Skotlantilainen kasvitieteilijä Robert Brown (joskus hänen sukunimensä on litteroitu Browniksi) sai elämänsä aikana parhaana kasviasiantuntijana tittelin "kasvitieteilijöiden prinssi". Hän teki monia upeita löytöjä. Vuonna 1805, neljän vuoden Australian tutkimusmatkan jälkeen, hän toi Englantiin noin 4000 tutkijoille tuntematonta australialaista kasvilajia ja vietti useita vuosia niiden tutkimiseen. Kuvatut kasvit tuotu Indonesiasta ja Keski-Afrikasta. Hän opiskeli kasvin fysiologiaa ja kuvasi ensimmäistä kertaa yksityiskohtaisesti kasvisolun ytimen. Pietarin tiedeakatemia teki hänestä kunniajäsenen. Mutta tiedemiehen nimi on nyt laajalti tunnettu ei näiden teosten vuoksi.

Vuonna 1827 Brown suoritti tutkimusta kasvien siitepölystä. Hän oli erityisen kiinnostunut siitä, kuinka siitepöly osallistuu hedelmöitysprosessiin. Kerran hän katsoi mikroskoopin alla pohjoisamerikkalaisen kasvin siitepölysoluja. Clarkia pulchella(melko clarkia) pitkänomaiset sytoplasmiset jyvät suspendoituna veteen. Yhtäkkiä Brown näki, että pienimmät kiinteät jyvät, jotka tuskin näkyivät vesipisarassa, vapisevat jatkuvasti ja liikkuivat paikasta toiseen. Hän havaitsi, että nämä liikkeet hänen sanojensa mukaan "ei liity nesteen virtauksiin tai sen asteittaiseen haihtumiseen, vaan ne ovat luontaisia ​​itse hiukkasille".

Muut tutkijat vahvistivat Brownin havainnon. Pienimmät hiukkaset käyttäytyivät kuin olisivat elossa, ja hiukkasten "tanssi" kiihtyi lämpötilan noustessa ja hiukkaskoon pienentyessä ja hidastui selvästi, kun vesi korvattiin viskoosisemalla väliaineella. Tämä hämmästyttävä ilmiö ei koskaan lakannut: sitä voitiin tarkkailla niin kauan kuin haluttiin. Aluksi Brown jopa luuli, että elävät olennot todella putosivat mikroskoopin kentälle, varsinkin kun siitepöly on kasvien urospuolisia sukusoluja, mutta hiukkasia oli myös kuolleista kasveista, jopa sata vuotta aikaisemmin herbaareissa kuivatuista. Sitten Brown mietti, olivatko nämä "elävien olentojen perusmolekyylejä", joista puhui kuuluisa ranskalainen luonnontieteilijä Georges Buffon (1707–1788), 36-osaisen kirjan kirjoittaja. Luonnonhistoria. Tämä oletus karkasi, kun Brown alkoi tutkia näennäisesti elottomia esineitä; aluksi se oli hyvin pieniä hiilen hiukkasia sekä Lontoon ilmasta peräisin olevaa nokea ja pölyä, sitten hienoksi jauhettua epäorgaanista ainetta: lasia, monia erilaisia ​​mineraaleja. "Aktiivisia molekyylejä" oli kaikkialla: "Jokaisesta mineraalista", kirjoitti Brown, "jotka olen onnistunut jauhamaan siinä määrin, että se voi suspendoitua veteen jonkin aikaa, olen löytänyt näitä molekyylejä suurempina tai pienempinä määrinä. ."

On sanottava, että Brownilla ei ollut uusimpia mikroskooppeja. Artikkelissaan hän korostaa erityisesti, että hänellä oli tavalliset kaksoiskuperat linssit, joita hän käytti useita vuosia. Ja hän jatkaa: "Koko tutkimuksen ajan jatkoin samojen linssien käyttöä, joilla aloitin työni antaakseni lausuntoilleni enemmän uskottavuutta ja tehdäkseni niistä mahdollisimman helposti tavallisten havaintojen ulottuvilla."

Toistaakseni Brownin havainnon, riittää, että sinulla on ei kovin vahva mikroskooppi ja sen avulla tutkitaan savua mustuneessa laatikossa, joka on valaistu sivureiän läpi voimakkaalla valonsäteellä. Kaasussa ilmiö ilmenee paljon selvemmin kuin nesteessä: näkyvissä on pieniä tuhkan tai noen paloja (savun lähteestä riippuen), jotka sirottavat valoa ja hyppäävät jatkuvasti edestakaisin.

Kuten tieteessä usein tapahtuu, monia vuosia myöhemmin historioitsijat havaitsivat, että jo vuonna 1670 mikroskoopin keksijä, hollantilainen Antonie Leeuwenhoek, ilmeisesti havaitsi samanlaisen ilmiön, mutta mikroskooppien harvinaisuus ja epätäydellisyys, molekyylitieteen sikiötila tuolloin. ei kiinnittänyt huomiota Leeuwenhoekin havaintoon, joten löytö on oikeutetusti Brownin ansiota, joka oli ensimmäinen, joka tutki ja kuvasi sitä yksityiskohtaisesti.

Brownin liike ja atomi-molekyyliteoria.

Brownin havaitsemasta ilmiöstä tuli nopeasti laajalti tunnettu. Hän itse näytti kokeilunsa lukuisille kollegoille (Brown listaa kaksi tusinaa nimeä). Mutta Brown itse tai monet muut tiedemiehet eivät moneen vuoteen pystyneet selittämään tätä mystistä ilmiötä, jota kutsuttiin "brownilaisliikkeeksi". Hiukkasten liikkeet olivat täysin satunnaisia: eri ajankohtina (esimerkiksi joka minuutti) tehdyt luonnokset niiden sijainnista eivät ensisilmäyksellä mahdollistaneet näiden liikkeiden kaavojen löytämistä.

Selitys Brownin liikkeelle (kuten tätä ilmiötä kutsuttiin) näkymättömien molekyylien liikkeellä annettiin vasta 1800-luvun viimeisellä neljänneksellä, mutta kaikki tiedemiehet eivät heti hyväksyneet sitä. Vuonna 1863 Karlsruhesta (Saksa) kotoisin oleva kuvailevan geometrian opettaja Ludwig Christian Wiener (1826–1896) ehdotti, että ilmiö liittyi näkymättömien atomien värähteleviin liikkeisiin. Tämä oli ensimmäinen, vaikkakin hyvin kaukana nykyaikaisesta, selitys Brownin liikkeelle itse atomien ja molekyylien ominaisuuksilla. On tärkeää, että Wiener näki mahdollisuuden käyttää tätä ilmiötä tunkeutuakseen aineen rakenteen salaisuuksiin. Hän oli ensimmäinen, joka yritti mitata Brownin hiukkasten liikenopeuden ja sen riippuvuuden niiden koosta. On kummallista, että vuonna 1921 Yhdysvaltain kansallisen tiedeakatemian raportit Teos julkaistiin toisen wienerin - kuuluisan kybernetiikan perustajan Norbertin - Brownin liikkeestä.

L.K. Wienerin ideat hyväksyivät ja kehittivät useat tiedemiehet - Sigmund Exner Itävallassa (ja 33 vuotta myöhemmin - hänen poikansa Felix), Giovanni Cantoni Italiassa, Karl Wilhelm Negeli Saksassa, Louis Georges Gouy Ranskassa, kolme belgialaista pappia - Jesuiitat Carbonelli, Delso ja Tirion ja muut. Näiden tiedemiesten joukossa oli myöhemmin kuuluisa englantilainen fyysikko ja kemisti William Ramsay. Vähitellen kävi selväksi, että pienimpiin ainesjyviin törmäsivät joka puolelta vielä pienemmät hiukkaset, jotka eivät enää näkyneet mikroskoopilla - aivan kuten kaukaisen veneen keinuttavat aallot eivät näy rannalta, kun taas veneen liikkeet itse näkyy melko selvästi. Kuten he kirjoittivat yhdessä artikkelissa vuonna 1877, "...suurten lukujen laki ei enää vähennä törmäysten vaikutusta keskimääräiseen tasapaineeseen; niiden resultantti ei ole enää yhtä suuri kuin nolla, vaan se muuttaa jatkuvasti suuntaansa ja suuruus."

Laadullisesti kuva oli varsin uskottava ja jopa visuaalinen. Pienen oksan tai hyönteisen tulisi liikkua suunnilleen samalla tavalla, monien muurahaisten työntämänä (tai vetämänä) eri suuntiin. Nämä pienemmät hiukkaset olivat itse asiassa tutkijoiden sanavarastossa, mutta kukaan ei ollut koskaan nähnyt niitä. Niitä kutsuttiin molekyyleiksi; Käännettynä latinasta tämä sana tarkoittaa "pientä massaa". Hämmästyttävää kyllä, juuri tämän selityksen samanlaiselle ilmiölle antoi roomalainen filosofi Titus Lucretius Carus (n. 99–55 eKr.) kuuluisassa runossaan. Asioiden luonteesta. Siinä hän kutsuu pienimpiä silmälle näkymättömiä hiukkasia asioiden "alkuperiaatteiksi".

Asioiden periaatteet liikkuvat ensin itsestään,
Heitä seuraavat kehot niiden pienimmästä yhdistelmästä,
Vahvuudeltaan ikään kuin lähellä ensisijaisia ​​periaatteita,
Heiltä piilossa, iskuja saaneena he alkavat pyrkiä,
Itsensä liikkumaan, sitten rohkaisemaan suurempia kehoja.
Joten alusta alkaen liikettä pikkuhiljaa
Se koskettaa tunteitamme ja tulee myös näkyväksi
Meille ja pölyhiukkasille, jotka liikkuvat auringonvalossa,
Vaikka vapina, josta se syntyy, on huomaamaton...

