En tysk forsker forklarte Brownsk bevegelse. Brownsk bevegelse: definisjon. Brownsk bevegelse - hva er det? Lag og masse

Den skotske botanikeren Robert Brown (noen ganger blir etternavnet hans transkribert som Brown) i løpet av hans levetid, som den beste planteeksperten, fikk tittelen "Prince of Botanists." Han gjorde mange fantastiske funn. I 1805, etter en fire år lang ekspedisjon til Australia, brakte han til England rundt 4000 arter av australske planter ukjente for forskere og brukte mange år på å studere dem. Beskrev planter hentet fra Indonesia og Sentral-Afrika. Han studerte plantefysiologi og beskrev for første gang i detalj kjernen til en plantecelle. St. Petersburgs vitenskapsakademi gjorde ham til æresmedlem. Men navnet på forskeren er nå allment kjent ikke på grunn av disse arbeidene.

I 1827 utførte Brown forskning på plantepollen. Han var spesielt interessert i hvordan pollen deltar i befruktningsprosessen. En gang så han under et mikroskop på pollenceller fra en nordamerikansk plante. Clarkia pulchella(pretty clarkia) langstrakte cytoplasmatiske korn suspendert i vann. Plutselig så Brown at de minste faste kornene, som knapt kunne ses i en vanndråpe, hele tiden skalv og beveget seg fra sted til sted. Han fant at disse bevegelsene, med hans ord, "ikke er assosiert med strømninger i væsken eller med dens gradvise fordampning, men er iboende i partiklene selv."

Browns observasjon ble bekreftet av andre forskere. De minste partiklene oppførte seg som om de var i live, og "dansen" til partiklene akselererte med økende temperatur og avtagende partikkelstørrelse og ble tydelig bremset når man erstattet vann med et mer viskøst medium. Dette fantastiske fenomenet stoppet aldri: det kunne observeres så lenge som ønsket. Først trodde Brown til og med at levende vesener faktisk falt inn i mikroskopets felt, spesielt siden pollen er de mannlige reproduksjonscellene til planter, men det var også partikler fra døde planter, selv fra de som ble tørket hundre år tidligere i herbarier. Så tenkte Brown på om dette var "elementære molekyler av levende vesener", som den berømte franske naturforskeren Georges Buffon (1707–1788), forfatter av en 36-binders bok, snakket om. Naturlig historie. Denne antagelsen falt bort da Brown begynte å undersøke tilsynelatende livløse gjenstander; først var det veldig små partikler av kull, samt sot og støv fra London-luften, deretter finmalte uorganiske stoffer: glass, mange forskjellige mineraler. "Aktive molekyler" var overalt: "I hvert mineral," skrev Brown, "som jeg har lykkes med å pulverisere i en slik grad at det kan suspenderes i vann en stund, har jeg funnet, i større eller mindre mengder, disse molekylene ."

Det skal sies at Brown ikke hadde noen av de nyeste mikroskopene. I artikkelen sin understreker han spesielt at han hadde vanlige bikonvekse linser, som han brukte i flere år. Og han fortsetter med å si: «Gjennom hele studiet fortsatte jeg å bruke de samme linsene som jeg begynte arbeidet med, for å gi mer troverdighet til mine uttalelser og for å gjøre dem så tilgjengelige som mulig for vanlige observasjoner.»

Nå, for å gjenta Browns observasjon, er det nok å ha et lite sterkt mikroskop og bruke det til å undersøke røyken i en svertet boks, opplyst gjennom et sidehull med en stråle av intenst lys. I en gass manifesterer fenomenet seg mye tydeligere enn i en væske: små biter av aske eller sot (avhengig av kilden til røyken) er synlige, sprer lys og hopper kontinuerlig frem og tilbake.

Som ofte skjer i vitenskapen, oppdaget mange år senere historikere at tilbake i 1670 observerte oppfinneren av mikroskopet, nederlenderen Antonie Leeuwenhoek, tilsynelatende et lignende fenomen, men sjeldenheten og ufullkommenheten til mikroskoper, den embryonale tilstanden til molekylærvitenskap på den tiden. trakk ikke oppmerksomhet til Leeuwenhoeks observasjon, derfor er oppdagelsen med rette tilskrevet Brown, som var den første som studerte og beskrev den i detalj.

Brownsk bevegelse og atom-molekylær teori.

Fenomenet Brown observerte ble raskt viden kjent. Han viste selv eksperimentene sine til en rekke kolleger (Brown lister opp to dusin navn). Men verken Brown selv eller mange andre forskere på mange år kunne forklare dette mystiske fenomenet, som ble kalt den "brownske bevegelsen." Bevegelsene til partiklene var helt tilfeldige: skisser av deres posisjoner laget på forskjellige tidspunkt (for eksempel hvert minutt) gjorde det ikke ved første øyekast mulig å finne noe mønster i disse bevegelsene.

En forklaring på Brownsk bevegelse (som dette fenomenet ble kalt) ved bevegelse av usynlige molekyler ble gitt først i siste fjerdedel av 1800-tallet, men ble ikke umiddelbart akseptert av alle vitenskapsmenn. I 1863 foreslo en lærer i beskrivende geometri fra Karlsruhe (Tyskland), Ludwig Christian Wiener (1826–1896), at fenomenet var assosiert med de oscillerende bevegelsene til usynlige atomer. Dette var den første, men veldig langt fra moderne, forklaringen på Brownsk bevegelse med egenskapene til atomene og molekylene selv. Det er viktig at Wiener så muligheten til å bruke dette fenomenet til å trenge inn i materiens strukturs hemmeligheter. Han var den første som prøvde å måle bevegelseshastigheten til Brownske partikler og dens avhengighet av størrelsen deres. Det er merkelig at i 1921 Rapporter fra US National Academy of Sciences Et verk ble publisert om den Brownske bevegelsen til en annen Wiener - Norbert, den berømte grunnleggeren av kybernetikk.

Ideene til L.K. Wiener ble akseptert og utviklet av en rekke vitenskapsmenn - Sigmund Exner i Østerrike (og 33 år senere - sønnen Felix), Giovanni Cantoni i Italia, Karl Wilhelm Negeli i Tyskland, Louis Georges Gouy i Frankrike, tre belgiske prester - Jesuittene Carbonelli, Delso og Tirion og andre. Blant disse forskerne var den senere berømte engelske fysikeren og kjemikeren William Ramsay. Det ble etter hvert klart at de minste materiekornene ble truffet fra alle kanter av enda mindre partikler, som ikke lenger var synlige gjennom et mikroskop - akkurat som bølger som vugger en fjern båt ikke er synlige fra land, mens båtens bevegelser i seg selv er ganske tydelig synlig. Som de skrev i en av artiklene i 1877, "... loven om store tall reduserer ikke lenger effekten av kollisjoner til gjennomsnittlig jevnt trykk; resultanten deres vil ikke lenger være lik null, men vil kontinuerlig endre retning og omfanget."

Kvalitativt var bildet ganske plausibelt og til og med visuelt. En liten kvist eller en insekt skal bevege seg på omtrent samme måte, presset (eller trukket) i forskjellige retninger av mange maur. Disse mindre partiklene var faktisk i vokabularet til forskere, men ingen hadde noen gang sett dem. De ble kalt molekyler; Oversatt fra latin betyr dette ordet "liten masse." Utrolig nok er dette akkurat forklaringen til et lignende fenomen av den romerske filosofen Titus Lucretius Carus (ca. 99–55 f.Kr.) i hans berømte dikt Om tingenes natur. I den kaller han de minste partiklene som er usynlige for øyet, tingenes "urprinsipper".

Prinsippene for ting beveger seg først,
Etter dem er kropper fra deres minste kombinasjon,
Nær, så å si, i styrke til de primære prinsippene,
Skjult for dem, får sjokk, begynner de å streve,
Seg selv til å bevege seg, og deretter oppmuntre større kropper.
Så, fra begynnelsen, bevegelsen litt etter litt
Det berører følelsene våre og blir også synlig
Til oss og i støvflekkene som beveger seg i sollys,
Selv om skjelvingene det oppstår fra er umerkelige...

