: «Զգացեք» դրանք. մոտավորապես նույնը, ինչ ափսեի չափ փայտի կտորը չի «զգա» շատ մրջյունների ջանքերը, որոնք այն կքաշեն կամ հրում են տարբեր ուղղություններով: Եթե փոշու մասնիկը համեմատաբար փոքր է, այն կշարժվի այս կամ այն ուղղությամբ շրջակա մոլեկուլների ազդեցության տակ:

Բրաունյան մասնիկները ունեն 0,1–1 մկմ կարգի չափ, այսինքն. հազարերորդից մինչև միլիմետրի տասնհազարերորդականը, այդ իսկ պատճառով Բրաունը կարողացավ նկատել նրանց շարժումը, քանի որ նա նայում էր փոքրիկ ցիտոպլազմիկ հատիկներին, և ոչ թե բուն ծաղկափոշին (որի մասին հաճախ սխալմամբ գրվում է): Խնդիրն այն է, որ ծաղկափոշու բջիջները չափազանց մեծ են: Այսպիսով, մարգագետնային խոտի ծաղկափոշու մեջ, որը կրում է քամին և առաջացնում է ալերգիկ հիվանդություններ մարդկանց մոտ (խոտի տենդ), բջջի չափը սովորաբար տատանվում է 20-50 մկմ-ի սահմաններում, այսինքն. դրանք չափազանց մեծ են Բրաունյան շարժումը դիտարկելու համար: Կարևոր է նաև նշել, որ բրոունյան մասնիկի առանձին շարժումները տեղի են ունենում շատ հաճախ և շատ կարճ հեռավորությունների վրա, այնպես որ անհնար է դրանք տեսնել, բայց մանրադիտակի տակ տեսանելի են որոշակի ժամանակահատվածում տեղի ունեցած շարժումները:

Թվում է, թե բրոունյան շարժման գոյության փաստը միանշանակորեն ապացուցում է նյութի մոլեկուլային կառուցվածքը, բայց նույնիսկ 20-րդ դարի սկզբին։ Կային գիտնականներ, այդ թվում՝ ֆիզիկոսներ և քիմիկոսներ, ովքեր չէին հավատում մոլեկուլների գոյությանը։ Ատոմ-մոլեկուլային տեսությունը միայն դանդաղ ու դժվարությամբ ձեռք բերեց ճանաչում։ Այսպիսով, ֆրանսիացի առաջատար օրգանական քիմիկոս Մարսելին Բերթելոն (1827–1907) գրել է. «Մոլեկուլի հայեցակարգը, մեր գիտելիքների տեսանկյունից, անորոշ է, մինչդեռ մեկ այլ հասկացություն՝ ատոմ, զուտ հիպոթետիկ է»։ Հայտնի ֆրանսիացի քիմիկոս Ա. Սեն-Կլեր Դևիլը (1818–1881) էլ ավելի պարզ խոսեց. «Ես չեմ ընդունում Ավոգադրոյի օրենքը, ոչ ատոմը, ոչ մոլեկուլը, որովհետև ես հրաժարվում եմ հավատալ նրան, ինչին չեմ տեսնում և չեմ տեսնում: » Իսկ գերմանացի ֆիզիկաքիմիկոս Վիլհելմ Օստվալդը (1853–1932), Նոբելյան մրցանակի դափնեկիր, ֆիզիկական քիմիայի հիմնադիրներից մեկը, դեռևս 20-րդ դարի սկզբին։ վճռականորեն հերքել է ատոմների գոյությունը։ Նրան հաջողվել է գրել քիմիայի եռահատոր դասագիրք, որտեղ «ատոմ» բառն անգամ չի հիշատակվում։ Ելույթ ունենալով 1904 թվականի ապրիլի 19-ին Թագավորական հաստատությունում Անգլիական քիմիական ընկերության անդամներին ուղղված մեծ զեկույցով Օստվալդը փորձեց ապացուցել, որ ատոմները գոյություն չունեն, և «այն, ինչ մենք անվանում ենք նյութ, միայն էներգիաների հավաքածու է, որոնք հավաքվում են որոշակի ժամանակ։ տեղը»։

Բայց նույնիսկ այն ֆիզիկոսները, ովքեր ընդունում էին մոլեկուլային տեսությունը, չէին կարող հավատալ, որ ատոմային-մոլեկուլային տեսության վավերականությունն ապացուցված է այսքան պարզ ձևով, ուստի տարբեր այլընտրանքային պատճառներ են առաջ քաշվել՝ այդ երևույթը բացատրելու համար: Եվ սա միանգամայն գիտության ոգով է. քանի դեռ որևէ երևույթի պատճառը միանշանակ չի հայտնաբերվել, կարելի է (և նույնիսկ անհրաժեշտ) ենթադրել տարբեր վարկածներ, որոնք հնարավորության դեպքում պետք է փորձարկվեն կամ տեսականորեն: Այսպիսով, դեռ 1905 թվականին Բրոքհաուսի և Էֆրոնի հանրագիտարանային բառարանում տպագրվեց Սանկտ Պետերբուրգի ֆիզիկայի պրոֆեսոր Ն.Ա. Գեսեհուսը գրել է, որ, ըստ որոշ գիտնականների, Բրոունյան շարժումը պայմանավորված է «լույսի կամ ջերմային ճառագայթների միջոցով, որոնք անցնում են հեղուկով», և վերածվում է «պարզ հոսքերի հեղուկի ներսում, որոնք կապ չունեն մոլեկուլների շարժման հետ», և այդ հոսքերը: կարող է առաջանալ «գոլորշիացման, դիֆուզիայի և այլ պատճառներով»: Ի վերջո, արդեն հայտնի էր, որ օդում փոշու մասնիկների շատ նման շարժումը պայմանավորված է հենց հորձանուտային հոսքերով: Բայց Գեսեհուսի տված բացատրությունը հեշտությամբ կարելի է հերքել փորձնականորեն. եթե ուժեղ մանրադիտակի միջոցով նայեք միմյանց շատ մոտ գտնվող երկու Բրաունի մասնիկներին, ապա նրանց շարժումները լիովին անկախ կլինեն: Եթե այդ շարժումները առաջանային հեղուկի մեջ որևէ հոսքի հետևանքով, ապա նման հարևան մասնիկները կշարժվեին համահունչ:

Բրոունյան շարժման տեսություն.

Չնայած թվացյալ ամբողջական անկարգությանը, դեռևս հնարավոր էր նկարագրել Բրաունի մասնիկների պատահական շարժումները մաթեմատիկական հարաբերությամբ։ Առաջին անգամ Բրոունյան շարժման խիստ բացատրությունը տվել է 1904 թվականին լեհ ֆիզիկոս Մարիան Սմոլուչովսկին (1872–1917), ով այդ տարիներին աշխատել է Լվովի համալսարանում։ Միևնույն ժամանակ, այս երևույթի տեսությունը մշակել է Ալբերտ Էյնշտեյնը (1879–1955), որն այն ժամանակ քիչ հայտնի 2-րդ կարգի փորձագետ էր Շվեյցարիայի Բեռն քաղաքի արտոնագրային գրասենյակում։ Նրա հոդվածը, որը տպագրվել է 1905 թվականի մայիսին գերմանական Annalen der Physik ամսագրում, վերնագրված էր. Հանգիստ վիճակում գտնվող հեղուկի մեջ կախված մասնիկների շարժման մասին, որը պահանջվում է ջերմության մոլեկուլային կինետիկ տեսությամբ. Այս անունով Էյնշտեյնը ցանկանում էր ցույց տալ, որ նյութի կառուցվածքի մոլեկուլային կինետիկ տեսությունը անպայմանորեն ենթադրում է հեղուկների մեջ ամենափոքր պինդ մասնիկների պատահական շարժման առկայությունը։