Myöhemmin kävi ilmi, että Lucretius oli väärässä: Brownin liikettä on mahdotonta havaita paljaalla silmällä, ja pölyhiukkaset auringonsäteessä, jotka tunkeutuivat pimeään huoneeseen "tanssivat" ilman pyörteiden liikkeiden vuoksi. Mutta ulkoisesti molemmilla ilmiöillä on joitain yhtäläisyyksiä. Ja vasta 1800-luvulla. Monille tutkijoille kävi selväksi, että Brownin hiukkasten liike johtuu väliaineen molekyylien satunnaisista vaikutuksista. Liikkuvat molekyylit törmäävät pölyhiukkasten ja muiden vedessä olevien kiinteiden hiukkasten kanssa. Mitä korkeampi lämpötila, sitä nopeampi liike. Jos pölyhiukkanen on suuri, esimerkiksi kooltaan 0,1 mm (halkaisija on miljoona kertaa suurempi kuin vesimolekyylin), niin monet samanaikaiset törmäykset kaikilta puolilta ovat keskenään tasapainossa, eikä se käytännössä ole. "tuntea" niitä - suunnilleen sama kuin lautasen kokoinen puupala ei "tuntea" monien muurahaisten ponnisteluja, jotka vetävät tai työntävät sitä eri suuntiin. Jos pölyhiukkanen on suhteellisen pieni, se liikkuu suuntaan tai toiseen ympäröivien molekyylien iskujen vaikutuksesta.

Brownin hiukkasten koko on luokkaa 0,1–1 μm, ts. tuhannesosasta yhteen kymmentuhansosaan millimetriä, minkä vuoksi Brown pystyi havaitsemaan niiden liikkeen, koska hän katseli pieniä sytoplasmisia jyviä, ei itse siitepölyä (josta usein kirjoitetaan virheellisesti). Ongelmana on, että siitepölysolut ovat liian suuria. Siten tuulen kantamassa ja ihmisille allergisia sairauksia (heinänuhaa) aiheuttavassa nurmen siitepölyssä solukoko on yleensä 20 - 50 mikronin välillä, ts. ne ovat liian suuria havaitsemaan Brownin liikettä. On myös tärkeää huomata, että Brownin hiukkasen yksittäisiä liikkeitä tapahtuu hyvin usein ja hyvin lyhyillä etäisyyksillä, joten niitä on mahdoton nähdä, mutta mikroskoopilla tietyn ajanjakson aikana tapahtuneet liikkeet ovat näkyvissä.

Näyttää siltä, ​​​​että itse Brownin liikkeen olemassaolon tosiasia osoitti yksiselitteisesti aineen molekyylirakenteen, mutta jopa 1900-luvun alussa. Oli tiedemiehiä, mukaan lukien fyysikot ja kemistit, jotka eivät uskoneet molekyylien olemassaoloon. Atomi-molekyyliteoria sai tunnustusta vain hitaasti ja vaikein. Niinpä johtava ranskalainen orgaaninen kemisti Marcelin Berthelot (1827–1907) kirjoitti: "Käsittely molekyylistä on tietojemme kannalta epävarma, kun taas toinen käsite - atomi - on puhtaasti hypoteettinen." Kuuluisa ranskalainen kemisti A. Saint-Clair Deville (1818–1881) puhui vielä selvemmin: ”En hyväksy Avogadron lakia, enkä atomia enkä molekyyliä, koska kieltäydyn uskomasta siihen, mitä en voi nähdä enkä havaita. ” Ja saksalainen fysikaalinen kemisti Wilhelm Ostwald (1853–1932), Nobel-palkinnon saaja, yksi fysikaalisen kemian perustajista 1900-luvun alussa. kiisti päättäväisesti atomien olemassaolon. Hän onnistui kirjoittamaan kolmiosaisen kemian oppikirjan, jossa sanaa "atomi" ei koskaan edes mainita. Puhuessaan 19. huhtikuuta 1904, kun Ostwald piti suuren raportin kuninkaallisessa instituutissa Englannin kemian seuran jäsenille, hän yritti todistaa, että atomeja ei ole olemassa, ja "se mitä me kutsumme aineeksi, on vain kokoelma energioita, jotka on kerätty yhteen tietyssä tilassa. paikka."

Mutta edes ne fyysikot, jotka hyväksyivät molekyyliteorian, eivät voineet uskoa, että atomi-molekyyliteorian pätevyys todistettiin näin yksinkertaisella tavalla, joten ilmiön selittämiseen esitettiin useita vaihtoehtoisia syitä. Ja tämä on aivan tieteen hengessä: kunnes ilmiön syy on yksiselitteisesti tunnistettu, on mahdollista (ja jopa välttämätöntä) olettaa erilaisia ​​hypoteeseja, joita tulisi mahdollisuuksien mukaan testata kokeellisesti tai teoreettisesti. Niinpä vuonna 1905 Pietarin fysiikan professorin N.A. Gezekhusin, kuuluisan akateemikon A.F. Ioffen opettajan, lyhyt artikkeli julkaistiin Brockhausin ja Efronin Encyclopedic Dictionary -sanakirjassa. Gesehus kirjoitti, että joidenkin tutkijoiden mukaan Brownin liike johtuu "nesteen läpi kulkevista valo- tai lämpösäteistä", ja se tiivistyy "yksinkertaisiksi virtauksiksi nesteessä, joilla ei ole mitään tekemistä molekyylien liikkeiden kanssa", ja nämä virtaukset voi johtua "haihtumista, diffuusiota ja muista syistä". Olihan jo tiedossa, että hyvin samanlainen pölyhiukkasten liike ilmassa johtuu juuri pyörrevirroista. Mutta Gesehusin antama selitys voidaan helposti kumota kokeellisesti: jos tarkastellaan kahta hyvin lähellä toisiaan sijaitsevaa Brownin hiukkasta vahvan mikroskoopin läpi, niiden liikkeet osoittautuvat täysin itsenäisiksi. Jos nämä liikkeet johtuisivat nesteen virroista, tällaiset vierekkäiset hiukkaset liikkuisivat yhdessä.

Brownin liikkeen teoria.

1900-luvun alussa. useimmat tutkijat ymmärsivät Brownin liikkeen molekyylitason. Mutta kaikki selitykset jäivät puhtaasti laadullisiksi; mikään kvantitatiivinen teoria ei kestänyt kokeellista testausta. Lisäksi itse koetulokset olivat epäselviä: fantastinen spektaakkeli pysähtymättä ryntäävien hiukkasten hypnotisoi kokeen tekijät, eivätkä he tienneet tarkalleen, mitä ilmiön ominaisuuksia piti mitata.

Huolimatta ilmeisestä täydellisestä häiriöstä oli silti mahdollista kuvata Brownin hiukkasten satunnaisia ​​liikkeitä matemaattisella suhteella. Puolalainen fyysikko Marian Smoluchowski (1872–1917), joka työskenteli noina vuosina Lvivin yliopistossa, antoi ensimmäisen kerran tarkan selityksen Brownin liikkeestä vuonna 1904. Samaan aikaan tämän ilmiön teorian kehitti Albert Einstein (1879–1955), tuolloin vähän tunnettu 2. luokan asiantuntija Sveitsin Bernin kaupungin patenttivirastosta. Hänen artikkelinsa, joka julkaistiin toukokuussa 1905 saksalaisessa Annalen der Physik -lehdessä, oli otsikko Lepotilassa olevaan nesteeseen suspendoituneiden hiukkasten liikkeestä, lämmön molekyylikineettisen teorian vaatimasta. Tällä nimellä Einstein halusi osoittaa, että aineen rakenteen molekyylikineettinen teoria edellyttää välttämättä pienimpien kiinteiden hiukkasten satunnaista liikettä nesteissä.

On kummallista, että aivan tämän artikkelin alussa Einstein kirjoittaa tuntevansa itse ilmiön, vaikkakin pinnallisesti: "On mahdollista, että kyseessä olevat liikkeet ovat identtisiä niin sanotun Brownin molekyyliliikkeen kanssa, mutta käytettävissä oleva tieto Minusta jälkimmäiset ovat niin epätarkkoja, etten voinut muotoilla, tämä on varma mielipide." Ja vuosikymmeniä myöhemmin, jo myöhäisessä elämässään, Einstein kirjoitti muistelmiinsa jotain muuta - että hän ei tiennyt Brownin liikkeestä ollenkaan ja itse asiassa "löysi" sen uudelleen puhtaasti teoreettisesti: "Ei tiennyt, että "Brownin liikkeen" havainnot ovat olleet pitkään. Tiedossa, huomasin, että atomiteoria johtaa mikroskooppisten suspendoituneiden hiukkasten havaittavissa olevan liikkeen olemassaoloon." Oli miten oli, Einsteinin teoreettinen artikkeli päättyi suoraan kutsuun kokeilijoille testata hänen päätelmänsä kokeellisesti: "Jos joku tutkija voisi pian vastata täällä esiin nostetut kysymykset, kysymyksiä!" – hän päättää artikkelinsa sellaiseen epätavalliseen huudahdukseen.

Vastaus Einsteinin intohimoiseen vetoomukseen ei odottanut kauan.

Smoluchowski-Einsteinin teorian mukaan Brownin hiukkasen neliön siirtymän keskiarvo ( s 2) ajaksi t suoraan verrannollinen lämpötilaan T ja kääntäen verrannollinen nesteen viskositeettiin h, hiukkaskokoon r ja Avogadron vakio

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

Missä R– kaasuvakio. Joten, jos 1 minuutissa hiukkanen, jonka halkaisija on 1 μm, liikkuu 10 μm, niin 9 minuutissa - 10 = 30 μm, 25 minuutissa - 10 = 50 μm jne. Samanlaisissa olosuhteissa hiukkanen, jonka halkaisija on 0,25 μm samojen ajanjaksojen aikana (1, 9 ja 25 min), liikkuu vastaavasti 20, 60 ja 100 μm, koska = 2. On tärkeää, että yllä oleva kaava sisältää Avogadron vakio, joka siis voidaan määrittää Brownin hiukkasen liikkeen kvantitatiivisilla mittauksilla, jotka teki ranskalainen fyysikko Jean Baptiste Perrin (1870–1942).

Vuonna 1908 Perrin aloitti Brownin hiukkasten liikkeen kvantitatiiviset havainnot mikroskoopilla. Hän käytti vuonna 1902 keksittyä ultramikroskooppia, joka mahdollisti pienimpien hiukkasten havaitsemisen sirottamalla niihin valoa tehokkaasta sivuvalaistuksesta. Perrin sai pieniä, lähes pallomaisia ​​ja suunnilleen samankokoisia palloja purukumista, joidenkin trooppisten puiden tiivistyneestä mahlaa (käytetään myös keltaisena akvarellimaalina). Nämä pienet helmet suspendoitiin glyseroliin, joka sisälsi 12 % vettä; viskoosi neste esti sisäisten virtausten ilmaantumisen, jotka hämärtäisivät kuvaa. Sekuntikellolla aseistettuna Perrin pani merkille ja sitten piirsi (tietysti suuresti suurennetussa mittakaavassa) graafiselle paperiarkille hiukkasten sijainnin säännöllisin väliajoin, esimerkiksi puolen minuutin välein. Yhdistämällä saadut pisteet suorilla viivoilla hän sai monimutkaisia ​​lentoratoja, joista osa on esitetty kuvassa (ne on otettu Perrinin kirjasta Atomit, julkaistiin vuonna 1920 Pariisissa). Tällainen kaoottinen, epäsäännöllinen hiukkasten liike johtaa siihen, että ne liikkuvat avaruudessa melko hitaasti: segmenttien summa on paljon suurempi kuin hiukkasen siirtymä ensimmäisestä pisteestä viimeiseen.