Deretter viste det seg at Lucretius tok feil: det er umulig å observere Brownsk bevegelse med det blotte øye, og støvpartikler i en solstråle som trengte inn i et mørkt rom "danser" på grunn av luftens virvelbevegelser. Men utad har begge fenomenene noen likheter. Og først på 1800-tallet. Det ble åpenbart for mange forskere at bevegelsen av Brownske partikler er forårsaket av tilfeldige påvirkninger av molekylene i mediet. Molekyler i bevegelse kolliderer med støvpartikler og andre faste partikler som er i vannet. Jo høyere temperatur, jo raskere bevegelse. Hvis en flekk av støv er stor, for eksempel har en størrelse på 0,1 mm (diameteren er en million ganger større enn den til et vannmolekyl), så er mange samtidige påvirkninger på den fra alle sider gjensidig balansert, og det gjør det praktisk talt ikke "føle" dem - omtrent det samme som et trestykke på størrelse med en tallerken vil ikke "føle" innsatsen til mange maur som vil trekke eller skyve det i forskjellige retninger. Hvis støvpartikkelen er relativt liten, vil den bevege seg i den ene eller den andre retningen under påvirkning av støt fra omkringliggende molekyler.

Brownske partikler har en størrelse i størrelsesorden 0,1–1 μm, dvs. fra en tusendel til en titusendels millimeter, som er grunnen til at Brown var i stand til å skjelne bevegelsene deres fordi han så på bittesmå cytoplasmatiske korn, og ikke selve pollen (som ofte feilaktig skrives om). Problemet er at pollencellene er for store. Således, i enggresspollen, som bæres av vinden og forårsaker allergiske sykdommer hos mennesker (høysnue), er cellestørrelsen vanligvis i området 20 - 50 mikron, dvs. de er for store til å observere Brownsk bevegelse. Det er også viktig å merke seg at individuelle bevegelser av en Brownsk partikkel skjer svært ofte og over svært korte avstander, slik at det er umulig å se dem, men under et mikroskop er bevegelser som har skjedd over en viss tidsperiode synlige.

Det ser ut til at selve faktumet om eksistensen av Brownsk bevegelse utvetydig beviste materiens molekylære struktur, men til og med på begynnelsen av 1900-tallet. Det var forskere, inkludert fysikere og kjemikere, som ikke trodde på eksistensen av molekyler. Den atom-molekylære teorien fikk bare sakte og vanskelig anerkjennelse. Den ledende franske organiske kjemikeren Marcelin Berthelot (1827–1907) skrev således: «Konseptet med et molekyl, fra vår kunnskaps synspunkt, er usikkert, mens et annet konsept - et atom - er rent hypotetisk.» Den berømte franske kjemikeren A. Saint-Clair Deville (1818–1881) uttalte seg enda tydeligere: «Jeg aksepterer ikke Avogadros lov, heller ikke atomet eller molekylet, for jeg nekter å tro på det jeg verken kan se eller observere. ” Og den tyske fysikalske kjemikeren Wilhelm Ostwald (1853–1932), nobelprisvinner, en av grunnleggerne av fysisk kjemi, tilbake på begynnelsen av 1900-tallet. nektet resolutt eksistensen av atomer. Han klarte å skrive en tre-binders kjemi lærebok der ordet "atom" aldri er nevnt. I en tale den 19. april 1904, med en stor rapport ved Royal Institution til medlemmer av English Chemical Society, forsøkte Ostwald å bevise at atomer ikke eksisterer, og «det vi kaller materie er bare en samling av energier samlet i en gitt plass."

Men selv de fysikerne som godtok molekylærteorien kunne ikke tro at gyldigheten av atommolekylærteorien ble bevist på en så enkel måte, så en rekke alternative årsaker ble fremsatt for å forklare fenomenet. Og dette er helt i vitenskapens ånd: inntil årsaken til et fenomen er entydig identifisert, er det mulig (og til og med nødvendig) å anta ulike hypoteser, som om mulig bør testes eksperimentelt eller teoretisk. Så tilbake i 1905 ble en kort artikkel av fysikkprofessor N.A. Gezehus i St. Petersburg, lærer for den berømte akademikeren A.F. Ioffe, publisert i Brockhaus and Efron Encyclopedic Dictionary. Gesehus skrev at, ifølge noen forskere, er Brownsk bevegelse forårsaket av "lys eller varmestråler som passerer gjennom en væske", og koker ned til "enkle strømmer i en væske som ikke har noe å gjøre med bevegelsene til molekyler," og disse strømmer kan være forårsaket av "fordampning, diffusjon og andre årsaker." Tross alt var det allerede kjent at en veldig lik bevegelse av støvpartikler i luften er forårsaket nettopp av virvelstrømmer. Men forklaringen Gesehus har gitt kan lett tilbakevises eksperimentelt: Hvis du ser på to Brownske partikler som befinner seg svært nær hverandre gjennom et sterkt mikroskop, vil bevegelsene deres vise seg å være helt uavhengige. Hvis disse bevegelsene var forårsaket av strømninger i væsken, ville slike nabopartikler bevege seg i samspill.

Teori om Brownsk bevegelse.

På begynnelsen av 1900-tallet. de fleste forskere forsto den molekylære naturen til Brownsk bevegelse. Men alle forklaringer forble rent kvalitative; ingen kvantitativ teori kunne tåle eksperimentell testing. I tillegg var selve eksperimentelle resultatene uklare: det fantastiske skuespillet med ustanselige brusende partikler hypnotiserte forsøksmennene, og de visste ikke nøyaktig hvilke egenskaper ved fenomenet som måtte måles.

Til tross for den tilsynelatende fullstendige forstyrrelsen, var det fortsatt mulig å beskrive de tilfeldige bevegelsene til Brownske partikler ved et matematisk forhold. For første gang ble en streng forklaring av Brownsk bevegelse gitt i 1904 av den polske fysikeren Marian Smoluchowski (1872–1917), som i disse årene jobbet ved Lviv University. Samtidig ble teorien om dette fenomenet utviklet av Albert Einstein (1879–1955), en da lite kjent 2. klasses ekspert ved Patentkontoret i den sveitsiske byen Bern. Artikkelen hans, publisert i mai 1905 i det tyske tidsskriftet Annalen der Physik, hadde tittelen Om bevegelsen til partikler suspendert i en væske i hvile, som kreves av den molekylære kinetiske teorien om varme. Med dette navnet ønsket Einstein å vise at den molekylære kinetiske teorien om materiens struktur nødvendigvis innebærer eksistensen av tilfeldig bevegelse av de minste faste partiklene i væsker.

Det er merkelig at Einstein helt i begynnelsen av denne artikkelen skriver at han er kjent med selve fenomenet, om enn overfladisk: «Det er mulig at de aktuelle bevegelsene er identiske med den såkalte Brownske molekylære bevegelsen, men dataene som er tilgjengelige. for meg angående sistnevnte er så unøyaktige at jeg ikke kunne formulere en dette er en bestemt mening.» Og tiår senere, allerede i sitt sene liv, skrev Einstein noe annet i memoarene sine - at han ikke visste om Brownsk bevegelse i det hele tatt og faktisk "gjenoppdaget" det rent teoretisk: "Uten å vite at observasjoner av "Brownsk bevegelse" lenge har vært kjent, jeg oppdaget at atomteorien fører til eksistensen av observerbar bevegelse av mikroskopiske suspenderte partikler." Uansett hva det måtte være, endte Einsteins teoretiske artikkel med en direkte oppfordring til eksperimentatorer om å teste konklusjonene hans eksperimentelt: "Hvis noen forsker snart kunne svare spørsmålene som stilles her spørsmål!" – han avslutter artikkelen med et så uvanlig utrop.

Svaret på Einsteins lidenskapelige appell lot ikke vente på seg.

I følge Smoluchowski-Einstein-teorien er gjennomsnittsverdien av den kvadratiske forskyvningen av en Brownsk partikkel ( s 2) for tid t direkte proporsjonal med temperaturen T og omvendt proporsjonal med væskeviskositeten h, partikkelstørrelse r og Avogadros konstant

N EN: s 2 = 2RTt/6ph rN EN,

Hvor R– gasskonstant. Så hvis en partikkel med en diameter på 1 μm på 1 minutt beveger seg med 10 μm, så på 9 minutter - med 10 = 30 μm, i 25 minutter - med 10 = 50 μm, etc. Under lignende forhold vil en partikkel med diameter 0,25 μm over samme tidsrom (1, 9 og 25 min) bevege seg med henholdsvis 20, 60 og 100 μm siden = 2. Det er viktig at formelen ovenfor inkluderer Avogadros konstant, som dermed kan bestemmes ved kvantitative målinger av bevegelsen til en Brownsk partikkel, som ble gjort av den franske fysikeren Jean Baptiste Perrin (1870–1942).