Հետաքրքիր է, որ այս հոդվածի հենց սկզբում Էյնշտեյնը գրում է, որ ինքը ծանոթ է այդ երևույթին, թեև մակերեսորեն. վերջիններիս վերաբերյալ ինձ համար այնքան անճշտություն է, որ ես չկարողացա ձևակերպել, որ սա միանշանակ կարծիք է»։ Եվ տասնամյակներ անց, արդեն իր վերջին կյանքի ընթացքում, Էյնշտեյնն իր հուշերում գրեց մի այլ բան, որ նա ընդհանրապես չգիտեր Բրաունյան շարժման մասին և իրականում «վերագտավ» այն զուտ տեսականորեն. Հայտնի է, որ ես հայտնաբերեցի, որ ատոմային տեսությունը հանգեցնում է միկրոսկոպիկ կասեցված մասնիկների դիտելի շարժման գոյությանը»: Ինչևէ, Էյնշտեյնի տեսական հոդվածն ավարտվեց փորձարարներին ուղղակի կոչով, որպեսզի փորձարկեն իր եզրակացությունները. «Եթե որևէ հետազոտող շուտով կարողանա պատասխանել. այստեղ բարձրացված հարցերը հարցեր են»: – Նա իր հոդվածն ավարտում է այսպիսի արտասովոր բացականչությամբ.

Էյնշտեյնի կրքոտ կոչի պատասխանը չուշացավ։

Ըստ Սմոլուչովսկի-Էյնշտեյնի տեսության՝ Բրոունյան մասնիկի քառակուսի տեղաշարժի միջին արժեքը ( ս 2) ժամանակի համար տուղիղ համեմատական է ջերմաստիճանին Տև հակադարձ համեմատական հեղուկի մածուցիկությանը h, մասնիկի չափը rիսկ Ավոգադրոյի հաստատունը

Ն A: ս 2 = 2RTt/6փ rNԱ,

Որտեղ Ռ- գազի մշտական. Այսպիսով, եթե 1 րոպեում 1 մկմ տրամագծով մասնիկը շարժվում է 10 մկմ-ով, ապա 9 րոպեում՝ 10=30 մկմ-ով, 25 րոպեում՝ 10=50 մկմ-ով և այլն։ Նմանատիպ պայմաններում 0,25 մկմ տրամագծով մասնիկը նույն ժամանակահատվածում (1, 9 և 25 րոպե) կտեղափոխվի համապատասխանաբար 20, 60 և 100 մկմ, քանի որ = 2: Կարևոր է, որ վերը նշված բանաձևը ներառի. Ավոգադրոյի հաստատունը, որն այսպիսով կարող է որոշվել բրոունյան մասնիկի շարժման քանակական չափումներով, որն արել է ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ժան Բատիստ Պերինը (1870–1942):

Բրոունյան երեք մասնիկների՝ մաստակի գնդիկների հաջորդական դիրքերը յուրաքանչյուր 30 վայրկյանը մեկ՝ մոտ 1 միկրոն չափով: Մեկ բջիջը համապատասխանում է 3 մկմ հեռավորությանը: Եթե Փերինը կարողանար որոշել բրոունյան մասնիկների դիրքը ոչ թե 30, այլ 3 վայրկյան հետո, ապա յուրաքանչյուր հարևան կետերի միջև ուղիղ գծերը կվերածվեին նույն բարդ զիգզագաձեւ կոտրված գծի, միայն ավելի փոքր մասշտաբով։

Օգտագործելով տեսական բանաձևը և նրա արդյունքները, Փերինը ստացավ Ավոգադրոյի թվի արժեքը, որն այն ժամանակ բավականին ճշգրիտ էր. 6,8: . 10 23 . Պերինը նաև մանրադիտակ է օգտագործել՝ ուսումնասիրելու բրոունյան մասնիկների ուղղահայաց բաշխումը ( սմ. ԱՎՈԳԱԴՐՈԻ ՕՐԵՆՔԸ) և ցույց տվեց, որ չնայած ձգողականության գործողությանը, դրանք մնում են կասեցված լուծույթում։ Պերինին են պատկանում նաև այլ կարևոր գործեր։ 1895 թվականին նա ապացուցեց, որ կաթոդային ճառագայթները բացասական էլեկտրական լիցքեր են (էլեկտրոններ), իսկ 1901 թվականին նա առաջին անգամ առաջարկեց ատոմի մոլորակային մոդելը։ 1926 թվականին արժանացել է ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի։

Պերինի ստացած արդյունքները հաստատեցին Էյնշտեյնի տեսական եզրակացությունները։ Դա ուժեղ տպավորություն թողեց։ Ինչպես շատ տարիներ անց գրել է ամերիկացի ֆիզիկոս Ա. Պաիսը, «դուք երբեք չեք դադարում զարմանալ այս պարզ ձևով ստացված արդյունքի վրա. բավական է պատրաստել գնդերի կախոց, որոնց չափը մեծ է չափի համեմատ. պարզ մոլեկուլներից վերցրեք վայրկյանաչափ և մանրադիտակ և կարող եք որոշել Ավոգադրոյի հաստատունը»։ Կարելի է նաև զարմանալ. Բրաունյան շարժման վերաբերյալ նոր փորձերի նկարագրությունները դեռևս ժամանակ առ ժամանակ հայտնվում են գիտական ամսագրերում (Nature, Science, Journal of Chemical Education): Պերինի արդյունքների հրապարակումից հետո ատոմիզմի նախկին հակառակորդ Օստվալդը խոստովանեց, որ «Բրաունյան շարժման համընկնումը կինետիկ հիպոթեզի պահանջների հետ... այժմ ամենազգույշ գիտնականին իրավունք է տալիս խոսել ատոմային տեսության փորձարարական ապացույցների մասին։ նյութի. Այսպիսով, ատոմային տեսությունը բարձրացվել է գիտական, հիմնավոր տեսության աստիճանի»։ Նրան կրկնում է ֆրանսիացի մաթեմատիկոս և ֆիզիկոս Անրի Պուանկարեն. «Պերինի կողմից ատոմների թվի փայլուն որոշումը ավարտեց ատոմիզմի հաղթանակը... Քիմիկոսների ատոմն այժմ իրականություն է դարձել»:

Բրաունյան շարժում և դիֆուզիոն:

Բրաունյան մասնիկների շարժումն իր արտաքին տեսքով շատ նման է առանձին մոլեկուլների շարժմանը նրանց ջերմային շարժման արդյունքում։ Այս շարժումը կոչվում է դիֆուզիոն: Դեռ Սմոլուչովսկու և Էյնշտեյնի աշխատանքից առաջ մոլեկուլային շարժման օրենքները հաստատվել են նյութի գազային վիճակի ամենապարզ դեպքում։ Պարզվեց, որ գազերի մոլեկուլները շատ արագ են շարժվում՝ փամփուշտի արագությամբ, բայց նրանք չեն կարող հեռու թռչել, քանի որ շատ հաճախ բախվում են այլ մոլեկուլների հետ։ Օրինակ՝ օդում գտնվող թթվածնի և ազոտի մոլեկուլները, որոնք շարժվում են մոտավորապես 500 մ/վ միջին արագությամբ, ամեն վայրկյան ունենում են ավելի քան մեկ միլիարդ բախումներ։ Հետևաբար, մոլեկուլի ճանապարհը, եթե հնարավոր լիներ հետևել դրան, կլիներ բարդ կոտրված գիծ։ Բրաունյան մասնիկները նույնպես նկարագրում են նմանատիպ հետագիծ, եթե նրանց դիրքը գրանցվում է որոշակի ժամանակային ընդմիջումներով: Ե՛վ դիֆուզիան, և՛ Բրոունյան շարժումը մոլեկուլների քաոսային ջերմային շարժման հետևանք են և, հետևաբար, նկարագրվում են նմանատիպ մաթեմատիկական հարաբերություններով։ Տարբերությունն այն է, որ գազերի մոլեկուլները շարժվում են ուղիղ գծով, մինչև բախվեն այլ մոլեկուլների հետ, որից հետո փոխում են ուղղությունը։ Բրոունյան մասնիկը, ի տարբերություն մոլեկուլի, չի կատարում որևէ «ազատ թռիչք», բայց ունենում է շատ հաճախակի փոքր և անկանոն «ցնցումներ», ինչի հետևանքով այն քաոսային տեղաշարժվում է այս կամ այն ուղղությամբ: Հաշվարկները ցույց են տվել, որ 0,1 մկմ չափի մասնիկի համար մեկ շարժումը տեղի է ունենում վայրկյանի երեք միլիարդերորդում ընդամենը 0,5 նմ (1 նմ = 0,001 մկմ) հեռավորության վրա։ Ինչպես դիպուկ ասում է հեղինակներից մեկը, սա հիշեցնում է գարեջրի դատարկ տուփը տեղափոխելը հրապարակում, որտեղ հավաքվել է մարդկանց բազմություն։

Դիֆուզիան շատ ավելի հեշտ է դիտարկել, քան Բրոունյան շարժումը, քանի որ դրա համար մանրադիտակ չի պահանջվում. շարժումները դիտվում են ոչ թե առանձին մասնիկների, այլ դրանց հսկայական զանգվածների, պարզապես անհրաժեշտ է ապահովել, որ դիֆուզիան չվերածվի կոնվեկցիայի միջոցով՝ նյութի խառնումը որպես նյութ։ հորձանուտի հոսքերի արդյունք (նման հոսքերը հեշտ է նկատել՝ մի բաժակ տաք ջրի մեջ դնելով գունավոր լուծույթի մի կաթիլ, օրինակ՝ թանաքով):

Դիֆուզիան հարմար է դիտել հաստ գելերի մեջ։ Նման գել կարելի է պատրաստել, օրինակ, պենիցիլինի տարայի մեջ՝ դրա մեջ պատրաստելով 4–5% ժելատինի լուծույթ։ Ժելատինը նախ պետք է մի քանի ժամ ուռչի, իսկ հետո խառնելով ամբողջությամբ լուծվի՝ տարան տաք ջրի մեջ իջեցնելով։ Սառչելուց հետո ստացվում է չհոսող գել՝ թափանցիկ, թեթեւակի պղտոր զանգվածի տեսքով։ Եթե, օգտագործելով սուր պինցետ, դուք զգուշորեն մտցնեք կալիումի պերմանգանատի փոքր բյուրեղ («կալիումի պերմանգանատ») այս զանգվածի կենտրոնում, ապա բյուրեղը կախված կմնա այն տեղում, որտեղ այն մնացել է, քանի որ գելը թույլ չի տալիս ընկնել: Մի քանի րոպեի ընթացքում բյուրեղի շուրջը կսկսի աճել մանուշակագույն գունդը, որը ժամանակի ընթացքում ավելի ու ավելի մեծանում է այնքան ժամանակ, մինչև բանկայի պատերը խեղաթյուրեն դրա ձևը: Նույն արդյունքը կարելի է ստանալ՝ օգտագործելով պղնձի սուլֆատի բյուրեղը, միայն այս դեպքում գնդակը կստացվի ոչ թե մանուշակագույն, այլ կապույտ։

Պարզ է, թե ինչու է գնդակը դուրս եկել. MnO 4 – իոններ, որոնք առաջանում են բյուրեղը լուծվելիս, մտնում են լուծույթ (գելը հիմնականում ջուր է) և դիֆուզիայի արդյունքում հավասարաչափ շարժվում են բոլոր ուղղություններով, մինչդեռ գրավիտացիան գործնականում չի ազդում մարմնի վրա: դիֆուզիայի արագություն. Հեղուկի մեջ դիֆուզիան շատ դանդաղ է ընթանում. շատ ժամեր կպահանջվեն, որպեսզի գնդակը մի քանի սանտիմետր աճի: Գազերում դիֆուզիան շատ ավելի արագ է ընթանում, բայց այնուամենայնիվ, եթե օդը չխառնվեր, սենյակում ժամերով կտարածվեր օծանելիքի կամ ամոնիակի հոտը։

Բրոունյան շարժման տեսություն. պատահական քայլումներ.

Սմոլուչովսկի-Էյնշտեյնի տեսությունը բացատրում է ինչպես դիֆուզիայի, այնպես էլ Բրոունյան շարժման օրենքները։ Մենք կարող ենք դիտարկել այս օրինաչափությունները՝ օգտագործելով դիֆուզիայի օրինակը: Եթե մոլեկուլի արագությունը u, ապա, շարժվելով ուղիղ գծով, ժամանակի մեջ տկանցնի հեռավորությունը Լ = ut, սակայն այլ մոլեկուլների հետ բախումների պատճառով այս մոլեկուլը չի շարժվում ուղիղ գծով, այլ անընդհատ փոխում է իր շարժման ուղղությունը։ Եթե հնարավոր լիներ ուրվագծել մոլեկուլի ուղին, ապա այն սկզբունքորեն չէր տարբերվի Փերինի ձեռք բերած գծագրերից։ Այս թվերից պարզ է դառնում, որ քաոսային շարժման պատճառով մոլեկուլը տեղաշարժվում է հեռավորության վրա ս, զգալիորեն պակաս, քան Լ. Այս քանակները կապված են հարաբերության հետ ս= , որտեղ l-ն այն հեռավորությունն է, որով մոլեկուլը թռչում է մի բախումից մյուսը, միջին ազատ ուղին: Չափումները ցույց են տվել, որ նորմալ մթնոլորտային ճնշման դեպքում օդի մոլեկուլների համար l~ 0,1 մկմ, ինչը նշանակում է, որ 500 մ/վ արագությամբ ազոտի կամ թթվածնի մոլեկուլը կանցնի հեռավորությունը 10000 վայրկյանում (երեք ժամից պակաս): Լ= 5000 կմ, և սկզբնական դիրքից կտեղափոխվի միայն ս= 0,7 մ (70 սմ), ինչի պատճառով նյութերը շատ դանդաղ են շարժվում դիֆուզիայի պատճառով նույնիսկ գազերում։

Դիֆուզիայի արդյունքում մոլեկուլի ուղին (կամ Բրոունյան մասնիկի ուղին) կոչվում է պատահական քայլք։ Սրամիտ ֆիզիկոսները այս արտահայտությունը վերաիմաստավորեցին որպես հարբեցողի քայլ՝ «հարբածի ճանապարհ»: Իրոք, մասնիկի շարժումը մի դիրքից մյուսը (կամ բազմաթիվ բախումների ենթարկվող մոլեկուլի ճանապարհը) նման է հարբած մարդու շարժմանը: Ավելին. Այս անալոգիան նաև թույլ է տալիս պարզորոշ եզրակացնել, որ նման գործընթացի հիմնական հավասարումը հիմնված է միաչափ շարժման օրինակի վրա, որը հեշտ է ընդհանրացնել եռաչափի:

Ենթադրենք, ուշ գիշերով պանդոկից մի նավաստու դուրս եկավ և շարժվեց փողոցով։ Քայլելով ճանապարհը l-ով մինչև մոտակա լապտերը, նա հանգստացավ և գնաց… կամ ավելի հեռու, դեպի հաջորդ լապտերը, կամ ետ, դեպի պանդոկ, ի վերջո, նա չի հիշում, թե որտեղից է եկել: Հարցն այն է, թե նա երբևէ կթողնի՞ ցուկկինին, թե՞ պարզապես կթափառի դրա շուրջը՝ հիմա հեռանալով, հիմա մոտենալով։ (Խնդիրի մեկ այլ տարբերակում ասվում է, որ փողոցի երկու ծայրերում կան կեղտոտ խրամատներ, որտեղ ավարտվում են փողոցի լույսերը, և հարցնում է, թե արդյոք նավաստիը կկարողանա խուսափել դրանցից մեկի մեջ ընկնելուց): Ինտուիտիվորեն թվում է, թե երկրորդ պատասխանը ճիշտ է։ Բայց դա սխալ է. պարզվում է, որ նավաստին աստիճանաբար ավելի ու ավելի կհեռանա զրոյական կետից, թեև շատ ավելի դանդաղ, քան եթե նա քայլեր միայն մեկ ուղղությամբ: Ահա թե ինչպես դա ապացուցել.

Առաջին անգամ անցնելով մոտակա լամպին (աջ կամ ձախ), նավաստիը կլինի հեռավորության վրա. ս 1 = ± լ մեկնարկային կետից: Քանի որ մեզ հետաքրքրում է միայն դրա հեռավորությունը այս կետից, բայց ոչ ուղղությունը, մենք կազատվենք նշաններից՝ քառակուսի դնելով այս արտահայտությունը. ս 1 2 = լ 2. Որոշ ժամանակ անց նավաստին, արդեն ավարտելով Ն«թափառող», կլինի հեռավորության վրա

ս Ն= սկզբից. Եվ նորից քայլելով (մեկ ուղղությամբ) դեպի մոտակա լապտերը՝ հեռավորության վրա ս Ն+1 = ս Ն± l, կամ օգտագործելով տեղաշարժի քառակուսին, ս 2 Ն+1 = ս 2 Ն± 2 ս Ն l + l 2. Եթե նավաստիը կրկնում է այս շարժումը բազմիցս (ից Ննախքան Ն+ 1), ապա միջինացման արդյունքում (այն անցնում է հավասար հավանականությամբ Ն-րդ քայլը դեպի աջ կամ ձախ), ժամկետ ± 2 ս ՆԵս կչեղարկեմ, ուստի s 2 Ն+1 = s2 Ն+ l 2> (անկյունային փակագծերը ցույց են տալիս միջին արժեքը) L = 3600 մ = 3,6 կմ, մինչդեռ զրոյական կետից տեղաշարժը նույն ժամանակ հավասար կլինի միայն. ս= = 190 մ Երեք ժամից կանցնի Լ= 10,8 կմ, և կշարժվի ս= 330 մ և այլն:

Աշխատանք u l-ն ստացված բանաձևում կարելի է համեմատել դիֆուզիոն գործակցի հետ, որը, ինչպես ցույց է տվել իռլանդացի ֆիզիկոս և մաթեմատիկոս Ջորջ Գաբրիել Սթոքսը (1819–1903), կախված է մասնիկների չափից և միջավայրի մածուցիկությունից։ Նմանատիպ նկատառումների հիման վրա Էյնշտեյնը դուրս բերեց իր հավասարումը.

Բրոունյան շարժման տեսությունը իրական կյանքում.

Պատահական զբոսանքների տեսությունը կարևոր գործնական կիրառություններ ունի։ Նրանք ասում են, որ տեսարժան վայրերի բացակայության դեպքում (արև, աստղեր, մայրուղու կամ երկաթուղու աղմուկ և այլն), մարդը թափառում է անտառում, դաշտի միջով ձնաբքի կամ թանձր մառախուղի մեջ՝ շրջանակների մեջ՝ միշտ վերադառնալով իր մոտ։ օրիգինալ վայր. Իրականում նա շրջանագծով չի քայլում, այլ մոտավորապես նույն կերպ են շարժվում մոլեկուլները կամ Բրոունյան մասնիկները։ Նա կարող է վերադառնալ իր սկզբնական տեղը, բայց միայն պատահաբար։ Բայց նա բազմիցս է հատում իր ճանապարհը։ Նրանք նաև ասում են, որ ձնաբքի ժամանակ սառած մարդկանց գտել են մոտակա բնակավայրից կամ ճանապարհից «մի քանի կիլոմետր» հեռավորության վրա, բայց իրականում մարդը այս կիլոմետրը քայլելու հնարավորություն չուներ, և ահա թե ինչու։

Հաշվարկելու համար, թե պատահական զբոսանքների արդյունքում մարդ որքան կշարժվի, պետք է իմանալ l-ի արժեքը, այսինքն. հեռավորությունը, որը մարդը կարող է քայլել ուղիղ գծով, առանց որևէ ուղենիշի: Այս արժեքը չափել է երկրաբանական և հանքաբանական գիտությունների դոկտոր Բ.Ս. Գորոբեցը՝ ուսանող կամավորների օգնությամբ: Նա, իհարկե, նրանց չթողեց խիտ անտառում կամ ձյունածածկ դաշտում, ամեն ինչ ավելի պարզ էր. ուսանողին դրեցին դատարկ մարզադաշտի կենտրոնում, աչքերը կապեցին և խնդրեցին քայլել մինչև ֆուտբոլի դաշտի վերջը: լիակատար լռություն (ձայնային կողմնորոշումը բացառելու համար): Պարզվել է, որ միջինում ուսանողը ուղիղ գծով քայլել է ընդամենը մոտ 20 մետր (իդեալական ուղիղ գծից շեղումը չի գերազանցել 5°-ը), իսկ հետո սկսել է ավելի ու ավելի շեղվել սկզբնական ուղղությունից։ Ի վերջո նա կանգ առավ՝ հեռու եզրին հասնելուց։

Թող հիմա մարդը անտառում քայլի (ավելի ճիշտ՝ թափառի) ժամում 2 կիլոմետր արագությամբ (ճանապարհի համար սա շատ դանդաղ է, իսկ խիտ անտառի համար՝ շատ արագ), ապա եթե l-ի արժեքը 20 է։ մետր, ապա մեկ ժամում նա կանցնի 2 կմ, բայց կշարժվի ընդամենը 200 մ, երկու ժամում՝ մոտ 280 մ, երեք ժամում՝ 350 մ, 4 ժամում՝ 400 մ և այլն։ Իսկ ուղիղ գծով շարժվելով ժ. Նման արագությամբ մարդը 4 ժամում կքայլեր 8 կիլոմետր, հետևաբար, դաշտային աշխատանքի անվտանգության հրահանգներում կա հետևյալ կանոնը. եթե տեսարժան վայրերը կորչեն, պետք է մնալ տեղում, ապաստարան ստեղծել և սպասել ավարտին։ վատ եղանակի (արևը կարող է դուրս գալ) կամ օգնության համար: Անտառում ուղենիշները՝ ծառերը կամ թփերը, կօգնեն ձեզ շարժվել ուղիղ գծով, և ամեն անգամ, երբ դուք պետք է հավատարիմ մնաք այդպիսի երկու նշաձողին՝ մեկը առջևում, մյուսը՝ հետևում: Բայց, իհարկե, ավելի լավ է ձեզ հետ կողմնացույց վերցնել...

