Теория броуновского движения как доказательство атомной структуры вещества

Биология » Концепции современного естествознания » Теория броуновского движения как доказательство атомной структуры вещества

В 1828 г. ботаник Броун (правильнее – Браун), рассматривая под микроскопом пыльцу сосны, заметил, что зёрнышки пыльцы подрагивают и перемещаются. И не только пыльца – все мелкие предметы, взвешенные в воде или газе (например, частички, составляющие дым) находятся в непрерывном движении. В 1905 г. Эйнштейн дал физическую теорию этого движения.

Согласно кинетической теории газов, молекулы газа находятся в непрерывном движении и постоянно сталкиваются друг с другом. Некоторые молекулы в данный момент времени движутся быстрее, некоторые – медленнее, но средняя скорость при данной температуре и давлении не меняется. Формулу распределения молекул по скоростям вывел Максвелл, она так и называется – распределение Максвелла. Если взять какой-либо диапазон скоростей, например от 0 до 5 000 м/сек и разбить его на несколько интервалов, скажем, на 10, то с помощью распределения Максвелла можно рассчитать, какой процент молекул будет иметь скорость от 0 до 500 м/сек, какой – от 500 до 1000 и т.д.

Это распределение описывает также количество молекул воздуха (а, следовательно, и давление) на любой высоте над уровнем моря – чтобы высоко улететь и приобрести высокую потенциальную энергию, нужно иметь большую энергию кинетическую, а доля молекул с большой кинетической энергией как раз и рассчитывается по распределению Максвелла.

Если рассматривать смесь разных газов, то средние импульсы молекул каждого газа равны между собой. Допустим, в имеется смесь азота и водорода. Молекулы азота в 14 раз тяжелее молекул водорода. При равенстве средних импульсов mазVаз = mводVвод (m – масса, V – скорость) средняя скорость молекул водорода должна быть в 14 раз больше, чем у молекул азота.

Пропустив частности, законы распределения молекул в газе можно распространить и на жидкость.

Эйнштейн решил, что с точки зрения ньютоновой механики частицы, участвующие в броуновском движении, можно рассматривать как очень крупные молекулы – главное ведь не структура, а масса и скорость. Тогда средний импульс броуновских частиц, должен быть таким же, как в молекулах газа или жидкости. И наоборот – зная средний импульс частиц, можно определить импульсы молекул.

Жан Перрен экспериментально проверил гипотезу Эйнштейна.

Для этого он изготовил очень мелкие шарики одинаковой массы и рассмотрел под микроскопом распределение этих шариков по высоте. Количество шариков в зависимости от высоты относительно предметного столика микроскопа менялось по тому же закону (распределению Максвелла), что и давление воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря, только вертикальный масштаб был иной, изменённый пропорционально разнице в массах молекул газов воздуха и броуновских частиц.

Такое совпадение не может быть случайностью.

Оно говорит о том, что молекулы обладают массой и импульсом, и, более того, теория броуновского движения позволяет рассчитать массу молекул следовательно, и атомов. В простейшие формулы кинетической теории газов входит N, число Авогадро (количество молекул газа в метрическом объёме), например Давление Объём = 2/3 N Средняя кинетическая энергия молекулы

Таким образом, зная массу молекулы, можно рассчитать число Авогадро (Перрен сделал это с 12% ошибкой), и, далее, размеры молекул. Приблизительно в это же время Резерфорд, исследуя число распадов атомов радиоактивных веществ в единицу времени, рассчитал число Авогадро совершенно иным методом и его результат оказался в соответствии с данными Перрена. Оказалось, что физические характеристики визуально ненаблюдаемых молекул и атомов могут быть измерены. «Увидеть» молекулы и атомы удалось довольно скоро – в 1912 г. Макс Лауэ получил дифракцию рентгеновских лучей на кристалле сернокислой меди. Таким образом, в начале ХХ в. атом становится физической реальностью. Ж. Перрен за свои эксперименты работы в области броуновского движения получил Нобелевскую премию 1908 г.


Другое по теме:

Преимущества и перспективы системного метода
Обратимся теперь к вопросу о преимуществах и перспективах системного метода исследования. Прежде всего, заметим, что возникновение самого системного метода и его применение в естествознании и других науках знаменуют значительно возросшую ...

Определение токсичности сточных вод
В качестве тест-объектов можно использовать следующие организмы: дафнии (Daphnia magna Straus); большой прудовик (Limnaca stagnalis) и гуппи (Lebistes reticulatus). Установление уровня токсического загрязнения (УТЗ) водных масс по данным ...

Теория творения (креационизм)
Данная теория утверждает, что человек сотворен Богом, богами или божественной силой из ничего или из какого-либо небиологического материала. Наиболее известна библейская версия, согласно которой первые люди - Адам и Ева - были сотворены и ...