I 1908 begynte Perrin kvantitative observasjoner av bevegelsen til Brownske partikler under et mikroskop. Han brukte et ultramikroskop, oppfunnet i 1902, som gjorde det mulig å oppdage de minste partiklene ved å spre lys på dem fra en kraftig sidelys. Perrin oppnådde små kuler med nesten sfærisk form og omtrent samme størrelse fra tyggegummi, den kondenserte saften fra noen tropiske trær (den brukes også som gul akvarellmaling). Disse bittesmå perlene ble suspendert i glyserol inneholdende 12% vann; den viskøse væsken forhindret utseendet av indre strømmer i den som ville gjøre bildet uskarpt. Bevæpnet med en stoppeklokke noterte Perrin og skisserte deretter (selvfølgelig, i en sterkt forstørret skala) på et grafisk papirark posisjonen til partiklene med jevne mellomrom, for eksempel hvert halve minutt. Ved å koble de resulterende punktene med rette linjer, oppnådde han intrikate baner, noen av dem er vist i figuren (de er hentet fra Perrins bok Atomer, utgitt i 1920 i Paris). En slik kaotisk, uordnet bevegelse av partikler fører til at de beveger seg i rommet ganske sakte: summen av segmentene er mye større enn forskyvningen av partikkelen fra det første punktet til det siste.

Påfølgende posisjoner hvert 30. sekund av tre Brownske partikler - gummikuler med en størrelse på ca. 1 mikron. En celle tilsvarer en avstand på 3 µm. Hvis Perrin kunne bestemme posisjonen til Brownske partikler ikke etter 30, men etter 3 sekunder, ville de rette linjene mellom hvert nabopunkt bli til den samme komplekse sikksakk brutte linjen, bare i mindre skala.

Ved å bruke den teoretiske formelen og resultatene hans, oppnådde Perrin en verdi for Avogadros tall som var ganske nøyaktig for den tiden: 6,8 . 10 23 . Perrin brukte også et mikroskop for å studere den vertikale fordelingen av Brownske partikler ( cm. AVOGADROS LOV) og viste at til tross for tyngdekraftens virkning, forblir de suspendert i løsning. Perrin eier også andre viktige verk. I 1895 beviste han at katodestråler er negative elektriske ladninger (elektroner), og i 1901 foreslo han først en planetarisk modell av atomet. I 1926 ble han tildelt Nobelprisen i fysikk.

Resultatene oppnådd av Perrin bekreftet Einsteins teoretiske konklusjoner. Det gjorde sterkt inntrykk. Som den amerikanske fysikeren A. Pais skrev mange år senere, "du slutter aldri å bli overrasket over dette resultatet, oppnådd på en så enkel måte: det er nok å forberede en suspensjon av baller, hvis størrelse er stor sammenlignet med størrelsen av enkle molekyler, ta en stoppeklokke og et mikroskop, så kan du bestemme Avogadros konstant!» Man kan også bli overrasket: beskrivelser av nye eksperimenter på Brownsk bevegelse dukker fortsatt opp i vitenskapelige tidsskrifter (Nature, Science, Journal of Chemical Education) fra tid til annen! Etter publiseringen av Perrins resultater innrømmet Ostwald, en tidligere motstander av atomisme, at "sammenfallet av Brownsk bevegelse med kravene til den kinetiske hypotesen... gir nå den mest forsiktige vitenskapsmannen rett til å snakke om eksperimentelle bevis for atomteorien av materie. Dermed har atomteorien blitt hevet til rangering av en vitenskapelig, velbegrunnet teori." Han gjenspeiles av den franske matematikeren og fysikeren Henri Poincaré: "Den strålende bestemmelsen av antall atomer av Perrin fullførte atomismens triumf... Kjemernes atom har nå blitt en realitet."

Brownsk bevegelse og diffusjon.

Bevegelsen av Brownske partikler ligner veldig på bevegelsen til individuelle molekyler som et resultat av deres termiske bevegelse. Denne bevegelsen kalles diffusjon. Allerede før arbeidet til Smoluchowski og Einstein ble lovene for molekylær bevegelse etablert i det enkleste tilfellet av materiens gassformige tilstand. Det viste seg at molekyler i gasser beveger seg veldig raskt - med hastigheten til en kule, men de kan ikke fly langt, siden de veldig ofte kolliderer med andre molekyler. For eksempel opplever oksygen- og nitrogenmolekyler i luften, som beveger seg med en gjennomsnittshastighet på omtrent 500 m/s, mer enn en milliard kollisjoner hvert sekund. Derfor ville banen til molekylet, hvis den kunne følges, være en kompleks brutt linje. Brownske partikler beskriver også en lignende bane hvis posisjonen deres er registrert med bestemte tidsintervaller. Både diffusjon og Brownsk bevegelse er en konsekvens av den kaotiske termiske bevegelsen til molekyler og beskrives derfor av lignende matematiske forhold. Forskjellen er at molekyler i gasser beveger seg i en rett linje til de kolliderer med andre molekyler, hvoretter de endrer retning. En brownsk partikkel, i motsetning til et molekyl, utfører ingen "frie flyvninger", men opplever svært hyppige små og uregelmessige "jitters", som et resultat av at den kaotisk skifter i den ene eller den andre retningen. Beregninger har vist at for en partikkel med en størrelse på 0,1 µm skjer én bevegelse på tre milliarddeler av et sekund over en avstand på bare 0,5 nm (1 nm = 0,001 µm). Som en forfatter treffende uttrykker det, minner dette om å flytte en tom ølboks på et torg der en mengde mennesker har samlet seg.

Diffusjon er mye lettere å observere enn Brownsk bevegelse, siden den ikke krever et mikroskop: bevegelser observeres ikke av individuelle partikler, men av deres enorme masse, du trenger bare å sørge for at diffusjon ikke overlappes av konveksjon - blanding av materie som en resultat av virvelstrømmer (slike strømmer er lette å legge merke til, å plassere en dråpe av en farget løsning, for eksempel blekk, i et glass varmt vann).

Diffusjon er praktisk å observere i tykke geler. En slik gel kan tilberedes for eksempel i en penicillinkrukke ved å tilberede en 4–5 % gelatinløsning i den. Gelatinen må først svelle i flere timer, og deretter løses den helt opp under omrøring ved å senke glasset ned i varmt vann. Etter avkjøling oppnås en ikke-flytende gel i form av en gjennomsiktig, lett uklar masse. Hvis du ved hjelp av en skarp pinsett forsiktig setter inn en liten krystall av kaliumpermanganat ("kaliumpermanganat") i midten av denne massen, vil krystallen forbli hengende på stedet der den ble liggende, siden gelen hindrer den i å falle. I løpet av noen få minutter vil en fiolettfarget kule begynne å vokse rundt krystallen; over tid blir den større og større inntil veggene i krukken forvrenger formen. Det samme resultatet kan oppnås ved å bruke en krystall av kobbersulfat, bare i dette tilfellet blir ballen ikke lilla, men blå.

Det er tydelig hvorfor ballen viste seg: MnO 4 – ioner som dannes når krystallen løses opp, går i løsning (gelen er hovedsakelig vann) og, som et resultat av diffusjon, beveger de seg jevnt i alle retninger, mens tyngdekraften praktisk talt ikke har noen effekt på diffusjonshastighet. Diffusjon i væske er veldig langsom: det vil ta mange timer før ballen vokser flere centimeter. I gasser er diffusjonen mye raskere, men likevel, hvis luften ikke ble blandet, ville lukten av parfyme eller ammoniakk spre seg i rommet i timevis.

Brownsk bevegelsesteori: tilfeldige turer.

Smoluchowski-Einstein-teorien forklarer lovene for både diffusjon og Brownsk bevegelse. Vi kan vurdere disse mønstrene ved å bruke eksemplet med diffusjon. Hvis hastigheten til molekylet er u, deretter, beveger seg i en rett linje, i tid t vil gå avstanden L = ut, men på grunn av kollisjoner med andre molekyler, beveger ikke dette molekylet seg i en rett linje, men endrer kontinuerlig bevegelsesretningen. Hvis det var mulig å skissere banen til et molekyl, ville det ikke være fundamentalt forskjellig fra tegningene oppnådd av Perrin. Fra disse figurene er det klart at på grunn av kaotisk bevegelse blir molekylet fortrengt med en avstand s, betydelig mindre enn L. Disse mengdene er relatert av relasjonen s= , hvor l er avstanden et molekyl flyr fra en kollisjon til en annen, den gjennomsnittlige frie banen. Målinger har vist at for luftmolekyler ved normalt atmosfærisk trykk l ~ 0,1 μm, noe som betyr at ved en hastighet på 500 m/s vil et nitrogen- eller oksygenmolekyl fly avstanden på 10 000 sekunder (mindre enn tre timer) L= 5000 km, og vil skifte fra den opprinnelige posisjonen med kun s= 0,7 m (70 cm), som er grunnen til at stoffer beveger seg så sakte på grunn av diffusjon, selv i gasser.

Banen til et molekyl som et resultat av diffusjon (eller banen til en Brownsk partikkel) kalles en tilfeldig vandring. Vittige fysikere tolket dette uttrykket som en fyllikers gang - "veien til en fylliker." Faktisk ligner bevegelsen til en partikkel fra en posisjon til en annen (eller banen til et molekyl som gjennomgår mange kollisjoner) bevegelsen til en full person. denne analogien lar en også ganske enkelt utlede den grunnleggende ligningen for en slik prosess er basert på eksemplet med endimensjonal bevegelse, som er lett å generalisere til tredimensjonal.

Tenk deg at en beruset sjømann kom ut av en taverna sent på kvelden og satte kursen langs gaten. Etter å ha gått stien l til nærmeste lykt, hvilte han og gikk... enten videre, til neste lykt, eller tilbake, til vertshuset - han husker tross alt ikke hvor han kom fra. Spørsmålet er, vil han noen gang forlate zucchinien, eller vil han bare vandre rundt den, nå bevege seg bort, nå nærme seg den? (En annen versjon av problemet sier at det er skitne grøfter i begge ender av gaten, der gatelysene slutter, og spør om sjømannen vil være i stand til å unngå å falle i en av dem.) Intuitivt ser det ut til at det andre svaret er riktig. Men det er feil: det viser seg at sjømannen gradvis vil bevege seg lenger og lenger bort fra nullpunktet, men mye saktere enn om han bare gikk i én retning. Slik beviser du det.

Etter å ha passert første gang til nærmeste lampe (til høyre eller venstre), vil sjømannen være på avstand s 1 = ± l fra startpunktet. Siden vi bare er interessert i avstanden fra dette punktet, men ikke retningen, vil vi bli kvitt skiltene ved å kvadrere dette uttrykket: s 1 2 = l 2. Etter en tid har sjømannen allerede fullført N"vandrende", vil være på avstand

s N= fra begynnelsen. Og etter å ha gått igjen (i én retning) til nærmeste lykt, på avstand s N+1 = s N± l, eller ved å bruke kvadratet på forskyvningen, s 2 N+1 = s 2 N± 2 s N l + l 2. Hvis sjømannen gjentar denne bevegelsen mange ganger (fra N før N+ 1), da som et resultat av gjennomsnitt (det passerer med lik sannsynlighet N trinn til høyre eller venstre), ledd ± 2 s N Jeg avbryter, så s 2 N+1 = s2 N+ l 2> (vinkelparentes angir gjennomsnittsverdien) L = 3600 m = 3,6 km, mens forskyvningen fra nullpunktet for samme tid vil være lik kun s= = 190 m. Om tre timer vil det passere L= 10,8 km, og vil skifte med s= 330 m osv.

Arbeid u l i den resulterende formelen kan sammenlignes med diffusjonskoeffisienten, som, som vist av den irske fysikeren og matematikeren George Gabriel Stokes (1819–1903), avhenger av partikkelstørrelsen og viskositeten til mediet. Basert på lignende betraktninger, utledet Einstein sin ligning.

Teorien om Brownsk bevegelse i det virkelige liv.

Teorien om tilfeldige turer har viktige praktiske anvendelser. De sier at i fravær av landemerker (solen, stjernene, støyen fra en motorvei eller jernbane, etc.), vandrer en person i skogen, over et felt i en snøstorm eller i tykk tåke i sirkler, og vender alltid tilbake til sin opprinnelig sted. Faktisk går han ikke i sirkler, men omtrent på samme måte som molekyler eller brownske partikler beveger seg. Han kan gå tilbake til sitt opprinnelige sted, men bare ved en tilfeldighet. Men han krysser sin vei mange ganger. De sier også at folk som var frosset i en snøstorm ble funnet "noen kilometer" fra nærmeste bolig eller vei, men i virkeligheten hadde personen ingen sjanse til å gå denne kilometeren, og her er hvorfor.

For å beregne hvor mye en person vil skifte som følge av tilfeldige turer, må du vite verdien av l, dvs. avstanden en person kan gå i en rett linje uten noen landemerker. Denne verdien ble målt av Doctor of Geological and Mineralogical Sciences B.S. Gorobets ved hjelp av studentfrivillige. Han forlot dem selvfølgelig ikke i en tett skog eller på en snødekt bane, alt var enklere - studenten ble plassert i sentrum av en tom stadion, med bind for øynene og bedt om å gå til enden av fotballbanen i fullstendig stillhet (for å utelukke orientering av lyder). Det viste seg at studenten i gjennomsnitt bare gikk i en rett linje i omtrent 20 meter (avviket fra den ideelle rette linjen oversteg ikke 5°), og begynte deretter å avvike mer og mer fra den opprinnelige retningen. Til slutt stoppet han, langt fra å nå kanten.

La nå en person gå (eller rettere sagt, vandre) i skogen med en hastighet på 2 kilometer i timen (for en vei er dette veldig sakte, men for en tett skog er det veldig fort), så hvis verdien av l er 20 meter, så vil han om en time tilbakelegge 2 km, men vil bevege seg bare 200 m, om to timer - ca 280 m, om tre timer - 350 m, om 4 timer - 400 m osv. Og bevege seg i en rett linje kl. en slik hastighet vil en person gå 8 kilometer på 4 timer, derfor er det følgende regel i sikkerhetsinstruksjonene for feltarbeid: hvis landemerker går tapt, må du holde deg på plass, sette opp et ly og vente på slutten av dårlig vær (solen kan komme frem) eller for å få hjelp. I skogen vil landemerker - trær eller busker - hjelpe deg med å bevege deg i en rett linje, og hver gang må du holde deg til to slike landemerker - det ene foran, det andre bak. Men det er selvfølgelig best å ta med seg et kompass...

Ilya Leenson

Litteratur:

Mario Liozzi. Fysikkens historie. M., Mir, 1970
Kerker M. Brownske bevegelser og molekylær virkelighet før 1900. Journal of Chemical Education, 1974, vol. 51, nr. 12
Leenson I.A. Kjemiske reaksjoner. M., Astrel, 2002

Interaksjonskrefter mellom molekyler…………………………4

Hvorfor ble Giordano Bruno brent?......................................... 7

Gikk Galileo Galilei avkall på sine vitenskapelige synspunkter? .......... .................................. .. .....9