Իլյա Լինսոն

Գրականություն:

Մարիո Լիոցի. Ֆիզիկայի պատմություն. Մ., Միր, 1970
Կերկեր Մ. Բրոունյան շարժումները և մոլեկուլային իրականությունը մինչև 1900 թ. Journal of Chemical Education, 1974, vol. 51, թիվ 12
Լինսոն Ի.Ա. Քիմիական ռեակցիաներ. Մ., Աստրել, 2002

Բրաունի հայտնագործությունը.

1827 թվականին Բրաունը հետազոտություն է անցկացրել բույսերի ծաղկափոշու վերաբերյալ։ Նրան մասնավորապես հետաքրքրում էր, թե ինչպես է ծաղկափոշին մասնակցում բեղմնավորման գործընթացին։ Մի անգամ, մանրադիտակի տակ, նա հետազոտեց հյուսիսամերիկյան Clarkia pulchella բույսի ծաղկափոշու բջիջներից ջրի մեջ կախված ձգված ցիտոպլազմային հատիկներ: Հանկարծ Բրաունը տեսավ, որ ամենափոքր պինդ հատիկները, որոնք հազիվ էին երևում մի կաթիլ ջրի մեջ, անընդհատ դողում էին և տեղից տեղ շարժվում։ Նա պարզել է, որ այդ շարժումները, իր խոսքերով, «կապված չեն ոչ հեղուկի հոսքերի, ոչ էլ դրա աստիճանական գոլորշիացման հետ, այլ բնորոշ են հենց մասնիկներին»։

Բրաունի դիտարկումը հաստատել են այլ գիտնականներ։ Ամենափոքր մասնիկները իրենց պահում էին այնպես, ասես կենդանի են, և մասնիկների «պարը» արագանում էր ջերմաստիճանի բարձրացման և մասնիկների չափի նվազման հետ և ակնհայտորեն դանդաղում էր, երբ ջուրը փոխարինում էին ավելի մածուցիկ միջավայրով: Այս զարմանահրաշ երևույթը երբեք չի դադարել. այն կարելի է դիտարկել այնքան ժամանակ, որքան ցանկանաք: Սկզբում Բրաունը նույնիսկ կարծում էր, որ կենդանի էակները իրականում ընկել են մանրադիտակի դաշտը, մանավանդ, որ ծաղկափոշին բույսերի տղամարդու վերարտադրողական բջիջներն են, բայց կային նաև մեռած բույսերի մասնիկներ, նույնիսկ հարյուր տարի առաջ հերբարիումներում չորացածներից: Այնուհետև Բրաունը հետաքրքրվեց՝ արդյոք սրանք այն «կենդանի էակների տարրական մոլեկուլներն են», որոնց մասին խոսել է հայտնի ֆրանսիացի բնագետ Ժորժ Բուֆոնը (1707–1788), 36 հատորանոց «Բնական պատմություն» աշխատության հեղինակը։ Այս ենթադրությունն անհետացավ, երբ Բրաունը սկսեց զննել ակնհայտորեն անշունչ առարկաները. սկզբում դա ածուխի շատ փոքր մասնիկներ էր, ինչպես նաև լոնդոնյան օդի մուր և փոշի, հետո մանր աղացած անօրգանական նյութեր՝ ապակի, բազմաթիվ տարբեր հանքանյութեր: «Ակտիվ մոլեկուլներ» կային ամենուր. «Յուրաքանչյուր միներալում,- գրում է Բրաունը,- որը ինձ հաջողվել է այնպես փոշիացնել, որ այն կարող է որոշ ժամանակ կասեցվել ջրի մեջ, ես գտել եմ այս մոլեկուլները մեծ թե փոքր քանակությամբ: »:

Բրաունի շարժումը և ատոմ-մոլեկուլային տեսությունը.

Բրոունյան շարժման (ինչպես կոչվում էր այս երևույթը) անտեսանելի մոլեկուլների շարժման բացատրությունը տրվեց միայն 19-րդ դարի վերջին քառորդում, բայց անմիջապես չընդունվեց բոլոր գիտնականների կողմից։ 1863 թվականին Կարլսրուեից (Գերմանիա) նկարագրական երկրաչափության ուսուցիչ Լյուդվիգ Քրիստիան Վիները (1826–1896) ենթադրեց, որ այդ երեւույթը կապված է անտեսանելի ատոմների տատանողական շարժումների հետ։ Սա Բրոունյան շարժման առաջին, թեև շատ հեռու ժամանակակից բացատրությունն էր հենց ատոմների և մոլեկուլների հատկություններով։ Կարեւոր է, որ Վիները հնարավորություն տեսավ օգտագործելու այս երեւույթը նյութի կառուցվածքի գաղտնիքները թափանցելու համար։ Նա առաջինն էր, ով փորձեց չափել Բրոունյան մասնիկների շարժման արագությունը և դրանց չափից կախվածությունը։ Հետաքրքիր է, որ 1921 թվականին Միացյալ Նահանգների Գիտությունների Ազգային Ակադեմիայի Proceedings of the Proceedings of the National Academy of Sciences-ում հրատարակվել է մեկ այլ Վիների՝ կիբեռնետիկայի հայտնի հիմնադիր Նորբերտի Բրոունյան շարժման մասին աշխատությունը։

Որակապես պատկերը բավականին հավանական էր և նույնիսկ տեսողական։ Փոքր ոստը կամ վրիպակը պետք է շարժվի մոտավորապես նույն կերպ՝ բազմաթիվ մրջյունների կողմից հրելով (կամ քաշելով) տարբեր ուղղություններով: Այս փոքր մասնիկները իրականում եղել են գիտնականների բառապաշարում, բայց ոչ ոք երբեք չի տեսել դրանք: Նրանք կոչվում էին մոլեկուլներ; Լատիներենից թարգմանված այս բառը նշանակում է «փոքր զանգված»։ Զարմանալի է, որ հենց այսպիսի երևույթի բացատրությունն է տվել հռոմեացի փիլիսոփա Տիտոս Լուկրեցիոս Կարուսը (մ.թ.ա. մոտ 99–55 թթ.) իր հայտնի «Իրերի բնության մասին» պոեմում։ Դրանում նա աչքի համար անտեսանելի ամենափոքր մասնիկներին անվանում է իրերի «նախնական սկզբունքներ»։

Իրերի սկզբունքները նախ իրենք են շարժվում,

Նրանց հետևում են մարմիններն իրենց ամենափոքր համակցությունից,

Մոտ, ասես, ուժով առաջնային սկզբունքներին,

Նրանցից թաքնված, ցնցումներ ստանալով, նրանք սկսում են ձգտել,

Իրենք շարժվել, ապա խրախուսել ավելի մեծ մարմինները:

Ուրեմն սկզբից սկսած շարժումը քիչ-քիչ

Այն դիպչում է մեր զգացմունքներին և նույնպես տեսանելի է դառնում

Մեզ և փոշու բծերի մեջ, որոնք շարժվում են արևի լույսի ներքո,

Թեև ցնցումները, որոնցից այն տեղի է ունենում, աննկատ են...