Kolmen Brownin hiukkasen peräkkäiset asennot 30 sekunnin välein - kumipallot, joiden koko on noin 1 mikroni. Yksi solu vastaa 3 µm:n etäisyyttä. Jos Perrin pystyisi määrittämään Brownin hiukkasten sijainnin ei 30, vaan 3 sekunnin kuluttua, niin jokaisen naapuripisteen väliset suorat muuttuisivat samaksi monimutkaiseksi siksak-katkoviivaksi, vain pienemmässä mittakaavassa.

Teoreettista kaavaa ja tuloksiaan käyttäen Perrin sai Avogadron numerolle arvon, joka oli varsin tarkka tuohon aikaan: 6,8 . 10 23 . Perrin käytti myös mikroskoopilla tutkiakseen Brownin hiukkasten pystyjakaumaa ( cm. AVOGADRON LAKI) ja osoittivat, että painovoiman vaikutuksesta huolimatta ne pysyvät suspendoituneena liuoksessa. Perrin omistaa myös muita tärkeitä teoksia. Vuonna 1895 hän osoitti, että katodisäteet ovat negatiivisia sähkövarauksia (elektroneja), ja vuonna 1901 hän ehdotti ensimmäisen kerran atomin planeettamallia. Vuonna 1926 hänelle myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto.

Perrinin saamat tulokset vahvistivat Einsteinin teoreettiset johtopäätökset. Se teki vahvan vaikutuksen. Kuten amerikkalainen fyysikko A. Pais kirjoitti monta vuotta myöhemmin, "et koskaan lakkaa hämmästymästä tästä tuloksesta, joka on saatu niin yksinkertaisella tavalla: riittää, että valmistetaan suspensio palloista, joiden koko on suuri kokoon verrattuna. yksinkertaisista molekyyleistä, ota sekuntikello ja mikroskooppi, niin voit määrittää Avogadron vakion! Saattaa myös olla yllättynyt: tieteellisissä julkaisuissa (Nature, Science, Journal of Chemical Education) ilmestyy edelleen ajoittain kuvauksia uusista Brownin liikettä koskevista kokeista! Perrinin tulosten julkaisemisen jälkeen, entinen atomismin vastustaja Ostwald myönsi, että "Brownin liikkeen yhteensopivuus kineettisen hypoteesin vaatimusten kanssa... antaa nyt varovaisimmalle tiedemiehelle oikeuden puhua atomiteorian kokeellisesta todistuksesta aineesta. Siten atomiteoria on nostettu tieteellisen, hyvin perustellun teorian arvoon." Ranskalainen matemaatikko ja fyysikko Henri Poincaré toistaa häntä: "Perrinin loistava atomien lukumäärän määritys viimeisteli atomismin voiton... Kemistien atomista on nyt tullut todellisuutta."

Brownin liike ja diffuusio.

Brownin hiukkasten liike on ulkonäöltään hyvin samanlaista kuin yksittäisten molekyylien liike niiden lämpöliikkeen seurauksena. Tätä liikettä kutsutaan diffuusioksi. Jo ennen Smoluchowskin ja Einsteinin työtä molekyylin liikkeen lait vahvistettiin yksinkertaisimmassa aineen kaasumaisessa tilassa. Kävi ilmi, että kaasujen molekyylit liikkuvat erittäin nopeasti - luodin nopeudella, mutta ne eivät voi lentää kauas, koska ne törmäävät hyvin usein muihin molekyyleihin. Esimerkiksi ilmassa olevat happi- ja typpimolekyylit, jotka liikkuvat noin 500 m/s:n keskinopeudella, kokevat yli miljardi törmäystä sekunnissa. Siksi molekyylin polku, jos sitä olisi mahdollista seurata, olisi monimutkainen katkoviiva. Brownin hiukkaset kuvaavat myös samanlaista liikerataa, jos niiden sijainti tallennetaan tietyin aikavälein. Sekä diffuusio että Brownin liike ovat seurausta molekyylien kaoottisesta lämpöliikkeestä, ja siksi niitä kuvaavat samanlaiset matemaattiset suhteet. Erona on, että kaasujen molekyylit liikkuvat suorassa linjassa, kunnes ne törmäävät muihin molekyyleihin, minkä jälkeen ne muuttavat suuntaa. Brownin hiukkanen, toisin kuin molekyyli, ei suorita mitään "vapaita lentoja", vaan kokee hyvin usein pieniä ja epäsäännöllisiä "värähtelyjä", joiden seurauksena se siirtyy kaoottisesti suuntaan tai toiseen. Laskelmat ovat osoittaneet, että 0,1 µm:n hiukkasella yksi liike tapahtuu kolmessa sekunnin miljardisosassa vain 0,5 nm:n etäisyydellä (1 nm = 0,001 µm). Kuten eräs kirjoittaja osuvasti ilmaisi, tämä muistuttaa tyhjän oluttölkin siirtämistä aukiolle, jonne on kokoontunut joukko ihmisiä.

Diffuusio on paljon helpompi havaita kuin Brownin liike, koska se ei vaadi mikroskooppia: liikkeitä ei havaita yksittäisistä hiukkasista, vaan niiden valtavista massoista, sinun on vain varmistettava, että diffuusio ei ole päällekkäinen konvektiolla - aineen sekoittuminen pyörrevirtausten tulos (sellaiset virtaukset on helppo havaita laittamalla tippa värillistä liuosta, kuten mustetta, lasiin kuumaa vettä).

Diffuusio on kätevää tarkkailla paksuissa geeleissä. Tällainen geeli voidaan valmistaa esimerkiksi penisilliinipurkkiin valmistamalla siihen 4–5 % gelatiiniliuos. Liivatin on ensin turvottava useita tunteja, minkä jälkeen se liukenee kokonaan sekoittaen laskemalla purkki kuumaan veteen. Jäähdytyksen jälkeen saadaan virtaamaton geeli läpinäkyvän, hieman samean massan muodossa. Jos työnnät terävillä pinseteillä varovasti pienen kaliumpermanganaattikiteen ("kaliumpermanganaatti") tämän massan keskelle, kide jää roikkumaan paikkaan, johon se jätettiin, koska geeli estää sitä putoamasta. Muutaman minuutin kuluessa kristallin ympärille alkaa kasvaa violetinvärinen pallo; ajan myötä se kasvaa ja kasvaa, kunnes purkin seinämät vääristävät sen muotoa. Sama tulos voidaan saada käyttämällä kuparisulfaattikitettä, vain tässä tapauksessa pallo ei ole violetti, vaan sininen.

On selvää, miksi pallo muodostui: MnO 4 – ionit, jotka muodostuvat kiteen liukeneessa, liukenevat (geeli on pääosin vettä) ja liikkuvat diffuusion seurauksena tasaisesti kaikkiin suuntiin, kun taas painovoimalla ei ole käytännössä mitään vaikutusta diffuusionopeus. Diffuusio nesteessä on erittäin hidasta: kestää useita tunteja, ennen kuin pallo kasvaa useita senttejä. Kaasuissa diffuusio on paljon nopeampaa, mutta silti, jos ilmaa ei sekoiteta, hajuveden tai ammoniakin haju leviäisi huoneeseen tuntikausia.

Brownin liiketeoria: satunnaiset kävelyt.

Smoluchowski–Einsteinin teoria selittää sekä diffuusion että Brownin liikkeen lait. Voimme tarkastella näitä malleja diffuusion esimerkin avulla. Jos molekyylin nopeus on u, sitten liikkuen suorassa linjassa ajassa t menee matkaan L = ut, mutta törmäysten vuoksi muiden molekyylien kanssa tämä molekyyli ei liiku suorassa linjassa, vaan muuttaa jatkuvasti liikkeensä suuntaa. Jos olisi mahdollista luonnostella molekyylin polku, se ei pohjimmiltaan eroaisi Perrinin saamista piirustuksista. Näistä kuvista on selvää, että kaoottisen liikkeen vuoksi molekyyli siirtyy etäisyyden verran s, huomattavasti vähemmän kuin L. Nämä suureet liittyvät suhteeseen s= , missä l on etäisyys, jonka molekyyli lentää törmäyksestä toiseen, keskimääräinen vapaa reitti. Mittaukset ovat osoittaneet, että ilmamolekyyleille normaalissa ilmanpaineessa l ~ 0,1 μm, mikä tarkoittaa, että 500 m/s nopeudella typpi- tai happimolekyyli lentää matkan 10 000 sekunnissa (alle kolmessa tunnissa) L= 5000 km, ja siirtyy alkuperäisestä asennosta vain s= 0,7 m (70 cm), minkä vuoksi aineet liikkuvat niin hitaasti diffuusion vuoksi, jopa kaasuissa.

Diffuusion seurauksena kulkevan molekyylin polkua (tai Brownin hiukkasen polkua) kutsutaan satunnaiseksi kävelyksi. Nokkelat fyysikot tulkitsivat tämän ilmaisun uudelleen juomarin kävelyksi - "juomarin poluksi". Itse asiassa hiukkasen liike paikasta toiseen (tai molekyylin polku, jossa on useita törmäyksiä) muistuttaa humalaisen ihmisen liikettä. Tämän analogian avulla voidaan myös päätellä yksinkertaisesti, että tällaisen prosessin perusyhtälö perustuu yksiulotteisen liikkeen esimerkkiin, joka on helppo yleistää kolmiulotteiseksi.