Bibliografi……………………………......... ........................... .. . .1. 3

Brownsk bevegelse
Brownsk bevegelse, tilfeldig bevegelse av små partikler suspendert i en væske eller gass, som skjer under påvirkning av sjokk fra miljøets molekyler. Åpnet av Robert brun i 1827. Suspenderte partikler, kun synlige under et mikroskop, beveger seg uavhengig av hverandre og beskriver komplekse sikksakkbaner. Brownsk bevegelse svekkes ikke over tid og er ikke avhengig av mediets kjemiske egenskaper. Intensiteten til Brownsk bevegelse øker med økende temperatur på mediet og med avtagende viskositet og partikkelstørrelse.
Når man observerer Brownsk bevegelse, registreres posisjonen til partikkelen med jevne mellomrom. Selvfølgelig, mellom observasjoner, beveger ikke partikkelen seg rettlinjet, men å forbinde suksessive posisjoner med rette linjer gir et konvensjonelt bilde av bevegelsen.
Teorien om Brownsk bevegelse forklarer de tilfeldige bevegelsene til en partikkel ved virkningen av tilfeldige krefter fra molekyler og friksjonskrefter. Kraftens tilfeldige natur betyr at dens virkning i tidsintervallet t 1 er helt uavhengig av virkningen under intervallet t 2 dersom disse intervallene ikke overlapper hverandre. Gjennomsnittlig kraft over tilstrekkelig lang tid er null, og den gjennomsnittlige forskyvningen av Brownian-partikkelen viser seg også å være null.
Teorien om Brownsk bevegelse spilte en viktig rolle i grunnlaget for statistisk mekanikk. I tillegg har det også praktisk betydning. Først av alt begrenser Brownsk bevegelse nøyaktigheten til måleinstrumenter. For eksempel bestemmes grensen for nøyaktighet av avlesningene til et speilgalvanometer av speilets vibrasjon, som en Brownsk partikkel bombardert av luftmolekyler. Lovene for Brownsk bevegelse bestemmer den tilfeldige bevegelsen av elektroner, forårsaker lyder i elektriske kretser. Dielektriske tap i dielektrikum forklares av de tilfeldige bevegelsene til dipolmolekylene som utgjør dielektrikumet. Tilfeldige bevegelser av ioner i elektrolyttløsninger øker deres elektriske motstand.
Interaksjonskrefter mellom molekyler

Intermolekylær interaksjon er interaksjonen mellom elektrisk nøytral molekyler eller atomer . Kreftene til intermolekylær interaksjon ble tatt i betraktning for første gangJ.D. van der Waals (1873 ) for å forklare egenskapene til virkelige gasser og væsker.
Orienteringskrefter handle mellom polare molekyler, det vil si de medelektriske dipolmomenter. Tiltrekningskraften mellom to polare molekyler er størst når dipolmomentene deres er innrettet langs samme linje. Denne kraften oppstår på grunn av at avstandene mellom ulik ladninger er litt mindre enn mellom like ladninger. Som et resultat overstiger tiltrekningen av dipolene deres frastøting. Samspillet mellom dipoler avhenger av deres gjensidige orientering, og derfor kalles kreftene til dipolvekselvirkninger orienterende. Kaotisk termisk bevegelse endrer kontinuerlig orienteringen til polare molekyler, men, som beregninger viser, har gjennomsnittsverdien av kraften over alle mulige orienteringer en viss verdi som ikke er lik null.

Induktive (eller polarisasjons) krefter virker mellom polare og upolare molekyler. Et polart molekyl skaperelektrisk felt, som polariserer et molekyl med elektriske ladninger jevnt fordelt over hele volumet. Positive ladninger forskyves i retning av det elektriske feltet (det vil si vekk fra den positive polen), og negative ladninger forskyves mot (mot den positive polen). Som et resultat induseres et dipolmoment i et ikke-polart molekyl.
Denne energien kalles induksjon, siden det vises på grunn av polarisering av molekyler forårsaket avelektrostatisk induksjon. Induktive krefter ( F ind ?r? 7) virker også mellom polare molekyler.
Virker mellom ikke-polare molekyler dispersiv intermolekylær interaksjon. Arten av denne interaksjonen ble fullstendig avklart først etter opprettelsenkvantemekanikk. I atomer og molekyler elektroner bevege seg rundt kjernene på en kompleks måte. I gjennomsnitt over tid viser dipolmomentene til upolare molekyler seg å være null. Men i hvert øyeblikk inntar elektronene en eller annen posisjon. Derfor er den øyeblikkelige verdien av dipolmomentet (for eksempel for et hydrogenatom) forskjellig fra null. En øyeblikkelig dipol skaper et elektrisk felt som polariserer nabomolekyler. Resultatet er en interaksjon øyeblikkelige dipoler. Interaksjonsenergien mellom upolare molekyler er det gjennomsnittlige resultatet av interaksjonen mellom alle mulige øyeblikkelige dipoler med dipolmomentene som de induserer i nabomolekyler på grunn av induksjon.
Intermolekylær interaksjon av denne typen kalles dispersive fordi lysspredning i et stoff bestemmes av de samme egenskapene til molekyler som denne interaksjonen. Dispersjonskrefter virker mellom alle atomer og molekyler, siden mekanismen for deres utseende ikke er avhengig av om molekylene (atomene) har permanente dipolmomenter eller ikke. Vanligvis overskrider disse kreftene i størrelsesorden både orienterende og induktive. Bare under samspillet mellom molekyler med store dipolmomenter, for eksempel vannmolekyler, F eller > F disp(3 ganger for vannmolekyler). Ved interaksjon med slike polare molekyler som CO, HI, HBr og andre, spredningskrefter er titalls og hundrevis av ganger større enn alle andre.
Det er veldig viktig at alle tre typer intermolekylære interaksjoner avtar på samme måte med avstand:
U = U eller + U ind + U disp ?r ? 6
Frastøtende krefter virker mellom molekyler på svært korte avstander når de er fyltelektroniske skallatomer som utgjør molekyler. Eksisterer i kvantemekanikk Pauli-prinsippet forbyr penetrasjon av fylte elektronskall inn i hverandre. De frastøtende kreftene som oppstår avhenger i større grad enn tiltrekningskreftene av molekylenes individualitet

Hvorfor ble Giordano Bruno brent?
Bruno Giordano Filippe (1548, Nola, - 17.2.1600, Roma), italiensk filosof og poet, representant panteisme . Forfulgt av presteskapet for sine synspunkter, forlot han Italia og bodde i Frankrike, England og Tyskland. Da han kom tilbake til Italia (1592), ble han anklaget for kjetteri og fritenking, og etter åtte år i fengsel ble han brent på bålet.
I Brunos filosofiideer Nyplatonisme (spesielt ideene om en enkelt begynnelse og verdenssjelen som universets drivende prinsipp, som førte til at Bruno hylozoisme ) krysset med den sterke innflytelsen fra synspunktene til gamle materialister, så vel som pytagoreerne. Dannelsen av Brunos panteistiske naturfilosofi, rettet mot skolastisk aristotelianisme, ble i stor grad tilrettelagt av Brunos bekjentskap med filosofien til Nicholas av Cusa (som Bruno også lærte ideen om "negativ teologi", basert på umuligheten av en positiv definisjon av Gud). Basert på disse kildene anså Bruno at filosofiens mål ikke var kunnskap om en overnaturlig gud, men om naturen, som er «gud i ting». Utvikle den heliosentriske teorien N. Kopernikus , som hadde en enorm innflytelse på ham, uttrykte Bruno ideer om naturens uendelighet og det uendelige antall verdener, hevdet verdens fysiske homogenitet (læren om de 5 elementene som utgjør alle legemer - jord, vann, ild, luft og eter). Bruno assosierte ideen om et enkelt uendelig enkelt stoff som mange ting oppstår fra med ideen om indre slektskap og tilfeldighet av motsetninger (“On Cause, Beginning and One,” 1584). I det uendelige, blir identifisert, smelter den rette linjen og sirkelen, sentrum og periferien, form og materie osv. sammen. Tilværelsens grunnleggende enhet er monad , i hvis aktivitet det fysiske og åndelige, objekt og subjekt smelter sammen. Den øverste substansen er "monaden av monader", eller Gud; som helhet manifesterer den seg i alt individuelt - "alt i alt." Disse ideene hadde stor innflytelse på utviklingen av moderne filosofi: ideen om et enkelt stoff i forhold til individuelle ting ble utviklet av Bruno Spinoza, ideen om en monad - av G. Leibniz, ideen om eksistensens enhet og "motsetningenes sammenfall" - i dialektikken til F. Schelling og G. Hegel. Dermed var Brunos filosofi et overgangsledd fra middelalderens filosofiske systemer til moderne tids filosofiske konsepter.
V.V. Sokolov.
I kosmologi uttrykte Bruno en rekke gjetninger som var forut for sin tid og bare rettferdiggjort av påfølgende astronomiske oppdagelser: om eksistensen av planeter som var ukjente i hans tid i vårt solsystem, om rotasjonen av solen og stjernene rundt en akse (“ On the Imeasurable and Innumerable,” 1591), om at det i universet er utallige kropper som ligner på vår sol, osv. Bruno tilbakeviste middelalderens ideer om motsetningen mellom jorden og himmelen og talte mot antroposentriske, og snakket om beboelighet av andre verdener.
Som poet tilhørte Bruno motstanderne av klassisismen. Brunos eget kunstverk: det anti-geistlige satiriske diktet «Noahs ark», filosofiske sonetter, komedien «Lysestaken» (1582, russisk oversettelse 1940), der Bruno bryter med kanonene til «lært komedie» og skaper en fri. dramatisk form som tillater en realistisk skildring av livet og skikker napolitansk gate. I denne komedien latterliggjør Bruno pedanteri og overtro, og angriper med etsende sarkasme den dumme og hyklerske umoralen som den katolske reaksjonen førte med seg.
R. I. Khlodovsky

Forsaket Galileo Galilei sine vitenskapelige synspunkter?
I 1609, basert på informasjonen som nådde ham om teleskopet som ble oppfunnet i Holland, bygde Galileo sitt første teleskop, og ga omtrent 3x forstørrelse. Operasjonen til teleskopet ble demonstrert fra tårnet til St. Frimerket var i Venezia og gjorde et enormt inntrykk. Galileo bygde snart et teleskop med en forstørrelse på 32 ganger. Observasjoner gjort med dens hjelp ødela Aristoteles "ideelle sfærer" og dogmet om perfeksjon av himmellegemer: Månens overflate viste seg å være dekket av fjell og fylt med kratere, stjernene mistet sin tilsynelatende størrelse og deres kolossale avstand ble forstått for første gang. Jupiter oppdaget 4 satellitter, og et stort antall nye stjerner ble synlige på himmelen. Melkeveien brøt opp i individuelle stjerner. Galileo beskrev sine observasjoner i verket «The Starry Messenger» (1610-11), som gjorde et fantastisk inntrykk. Samtidig begynte en voldsom kontrovers. Galileo ble anklaget for det faktum at alt han så var en optisk illusjon; de argumenterte også ganske enkelt for at hans observasjoner motsier Aristoteles, og derfor var feil.
Astronomiske oppdagelser fungerte som et vendepunkt i Galileos liv: han ble frigjort fra undervisning og, på invitasjon av hertug Cosimo II de’ Medici, flyttet til Firenze. Her blir han hoff-"filosof" og "første matematiker" ved universitetet, uten forelesningsplikt.
Ved å fortsette teleskopiske observasjoner oppdaget Galileo fasene til Venus, solflekker og solens rotasjon, studerte bevegelsen til Jupiters satellitter og observerte Saturn. I 1611 reiste Galileo til Roma, hvor han fikk en entusiastisk mottakelse ved det pavelige hoff og hvor han fikk et vennskap med prins Cesi, grunnleggeren av Accademia dei Lincei ("Lynx-Eyed Academy"), som han ble medlem av. . Etter insistering fra hertugen publiserte Galileo sitt første anti-aristoteliske verk, "Diskurs om kropper i vann og de som beveger seg i det" (1612), hvor han brukte prinsippet om like momenter på utledningen av likevektsforhold i flytende kropper .
I 1613 ble imidlertid et brev fra Galileo til abbed Castelli kjent, der han forsvarte Copernicus' synspunkter. Brevet fungerte som en grunn for direkte oppsigelse av Galileo til inkvisisjonen. I 1616 erklærte jesuittmenigheten Copernicus lære for kjetter, og Copernicus sin bok ble inkludert i listen over forbudte bøker. Galileo ble ikke navngitt i dekretet, men han ble privat beordret til å gi avkall på sitt forsvar av denne læren. Galileo underkastet seg formelt dekretet. I flere år ble han tvunget til å tie om det kopernikanske systemet eller snakke om det i hint. Galileo reiser til Roma i 1616. Teologer, de såkalte «saksforberederne for inkvisisjonen», samles i pavepalasset for å diskutere og teste den kopernikanske doktrinen, og deretter utstede et edikt som forbyr forkynnelse av Copernicus sine synspunkter. Dette var det første offisielle forbudet. Men Galileo ga ikke opp sine synspunkter. Jeg ble bare mer forsiktig. Fratatt retten til å forkynne Kopernikus' lære rettet han sin kritikk mot Aristoteles. Galileos eneste store verk i denne perioden var Assayeren, en polemisk avhandling om de tre kometene som dukket opp i 1618. Når det gjelder litterær form, vidd og sofistikert stil, er dette et av Galileos mest bemerkelsesverdige verk.
Overbevist om gyldigheten av det kopernikanske systemet begynte Galileo å jobbe med en stor astronomisk avhandling, "Dialog om de to viktigste systemene i verden - Ptolemaic og Copernican" (1632). Dette verket beviser så overbevisende fordelene med den kopernikanske læren, og paven, fremstilt under dekke av den enfoldige taperen Simplicio, en tilhenger av det aristoteliske konseptet, ser ut som en så tosk at torden ikke var sen til å slå. Pappa ble fornærmet. Galileos fiender utnyttet dette og han ble innkalt til retten. Ånden til sytti år gamle Galileo ble brutt. Den eldre forskeren ble tvunget til å omvende seg offentlig, og i de siste årene av sitt liv tilbrakte han husarrest og overvåking av inkvisisjonen. I 1635 ga han avkall på «sin kjetterske lære». Forskeren Galileo var ingen helt. Han innrømmet nederlag. Men i vitenskapens historie forble han en stor vitenskapsmann, og rettssaken mot Galileo, selv med ordene fra tilhengere av den katolske religionen, "var den mest fatale feilen kirkemyndighetene noensinne har gjort angående vitenskap."
I 1623 besteg Galileos venn kardinal Maffeo Barberini den pavelige tronen under navnet Urban VIII. For Galileo virket denne hendelsen å være ensbetydende med frigjøring fra båndene til interdikt (dekret). I 1630 ankom han Roma med det ferdige manuskriptet til "Dialogue on the Ebb and Flow of the Tides" (den første tittelen på "Dialog on the Two Major Systems of the World"), der systemene til Copernicus og Ptolemaios presenteres i samtaler mellom tre samtalepartnere: Sagredo, Salviati og Simplicio.
etc.................

I dag skal vi se nærmere på et viktig emne - vi vil definere Brownsk bevegelse av små stykker av materie i en væske eller gass.

Kart og koordinater

Noen skolebarn, plaget av kjedelige leksjoner, forstår ikke hvorfor studere fysikk. I mellomtiden var det denne vitenskapen som en gang gjorde det mulig å oppdage Amerika!

La oss starte langveis fra. De eldgamle sivilisasjonene i Middelhavet var på en måte heldige: de utviklet seg ved bredden av en lukket vannmasse i innlandet. Middelhavet kalles slik fordi det er omgitt på alle sider av land. Og de gamle reisende kunne reise ganske langt med sin ekspedisjon uten å miste kysten av syne. Konturene av landet hjalp til med å navigere. Og de første kartene ble tegnet opp beskrivende i stedet for geografisk. Takket være disse relativt korte reisene ble grekerne, fønikerne og egypterne veldig flinke til å bygge skip. Og der det beste utstyret er, er det ønsket om å flytte grensene for din verden.

Derfor bestemte de europeiske maktene seg en vakker dag for å gå inn i havet. Mens de seilte over de endeløse vidder mellom kontinentene, så sjømennene bare vann i mange måneder, og de måtte på en eller annen måte finne veien. Oppfinnelsen av nøyaktige klokker og et kompass av høy kvalitet bidro til å bestemme ens koordinater.

Klokke og kompass

Oppfinnelsen av små håndholdte kronometre hjalp sjømenn mye. For å finne ut nøyaktig hvor de var, trengte de å ha et enkelt instrument som målte solens høyde over horisonten, og å vite når nøyaktig middag var. Og takket være kompasset visste skipskapteinene hvor de skulle. Både klokken og egenskapene til den magnetiske nålen ble studert og skapt av fysikere. Takket være dette ble hele verden åpnet for europeere.

De nye kontinentene var terra incognita, uutforskede land. Merkelige planter vokste på dem og rare dyr ble funnet.

Planter og fysikk

Alle naturforskere i den siviliserte verden skyndte seg å studere disse nye merkelige økologiske systemene. Og selvfølgelig søkte de å dra nytte av dem.

Robert Brown var en engelsk botaniker. Han reiste til Australia og Tasmania og samlet plantesamlinger der. Allerede hjemme i England jobbet han hardt med beskrivelse og klassifisering av det medbrakte materialet. Og denne forskeren var veldig nøye. En dag, mens han observerte bevegelsen av pollen i plantesaften, la han merke til: små partikler gjør konstant kaotiske sikksakkbevegelser. Dette er definisjonen av Brownsk bevegelse av små elementer i gasser og væsker. Takket være oppdagelsen skrev den fantastiske botanikeren navnet sitt i fysikkens historie!

Brun og klebrig

I europeisk vitenskap er det vanlig å navngi en effekt eller et fenomen etter personen som oppdaget det. Men ofte skjer dette ved et uhell. Men personen som beskriver, oppdager viktigheten av, eller utforsker mer detaljert en fysisk lov, befinner seg i skyggen. Dette skjedde med franskmannen Louis Georges Gouy. Det var han som ga definisjonen av Brownsk bevegelse (7. klasse hører definitivt ikke om det når han studerer dette emnet i fysikk).

Gouys forskning og egenskaper ved Brownsk bevegelse

Den franske eksperimentatoren Louis Georges Gouy observerte bevegelsen av forskjellige typer partikler i flere væsker, inkludert løsninger. Vitenskapen på den tiden var allerede i stand til nøyaktig å bestemme størrelsen på stykker av materie ned til tideler av en mikrometer. Mens han utforsket hva Brownsk bevegelse er (det var Gouy som ga definisjonen av dette fenomenet i fysikk), innså forskeren: intensiteten av partikkelbevegelse øker hvis de plasseres i et mindre viskøst medium. Som en bredspektret eksperimentator utsatte han suspensjonen for lys og elektromagnetiske felt med varierende styrke. Forskeren fant at disse faktorene ikke på noen måte påvirker de kaotiske sikksakkhoppene til partikler. Gouy viste utvetydig hva Brownsk bevegelse beviser: den termiske bevegelsen av molekyler av en væske eller gass.

Lag og masse

La oss nå beskrive mer detaljert mekanismen for sikksakkhopp av små stykker av materie i en væske.

Ethvert stoff består av atomer eller molekyler. Disse elementene i verden er veldig små, ingen optisk mikroskop kan se dem. I væske svinger de og beveger seg hele tiden. Når en synlig partikkel kommer inn i en løsning, er massen tusenvis av ganger større enn ett atom. Den brownske bevegelsen til flytende molekyler skjer kaotisk. Men ikke desto mindre er alle atomer eller molekyler et kollektiv, de er knyttet til hverandre, som mennesker som slår seg sammen. Derfor hender det noen ganger at atomene i væsken på den ene siden av partikkelen beveger seg på en slik måte at de "trykker" på den, mens det skapes et mindre tett miljø på den andre siden av partikkelen. Derfor beveger støvpartikkelen seg i løsningens rom. Andre steder påvirker den kollektive bevegelsen av væskemolekyler tilfeldig den andre siden av en mer massiv komponent. Dette er nøyaktig hvordan Brownsk bevegelse av partikler oppstår.

Tid og Einstein

Hvis et stoff har en temperatur som ikke er null, gjennomgår atomene termiske vibrasjoner. Derfor, selv i en veldig kald eller underkjølt væske, eksisterer Brownsk bevegelse. Disse kaotiske hoppene av små suspenderte partikler stopper aldri.

Albert Einstein er kanskje den mest kjente vitenskapsmannen i det tjuende århundre. Alle som i det minste er litt interessert i fysikk kjenner formelen E = mc 2. Mange husker kanskje også den fotoelektriske effekten, som han fikk Nobelprisen for, og den spesielle relativitetsteorien. Men få mennesker vet at Einstein utviklet en formel for Brownsk bevegelse.

Basert på molekylær kinetisk teori, utledet forskeren diffusjonskoeffisienten til suspenderte partikler i væske. Og dette skjedde i 1905. Formelen ser slik ut:

D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ),

der D er den ønskede koeffisienten, R er den universelle gasskonstanten, T er den absolutte temperaturen (uttrykt i Kelvin), N A er Avogadros konstant (tilsvarer ett mol av et stoff, eller ca. 10 23 molekyler), a er det omtrentlige gjennomsnittet radius av partikler, ξ er den dynamiske viskositeten til en væske eller løsning.

Og allerede i 1908 beviste den franske fysikeren Jean Perrin og hans studenter eksperimentelt riktigheten av Einsteins beregninger.

En partikkel i krigerfeltet

Ovenfor beskrev vi miljøets kollektive påvirkning på mange partikler. Men selv ett fremmedelement i en væske kan gi opphav til noen mønstre og avhengigheter. For eksempel, hvis du observerer en Brownsk partikkel i lang tid, kan du registrere alle dens bevegelser. Og ut av dette kaoset vil et harmonisk system dukke opp. Den gjennomsnittlige bevegelsen til en Brownsk partikkel langs en hvilken som helst retning er proporsjonal med tiden.

I eksperimenter på en partikkel i en væske ble følgende mengder raffinert:

• Boltzmanns konstant;
• Avogadros nummer.

I tillegg til lineær bevegelse er også kaotisk rotasjon karakteristisk. Og den gjennomsnittlige vinkelforskyvningen er også proporsjonal med observasjonstiden.

Størrelser og former

Etter et slikt resonnement kan det oppstå et logisk spørsmål: hvorfor observeres ikke denne effekten for store kropper? For når omfanget av en gjenstand nedsenket i en væske er større enn en viss verdi, blir alle disse tilfeldige kollektive "dyttene" av molekyler til konstant trykk, ettersom de beregnes som gjennomsnitt. Og generalen Arkimedes virker allerede på kroppen. Dermed synker et stort stykke jern, og metallstøv flyter i vannet.

Størrelsen på partikler, som et eksempel på hvilke fluktuasjonen av flytende molekyler avsløres, bør ikke overstige 5 mikrometer. Når det gjelder store gjenstander, vil denne effekten ikke være merkbar.

I løpet av sin levetid mottok den skotske botanikeren Robert Brown, som den beste planteeksperten, tittelen "Prince of Botanists." Han gjorde mange fantastiske funn. I 1805, etter en fire år lang ekspedisjon til Australia, brakte han til England rundt 4000 arter av australske planter ukjente for forskere og brukte mange år på å studere dem. Beskrev planter hentet fra Indonesia og Sentral-Afrika. Han studerte plantefysiologi og beskrev for første gang i detalj kjernen til en plantecelle. Men navnet på forskeren er nå allment kjent ikke på grunn av disse arbeidene.

I 1827 utførte Brown forskning på plantepollen. Han var spesielt interessert i hvordan pollen deltar i befruktningsprosessen. En gang under et mikroskop undersøkte han langstrakte cytoplasmatiske korn suspendert i vann fra pollenceller fra den nordamerikanske planten Clarkia pulchella. Plutselig så Brown at de minste faste kornene, som knapt kunne ses i en vanndråpe, hele tiden skalv og beveget seg fra sted til sted. Han fant at disse bevegelsene, med hans ord, "ikke er assosiert med strømninger i væsken eller med dens gradvise fordampning, men er iboende i partiklene selv."

Browns observasjon ble bekreftet av andre forskere. De minste partiklene oppførte seg som om de var i live, og "dansen" til partiklene akselererte med økende temperatur og avtagende partikkelstørrelse og ble tydelig bremset når man erstattet vann med et mer viskøst medium. Dette fantastiske fenomenet stoppet aldri: det kunne observeres så lenge som ønsket. Først trodde Brown til og med at levende vesener faktisk falt inn i mikroskopets felt, spesielt siden pollen er de mannlige reproduksjonscellene til planter, men det var også partikler fra døde planter, selv fra de som ble tørket hundre år tidligere i herbarier. Så lurte Brown på om dette var de "elementære molekylene av levende vesener" som den berømte franske naturforskeren Georges Buffon (1707-1788), forfatter av det 36 bindende Natural History, snakket om. Denne antagelsen falt bort da Brown begynte å undersøke tilsynelatende livløse gjenstander; først var det veldig små partikler av kull, samt sot og støv fra London-luften, deretter finmalte uorganiske stoffer: glass, mange forskjellige mineraler. "Aktive molekyler" var overalt: "I hvert mineral," skrev Brown, "som jeg har lykkes med å male til støv i en slik grad at det i noen tid kunne være suspendert i vann, har jeg funnet, i større eller mindre mengder, disse molekylene."

I omtrent 30 år vakte ikke Browns oppdagelse interesse fra fysikere. Det nye fenomenet ble ikke tillagt stor betydning, tatt i betraktning at det ble forklart med skjelvingen av preparatet eller lignende til bevegelsen av støvpartikler, som observeres i atmosfæren når en lysstråle faller på dem, og som som kjent , er forårsaket av bevegelse av luft. Men hvis bevegelsene til Brownske partikler var forårsaket av strømninger i væsken, ville slike nabopartikler bevege seg i samspill, noe som motsier observasjonsdata.

En forklaring på Brownsk bevegelse (som dette fenomenet ble kalt) ved bevegelse av usynlige molekyler ble gitt først i siste fjerdedel av 1800-tallet, men ble ikke umiddelbart akseptert av alle vitenskapsmenn. I 1863 antydet en lærer i beskrivende geometri fra Karlsruhe (Tyskland), Ludwig Christian Wiener (1826-1896), at fenomenet var assosiert med de oscillerende bevegelsene til usynlige atomer. Det er viktig at Wiener så muligheten til å bruke dette fenomenet til å trenge inn i materiens strukturs hemmeligheter. Han var den første som prøvde å måle bevegelseshastigheten til Brownske partikler og dens avhengighet av størrelsen deres. Men Wieners konklusjoner ble komplisert av introduksjonen av begrepet "eteratomer" i tillegg til materieatomer. I 1876 viste William Ramsay, og i 1877, de belgiske jesuittprestene Carbonel, Delso og Thirion, og til slutt, i 1888, Guy, tydelig den termiske naturen til Brownsk bevegelse [5].

"Over et stort område," skrev Delso og Carbonelle, "påvirker molekylene, som er årsaken til trykket, ingen risting av den suspenderte kroppen, fordi de sammen skaper et jevnt trykk på kroppen i alle retninger . Men hvis arealet ikke er tilstrekkelig til å kompensere for ujevnhetene, er det nødvendig å ta hensyn til ulikheten i trykk og deres kontinuerlige endring fra punkt til punkt. Loven om store tall reduserer ikke lenger effekten av kollisjoner til et gjennomsnittlig jevnt trykk; deres resultat vil ikke lenger være lik null, men vil kontinuerlig endre retning og størrelse.»

Hvis vi aksepterer denne forklaringen, kan fenomenet termisk bevegelse av væsker, postulert av den kinetiske teorien, sies å være bevist ad oculos (visuelt). Akkurat som det er mulig, uten å skille bølger i det fjerne til sjøs, å forklare gyngingen til en båt i horisonten med bølger, på samme måte, uten å se bevegelsen til molekyler, kan man bedømme det ut fra bevegelsen til partikler som er suspendert i en væske.

Denne forklaringen av Brownsk bevegelse er viktig ikke bare som en bekreftelse av den kinetiske teorien, den medfører også viktige teoretiske konsekvenser. I henhold til loven om bevaring av energi må en endring i hastigheten til en suspendert partikkel ledsages av en endring i temperaturen i umiddelbar nærhet av denne partikkelen: denne temperaturen øker hvis hastigheten til partikkelen synker, og synker hvis hastigheten av partikkelen øker. Dermed er den termiske likevekten til en væske en statistisk likevekt.

En enda mer betydningsfull observasjon ble gjort i 1888 av Guy: Brownsk bevegelse, strengt tatt, følger ikke termodynamikkens andre lov. Faktisk, når en suspendert partikkel stiger spontant i en væske, blir en del av varmen fra omgivelsene spontant til mekanisk arbeid, som er forbudt av termodynamikkens andre lov. Observasjoner har imidlertid vist at løfting av en partikkel skjer sjeldnere, jo tyngre partikkelen er. For partikler av normal størrelse er denne sannsynligheten for en slik økning praktisk talt null.

Dermed blir termodynamikkens andre lov en sannsynlighetslov snarere enn en nødvendighetslov. Ingen tidligere erfaring har støttet denne statistiske tolkningen. Det var nok å fornekte eksistensen av molekyler, slik det for eksempel ble gjort av energetikkskolen, som blomstret under ledelse av Mach og Ostwald, for at termodynamikkens andre lov ble en lov om nødvendighet. Men etter oppdagelsen av Brownsk bevegelse ble en streng tolkning av den andre loven umulig: det var reell erfaring som viste at termodynamikkens andre lov er konstant krenket i naturen, at en evighetsmaskin av den andre typen ikke bare ikke er utelukket , men blir stadig realisert rett foran øynene våre.

Derfor, på slutten av forrige århundre, fikk studiet av Brownsk bevegelse enorm teoretisk betydning og tiltrakk seg oppmerksomheten til mange teoretiske fysikere, og spesielt Einstein.

Et av de indirekte bevisene på at alle stoffer består av atomer og molekyler som beveger seg tilfeldig er Brownsk bevegelse.

Dette er den kontinuerlige kaotiske bevegelsen av partikler suspendert i en væske eller gass.

Årsaken til denne bevegelsen er kollisjonen av molekyler med en partikkel, som ikke kompenserer hverandre.

Hvis du ser gjennom et flaskeglass inn i lyset, kan du se hvordan støvpartikler lager kaotiske bevegelser i luften.

Observasjoner av Robert Brown

I 1827 rapporterte den skotske botanikeren Robert Brown sine observasjoner til det vitenskapelige samfunnet. Han tilsatte små pollenkorn i vannet, belyste dem med intenst lys og observerte dem under et mikroskop.

Brown oppdaget en sterk, kontinuerlig og sikksakk-bevegelse av disse partiklene i vann, selv om overflaten av væsken var helt ubevegelig.

På den tiden kunne han ikke forklare hva som ble kilden til denne bevegelsen. Årsaken til fenomenet ble sagt å være temperaturforskjellen inne i vannet og risting av bordet som forsøket ble utført på.

Fram til slutten av århundret var forskere skeptiske til Brownsk bevegelse. Bare noen få anså det som en bekreftelse på den molekylære kinetiske teorien om materiens struktur.

Andre fysikere insisterte på at atomer og molekyler faktisk ikke eksisterte som virkelige objekter, men var matematiske konsepter som var nyttige for å beregne resultatene av kjemiske reaksjoner.

Einsteins teori og Perrins eksperiment

I 1905 publiserte Albert Einstein, uvitende om Browns observasjoner, en artikkel der han ved hjelp av matematiske beregninger resonnerte at hvis en liten partikkel av et stoff plasseres i vann, vil den begynne å bevege seg i forskjellige retninger. Bevegelsen av partikkelen vil være et resultat av bombardement fra alle sider av vannmolekyler. På et bestemt tidspunkt treffer vannmolekylene partikkelen mer på den ene siden enn den andre, noe som resulterer i et tilsynelatende tilfeldig bevegelsesmønster. Einsteins arbeid ble det første teoretiske argumentet for eksistensen av molekyler og atomer.

I 1909 bekreftet et eksperiment av den franske vitenskapsmannen Jean Baptiste Perrin Einsteins formel, publisert i 1905, og bidro til å bevise eksistensen av atomer og molekyler. Dette beviset ga ham Nobelprisen i fysikk i 1926.

I følge Einsteins ligninger, som statistisk beskriver Brownsk bevegelse, skal noen av partiklene suspendert i vann bevege seg i motsatt retning av tyngdekraften. Siden vannmolekyler gir dem fart og endrer bevegelsesretningen.

Perrin begynte sine møysommelige observasjoner av oppførselen til gummiekstraktpartikler i 1908 for å bestemme den omtrentlige størrelsen på vannmolekyler.

Han brukte flere måneder med isolasjon på å observere biter av gummigut som veide 0,1 gram. I følge Einsteins molekylære teori vil ikke alle partikler synke til bunnen av suspensjonen. Jean Perrin telte antall partikler på forskjellige dyp i en dråpe væske på 0,12 mm dyp. Konsentrasjonen av partikler avtok eksponentielt med høyden, i samsvar med de matematiske spådommene til Einsteins teori.

Einstein assosierte konseptet med Avogadros tall (6.023 * 10 23) med Brownsk bevegelse. Perrin oppnådde denne verdien ved å utføre beregninger basert på data innhentet i laboratoriet.

Under sin Nobeltale sa han: «Hvis molekyler og atomer virkelig eksisterer, er deres relative vekt kjent for oss. Når vi vet Avogadros nummer, kan vi vite deres absolutte vekt."