Բայց նույնիսկ այն ֆիզիկոսները, ովքեր ընդունում էին մոլեկուլային տեսությունը, չէին կարող հավատալ, որ ատոմային-մոլեկուլային տեսության վավերականությունն ապացուցված է այսքան պարզ ձևով, ուստի տարբեր այլընտրանքային պատճառներ են առաջ քաշվել՝ այդ երևույթը բացատրելու համար: Եվ սա միանգամայն գիտության ոգով է. քանի դեռ որևէ երևույթի պատճառը միանշանակ չի հայտնաբերվել, կարելի է (և նույնիսկ անհրաժեշտ) ենթադրել տարբեր վարկածներ, որոնք հնարավորության դեպքում պետք է փորձարկվեն կամ տեսականորեն: Այսպես, դեռ 1905 թվականին Բրոքհաուսի և Էֆրոնի հանրագիտարանային բառարանում տպագրվեց Սանկտ Պետերբուրգի ֆիզիկայի պրոֆեսոր Ն.Ա.Գեզեհուսի՝ հայտնի ակադեմիկոս Ա.Ֆ.Յոֆեի ուսուցչի կարճ հոդվածը։ Գեսեհուսը գրել է, որ, ըստ որոշ գիտնականների, Բրոունյան շարժումը պայմանավորված է «լույսի կամ ջերմային ճառագայթների միջոցով, որոնք անցնում են հեղուկով», և վերածվում է «պարզ հոսքերի հեղուկի ներսում, որոնք կապ չունեն մոլեկուլների շարժման հետ», և այդ հոսքերը: կարող է առաջանալ «գոլորշիացման, դիֆուզիայի և այլ պատճառներով»: Ի վերջո, արդեն հայտնի էր, որ օդում փոշու մասնիկների շատ նման շարժումը պայմանավորված է հենց հորձանուտային հոսքերով: Բայց Գեսեհուսի տված բացատրությունը հեշտությամբ կարելի է հերքել փորձնականորեն. եթե ուժեղ մանրադիտակի միջոցով նայեք միմյանց շատ մոտ գտնվող երկու Բրաունի մասնիկներին, ապա նրանց շարժումները լիովին անկախ կլինեն: Եթե այդ շարժումները առաջանային հեղուկի մեջ որևէ հոսքի հետևանքով, ապա նման հարևան մասնիկները կշարժվեին համահունչ:

Բրոունյան շարժման տեսություն.

20-րդ դարի սկզբին։ Գիտնականների մեծամասնությունը հասկանում էր Բրոունյան շարժման մոլեկուլային բնույթը: Բայց բոլոր բացատրությունները մնացին զուտ որակական, ոչ մի քանակական տեսություն չէր դիմանում փորձարարական փորձարկմանը: Բացի այդ, փորձարարական արդյունքներն իրենք պարզ չէին. անդադար շտապող մասնիկների ֆանտաստիկ տեսարանը հիպնոսացնում էր փորձարարներին, և նրանք չգիտեին, թե այդ երևույթի որ բնութագրիչները պետք է չափվեն:
Չնայած թվացյալ ամբողջական անկարգությանը, դեռևս հնարավոր էր նկարագրել Բրաունի մասնիկների պատահական շարժումները մաթեմատիկական հարաբերությամբ։ Առաջին անգամ Բրոունյան շարժման խիստ բացատրությունը տվել է 1904 թվականին լեհ ֆիզիկոս Մարիան Սմոլուչովսկին (1872–1917), ով այդ տարիներին աշխատել է Լվովի համալսարանում։ Միևնույն ժամանակ, այս երևույթի տեսությունը մշակել է Ալբերտ Էյնշտեյնը (1879–1955), որն այն ժամանակ քիչ հայտնի 2-րդ կարգի փորձագետ էր Շվեյցարիայի Բեռն քաղաքի արտոնագրային գրասենյակում։ Նրա հոդվածը, որը տպագրվել է 1905 թվականի մայիսին գերմանական Annalen der Physik ամսագրում, վերնագրված էր հանգստի վիճակում գտնվող հեղուկում կախված մասնիկների շարժման մասին, որը պահանջվում է ջերմության մոլեկուլային կինետիկ տեսությամբ։ Այս անունով Էյնշտեյնը ցանկանում էր ցույց տալ, որ նյութի կառուցվածքի մոլեկուլային կինետիկ տեսությունը անպայմանորեն ենթադրում է հեղուկների մեջ ամենափոքր պինդ մասնիկների պատահական շարժման առկայությունը։

Էյնշտեյնի կրքոտ կոչի պատասխանը չուշացավ։

Սմոլուչովսկի-Էյնշտեյնի տեսության համաձայն՝ t ժամանակի ընթացքում բրոունյան մասնիկի քառակուսի տեղաշարժի միջին արժեքը (s2) ուղիղ համեմատական է T ջերմաստիճանին և հակադարձ համեմատական է հեղուկի մածուցիկությանը, r մասնիկի չափին և Ավոգադրոյի հաստատունին։

NA: s2 = 2RTt/6phrNA,

Որտեղ R-ը գազի հաստատունն է: Այսպիսով, եթե 1 րոպեում 1 միկրոն տրամագծով մասնիկը շարժվում է 10 միկրոնով, ապա 9 րոպեում՝ 10 = 30 միկրոնով, 25 րոպեում՝ 10 = 50 միկրոնով և այլն։ Նմանատիպ պայմաններում 0,25 մկմ տրամագծով մասնիկը նույն ժամանակահատվածում (1, 9 և 25 րոպե) կտեղափոխվի համապատասխանաբար 20, 60 և 100 մկմ, քանի որ = 2: Կարևոր է, որ վերը նշված բանաձևը ներառի. Ավոգադրոյի հաստատունը, որն այսպիսով կարող է որոշվել բրոունյան մասնիկի շարժման քանակական չափումներով, որն արել է ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ժան Բատիստ Պերինը (1870–1942):

1908 թվականին Փերինը սկսեց մանրադիտակի տակ բրոունյան մասնիկների շարժման քանակական դիտարկումները։ Նա օգտագործեց 1902 թվականին հայտնագործված ուլտրամանրադիտակը, որը հնարավորություն տվեց հայտնաբերել ամենափոքր մասնիկները՝ դրանց վրա լույս ցրելով հզոր կողային լուսավորիչից։ Փերինը գրեթե գնդաձև և մոտավորապես նույն չափի փոքրիկ գնդիկներ էր ստանում արևադարձային որոշ ծառերի խտացրած հյութից (այն օգտագործվում է նաև որպես դեղին ջրաներկի ներկ): Այս փոքրիկ ուլունքները կասեցվել են 12% ջուր պարունակող գլիցերինի մեջ; մածուցիկ հեղուկը կանխում էր դրա մեջ ներքին հոսքերի առաջացումը, որոնք կպղտորեին պատկերը: Վայրկյանաչափով զինված Փերինը գծագրված թղթի վրա (իհարկե, շատ մեծ մասշտաբով) գծագրեց մասնիկների դիրքը կանոնավոր ընդմիջումներով, օրինակ՝ յուրաքանչյուր կես րոպեն մեկ: Ստացված կետերը ուղիղ գծերով միացնելով՝ նա ստացավ բարդ հետագծեր, որոնցից մի քանիսը ներկայացված են նկարում (դրանք վերցված են Պերինի «Ատոմիա» գրքից, որը հրատարակվել է 1920 թվականին Փարիզում)։ Մասնիկների նման քաոսային, անկանոն շարժումը հանգեցնում է նրան, որ դրանք տարածության մեջ բավականին դանդաղ են շարժվում. հատվածների գումարը շատ ավելի մեծ է, քան մասնիկի տեղաշարժը առաջին կետից մինչև վերջինը:

Բրոունյան երեք մասնիկների՝ մաստակի գնդիկների հաջորդական դիրքերը յուրաքանչյուր 30 վայրկյանը մեկ՝ մոտ 1 միկրոն չափով: Մեկ բջիջը համապատասխանում է 3 մկմ հեռավորությանը:
Բրոունյան երեք մասնիկների՝ մաստակի գնդիկների հաջորդական դիրքերը յուրաքանչյուր 30 վայրկյանը մեկ՝ մոտ 1 միկրոն չափով: Մեկ բջիջը համապատասխանում է 3 մկմ հեռավորությանը: Եթե Փերինը կարողանար որոշել բրոունյան մասնիկների դիրքը ոչ թե 30, այլ 3 վայրկյան հետո, ապա յուրաքանչյուր հարևան կետերի միջև ուղիղ գծերը կվերածվեին նույն բարդ զիգզագաձեւ կոտրված գծի, միայն ավելի փոքր մասշտաբով։

Օգտագործելով տեսական բանաձևը և նրա արդյունքները՝ Փերինը ստացավ Ավոգադրոյի այն ժամանակվա համարի բավականին ճշգրիտ արժեք՝ 6.8.1023: Պերինը նաև մանրադիտակ օգտագործեց՝ ուսումնասիրելու Բրոունի մասնիկների ուղղահայաց բաշխումը (տես ԱՎՈԳԱԴՐՈԻ ՕՐԵՆՔԸ) և ցույց տվեց, որ, չնայած ձգողականության գործողությանը, դրանք մնում են կախված լուծույթում։ Պերինին են պատկանում նաև այլ կարևոր գործեր։ 1895 թվականին նա ապացուցեց, որ կաթոդային ճառագայթները բացասական էլեկտրական լիցքեր են (էլեկտրոններ), իսկ 1901 թվականին նա առաջին անգամ առաջարկեց ատոմի մոլորակային մոդելը։ 1926 թվականին արժանացել է ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի։

Բրաունյան շարժում և դիֆուզիոն:

Պարզ է, թե ինչու է գնդակը դուրս եկել. բյուրեղի լուծարման ժամանակ առաջացած MnO4– իոնները մտնում են լուծույթ (գելը հիմնականում ջուր է) և դիֆուզիայի արդյունքում հավասարաչափ շարժվում են բոլոր ուղղություններով, մինչդեռ գրավիտացիան գործնականում ոչ մի ազդեցություն չունի։ դիֆուզիայի արագության վրա։ Հեղուկի մեջ դիֆուզիան շատ դանդաղ է ընթանում. շատ ժամեր կպահանջվեն, որպեսզի գնդակը մի քանի սանտիմետր աճի: Գազերում դիֆուզիան շատ ավելի արագ է ընթանում, բայց այնուամենայնիվ, եթե օդը չխառնվեր, սենյակում ժամերով կտարածվեր օծանելիքի կամ ամոնիակի հոտը։

Բրոունյան շարժման տեսություն. պատահական քայլումներ.

Սմոլուչովսկի-Էյնշտեյնի տեսությունը բացատրում է ինչպես դիֆուզիայի, այնպես էլ Բրոունյան շարժման օրենքները։ Մենք կարող ենք դիտարկել այս օրինաչափությունները՝ օգտագործելով դիֆուզիայի օրինակը: Եթե մոլեկուլի արագությունը u է, ապա ուղիղ գծով շարժվելով, t ժամանակում այն կանցնի L = ut տարածություն, սակայն այլ մոլեկուլների հետ բախումների պատճառով այս մոլեկուլը չի շարժվում ուղիղ գծով, այլ անընդհատ փոխվում է։ նրա շարժման ուղղությունը. Եթե հնարավոր լիներ ուրվագծել մոլեկուլի ուղին, ապա այն սկզբունքորեն չէր տարբերվի Փերինի ձեռք բերած գծագրերից։ Նման թվերից պարզ է դառնում, որ քաոսային շարժման պատճառով մոլեկուլը տեղաշարժվում է s հեռավորությամբ, որը զգալիորեն փոքր է L-ից: Այս մեծությունները կապված են s = հարաբերությամբ, որտեղ l-ն այն հեռավորությունն է, որով մոլեկուլը թռչում է մեկ բախումից մինչև մեկ այլ՝ միջին ազատ ուղին։ Չափումները ցույց են տվել, որ նորմալ մթնոլորտային ճնշման դեպքում օդի մոլեկուլների համար l~ 0,1 մկմ, ինչը նշանակում է, որ 500 մ/վ արագությամբ ազոտի կամ թթվածնի մոլեկուլը կթռչի 10000 վայրկյանում (երեք ժամից պակաս) L=5000 կմ հեռավորության վրա և սկզբնական դիրքից տեղաշարժը կազմում է ընդամենը s = 0,7 մ (70 սմ), այդ իսկ պատճառով նյութերը շատ դանդաղ են շարժվում դիֆուզիայի պատճառով նույնիսկ գազերում:

Առաջին անգամ քայլելով դեպի մոտակա լապտերը (աջ կամ ձախ), նավաստիը կհայտնվի սկզբնակետից s1 = ± l հեռավորության վրա: Քանի որ մեզ հետաքրքրում է միայն դրա հեռավորությունը այս կետից, բայց ոչ ուղղությունը, մենք կազատվենք նշաններից՝ քառակուսի դնելով այս արտահայտությունը՝ s12 = l2: Որոշ ժամանակ անց նավաստիը, արդեն ավարտելով N «թափառումները», կլինի հեռավորության վրա

SN = սկզբից: Եվ նորից անցնելով (մեկ ուղղությամբ) դեպի մոտակա լամպը՝ sN+1 = sN ± l հեռավորության վրա, կամ օգտագործելով տեղաշարժի քառակուսին, s2N+1 = s2N ±2sN l + l2։ Եթե նավաստին այս շարժումը կրկնում է բազմիցս (N-ից N + 1), ապա միջինացման արդյունքում (հավասար հավանականությամբ N-րդ քայլը կատարում է աջ կամ ձախ), ±2sNl տերմինը կկրճատվի, ուստի. որ (անկյունային փակագծերը ցույց են տալիս միջինացված արժեքը):

Քանի որ s12 = l2, ուրեմն

S22 = s12 + l2 = 2l2, s32 = s22 + l2 = 3ll2 և այլն, այսինքն. s2N = Nl2 կամ sN =l: Անցած ընդհանուր հեռավորությունը L-ն կարող է գրվել և որպես նավաստի արագության և ճանապարհորդության ժամանակի արտադրյալ (L = ut), և որպես թափառումների քանակի և լապտերների միջև հեռավորության արտադրյալ (L = Nl), հետևաբար, ut. = Nl, որտեղից N = ut/l և վերջապես sN = . Այսպիսով, մենք ստանում ենք նավաստիի (ինչպես նաև մոլեկուլի կամ Բրոունյան մասնիկի) տեղաշարժի կախվածությունը ժամանակից։ Օրինակ, եթե լապտերների միջև կա 10 մ, և նավաստին քայլում է 1 մ/վ արագությամբ, ապա մեկ ժամից նրա ընդհանուր ուղին կլինի L = 3600 մ = 3,6 կմ, մինչդեռ զրոյական կետից տեղաշարժը ս.թ. նույն ժամանակը կլինի միայն s = = 190 մ: Երեք ժամից այն կանցնի L = 10,8 կմ և կտեղաշարժվի s = 330 մ-ով և այլն:

Ստացված բանաձևում ul-ի արտադրյալը կարելի է համեմատել դիֆուզիոն գործակցի հետ, որը, ինչպես ցույց է տվել իռլանդացի ֆիզիկոս և մաթեմատիկոս Ջորջ Գաբրիել Սթոքսը (1819–1903), կախված է մասնիկների չափից և միջավայրի մածուցիկությունից։ Նմանատիպ նկատառումների հիման վրա Էյնշտեյնը դուրս բերեց իր հավասարումը.