Oletetaan, että nälkäinen merimies tuli ulos tavernasta myöhään illalla ja suuntasi kadulle. Käveltyään polkua l lähimpään lyhtiin hän lepäsi ja meni... joko pidemmälle, seuraavaan lyhtiin, tai takaisin, tavernaan - eihän hän muista, mistä tuli. Kysymys kuuluu, jättääkö hän koskaan kesäkurpitsaa vai vaelteleeko hän sen ympärillä, nyt siirtyen pois, nyt lähestyen sitä? (Toisessa versiossa ongelmasta todetaan, että kadun molemmissa päissä on likaisia ​​ojia, joihin katuvalot päättyvät, ja kysyy, pystyykö merimies välttämään putoamisen yhteen niistä.) Intuitiivisesti näyttää siltä, ​​että toinen vastaus on oikea. Mutta se on väärin: käy ilmi, että merimies siirtyy vähitellen yhä kauemmaksi nollapisteestä, vaikkakin paljon hitaammin kuin jos hän kävelisi vain yhteen suuntaan. Näin voit todistaa sen.

Ylitettyään ensimmäisen kerran lähimpään lamppuun (oikealle tai vasemmalle), merimies on etäällä s 1 = ± l aloituspisteestä. Koska meitä kiinnostaa vain sen etäisyys tästä pisteestä, mutta ei sen suunta, pääsemme eroon merkeistä neliöimällä tämän lausekkeen: s 1 2 = l 2. Jonkin ajan kuluttua merimies, suoritettuaan jo N"vaeltava", on kaukana

s N= alusta. Ja käveltyään taas (yhteen suuntaan) lähimpään lyhtiin, etäällä s N+1 = s N± l tai siirtymän neliötä käyttäen, s 2 N+1 = s 2 N± 2 s N l + l 2. Jos merimies toistaa tämän liikkeen monta kertaa (alkaen N ennen N+ 1), sitten keskiarvon laskemisen seurauksena (se kulkee yhtä todennäköisyydellä N askel oikealle tai vasemmalle), termi ± 2 s N Peruutan, joten s 2 N+1 = s2 N+ l 2> (kulmasulut osoittavat keskiarvon) L = 3600 m = 3,6 km, kun taas siirtymä nollapisteestä saman ajan on vain s= = 190 m. Kolmessa tunnissa se menee ohi L= 10,8 km, ja siirtyy eteenpäin s= 330 m jne.

Tehdä työtä u Tuloksena olevan kaavan l:tä voidaan verrata diffuusiokertoimeen, joka, kuten irlantilainen fyysikko ja matemaatikko George Gabriel Stokes (1819–1903) osoittaa, riippuu väliaineen hiukkaskoosta ja viskositeetista. Samankaltaisten näkökohtien perusteella Einstein johti yhtälönsä.

Brownin liikkeen teoria tosielämässä.

Satunnaisten kävelyjen teorialla on tärkeitä käytännön sovelluksia. Sanotaan, että maamerkkien puuttuessa (aurinko, tähdet, moottoritien tai rautatien melu jne.) ihminen vaeltelee metsässä, pellon poikki lumimyrskyssä tai paksussa sumussa ympyröissä palaten aina takaisin luokseen. alkuperäinen paikka. Itse asiassa hän ei kävele ympyröitä, vaan suunnilleen samalla tavalla kuin molekyylit tai Brownin hiukkaset liikkuvat. Hän voi palata alkuperäiseen paikkaansa, mutta vain sattumalta. Mutta hän kohtaa tiensä monta kertaa. He sanovat myös, että lumimyrskyssä jäätyneet ihmiset löytyivät "joku kilometriä" lähimmästä asunnosta tai tiestä, mutta todellisuudessa henkilöllä ei ollut mahdollisuutta kävellä tätä kilometriä, ja tässä syy.

Laskeaksesi kuinka paljon ihminen siirtyy satunnaisten kävelyjen seurauksena, sinun on tiedettävä l:n arvo, ts. matka, jonka ihminen voi kävellä suorassa linjassa ilman maamerkkejä. Geologian ja mineraalitieteen tohtori B.S. Gorobets mittasi tämän arvon vapaaehtoisten opiskelijoiden avulla. Hän ei tietenkään jättänyt heitä tiheään metsään tai lumen peittämälle kentälle, kaikki oli yksinkertaisempaa - opiskelija sijoitettiin tyhjän stadionin keskelle, sidottiin silmät ja häntä pyydettiin kävelemään jalkapallokentän päähän. täydellinen hiljaisuus (äänten suuntaamisen poissulkemiseksi). Kävi ilmi, että opiskelija käveli keskimäärin vain noin 20 metriä suoraa linjaa (poikkeama ihannesuorasta ei ylittänyt 5°) ja alkoi sitten poiketa yhä enemmän alkuperäisestä suunnasta. Lopulta hän pysähtyi, kaukana reunasta.

Anna nyt ihmisen kävellä (tai pikemminkin vaeltaa) metsässä nopeudella 2 kilometriä tunnissa (tiellä tämä on erittäin hidasta, mutta tiheällä metsällä erittäin nopea), niin jos l: n arvo on 20 metriä, sitten tunnissa hän kulkee 2 km, mutta liikkuu vain 200 m, kahdessa tunnissa - noin 280 m, kolmessa tunnissa - 350 m, 4 tunnissa - 400 m jne. Ja liikkuu suorassa linjassa klo. sellaisella nopeudella ihminen kävelisi 8 kilometriä 4 tunnissa , joten kenttätyön turvallisuusohjeissa on seuraava sääntö: jos maamerkit katoavat, on pysyttävä paikallaan, pystytettävä suoja ja odottamaan loppua huonon sään vuoksi (aurinko saattaa tulla esiin) tai apua. Metsässä maamerkit - puut tai pensaat - auttavat sinua liikkumaan suorassa linjassa, ja joka kerta sinun on pidettävä kiinni kahdesta tällaisesta maamerkistä - yksi edessä, toinen takana. Mutta tietysti on parasta ottaa kompassi mukaan...

Ilja Leenson

Kirjallisuus:

Mario Liozzi. Fysiikan historia. M., Mir, 1970
Kerker M. Brownin liikkeet ja molekyylitodellisuus ennen vuotta 1900. Journal of Chemical Education, 1974, voi. 51, nro 12
Leenson I.A. Kemialliset reaktiot. M., Astrel, 2002



Vuorovaikutusvoimat molekyylien välillä…………………………4

Miksi Giordano Bruno poltettiin?................................................ 7

Luopuiko Galileo Galilei tieteellisistä näkemyksistään? ................................................................... .....9

Bibliografia………………………………………………………………………………………… .13

Brownin liike
Brownin liike, nesteeseen tai kaasuun suspendoituneiden pienten hiukkasten satunnainen liike, joka tapahtuu ympäristön molekyylien iskujen vaikutuksesta. Avaja Robert Ruskea 1827. Suspendoituneet hiukkaset, jotka näkyvät vain mikroskoopilla, liikkuvat toisistaan ​​riippumatta ja kuvaavat monimutkaisia ​​siksak-ratoja. Brownin liike ei heikkene ajan myötä eikä riipu väliaineen kemiallisista ominaisuuksista. Brownin liikkeen intensiteetti kasvaa väliaineen lämpötilan noustessa ja sen viskositeetin ja hiukkaskoon pienentyessä.
Brownin liikettä tarkasteltaessa hiukkasen sijainti tallennetaan säännöllisin väliajoin. Havaintojen välillä hiukkanen ei tietenkään liiku suoraviivaisesti, mutta peräkkäisten paikkojen yhdistäminen suorilla viivoilla antaa liikkeestä tavanomaisen kuvan.
Brownin liikkeen teoria selittää hiukkasten satunnaiset liikkeet molekyylien satunnaisten voimien ja kitkavoimien vaikutuksesta. Voiman satunnainen luonne tarkoittaa, että sen vaikutus aikavälillä t 1 on täysin riippumaton vaikutuksesta intervallin t 2 aikana, jos nämä intervallit eivät mene päällekkäin. Keskimääräinen voima riittävän pitkän ajan kuluessa on nolla, ja Brownin hiukkasen keskimääräinen siirtymä osoittautuu myös nollaksi.
Brownin liikkeen teorialla oli tärkeä rooli tilastollisen mekaniikan perustamisessa. Lisäksi sillä on käytännön merkitystä. Ensinnäkin Brownin liike rajoittaa mittauslaitteiden tarkkuutta. Esimerkiksi peiligalvanometrin lukemien tarkkuusraja määräytyy peilin värähtelyn perusteella, kuten ilmamolekyylien pommittama Brownin hiukkanen. Brownin liikkeen lait määräävät elektronien satunnaisen liikkeen aiheuttaenääniä sähköpiireissä. Dielektriset häviöt sisään dielektrikot selitetään eristeen muodostavien dipolimolekyylien satunnaisilla liikkeillä. Ionien satunnaiset liikkeet elektrolyyttiliuoksissa lisäävät niiden sähkövastusta.
Vuorovaikutusvoimat molekyylien välillä

Molekyylien välinen vuorovaikutus on vuorovaikutusta sähköisesti neutraalien välillä molekyylejä tai atomeja . Molekyylien välisen vuorovaikutuksen voimat otettiin huomioon ensimmäistä kertaaJ. D. van der Waals (1873 ) selittääkseen todellisten kaasujen ja nesteiden ominaisuuksia.
Orientaatiovoimat toimivat polaaristen molekyylien välillä, toisin sanoen niiden, joilla onsähköiset dipolimomentit. Kahden polaarisen molekyylin välinen vetovoima on suurin, kun niiden dipolimomentit ovat samassa linjassa. Tämä voima syntyy siitä tosiasiasta, että erilaisten varausten väliset etäisyydet ovat hieman pienemmät kuin samanlaisten varausten välillä. Tämän seurauksena dipolien vetovoima ylittää niiden hylkimisen. Dipolien vuorovaikutus riippuu niiden keskinäisestä suuntautumisesta, ja siksi kutsutaan dipolien vuorovaikutuksen voimia suuntautuva. Kaoottinen lämpöliike muuttaa jatkuvasti polaaristen molekyylien suuntausta, mutta kuten laskelmat osoittavat, voiman keskiarvolla kaikissa mahdollisissa orientaatioissa on tietty arvo, joka ei ole yhtä suuri kuin nolla.

Induktiiviset (tai polarisaatiovoimat). toimivat polaaristen ja ei-polaaristen molekyylien välillä. Polaarinen molekyyli luosähkökenttä, joka polarisoi molekyylin sähkövarauksilla, jotka jakautuvat tasaisesti koko tilavuuteen. Positiiviset varaukset siirtyvät sähkökentän suuntaan (eli poispäin positiivisesta napasta) ja negatiiviset varaukset siirtyvät vastaan ​​(positiivista napaa kohti). Tämän seurauksena ei-polaarisessa molekyylissä indusoituu dipolimomentti.
Tätä energiaa kutsutaan induktio, koska se johtuu molekyylien polarisaatiosta, jonka aiheuttaasähköstaattinen induktio. Induktiiviset voimat ( F ind ?r? 7) toimivat myös polaaristen molekyylien välillä.
Toimii ei-polaaristen molekyylien välillä dispersiivinen molekyylien välinen vuorovaikutus. Tämän vuorovaikutuksen luonne selvitettiin täysin vasta luomisen jälkeenkvanttimekaniikka. Atomeissa ja molekyyleissä elektroneja liikkua ytimien ympäri monimutkaisella tavalla. Keskimäärin ajan mittaan ei-polaaristen molekyylien dipolimomentit osoittautuvat nollaksi. Mutta joka hetki elektronit ovat jossain paikassa. Siksi dipolimomentin hetkellinen arvo (esimerkiksi vetyatomille) on eri kuin nolla. Välitön dipoli luo sähkökentän, joka polarisoi viereiset molekyylit. Tuloksena on vuorovaikutus hetkelliset dipolit. Ei-polaaristen molekyylien vuorovaikutuksen energia on keskimääräinen tulos kaikkien mahdollisten hetkellisten dipolien vuorovaikutuksesta dipolimomenttien kanssa, joita ne indusoivat viereisissä molekyyleissä induktion seurauksena.
Tämän tyyppistä molekyylien välistä vuorovaikutusta kutsutaan hajaantuva koska kevyt dispersio Aineessa määrittävät samat molekyylien ominaisuudet kuin tämä vuorovaikutus. Dispersiovoimat vaikuttavat kaikkien atomien ja molekyylien välillä, koska niiden esiintymismekanismi ei riipu siitä, onko molekyyleillä (atomeilla) pysyviä dipolimomentteja vai ei. Yleensä nämä voimat ylittävät sekä orientaatio- että induktiiviset voimat. Vain molekyylien vuorovaikutuksessa suurten dipolimomenttien kanssa, esimerkiksi vesimolekyylit, F tai > F disp(3 kertaa vesimolekyyleille). Vuorovaikutuksessa sellaisten polaaristen molekyylien kanssa kuin CO, HI, HBr ja muut, hajontavoimat ovat kymmeniä ja satoja kertoja suurempia kuin kaikki muut.
On erittäin merkittävää, että kaikki kolme molekyylien välistä vuorovaikutustyyppiä pienenevät samalla tavalla etäisyyden myötä:
U = U tai + U ind + U disp ?r ? 6
Torjuvat voimat vaikuttavat molekyylien välillä hyvin lyhyillä etäisyyksillä täytettynäelektroniset kuoretatomeja, jotka muodostavat molekyylejä. Olemassa kvanttimekaniikassa Paulin periaate estää täytettyjen elektronikuorten tunkeutumisen toisiinsa. Syntyvät hylkivät voimat riippuvat enemmän kuin vetovoimat molekyylien yksilöllisyydestä

Miksi Giordano Bruno poltettiin?
Bruno Giordano Filippe (1548, Nola, - 17.2.1600, Rooma), italialainen filosofi ja runoilija, edustaja panteismi . Papit vainosivat näkemyksensä vuoksi, ja hän jätti Italian ja asui Ranskassa, Englannissa ja Saksassa. Palattuaan Italiaan (1592) häntä syytettiin harhaoppista ja vapaa-ajattelusta, ja kahdeksan vuoden vankilassa olon jälkeen hänet poltettiin roviolla.
Brunon filosofian ajatuksissa Uusplatonismia (erityisesti ajatukset yhdestä alusta ja maailmansielusta universumin liikkeellepanevana periaatteena, mikä johti Brunon hylozoismi ) ristissä antiikin materialistien ja pythagoralaisten näkemysten vahvan vaikutuksen kanssa. Brunon panteistisen, skolastista aristotelialismia vastaan ​​suunnatun luonnonfilosofian muodostumista helpotti suurelta osin Brunon tutustuminen Nikolai Kusalaisen filosofiaan (jolta Bruno oppi myös ajatuksen "negatiivisesta teologiasta", joka perustuu positiivisen määritelmän mahdottomuuteen. jumalasta). Bruno piti näiden lähteiden perusteella filosofian tavoitteena olevan tietoa ei yliluonnollisesta jumalasta, vaan luonnosta, joka on "jumala asioissa". Heliosentrisen teorian kehittäminen N. Kopernikus , jolla oli valtava vaikutus häneen, Bruno ilmaisi ajatuksia luonnon äärettömyydestä ja maailmojen äärettömästä määrästä, väitti maailman fyysisen homogeenisuuden (oppi viidestä elementistä, jotka muodostavat kaikki ruumiit - maa, vesi, tuli, ilma ja eetteri). Bruno liitti ajatuksen yhdestä äärettömästä yksinkertaisesta aineesta, josta monet asiat syntyvät, ajatukseen sisäisestä sukulaisuudesta ja vastakohtien yhteensattumisesta ("On Cause, Beginning and One", 1584). Äärettömässä identifioituessaan suora ja ympyrä, keskus ja reuna, muoto ja aine jne. sulautuvat yhteen. Olemassaolon perusyksikkö on monadi , jonka toiminnassa yhdistyvät ruumiillinen ja henkinen, objekti ja subjekti. Korkein substanssi on "monadien monadi" eli Jumala; kokonaisuutena se ilmenee kaikessa yksilöllisessä - "kaikessa kaikessa". Näillä ideoilla oli suuri vaikutus modernin filosofian kehitykseen: ajatuksen yhdestä substanssista sen suhteessa yksittäisiin asioihin kehitti Bruno Spinoza, idean monadista - G. Leibniz, ajatuksen olemassaolon ykseys ja "vastakohtien yhteensattuma" - F. Schellingin ja G. Hegelin dialektiikassa. Siten Brunon filosofia oli siirtymälinkki keskiaikaisista filosofisista järjestelmistä nykyajan filosofisiin käsitteisiin.
V.V. Sokolov.
Kosmologiassa Bruno esitti joukon arvauksia, jotka olivat hänen aikakauttaan edellä ja jotka olivat perusteltuja vain myöhemmillä tähtitieteellisillä löydöillä: hänen aikanaan tuntemattomien planeettojen olemassaolosta aurinkokunnassamme, Auringon ja tähtien pyörimisestä akselin ympäri (" Mittaamattomasta ja lukemattomasta”, 1591), siitä, että maailmankaikkeudessa on lukemattomia Auringon kaltaisia ​​kappaleita jne. Bruno kiisti keskiaikaiset käsitykset maan ja taivaan vastakohtaisuudesta ja puhui antroposentrismiä vastaan ​​puhuen asuttavuudesta. muista maailmoista.
Runoilijana Bruno kuului klassismin vastustajiin. Brunon oma taideteos: antiklerikaalinen satiirinen runo "Nooan arkki", filosofiset sonetit, komedia "Kynttiläjalka" (1582, venäjänkielinen käännös 1940), jossa Bruno rikkoo "oppitun komedian" kaanonit ja luo vapaan dramaattinen muoto, joka mahdollistaa realistisen kuvauksen napolilaisen kadun elämästä ja tavoista. Tässä komediassa Bruno pilkkaa pedantisuutta ja taikauskoa ja hyökkää kaustisella sarkasmilla sitä typerää ja tekopyhää moraalittomuutta, jonka katolinen reaktio toi mukanaan.
R. I. Khlodovski

Luopuiko Galileo Galilei tieteellisistä näkemyksistään?
Vuonna 1609 Galileo rakensi ensimmäisen kaukoputkensa Hollannissa keksitystä kaukoputkesta saamiensa tietojen perusteella, mikä antoi noin 3-kertaisen suurennuksen. Teleskoopin toimintaa esiteltiin Pietarin tornista. Postimerkki oli Venetsiassa ja teki valtavan vaikutuksen. Galileo rakensi pian kaukoputken, jonka suurennus oli 32-kertainen. Sen avulla tehdyt havainnot tuhosivat Aristoteleen "ideaalipallot" ja taivaankappaleiden täydellisyyden dogman: Kuun pinta osoittautui vuorten peittämäksi ja kraatterien peittämäksi, tähdet menettivät näennäisen kokonsa ja niiden valtava etäisyys ymmärrettiin. ensimmäistä kertaa. Jupiter löysi 4 satelliittia, ja valtava määrä uusia tähtiä tuli näkyviin taivaalla. Linnunrata hajosi yksittäisiksi tähdiksi. Galileo kuvaili havaintojaan teoksessa "The Starry Messenger" (1610-11), joka teki hämmästyttävän vaikutuksen. Samaan aikaan alkoi kiivas kiista. Galileota syytettiin siitä, että kaikki hänen näkemänsä oli optista harhaa; he myös väittivät yksinkertaisesti, että hänen havainnot olivat ristiriidassa Aristoteleen kanssa ja olivat siksi virheellisiä.
Tähtitieteelliset löydöt olivat käännekohta Galileon elämässä: hän vapautui opettamisesta ja muutti herttua Cosimo II de’ Medicin kutsusta Firenzeen. Täällä hänestä tulee yliopiston hovi "filosofi" ja "ensimmäinen matemaatikko" ilman luentovelvollisuutta.
Jatkaessaan teleskooppihavaintoja Galileo löysi Venuksen vaiheet, auringonpilkut ja Auringon pyörimisen, tutki Jupiterin satelliittien liikettä ja tarkkaili Saturnusta. Vuonna 1611 Galileo matkusti Roomaan, missä hän sai innostuneen vastaanoton paavin hovissa ja jossa hän solmi ystävyyssuhteen prinssi Cesin kanssa, joka oli Accademia dei Lincei ("Ilvessilmäakatemia") perustaja, jonka jäsen hänestä tuli. . Galileo julkaisi herttuan vaatimuksesta ensimmäisen anti-aristotelilaisen teoksensa "Keskustelu vedessä olevista kappaleista ja siinä liikkuvista kappaleista" (1612), jossa hän sovelsi yhtäläisten momenttien periaatetta nestemäisten kappaleiden tasapainoolosuhteiden johtamiseen. .
Kuitenkin vuonna 1613 tuli tunnetuksi Galileon kirje apotti Castellille, jossa hän puolusti Kopernikuksen näkemyksiä. Kirje toimi syynä Galileon suoraan tuomitsemiseen inkvisitiolle. Vuonna 1616 jesuiittaseura julisti Kopernikuksen opetukset harhaoppiseksi, ja Kopernikuksen kirja sisällytettiin kiellettyjen kirjojen luetteloon. Galileoa ei mainittu asetuksessa, mutta hänet määrättiin yksityisesti luopumaan tämän opin puolustamisesta. Galileo esitti virallisesti asetuksen. Hän joutui useiden vuosien ajan olemaan vaiti Kopernikaanisesta järjestelmästä tai puhumaan siitä vihjein. Galileo matkustaa Roomaan vuonna 1616. Teologit, niin sanotut "inkvisition tapausten valmistelijat", kokoontuvat paavin palatsiin keskustelemaan ja testaamaan kopernikaanista oppia ja antavat sitten käskyn, joka kieltää Kopernikuksen näkemysten saarnaamisen. Tämä oli ensimmäinen virallinen kielto. Mutta Galileo ei luopunut näkemyksistään. Minusta tuli vain varovaisempi. Häneltä riistettiin oikeus saarnata Kopernikuksen opetuksia, ja hän kohdistai arvostelunsa Aristotelesta vastaan. Galileon ainoa merkittävä teos tänä aikana oli Assayer, poleeminen tutkielma kolmesta komeetosta, jotka ilmestyivät vuonna 1618. Kirjallisen muodon, nokkeluuden ja tyylin hienostuneisuuden kannalta tämä on yksi Galileon merkittävimmistä teoksista.
Vakuuttunut Kopernikaanisen järjestelmän pätevyydestä, Galileo alkoi työstää suurta tähtitieteellistä tutkielmaa, "Vuoropuhelu kahdesta maailman tärkeimmästä järjestelmästä - Ptolemaioksesta ja Kopernikaanisesta" (1632). Tämä teos todistaa niin vakuuttavasti kopernikaanisen opetuksen edut, ja paavi, joka on esitetty yksinkertaisen luuseri Simplicion, aristotelilaisen käsityksen kannattajan, varjolla, näyttää sellaiselta hölmöltä, ettei ukkonen iskenyt hitaasti. Isä loukkaantui. Galileon viholliset käyttivät tätä hyväkseen ja hänet kutsuttiin oikeuteen. Seitsemänkymmentävuotiaan Galileon henki murtui. Vanhempi tiedemies pakotettiin julkisesti katumaan, ja elämänsä viimeiset vuodet hän vietti kotiarestissa ja inkvisition valvonnassa. Vuonna 1635 hän luopui "harhaoppisesta opetuksestaan". Tiedemies Galileo ei ollut sankari. Hän myönsi tappionsa. Mutta tieteen historiassa hän pysyi suurena tiedemiehenä, ja Galileon oikeudenkäynti, jopa katolisen uskonnon kannattajien sanoin, "oli kohtalokkain virhe, jonka kirkkoviranomaiset ovat koskaan tehneet tieteen suhteen".
Vuonna 1623 Galileon ystävä kardinaali Maffeo Barberini nousi paavin valtaistuimelle nimellä Urban VIII. Galileolle tämä tapahtuma vaikutti vapautumiselta kiellon (asetuksen) siteistä. Vuonna 1630 hän saapui Roomaan valmiin käsikirjoituksensa kanssa "Dialogue on the Ebb and Flow of the Tides" ("Vuoropuhelu maailman kahdesta pääjärjestelmästä" -kirjan ensimmäinen otsikko), jossa Kopernikuksen ja Ptolemaios esitetään kolmen keskustelukumppanin: Sagredon, Salviatin ja Simplicion välisissä keskusteluissa.
jne.................

Mikä on Brownin liike?

Nyt tutustut ilmeisimpiin todisteisiin molekyylien lämpöliikkeestä (molekyylikineettisen teorian toinen pääasema). Muista yrittää katsoa mikroskoopin läpi ja nähdä kuinka niin kutsutut Brownin hiukkaset liikkuvat.

Aiemmin olet oppinut, mitä se on diffuusio ts. kaasujen, nesteiden ja kiinteiden aineiden sekoittuminen suorassa kosketuksessa. Tämä ilmiö voidaan selittää molekyylien satunnaisella liikkeellä ja yhden aineen molekyylien tunkeutumisella toisen aineen molekyylien väliseen tilaan. Tämä voi selittää esimerkiksi sen, että veden ja alkoholin seoksen tilavuus on pienempi kuin sen aineosien tilavuus. Mutta ilmeisin todiste molekyylien liikkeestä voidaan saada tarkkailemalla mikroskoopilla minkä tahansa veteen suspendoituneen kiinteän aineen pienimmät hiukkaset. Nämä hiukkaset käyvät läpi satunnaista liikettä, jota kutsutaan Brownin.

Tämä on nesteeseen (tai kaasuun) suspendoituneiden hiukkasten lämpöliikettä.

Brownin liikkeen havainnointi

Englantilainen kasvitieteilijä R. Brown (1773-1858) havaitsi tämän ilmiön ensimmäisen kerran vuonna 1827 tutkiessaan veteen suspendoituneita sammal-itiöitä mikroskoopilla. Myöhemmin hän katsoi muita pieniä hiukkasia, mukaan lukien kivenpalat Egyptin pyramideista. Nykyään he käyttävät Brownin liikkeen tarkkailuun purukumimaalin hiukkasia, jotka eivät liukene veteen. Nämä hiukkaset liikkuvat satunnaisesti. Hämmästyttävin ja epätavallisin asia meille on, että tämä liike ei koskaan pysähdy. Olemme tottuneet siihen, että mikä tahansa liikkuva ruumis pysähtyy ennemmin tai myöhemmin. Brown luuli aluksi, että sammalitiöt osoittivat elonmerkkejä.

lämpöliikettä, eikä se voi pysähtyä. Lämpötilan noustessa sen intensiteetti kasvaa. Kuva 8.3 esittää kaavion Brownin hiukkasten liikkeestä. Pisteillä merkittyjen hiukkasten paikat määritetään säännöllisin väliajoin 30 s. Nämä pisteet on yhdistetty suorilla viivoilla. Todellisuudessa hiukkasten liikerata on paljon monimutkaisempi.

Brownin liikettä voidaan havaita myös kaasussa. Se johtuu ilmassa olevista pöly- tai savuhiukkasista.

Saksalainen fyysikko R. Pohl (1884-1976) kuvailee värikkäästi Brownin liikettä: "Harvat ilmiöt pystyvät vangitsemaan tarkkailijaa yhtä paljon kuin Brownin liike. Täällä katsoja pääsee katsomaan luonnossa tapahtuvan kulissien taakse. Hänen eteensä avautuu uusi maailma - jatkuva vilske valtava määrä hiukkasia. Pienimmät hiukkaset lentävät nopeasti mikroskoopin näkökentän läpi ja muuttavat liikkeen suuntaa lähes välittömästi. Suuremmat hiukkaset liikkuvat hitaammin, mutta ne myös muuttavat jatkuvasti liikkeen suuntaa. Suuret hiukkaset murskautuvat käytännössä paikoilleen. Niiden ulkonemat osoittavat selvästi hiukkasten pyörimisen akselinsa ympäri, mikä muuttaa jatkuvasti suuntaa avaruudessa. Järjestelmästä tai tilauksesta ei ole jälkeäkään missään. Sokean sattuman dominanssi - tämä on vahva, ylivoimainen vaikutelma, jonka tämä kuva tekee katsojaan."

Tällä hetkellä konsepti Brownin liike käytetään laajemmassa merkityksessä. Esimerkiksi Brownin liike on herkkien mittauslaitteiden neulojen värähtelyä, joka johtuu instrumenttien osien atomien ja ympäristön lämpöliikkeestä.

Brownin liikkeen selitys

Brownin liikettä voidaan selittää vain molekyylikineettisen teorian perusteella. Syy hiukkasen Brownin liikkeelle on se, että nestemolekyylien vaikutukset hiukkaseen eivät kumoa toisiaan. Kuva 8.4 esittää kaaviomaisesti yhden Brownin hiukkasen sijainnin ja sitä lähimpänä olevat molekyylit. Kun molekyylit liikkuvat satunnaisesti, impulssit, jotka ne välittävät Brownin hiukkaselle esimerkiksi vasemmalle ja oikealle, eivät ole samoja. Siksi tuloksena oleva nestemolekyylien painevoima Brownin hiukkaseen on nollasta poikkeava. Tämä voima aiheuttaa muutoksen hiukkasen liikkeessä.

Keskipaineella on tietty arvo sekä kaasussa että nesteessä. Mutta aina on pieniä satunnaisia ​​poikkeamia tästä keskiarvosta. Mitä pienempi kehon pinta-ala on, sitä selvemmin suhteelliset muutokset tähän alueeseen vaikuttavassa painevoimassa ovat. Joten esimerkiksi jos alueen koko on usean molekyylin halkaisijan suuruusluokkaa, niin siihen vaikuttava painevoima muuttuu äkillisesti nollasta tiettyyn arvoon, kun molekyyli osuu tälle alueelle.

Brownin liikkeen molekyylikineettisen teorian loi vuonna 1905 A. Einstein (1879-1955).

Brownin liikkeen teorian rakentaminen ja sen kokeellinen vahvistus ranskalaisen fyysikon J. Perrinin toimesta muodosti lopulta molekyylikineettisen teorian voiton.

Perrinin kokeet

Perrinin kokeiden idea on seuraava. Tiedetään, että kaasumolekyylien pitoisuus ilmakehässä pienenee korkeuden myötä. Jos lämpöliikettä ei olisi, kaikki molekyylit putosivat maan päälle ja ilmakehä katoaisi. Jos Maahan ei kuitenkaan olisi vetovoimaa, lämpöliikkeen vuoksi molekyylit lähtisivät maasta, koska kaasu pystyy laajenemaan rajattomasti. Näiden vastakkaisten tekijöiden vaikutuksesta muodostuu tietty molekyylien korkeusjakauma, kuten edellä mainittiin, eli molekyylien konsentraatio pienenee melko nopeasti korkeuden mukana. Lisäksi mitä suurempi molekyylien massa on, sitä nopeammin niiden pitoisuus laskee korkeuden myötä.

Brownin hiukkaset osallistuvat lämpöliikkeeseen. Koska niiden vuorovaikutus on mitättömän pieni, näiden hiukkasten kerääntymistä kaasuun tai nesteeseen voidaan pitää erittäin raskaiden molekyylien ihanteellisena kaasuna. Näin ollen Brownin hiukkasten pitoisuuden kaasussa tai nesteessä Maan vetovoimakentässä pitäisi laskea saman lain mukaan kuin kaasumolekyylien pitoisuuden. Tämä laki tunnetaan.

Perrin havaitsi Brownin hiukkasia erittäin ohuissa nestekerroksissa käyttämällä suurennosmikroskooppia, jossa oli matala syväterävyys (matala syväterävyys). Laskemalla eri korkeuksilla olevien hiukkasten pitoisuudet hän havaitsi, että tämä pitoisuus pienenee korkeuden myötä saman lain mukaan kuin kaasumolekyylien pitoisuus. Erona on, että Brownin hiukkasten suuren massan vuoksi väheneminen tapahtuu hyvin nopeasti.

Lisäksi Brownin hiukkasten laskeminen eri korkeuksilla antoi Perrinille mahdollisuuden määrittää Avogadron vakion täysin uudella menetelmällä. Tämän vakion arvo osui yhteen tunnetun vakion kanssa.

Kaikki nämä tosiasiat osoittavat Brownin liikkeen teorian oikeellisuuden ja vastaavasti, että Brownin hiukkaset osallistuvat molekyylien lämpöliikkeeseen.

Olet selvästi nähnyt lämpöliikkeen olemassaolon; näki kaoottisen liikkeen tapahtuvan. Molekyylit liikkuvat jopa satunnaisemmin kuin Brownin hiukkaset.

Ilmiön ydin

Yritetään nyt ymmärtää Brownin liikkeen ilmiön ydin. Ja se tapahtuu, koska kaikki täysin nesteet ja kaasut koostuvat atomeista tai molekyyleistä. Mutta tiedämme myös, että nämä pienet hiukkaset, jotka ovat jatkuvassa kaoottisessa liikkeessä, työntävät jatkuvasti Brownin hiukkasta eri suunnista.

Mutta mielenkiintoista on, että tutkijat ovat osoittaneet, että suurempikokoiset, yli 5 mikronia olevat hiukkaset pysyvät liikkumattomina eivätkä läheskään osallistu Brownin liikkeeseen, mitä ei voida sanoa pienemmistä hiukkasista. Hiukkaset, joiden koko on alle 3 mikronia, pystyvät liikkumaan translaatioon, suorittamaan kiertoja tai kirjoittamaan monimutkaisia ​​lentoratoja.

Kun suuri kappale on upotettu ympäristöön, isot iskut näyttävät saavuttavan keskimääräisen tason ja ylläpitävän jatkuvaa painetta. Tässä tapauksessa tulee esille Arkhimedesin teoria, koska suuri kappale, jota ympäröi joka puolelta ympäristö, tasapainottaa painetta ja jäljellä oleva nostovoima mahdollistaa tämän kappaleen kellumisen tai uppoamisen.

Mutta jos keholla on mitat, kuten Brownin hiukkanen, eli täysin huomaamaton, painepoikkeamat tulevat havaittaviksi, mikä myötävaikuttaa satunnaisen voiman syntymiseen, joka johtaa näiden hiukkasten värähtelyihin. Voidaan päätellä, että väliaineessa olevat Brownin hiukkaset ovat suspensiossa, toisin kuin suuret hiukkaset, jotka uppoavat tai kelluvat.

Merkitys Brownin liike

Yritetään selvittää, onko Brownin liikkeellä mitään merkitystä luonnollisessa ympäristössä:

Ensinnäkin Brownin liikkeellä on merkittävä rooli kasvien ravinnossa maaperästä;
Toiseksi ihmis- ja eläinorganismeissa ravinteiden imeytyminen tapahtuu ruoansulatuselinten seinämien läpi Brownin liikkeen vuoksi;
Kolmanneksi ihohengityksen toteutuksessa;
Ja lopuksi, Brownin liike on tärkeä haitallisten aineiden jakautumisessa ilmassa ja vedessä.

Kotitehtävät

Lue kysymykset huolellisesti ja vastaa niihin kirjallisesti:

1. Muista mitä kutsutaan diffuusioksi?
2. Mikä on diffuusion ja molekyylien lämpöliikkeen välinen suhde?
3. Määrittele Brownin liike.
4. Luuletko, että Brownin liike on lämpöä ja perustele vastauksesi?
5. Muuttuuko Brownin liikkeen luonne kuumennettaessa? Jos se muuttuu, miten tarkalleen?
6. Millä laitteella tutkitaan Brownin liikettä?
7. Muuttuuko Brownin liikkeen kuvio lämpötilan noustessa ja kuinka tarkalleen?
8. Onko Brownin liikkeessä muutoksia, jos vesiemulsio korvataan glyserolilla?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fysiikka 10. luokka

« Fysiikka - 10 luokka"

Muista diffuusioilmiö peruskoulun fysiikan kurssista.
Miten tämä ilmiö voidaan selittää?

Aiemmin olet oppinut, mitä se on diffuusio ts. yhden aineen molekyylien tunkeutuminen toisen aineen molekyylien väliseen tilaan. Tämän ilmiön määrää molekyylien satunnainen liike. Tämä voi selittää esimerkiksi sen, että veden ja alkoholin seoksen tilavuus on pienempi kuin sen aineosien tilavuus.

Mutta ilmeisin todiste molekyylien liikkeestä voidaan saada tarkkailemalla mikroskoopilla minkä tahansa veteen suspendoituneen kiinteän aineen pienimmät hiukkaset. Nämä hiukkaset käyvät läpi satunnaista liikettä, jota kutsutaan Brownin.

Brownin liike on nesteeseen (tai kaasuun) suspendoituneiden hiukkasten lämpöliikettä.

Brownin liikkeen havainnointi.

Englantilainen kasvitieteilijä R. Brown (1773-1858) havaitsi tämän ilmiön ensimmäisen kerran vuonna 1827 tutkiessaan veteen suspendoituneita sammal-itiöitä mikroskoopilla.

Myöhemmin hän katsoi muita pieniä hiukkasia, mukaan lukien kivenpalat Egyptin pyramideista. Nykyään he käyttävät Brownin liikkeen tarkkailuun purukumimaalin hiukkasia, jotka eivät liukene veteen. Nämä hiukkaset liikkuvat satunnaisesti. Hämmästyttävin ja epätavallisin asia meille on, että tämä liike ei koskaan pysähdy. Olemme tottuneet siihen, että mikä tahansa liikkuva ruumis pysähtyy ennemmin tai myöhemmin. Brown luuli aluksi, että sammalitiöt osoittivat elonmerkkejä.

Brownin liike on lämpöliikettä, eikä se voi pysähtyä. Lämpötilan noustessa sen intensiteetti kasvaa.

Kuva 8.3 esittää Brownin hiukkasten liikeradat. Pisteillä merkittyjen hiukkasten paikat määritetään säännöllisin väliajoin 30 s. Nämä pisteet on yhdistetty suorilla viivoilla. Todellisuudessa hiukkasten liikerata on paljon monimutkaisempi.

Brownin liikkeen selitys.

Brownin liikettä voidaan selittää vain molekyylikineettisen teorian perusteella.

"Harvat ilmiöt voivat vangita tarkkailijan yhtä paljon kuin Brownin liike. Täällä katsoja pääsee katsomaan luonnossa tapahtuvan kulissien taakse. Hänen eteensä avautuu uusi maailma - jatkuva vilske valtava määrä hiukkasia. Pienimmät hiukkaset lentävät nopeasti mikroskoopin näkökentän läpi ja muuttavat liikkeen suuntaa lähes välittömästi. Suuremmat hiukkaset liikkuvat hitaammin, mutta ne myös muuttavat jatkuvasti liikkeen suuntaa. Suuret hiukkaset murskautuvat käytännössä paikoilleen. Niiden ulkonemat osoittavat selvästi hiukkasten pyörimisen akselinsa ympäri, mikä muuttaa jatkuvasti suuntaa avaruudessa. Järjestelmästä tai tilauksesta ei ole jälkeäkään missään. Sokean sattuman dominanssi - tämä on vahva, ylivoimainen vaikutelma, jonka tämä kuva tekee katsojaan." R. Paul (1884-1976).

Syy hiukkasen Brownin liikkeelle on se, että nestemolekyylien vaikutukset hiukkaseen eivät kumoa toisiaan.

Kuva 8.4 esittää kaaviomaisesti yhden Brownin hiukkasen sijainnin ja sitä lähimpänä olevat molekyylit.

Kun molekyylit liikkuvat satunnaisesti, impulssit, jotka ne välittävät Brownin hiukkaselle esimerkiksi vasemmalle ja oikealle, eivät ole samoja. Siksi tuloksena oleva nestemolekyylien painevoima Brownin hiukkaseen on nollasta poikkeava. Tämä voima aiheuttaa muutoksen hiukkasen liikkeessä.

Brownin liikkeen molekyylikineettisen teorian loi vuonna 1905 A. Einstein (1879-1955). Brownin liikkeen teorian rakentaminen ja sen kokeellinen vahvistus ranskalaisen fyysikon J. Perrinin toimesta muodosti lopulta molekyylikineettisen teorian voiton. Vuonna 1926 J. Perrin sai Nobel-palkinnon aineen rakenteen tutkimuksestaan.

Perrinin kokeet.

Perrinin kokeiden idea on seuraava. Tiedetään, että kaasumolekyylien pitoisuus ilmakehässä pienenee korkeuden myötä. Jos lämpöliikettä ei olisi, kaikki molekyylit putosivat maan päälle ja ilmakehä katoaisi. Jos Maahan ei kuitenkaan olisi vetovoimaa, lämpöliikkeen vuoksi molekyylit lähtisivät maasta, koska kaasu pystyy laajenemaan rajattomasti. Näiden vastakkaisten tekijöiden vaikutuksesta muodostuu tietty molekyylien pituusjakauma, eli molekyylien konsentraatio pienenee melko nopeasti korkeuden mukana. Lisäksi mitä suurempi molekyylien massa on, sitä nopeammin niiden pitoisuus laskee korkeuden myötä.

Brownin hiukkaset osallistuvat lämpöliikkeeseen. Koska niiden vuorovaikutus on mitätön, näiden hiukkasten kerääntymistä kaasuun tai nesteeseen voidaan pitää erittäin raskaiden molekyylien ihanteellisena kaasuna. Näin ollen Brownin hiukkasten pitoisuuden kaasussa tai nesteessä Maan vetovoimakentässä pitäisi laskea saman lain mukaan kuin kaasumolekyylien pitoisuuden. Tämä laki tunnetaan.

Perrin havaitsi Brownin hiukkasia erittäin ohuissa nestekerroksissa käyttämällä suurennosmikroskooppia, jossa oli matala syväterävyys (matala syväterävyys). Laskemalla eri korkeuksilla olevien hiukkasten pitoisuudet hän havaitsi, että tämä pitoisuus pienenee korkeuden myötä saman lain mukaan kuin kaasumolekyylien pitoisuus. Erona on, että Brownin hiukkasten suuren massan vuoksi väheneminen tapahtuu hyvin nopeasti.

Kaikki nämä tosiasiat osoittavat Brownin liikkeen teorian oikeellisuuden ja sen, että Brownin hiukkaset osallistuvat molekyylien lämpöliikkeeseen.

Brownin hiukkasten laskeminen eri korkeuksilla antoi Perrinille mahdollisuuden määrittää Avogadron vakion täysin uudella menetelmällä. Tämän vakion arvo osui yhteen aiemmin tunnetun vakion kanssa.

Tänään tarkastelemme lähemmin tärkeää aihetta - määrittelemme pienten aineosien Brownin liikkeen nesteessä tai kaasussa.

Kartta ja koordinaatit

Jotkut koululaiset, joita piinaavat tylsät oppitunnit, eivät ymmärrä miksi opiskella fysiikkaa. Sillä välin juuri tämä tiede mahdollisti kerran Amerikan löytämisen!

Aloitetaan kaukaa. Välimeren muinaiset sivilisaatiot olivat tietyssä mielessä onnekkaita: ne kehittyivät suljetun sisävesistön rannoilla. Välimerta kutsutaan tällä tavalla, koska sitä ympäröi joka puolelta maa. Ja muinaiset matkailijat saattoivat matkustaa melko pitkälle retkillään kadottamatta näkyvistä rantoja. Maan ääriviivat auttoivat navigointia. Ja ensimmäiset kartat laadittiin kuvailevasti eikä maantieteellisesti. Näiden suhteellisen lyhyiden matkojen ansiosta kreikkalaiset, foinikialaiset ja egyptiläiset tulivat erittäin taitaviksi rakentamaan laivoja. Ja missä on parhaat laitteet, siellä on halu työntää maailmasi rajoja.

Siksi eräänä kauniina päivänä Euroopan suurvallat päättivät astua mereen. Purjehtiessaan mantereiden välisillä loputtomilla avaruuksilla merimiehet näkivät useiden kuukausien ajan vain vettä, ja heidän oli jotenkin löydettävä tiensä. Tarkkojen kellojen ja laadukkaan kompassin keksiminen auttoi määrittämään koordinaatit.

Kello ja kompassi

Pienten kädessä pidettävien kronometrien keksiminen auttoi suuresti merimiehiä. Niiden tarkan sijainnin määrittämiseksi heillä oli oltava yksinkertainen instrumentti, joka mittasi auringon korkeuden horisontin yläpuolella, ja tietää, milloin tarkalleen on keskipäivä. Ja kompassin ansiosta aluksen kapteenit tiesivät, minne he olivat menossa. Sekä kelloa että magneettineulan ominaisuuksia tutkivat ja loivat fyysikot. Tämän ansiosta koko maailma avautui eurooppalaisille.

Uudet maanosat olivat terra incognita, tutkimattomia maita. Niissä kasvoi outoja kasveja ja löydettiin outoja eläimiä.

Kasvit ja fysiikka

Kaikki sivistyneen maailman luonnontieteilijät ryntäsivät tutkimaan näitä uusia outoja ekologisia järjestelmiä. Ja tietysti he yrittivät hyötyä niistä.

Robert Brown oli englantilainen kasvitieteilijä. Hän matkusti Australiaan ja Tasmaniaan keräten siellä kasvikokoelmia. Jo kotonaan Englannissa hän työskenteli kovasti tuodun materiaalin kuvauksen ja luokituksen parissa. Ja tämä tiedemies oli hyvin huolellinen. Eräänä päivänä tarkkaillessaan siitepölyn liikettä kasvinmahlassa hän huomasi: pienet hiukkaset tekevät jatkuvasti kaoottisia siksak-liikkeitä. Tämä on kaasujen ja nesteiden pienten alkuaineiden Brownin liikkeen määritelmä. Löydön ansiosta hämmästyttävä kasvitieteilijä kirjoitti nimensä fysiikan historiaan!

Brown ja Gooey

Eurooppalaisessa tieteessä on tapana nimetä vaikutus tai ilmiö sen löytäneen henkilön mukaan. Mutta usein tämä tapahtuu vahingossa. Mutta henkilö, joka kuvaa fyysistä lakia, havaitsee sen tärkeyden tai tutkii sitä yksityiskohtaisemmin, löytää itsensä varjoista. Tämä tapahtui ranskalaisen Louis Georges Gouyn kanssa. Hän antoi Brownin liikkeen määritelmän (7. luokka ei todellakaan kuule siitä opiskellessaan tätä aihetta fysiikassa).

Gouyn tutkimus ja Brownin liikkeen ominaisuudet

Ranskalainen kokeilija Louis Georges Gouy havaitsi erityyppisten hiukkasten liikettä useissa nesteissä, mukaan lukien liuokset. Tuon ajan tiede pystyi jo määrittämään ainekappaleiden koon tarkasti mikrometrin kymmenesosaan asti. Tutkiessaan, mitä Brownin liike on (Gouy antoi tämän ilmiön määritelmän fysiikassa), tiedemies tajusi: hiukkasten liikkeen intensiteetti kasvaa, jos ne sijoitetaan vähemmän viskoosiseen väliaineeseen. Koska hän oli laaja-alainen kokeilija, hän altisti suspension valolle ja eri vahvuuksille sähkömagneettisille kentille. Tiedemies havaitsi, että nämä tekijät eivät millään tavalla vaikuta hiukkasten kaoottisiin siksak-hyppyihin. Gouy osoitti yksiselitteisesti, mitä Brownin liike todistaa: nesteen tai kaasun molekyylien lämpöliikkeen.

Joukkue ja massa

Kuvataan nyt yksityiskohtaisemmin nesteessä olevien pienten aineosien siksak-hyppyjen mekanismia.

Mikä tahansa aine koostuu atomeista tai molekyyleistä. Nämä maailman elementit ovat hyvin pieniä; mikään optinen mikroskooppi ei näe niitä. Nesteessä ne värähtelevät ja liikkuvat koko ajan. Kun mikä tahansa näkyvä hiukkanen tulee liuokseen, sen massa on tuhansia kertoja suurempi kuin yksi atomi. Nestemolekyylien Brownin liike tapahtuu kaoottisesti. Mutta kaikesta huolimatta kaikki atomit tai molekyylit ovat kollektiivia, ne ovat yhteydessä toisiinsa, kuten ihmiset, jotka yhdistävät kädet. Siksi joskus käy niin, että nesteen atomit hiukkasen toisella puolella liikkuvat siten, että ne "painaavat" sitä, kun taas hiukkasen toiselle puolelle syntyy vähemmän tiheä ympäristö. Siksi pölyhiukkanen liikkuu liuoksen tilassa. Muualla nestemolekyylien kollektiivinen liike vaikuttaa satunnaisesti massiivisemman komponentin toiselle puolelle. Juuri näin tapahtuu hiukkasten Brownin liike.

Aika ja Einstein

Jos aineen lämpötila on nollasta poikkeava, sen atomeissa tapahtuu lämpövärähtelyjä. Siksi jopa erittäin kylmässä tai alijäähtyneessä nesteessä on Brownin liikettä. Nämä pienten suspendoituneiden hiukkasten kaoottiset hyppyt eivät lopu koskaan.

Albert Einstein on ehkä 1900-luvun tunnetuin tiedemies. Jokainen, joka on vähintäänkin kiinnostunut fysiikasta, tietää kaavan E = mc 2. Monet saattavat muistaa myös valosähköisen efektin, josta hänelle annettiin Nobel-palkinto, sekä erityisen suhteellisuusteorian. Mutta harvat tietävät, että Einstein kehitti kaavan Brownin liikkeelle.

Molekyylikineettisen teorian perusteella tiedemies johti nesteeseen suspendoituneiden hiukkasten diffuusiokertoimen. Ja tämä tapahtui vuonna 1905. Kaava näyttää tältä:

D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ),

missä D on haluttu kerroin, R on yleinen kaasuvakio, T on absoluuttinen lämpötila (kelvineinä), NA on Avogadron vakio (vastaa yhtä moolia ainetta tai noin 10 23 molekyyliä), a on likimääräinen keskiarvo hiukkasten säde, ξ on nesteen tai liuoksen dynaaminen viskositeetti.

Ja jo vuonna 1908 ranskalainen fyysikko Jean Perrin ja hänen opiskelijansa osoittivat kokeellisesti Einsteinin laskelmien oikeellisuuden.

Yksi hiukkanen soturikentässä

Yllä kuvailimme ympäristön kollektiivista vaikutusta moniin hiukkasiin. Mutta jopa yksi vieras aine nesteessä voi aiheuttaa joitain kuvioita ja riippuvuuksia. Jos esimerkiksi tarkkailet Brownin hiukkasta pitkään, voit tallentaa kaikki sen liikkeet. Ja tästä kaaoksesta syntyy harmoninen järjestelmä. Brownin hiukkasen keskimääräinen liike mihin tahansa suuntaan on verrannollinen aikaan.

Nesteen hiukkasilla tehdyissä kokeissa jalostettiin seuraavat määrät:

• Boltzmannin vakio;
• Avogadron numero.

Lineaarisen liikkeen lisäksi ominaista on myös kaoottinen pyöriminen. Ja keskimääräinen kulmasiirtymä on myös verrannollinen havaintoaikaan.

Koot ja muodot

Tällaisen päättelyn jälkeen voi syntyä looginen kysymys: miksi tätä vaikutusta ei havaita suurilla kappaleilla? Koska kun nesteeseen upotetun esineen laajuus on suurempi kuin tietty arvo, niin kaikki nämä satunnaiset molekyylien kollektiiviset "työnnät" muuttuvat vakiopaineeksi, kun ne lasketaan keskiarvoiksi. Ja kenraali Arkhimedes vaikuttaa jo kehoon. Siten iso pala rautaa uppoaa ja metallipöly kelluu vedessä.

Partikkelien koko, esimerkkinä josta nestemolekyylien vaihtelu paljastuu, ei saa ylittää 5 mikrometriä. Mitä tulee suuriin esineisiin, tämä vaikutus ei ole havaittavissa.