Բրոունյան շարժման տեսությունը իրական կյանքում.

Փոքր կասեցված մասնիկները քաոսային կերպով շարժվում են հեղուկ մոլեկուլների ազդեցության տակ:

19-րդ դարի երկրորդ կեսին գիտական շրջանակներում լուրջ բանավեճ է սկսվել ատոմների բնույթի մասին։ Մի կողմից անժխտելի իշխանություններն էին, ինչպիսին Էռնստ Մախն էր ( սմ.Շոկային ալիքներ), ովքեր պնդում էին, որ ատոմները պարզապես մաթեմատիկական ֆունկցիաներ են, որոնք հաջողությամբ նկարագրում են դիտելի ֆիզիկական երևույթները և չունեն իրական ֆիզիկական հիմք: Մյուս կողմից, նոր ալիքի գիտնականները, մասնավորապես, Լյուդվիգ Բոլցմանը ( սմ.Բոլցմանի հաստատունը) – պնդում էր, որ ատոմները ֆիզիկական իրականություններ են։ Եվ երկու կողմերից ոչ մեկը չհասկացավ, որ իրենց վեճի սկսվելուց տասնամյակներ առաջ փորձարարական արդյունքներ են ձեռք բերվել, որոնք մեկընդմիշտ լուծեցին խնդիրը հօգուտ ատոմների գոյության՝ որպես ֆիզիկական իրականություն, սակայն դրանք ձեռք էին բերվել հենց այդ ոլորտում։ Բուսաբան Ռոբերտ Բրաունի կողմից ֆիզիկայի հարակից բնական գիտություն:

Դեռևս 1827 թվականի ամռանը Բրաունը, երբ ուսումնասիրում էր ծաղկափոշու վարքը մանրադիտակի տակ (նա ուսումնասիրում էր բույսերի ծաղկափոշու ջրային կասեցումը. Clarkia pulchella), հանկարծ պարզվեց, որ առանձին սպորները բացարձակապես քաոսային իմպուլսային շարժումներ են անում: Նա հաստատ որոշեց, որ այդ շարժումները ոչ մի կերպ կապված չեն ջրի տուրբուլենտության և հոսանքների կամ դրա գոլորշիացման հետ, որից հետո, նկարագրելով մասնիկների շարժման բնույթը, նա անկեղծորեն խոստովանեց իր անզորությունը բացատրելու դրա ծագումը: քաոսային շարժում. Այնուամենայնիվ, լինելով մանրակրկիտ փորձարար՝ Բրաունը հաստատեց, որ նման քաոսային շարժումը բնորոշ է ցանկացած մանրադիտակային մասնիկի՝ լինի դա բույսերի ծաղկափոշին, կասեցված հանքանյութերը կամ ընդհանրապես որևէ մանրացված նյութ:

Միայն 1905 թվականին, Ալբերտ Էյնշտեյնից ոչ ոք առաջին անգամ հասկացավ, որ այս առեղծվածային, առաջին հայացքից, երևույթը ծառայում է որպես նյութի կառուցվածքի ատոմային տեսության ճշտության լավագույն փորձարարական հաստատում: Նա դա բացատրեց մոտավորապես այսպես. ջրի մեջ կախված սպորը ենթարկվում է մշտական «ռմբակոծության» ջրի քաոսային շարժվող մոլեկուլների կողմից: Միջին հաշվով, մոլեկուլները դրա վրա գործում են բոլոր կողմերից հավասար ինտենսիվությամբ և ժամանակի հավասար ընդմիջումներով։ Սակայն, որքան էլ սպորը փոքր լինի, զուտ պատահական շեղումների պատճառով այն սկզբում իմպուլս է ստանում այն մոլեկուլից, որը հարվածում է նրան մի կողմից, հետո այն մոլեկուլի կողմից, որը հարվածում է մյուս կողմից և այլն: Արդյունքում. Նման բախումների միջինացումից պարզվում է, որ ինչ-որ պահի մասնիկը «կռկվում է» մի ուղղությամբ, ապա, եթե մյուս կողմից այն «մղվում» է ավելի շատ մոլեկուլների կողմից, ապա մյուս կողմից և այլն: Օգտագործելով մաթեմատիկական վիճակագրության օրենքները. և գազերի մոլեկուլային կինետիկ տեսությունից, Էյնշտեյնը ստացավ հավասարում, որը նկարագրում է Բրոունյան մասնիկի արմատ-միջին քառակուսի տեղաշարժի կախվածությունը մակրոսկոպիկ պարամետրերից: (Հետաքրքիր փաստ. «Annals of Physics» գերմանական ամսագրի հատորներից մեկում ( Աննալեն der Physik) 1905 թվականին լույս է տեսել Էյնշտեյնի երեք հոդված՝ հոդված Բրոունյան շարժման տեսական բացատրությամբ, հոդված հարաբերականության հատուկ տեսության հիմքերի մասին և վերջապես՝ ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի տեսությունը նկարագրող հոդված։ Հենց վերջինիս համար 1921 թվականին Ալբերտ Էյնշտեյնը արժանացավ ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի։

1908 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոս Ժան-Բատիստ Պերինը (1870-1942) անցկացրեց մի փայլուն փորձերի շարք, որոնք հաստատեցին Բրոունյան շարժման երևույթի Էյնշտեյնի բացատրության ճիշտությունը։ Վերջապես պարզ դարձավ, որ բրոունյան մասնիկների դիտարկվող «քաոսային» շարժումը միջմոլեկուլային բախումների հետևանք է։ Քանի որ «օգտակար մաթեմատիկական կոնվենցիաները» (ըստ Մաչի) չեն կարող հանգեցնել ֆիզիկական մասնիկների դիտելի և լիովին իրական շարժումների, վերջապես պարզ դարձավ, որ ատոմների իրականության մասին բանավեճն ավարտված է. դրանք գոյություն ունեն բնության մեջ: Որպես «մրցանակային խաղ» Պերինը ստացել է Էյնշտեյնի կողմից ստացված բանաձևը, որը ֆրանսիացուն թույլ է տվել վերլուծել և գնահատել ատոմների և/կամ մոլեկուլների միջին թիվը, որոնք բախվում են հեղուկի մեջ կախված մասնիկի հետ որոշակի ժամանակահատվածում և օգտագործելով սա. ցուցիչ, հաշվարկել տարբեր հեղուկների մոլային թվերը: Այս գաղափարը հիմնված էր այն փաստի վրա, որ ժամանակի ցանկացած պահի կասեցված մասնիկի արագացումը կախված է միջավայրի մոլեկուլների հետ բախումների քանակից ( սմ.Նյուտոնի մեխանիկայի օրենքները) և, հետևաբար, հեղուկի մեկ միավորի մոլեկուլների քանակի վրա: Եվ սա ոչ այլ ինչ է, քան Ավոգադրոյի համարը (սմ.Ավոգադրոյի օրենքը) հիմնարար հաստատուններից մեկն է, որը որոշում է մեր աշխարհի կառուցվածքը: