مجردة الحركة البراونية. تجربة اكتشاف روبرت براون للحركة البراونية

ما هي الحركة البراونية؟

الآن سوف تتعرف على الدليل الأكثر وضوحًا للحركة الحرارية للجزيئات (الموضع الرئيسي الثاني للنظرية الحركية الجزيئية). تأكد من محاولة النظر من خلال المجهر ومعرفة كيفية تحرك ما يسمى بالجسيمات البراونية.

في السابق ، تعلمت ماذا تعريف، أي خلط الغازات والسوائل والمواد الصلبة في اتصالها المباشر. يمكن تفسير هذه الظاهرة بالحركة العشوائية للجزيئات واختراق جزيئات مادة واحدة في الفراغ بين جزيئات مادة أخرى. يمكن أن يفسر هذا ، على سبيل المثال ، حقيقة أن حجم خليط الماء والكحول أقل من حجم مكوناته. ولكن يمكن الحصول على الدليل الأكثر وضوحًا على حركة الجزيئات من خلال مراقبة أصغر جزيئات أي مادة صلبة معلقة في الماء تحت المجهر. تتحرك هذه الجسيمات بشكل عشوائي ، وهو ما يسمى براوني.

هذه هي الحركة الحرارية للجسيمات العالقة في سائل (أو غاز).

مراقبة الحركة البراونية

لاحظ عالم النبات الإنجليزي ر. براون (1773-1858) هذه الظاهرة لأول مرة في عام 1827 ، بفحص جراثيم الطحالب المعلقة في الماء تحت المجهر. في وقت لاحق ، اعتبر جسيمات صغيرة أخرى ، بما في ذلك جزيئات الحجر من الأهرامات المصرية. الآن ، لمراقبة الحركة البراونية ، يتم استخدام جزيئات طلاء صمغ ، وهو غير قابل للذوبان في الماء. هذه الجسيمات تتحرك بشكل عشوائي. الأمر الأكثر لفتًا للنظر والأكثر غرابة بالنسبة لنا هو أن هذه الحركة لا تتوقف أبدًا. لقد اعتدنا على حقيقة أن أي جسم متحرك يتوقف عاجلاً أم آجلاً. اعتقد براون في البداية أن جراثيم طحلب النادي تظهر عليها علامات الحياة.

الحركة الحرارية ، ولا يمكن أن تتوقف. مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد شدتها. يوضح الشكل 8.3 مخططًا لحركة الجسيمات البراونية. يتم تحديد مواضع الجسيمات المميزة بالنقاط على فترات منتظمة تبلغ 30 ثانية. ترتبط هذه النقاط بخطوط مستقيمة. في الواقع ، مسار الجسيمات أكثر تعقيدًا.

يمكن أيضًا ملاحظة الحركة البراونية في الغاز. يتم تنفيذه بواسطة جزيئات الغبار أو الدخان العالقة في الهواء.

يصف الفيزيائي الألماني ر. هنا يُسمح للمراقب بالنظر وراء الكواليس لما يحدث في الطبيعة. يفتح أمامه عالم جديد - صخب بلا توقف لعدد هائل من الجسيمات. أصغر الجسيمات تطير بسرعة في مجال رؤية المجهر ، وتغير اتجاه الحركة على الفور تقريبًا. تتحرك الجسيمات الأكبر بشكل أبطأ ، لكنها أيضًا تغير اتجاهها باستمرار. الجسيمات الكبيرة تتزاحم عمليا في مكانها. تظهر نتوءاتهم بوضوح دوران الجسيمات حول محورها ، مما يغير اتجاهه باستمرار في الفضاء. لا يوجد أي أثر للنظام أو النظام. هيمنة الفرصة العمياء - هذا هو الانطباع القوي الساحق الذي تتركه هذه الصورة على المراقب.

في الوقت الحاضر ، المفهوم الحركة البراونيةتستخدم بمعنى أوسع. على سبيل المثال ، الحركة البراونية هي ارتعاش أسهم أدوات القياس الحساسة ، والذي يحدث بسبب الحركة الحرارية لذرات أجزاء الجهاز والبيئة.

شرح الحركة البراونية

يمكن تفسير الحركة البراونية فقط على أساس نظرية الحركية الجزيئية. سبب الحركة البراونية للجسيم هو أن تأثيرات الجزيئات السائلة على الجسيم لا تلغي بعضها البعض.. يوضح الشكل 8.4 بشكل تخطيطي موضع جسيم براوني والجزيئات الأقرب إليه. عندما تتحرك الجزيئات بشكل عشوائي ، فإن النبضات التي تنقلها إلى جسيم براوني ، على سبيل المثال ، من اليسار ومن اليمين ، ليست هي نفسها. لذلك ، فإن قوة الضغط الناتجة للجزيئات السائلة على الجسيم البراوني تكون غير صفرية. تسبب هذه القوة تغيرًا في حركة الجسيم.

متوسط ​​الضغط له قيمة معينة في كل من الغاز والسائل. ولكن هناك دائمًا انحرافات عشوائية طفيفة عن هذا المتوسط. كلما صغرت مساحة سطح الجسم ، زادت ملاحظة التغيرات النسبية في قوة الضغط المؤثرة على هذه المنطقة. لذلك ، على سبيل المثال ، إذا كان حجم المنطقة بترتيب عدة أقطار من الجزيء ، فإن قوة الضغط المؤثرة عليها تتغير فجأة من الصفر إلى قيمة معينة عندما يدخل الجزيء هذه المنطقة.

تم إنشاء النظرية الحركية الجزيئية للحركة البراونية في عام 1905 من قبل أ. أينشتاين (1879-1955).

أكمل بناء نظرية الحركة البراونية وتأكيدها التجريبي من قبل الفيزيائي الفرنسي جي بيرين أخيرًا انتصار نظرية الحركية الجزيئية.

تجارب بيرين

الفكرة وراء تجارب بيرين هي كما يلي. من المعروف أن تركيز جزيئات الغاز في الغلاف الجوي يتناقص مع الارتفاع. إذا لم تكن هناك حركة حرارية ، فسوف تسقط جميع الجزيئات على الأرض ويختفي الغلاف الجوي. ومع ذلك ، إذا لم يكن هناك جاذبية للأرض ، فبسبب الحركة الحرارية ، ستغادر الجزيئات الأرض ، لأن الغاز قادر على التمدد غير المحدود. نتيجة لعمل هذه العوامل المعاكسة ، يتم إنشاء توزيع معين للجزيئات على طول الارتفاع ، كما ذكر أعلاه ، أي أن تركيز الجزيئات يتناقص بسرعة مع الارتفاع. علاوة على ذلك ، كلما زادت كتلة الجزيئات ، كلما انخفض تركيزها بشكل أسرع مع الارتفاع.

تشارك الجسيمات البراونية في الحركة الحرارية. نظرًا لأن تفاعلها ضئيل ، يمكن اعتبار مجموع هذه الجسيمات في غاز أو سائل غازًا مثاليًا للجزيئات الثقيلة جدًا. وبالتالي ، يجب أن ينخفض ​​تركيز الجسيمات البراونية في غاز أو سائل في مجال الجاذبية الأرضية وفقًا لنفس قانون تركيز جزيئات الغاز. هذا القانون معروف.

باستخدام مجهر عالي التكبير وعمق مجال صغير (عمق مجال صغير) ، لاحظ بيرين الجسيمات البراونية في طبقات رقيقة جدًا من السائل. بحساب تركيز الجسيمات على ارتفاعات مختلفة ، وجد أن هذا التركيز يتناقص مع الارتفاع وفقًا لنفس قانون تركيز جزيئات الغاز. الفرق هو أنه بسبب الكتلة الكبيرة للجسيمات البراونية ، يحدث الانخفاض بسرعة كبيرة.

علاوة على ذلك ، فإن حساب الجسيمات البراونية على ارتفاعات مختلفة سمح لبيرين بتحديد ثابت أفوجادرو بطريقة جديدة تمامًا. تزامنت قيمة هذا الثابت مع القيمة المعروفة.

كل هذه الحقائق تشهد على صحة نظرية الحركة البراونية ، وبالتالي على حقيقة أن الجسيمات البراونية تشارك في الحركة الحرارية للجزيئات.

لقد رأيت بوضوح وجود الحركة الحرارية. رأينا الحركة الفوضوية مستمرة. تتحرك الجزيئات بشكل عشوائي أكثر من الجزيئات البراونية.

جوهر الظاهرة

الآن دعونا نحاول فهم جوهر ظاهرة الحركة البراونية. ويحدث ذلك لأن جميع السوائل والغازات تتكون من ذرات أو جزيئات. لكننا نعلم أيضًا أن هذه الجسيمات الأصغر ، كونها في حركة فوضوية مستمرة ، تدفع باستمرار الجسيم البراوني من جوانب مختلفة.

ولكن هذا مثير للاهتمام ، فقد أثبت العلماء أن الجسيمات ذات الأحجام الأكبر التي تتجاوز 5 ميكرون تظل بلا حراك وتقريباً لا تشارك في الحركة البراونية ، والتي لا يمكن قولها عن الجسيمات الأصغر. يمكن للجسيمات التي يقل حجمها عن 3 ميكرون أن تتحرك للأمام ، وتقوم بالتناوب أو كتابة مسارات معقدة.

عند الانغماس في بيئة جسم كبير ، يبدو أن الهزات التي تحدث بعدد كبير تصل إلى مستوى متوسط ​​وتحافظ على ضغط ثابت. في هذه الحالة ، تدخل نظرية أرخميدس حيز التنفيذ ، لأن الجسم الكبير المحاط بوسيط من جميع الجوانب يوازن الضغط وقوة الرفع المتبقية تسمح لهذا الجسم بالطفو أو الغرق.

ولكن إذا كان للجسم أبعادًا مثل الجسيم البراوني ، أي غير محسوس تمامًا ، فإن انحرافات الضغط تصبح ملحوظة ، مما يساهم في تكوين قوة عشوائية تؤدي إلى تذبذبات هذه الجسيمات. يمكن استنتاج أن الجسيمات البراونية الموجودة في الوسط في حالة تعليق ، على عكس الجسيمات الكبيرة التي تغرق أو تطفو.

أهمية الحركة البراونية

دعنا نحاول معرفة ما إذا كانت الحركة البراونية في البيئة الطبيعية لها أي معنى:

أولاً ، تلعب الحركة البراونية دورًا مهمًا في تغذية النبات من التربة ؛
ثانيًا ، في الكائنات الحية البشرية والحيوانية ، يحدث امتصاص العناصر الغذائية من خلال جدران الجهاز الهضمي بسبب الحركة البراونية ؛
ثالثًا ، في تنفيذ التنفس الجلدي ؛
وأخيرًا ، تؤثر الحركة البراونية في انتشار المواد الضارة في الهواء والماء.

الواجب المنزلي

اقرأ الأسئلة بعناية وقدم إجابات مكتوبة لها:

1. تذكر ما يسمى الانتشار؟
2. ما هي العلاقة بين الانتشار والحركة الحرارية للجزيئات؟
3. تحديد الحركة البراونية.
4. ما رأيك ، هل الحركة البراونية حرارية ، وتبرر إجابتك؟
5. هل ستتغير طبيعة الحركة البراونية عند تسخينها؟ إذا تغير ، فكيف؟
6. ما هي الأداة المستخدمة في دراسة الحركة البراونية؟
7. هل يتغير نمط الحركة البراونية مع زيادة درجة الحرارة ، وكيف بالضبط؟
8. هل سيكون هناك أي تغيير في الحركة البراونية إذا تم استبدال المستحلب المائي بالجلسرين؟

جي يا مياكيشيف ، بي بي بوكوفتسيف ، إن إن سوتسكي ، الفيزياء للصف العاشر

عالم النبات الاسكتلندي روبرت براون (أحيانًا يُنقل لقبه باسم براون) خلال حياته ، كأفضل متذوق للنباتات ، حصل على لقب "أمير علماء النبات". قام بالعديد من الاكتشافات الرائعة. في عام 1805 ، بعد رحلة استكشافية استمرت أربع سنوات إلى أستراليا ، أحضر إلى إنجلترا حوالي 4000 نوع من النباتات الأسترالية غير المعروفة للعلماء وقضى سنوات عديدة في دراستها. جلبت النباتات الموصوفة من إندونيسيا وأفريقيا الوسطى. درس فسيولوجيا النبات ، ووصف لأول مرة بالتفصيل نواة الخلية النباتية. جعلته أكاديمية بطرسبرغ للعلوم عضوا فخريا. لكن اسم العالم معروف الآن على نطاق واسع ليس بسبب هذه الأعمال.

في عام 1827 ، أجرى براون بحثًا عن حبوب اللقاح النباتية. كان ، على وجه الخصوص ، مهتمًا بكيفية مشاركة حبوب اللقاح في عملية الإخصاب. بمجرد أن نظر تحت المجهر المعزول من خلايا حبوب اللقاح لنبات في أمريكا الشمالية كلاركيا بولشيلا(Pretty Clarkia) حبيبات حشوية ممدودة معلقة في الماء. فجأة ، رأى براون أن أصغر الحبوب الصلبة ، والتي بالكاد يمكن رؤيتها في قطرة ماء ، كانت ترتجف باستمرار وتتحرك من مكان إلى آخر. ووجد أن هذه الحركات ، على حد قوله ، "لا ترتبط بالتدفق في السائل أو بتبخره التدريجي ، ولكنها متأصلة في الجسيمات نفسها".

تم تأكيد ملاحظة براون من قبل علماء آخرين. أصغر الجسيمات تصرفت كما لو كانت على قيد الحياة ، وتسارعت "رقصة" الجسيمات مع زيادة درجة الحرارة وانخفاض حجم الجسيمات وتباطأت بشكل واضح عندما تم استبدال الماء بوسط أكثر لزوجة. لم تتوقف هذه الظاهرة المدهشة أبدًا: يمكن ملاحظتها لفترة طويلة بشكل تعسفي. في البداية ، اعتقد براون أن الكائنات الحية دخلت حقًا في مجال المجهر ، خاصة وأن حبوب اللقاح هي الخلايا الجرثومية الذكرية للنباتات ، لكن الجزيئات من النباتات الميتة ، حتى من تلك التي جفت قبل مائة عام في الأعشاب ، أدت أيضًا. ثم فكر براون فيما إذا كانت هذه هي "الجزيئات الأولية للكائنات الحية" ، التي قالها عالم الطبيعة الفرنسي الشهير جورج بوفون (1707-1788) ، مؤلف الكتاب المكون من 36 مجلدًا. تاريخ طبيعي. تلاشى هذا الافتراض عندما بدأ براون في استكشاف الأشياء غير الحية على ما يبدو ؛ في البداية كانت جزيئات صغيرة جدًا من الفحم ، بالإضافة إلى السخام والغبار من هواء لندن ، ثم مواد غير عضوية مطحونة بدقة: الزجاج والعديد من المعادن المختلفة. كانت "الجزيئات النشطة" موجودة في كل مكان: كتب براون: "في كل معدن ، تمكنت من طحنه إلى غبار لدرجة أنه يمكن تعليقه في الماء لبعض الوقت ، وجدت ، بكميات أكبر أو أقل ، هذه الجزيئات .

يجب أن أقول إن براون لم يكن لديه أي من أحدث المجاهر. في مقالته ، أكد على وجه التحديد أنه كان لديه عدسات ثنائية الوجه عادية ، والتي استخدمها لعدة سنوات. ويكتب كذلك: "طوال الدراسة ، واصلت استخدام نفس العدسات التي بدأت العمل بها ، من أجل إعطاء المزيد من الإقناع لبياناتي وجعلها في متناول الملاحظات العادية قدر الإمكان".

الآن ، من أجل تكرار ملاحظة براون ، يكفي أن يكون لديك مجهر غير قوي للغاية واستخدامه لفحص الدخان في صندوق أسود مضاء من خلال ثقب جانبي بشعاع من الضوء الشديد. في الغاز ، تتجلى هذه الظاهرة بشكل أكثر وضوحًا من السائل: بقع صغيرة من الرماد أو السخام (اعتمادًا على مصدر الدخان) هي ظاهرة تشتت الضوء ، والتي تقفز باستمرار ذهابًا وإيابًا.

كما هو الحال غالبًا في العلم ، بعد سنوات عديدة ، اكتشف المؤرخون أنه في عام 1670 ، لاحظ مخترع المجهر الهولندي أنتوني ليفينهوك ظاهرة مماثلة ، لكن ندرة ونقص المجاهر ، الحالة الجنينية للعلم الجزيئي في ذلك الوقت لم يلفت الانتباه إلى ملاحظة Leeuwenhoek ، لذلك يُنسب الاكتشاف بحق إلى Brown ، الذي درسه ووصفه بالتفصيل لأول مرة.

الحركة البراونية والنظرية الجزيئية الذرية.

سرعان ما أصبحت الظاهرة التي لاحظها براون معروفة على نطاق واسع. هو نفسه عرض تجاربه على العديد من الزملاء (يسرد براون أكثر من عشرين اسمًا). لكن لا براون ولا العديد من العلماء الآخرين تمكنوا من تفسير هذه الظاهرة الغامضة ، والتي كانت تسمى "الحركة البراونية" ، لسنوات عديدة. كانت حركات الجسيمات عشوائية تمامًا: لم تقدم الرسومات التخطيطية لمواقعها في نقاط زمنية مختلفة (على سبيل المثال ، كل دقيقة) للوهلة الأولى أي إمكانية لإيجاد أي انتظام في هذه الحركات.

تم تقديم تفسير الحركة البراونية (كما كانت تسمى هذه الظاهرة) بحركة الجزيئات غير المرئية فقط في الربع الأخير من القرن التاسع عشر ، ولكن لم يتم قبوله على الفور من قبل جميع العلماء. في عام 1863 ، اقترح لودفيج كريستيان وينر (1826-1896) ، مدرس الهندسة الوصفية من كارلسروه (ألمانيا) ، أن هذه الظاهرة مرتبطة بالحركات التذبذبية للذرات غير المرئية. كان هذا هو التفسير الأول ، على الرغم من أنه بعيد جدًا عن الحديث ، للحركة البراونية من خلال خصائص الذرات والجزيئات نفسها. من المهم أن يرى وينر فرصة لاختراق أسرار بنية المادة بمساعدة هذه الظاهرة. حاول أولاً قياس سرعة حركة الجسيمات البراونية واعتمادها على حجمها. الغريب ، في عام 1921 تقارير الاكاديمية الوطنية الامريكية للعلومنُشر العمل على الحركة البراونية لوينر آخر ، نوربرت ، المؤسس الشهير لعلم التحكم الآلي.

تم قبول أفكار L.K. Wiener وتطويرها من قبل عدد من العلماء - سيغموند إكسنر في النمسا (وبعد 33 عامًا - وابنه فيليكس) ، وجيوفاني كانتوني في إيطاليا ، وكارل فيلهلم نيجيلي في ألمانيا ، ولويس جورج غوي في فرنسا ، وثلاثة بلجيكيين الكهنة - اليسوعيون كاربونيلي وديلسو وتيريون وغيرهم. كان من بين هؤلاء العلماء الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي الشهير ويليام رامزي. تدريجيًا ، أصبح من الواضح أن أصغر حبيبات المادة قد تعرضت من جميع الجوانب لجزيئات أصغر لم تعد مرئية في المجهر - تمامًا كما لم تكن الأمواج التي تهز قاربًا بعيدًا مرئية من الشاطئ ، بينما تحركات القارب نفسها كانت واضحة للعيان. كما كتبوا في إحدى المقالات في عام 1877 ، "... قانون الأعداد الكبيرة الآن لا يقلل من تأثير الاصطدامات إلى ضغط موحد متوسط ​​، لن يكون الناتج عنها مساويًا للصفر ، ولكنه سيغير اتجاهه باستمرار وضخامته ".

من الناحية النوعية ، كانت الصورة معقولة جدًا وحتى بصرية. يجب أن يتحرك غصين صغير أو حشرة بنفس الطريقة تقريبًا ، والتي يتم دفعها (أو سحبها) في اتجاهات مختلفة بواسطة العديد من النمل. كانت هذه الجسيمات الأصغر في الواقع في قاموس العلماء ، ولم يرها أحد من قبل. أطلقوا عليها اسم الجزيئات. ترجمت هذه الكلمة من اللاتينية ، وتعني "كتلة صغيرة". بشكل مثير للدهشة ، هذا هو بالضبط التفسير الذي قدمه لظاهرة مشابهة للفيلسوف الروماني تيتوس لوكريتيوس كار (حوالي 99-55 قبل الميلاد) في قصيدته الشهيرة على طبيعة الأشياء. في ذلك ، يسمي أصغر الجسيمات غير المرئية للعين "المبادئ الأساسية" للأشياء.

أصل الأشياء يتحرك أولاً ،
وخلفهم أجساد من أصغر مجموعاتهم ،
قريب ، كيف أقول ، بقوة من بدايات المرحلة الابتدائية ،
يختبئون عنهم ، يتلقون دفعات ، يبدأون في الكفاح ،
أنفسهم إلى الحركة ثم دفع الجسم الأكبر.
لذا ، بدءًا من البداية ، كانت الحركة شيئًا فشيئًا
تلمس مشاعرنا وتصبح مرئية أيضًا
بالنسبة لنا وفي جزيئات الغبار يتحرك في ضوء الشمس ،
على الرغم من الصدمات غير المحسوسة التي تحدث منها ...

بعد ذلك ، اتضح أن لوكريتيوس كان مخطئًا: من المستحيل ملاحظة الحركة البراونية بالعين المجردة ، وجزيئات الغبار في شعاع الشمس الذي اخترق "رقصة" غرفة مظلمة بسبب حركات الهواء الدوامة. لكن ظاهريًا لكلتا الظاهرتين بعض أوجه التشابه. وفقط في القرن التاسع عشر. أصبح من الواضح للعديد من العلماء أن حركة الجسيمات البراونية ناتجة عن التأثيرات العشوائية لجزيئات الوسط. تصطدم الجزيئات المتحركة بجزيئات الغبار والجزيئات الصلبة الأخرى الموجودة في الماء. كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت سرعة الحركة. إذا كانت حبة غبار كبيرة ، على سبيل المثال ، يبلغ حجمها 0.1 مم (أكبر مليون مرة من جزيء الماء) ، فإن العديد من التأثيرات المتزامنة عليها من جميع الجوانب تكون متوازنة بشكل متبادل ولا تشعر بها عمليًا - تقريبًا مثل قطعة من الخشب بحجم الصفيحة لن "تشعر" بجهود العديد من النمل التي ستسحبها أو تدفعها في اتجاهات مختلفة. من ناحية أخرى ، إذا كانت حبة الغبار صغيرة نسبيًا ، فسوف تتحرك أولاً في اتجاه واحد ، ثم في الاتجاه الآخر ، تحت تأثير تأثيرات الجزيئات المحيطة.

يبلغ حجم الجسيمات البراونية من 0.1 إلى 1 ميكرومتر ، أي من ألف إلى واحد من عشرة آلاف من المليمتر ، وهذا هو السبب في أن براون كان قادرًا على رؤية حركتهم ، وأنه كان ينظر إلى حبيبات هيولي دقيقة ، وليس حبوب اللقاح نفسها (والتي غالبًا ما يتم الإبلاغ عنها عن طريق الخطأ). الحقيقة هي أن خلايا حبوب اللقاح كبيرة جدًا. وبالتالي ، في حبوب لقاح عشب المروج ، التي تحملها الرياح وتسبب أمراض الحساسية لدى البشر (حمى القش) ، يكون حجم الخلية عادة في حدود 20-50 ميكرون ، أي. هم أكبر من أن يلاحظوا الحركة البراونية. من المهم أيضًا ملاحظة أن الحركات الفردية للجسيم البراوني تحدث كثيرًا جدًا وعلى مسافات صغيرة جدًا ، لذلك من المستحيل رؤيتها ، ولكن تحت المجهر ، يمكن رؤية الحركات التي حدثت خلال فترة زمنية معينة.

يبدو أن حقيقة وجود الحركة البراونية أثبتت بشكل لا لبس فيه التركيب الجزيئي للمادة ، ولكن حتى في بداية القرن العشرين. كان هناك علماء ، بمن فيهم علماء فيزيائيون وكيميائيون ، لم يؤمنوا بوجود الجزيئات. اكتسبت النظرية الجزيئية الذرية الاعتراف ببطء وبصعوبة. وهكذا ، كتب أكبر كيميائي عضوي فرنسي مارسيلين بيرثيلوت (1827-1907): "مفهوم الجزيء ، من وجهة نظر معرفتنا ، غير محدد ، بينما مفهوم آخر - الذرة - هو افتراضي بحت." تحدث الكيميائي الفرنسي المعروف أ.سانت كلير ديفيل (1818-1881) بشكل أكثر وضوحًا: "لا أسمح بقانون أفوجادرو أو الذرة أو الجزيء ، لأنني أرفض الإيمان بما لا أستطيع رؤيته. ولا ترصد ". والكيميائي الفيزيائي الألماني فيلهلم أوستوالد (1853-1932) ، الحائز على جائزة نوبل ، أحد مؤسسي الكيمياء الفيزيائية ، يعود إلى أوائل القرن العشرين. نفى بشدة وجود الذرات. تمكن من كتابة كتاب كيميائي مكون من ثلاثة مجلدات لم تذكر فيه كلمة "ذرة" مطلقًا. في حديثه في 19 أبريل 1904 بتقرير كبير في المعهد الملكي لأعضاء الجمعية الكيميائية الإنجليزية ، حاول أوستوالد إثبات أن الذرات غير موجودة ، و "ما نسميه المادة هو مجرد مجموعة من الطاقات متجمعة معًا في مكان معين. "

لكن حتى هؤلاء الفيزيائيين الذين قبلوا النظرية الجزيئية لم يتمكنوا من تصديق أن حقيقة العقيدة الجزيئية الذرية قد تم إثباتها بهذه الطريقة البسيطة ، لذلك تم طرح مجموعة متنوعة من الأسباب البديلة لشرح هذه الظاهرة. وهذا ينطبق تمامًا على روح العلم: حتى يتم تحديد سبب الظاهرة بشكل لا لبس فيه ، فمن الممكن (وحتى الضروري) افتراض فرضيات مختلفة ، والتي ينبغي ، إذا أمكن ، التحقق منها تجريبياً أو نظرياً. لذلك ، في عام 1905 ، نُشر مقال صغير في القاموس الموسوعي لبروكهاوس وإيفرون من قبل أستاذ الفيزياء في سانت بطرسبرغ N.A. Gezehus ، مدرس الأكاديمي الشهير A.F. Ioffe. كتب Gezehus أنه وفقًا لبعض العلماء ، فإن الحركة البراونية ناتجة عن "الضوء أو الأشعة الحرارية التي تمر عبر السائل" ، ويتم اختزالها إلى "تدفقات بسيطة داخل السائل ، والتي لا علاقة لها بحركات الجزيئات" ، وهذه التدفقات يمكن أن يكون سببه "التبخر والانتشار وأسباب أخرى". بعد كل شيء ، كان معروفًا بالفعل أن حركة مماثلة جدًا لجزيئات الغبار في الهواء ناتجة على وجه التحديد عن تدفقات الدوامة. لكن التفسير الذي قدمه Gezehus يمكن بسهولة دحضه تجريبيًا: إذا تم فحص جسيمين براونيين قريبين جدًا من بعضهما البعض من خلال مجهر قوي ، فإن حركاتهما ستصبح مستقلة تمامًا. إذا كانت هذه الحركات ناتجة عن أي تدفقات في السائل ، فإن هذه الجسيمات المجاورة ستتحرك بالتنسيق.

نظرية الحركة البراونية.

في بداية القرن العشرين فهم معظم العلماء الطبيعة الجزيئية للحركة البراونية. لكن جميع التفسيرات ظلت نوعية بحتة ؛ ولا يمكن لأي نظرية كمية أن تصمد أمام التحقق التجريبي. بالإضافة إلى ذلك ، كانت النتائج التجريبية نفسها غير واضحة: المشهد الرائع للجسيمات المتدفقة بلا توقف أنوم المجربون ، ولم يعرفوا بالضبط ما هي خصائص الظاهرة التي ينبغي قياسها.

على الرغم من الاضطراب الكامل الظاهر ، كان لا يزال من الممكن وصف الحركات العشوائية للجسيمات البراونية بالاعتماد على الرياضيات. تم تقديم أول تفسير صارم للحركة البراونية في عام 1904 من قبل الفيزيائي البولندي ماريان سمولوتشوفسكي (1872-1917) ، الذي عمل في تلك السنوات في جامعة لفيف. في الوقت نفسه ، طور ألبرت أينشتاين (1879-1955) نظرية هذه الظاهرة ، وهو خبير غير معروف من الدرجة الثانية في مكتب براءات الاختراع في مدينة برن السويسرية. نُشرت مقالته في مايو 1905 في المجلة الألمانية Annalen der Physik بعنوان حول حركة الجسيمات المعلقة في سائل في حالة السكون ، التي تتطلبها النظرية الحركية الجزيئية للحرارة. بهذا الاسم ، أراد أينشتاين أن يُظهر أن وجود حركة عشوائية لأصغر الجسيمات الصلبة في السوائل ينبع بالضرورة من النظرية الحركية الجزيئية لبنية المادة.

من الغريب أنه في بداية هذا المقال ، كتب أينشتاين أنه على دراية بالظاهرة نفسها ، وإن كانت سطحية: "من الممكن أن تكون الحركات المعنية متطابقة مع ما يسمى بالحركة الجزيئية البراونية ، لكن البيانات المتاحة بالنسبة لي فيما يتعلق بالأخيرة غير دقيقة لدرجة أنني لم أستطع هذا الرأي بعينه ". وبعد عقود ، على منحدر حياته ، كتب أينشتاين شيئًا مختلفًا في مذكراته - أنه لم يكن يعرف عن الحركة البراونية على الإطلاق و "أعاد اكتشافها" من الناحية النظرية البحتة: "عدم معرفة أن الملاحظات على" الحركة البراونية "لها منذ فترة طويلة معروف ، اكتشفت أن النظرية الذرية تؤدي إلى وجود حركة ملحوظة للجسيمات المعلقة المجهرية. "مهما كان الأمر ، انتهت مقالة أينشتاين النظرية بمناشدة مباشرة إلى المجربين لاختبار استنتاجاته في الممارسة:" إن وجدت يمكن للباحث أن يجيب عما قريب على الأسئلة المطروحة هنا! " - أنهى مقالته بمثل هذا التعجب غير العادي.

لم يمض وقت طويل على جاذبية آينشتاين الحماسية.

وفقًا لنظرية Smoluchowski-Einstein ، فإن متوسط ​​قيمة الإزاحة التربيعية لجسيم براوني ( س 2) الوقت ريتناسب طرديا مع درجة الحرارة تيويتناسب عكسيا مع لزوجة المائع h ، وحجم الجسيمات صوثابت أفوجادرو

نأ: س 2 = 2RTt/ 6 س rNأ ،

أين صهو ثابت الغاز. لذلك ، إذا تم إزاحة جسيم قطره 1 ميكرومتر بمقدار 10 ميكرومتر في دقيقة واحدة ، فعندئذٍ في 9 دقائق - بمقدار 10 = 30 ميكرومتر ، في 25 دقيقة - بمقدار 10 = 50 ميكرومتر ، إلخ. في ظل ظروف مماثلة ، فإن الجسيم الذي يبلغ قطره 0.25 ميكرومتر سوف ينزاح بمقدار 20 و 60 و 100 ميكرومتر ، على التوالي ، في نفس الفترات الزمنية (1 ، 9 ، و 25 دقيقة) ، بما أن = 2. تتضمن الصيغة ثابت أفوجادرو ، وبالتالي ، يمكن تحديده من خلال القياسات الكمية لحركة الجسيم البراوني ، وهو ما فعله الفيزيائي الفرنسي جان بابتيست بيرين (1870-1942).

في عام 1908 ، بدأ بيرين ملاحظات كمية لحركة الجسيمات البراونية تحت المجهر. استخدم المجهر الفائق ، الذي تم اختراعه في عام 1902 ، والذي جعل من الممكن الكشف عن أصغر الجسيمات بسبب تشتت الضوء من مصباح جانبي قوي عليها. كرات صغيرة ذات شكل كروي تقريبًا وبنفس الحجم تقريبًا من Perrin تم الحصول عليها من gummigut - العصير المكثف لبعض الأشجار الاستوائية (يتم استخدامه أيضًا كطلاء مائي أصفر). تم وزن هذه الكرات الصغيرة في الجلسرين الذي يحتوي على 12٪ ماء. السائل اللزج منع ظهور التدفقات الداخلية فيه ، والتي من شأنها أن تلطخ الصورة. مسلحًا بساعة توقيت ، لاحظ بيرين ثم رسم (بالطبع ، بمقياس كبير جدًا) على ورقة بيانية موقع الجسيمات على فترات منتظمة ، على سبيل المثال ، كل نصف دقيقة. من خلال ربط النقاط التي تم الحصول عليها بالخطوط المستقيمة ، حصل على مسارات معقدة ، بعضها موضح في الشكل (مأخوذ من كتاب بيرين ذراتنُشر عام 1920 في باريس). تؤدي مثل هذه الحركة الفوضوية والفوضوية للجسيمات إلى حقيقة أنها تتحرك في الفضاء ببطء نوعًا ما: فمجموع الأجزاء أكبر بكثير من إزاحة الجسيم من النقطة الأولى إلى النقطة الأخيرة.

مواضع متتابعة كل 30 ثانية لثلاث جسيمات براونية - كرات صمغية بحجم 1 ميكرون. خلية واحدة تقابل مسافة 3 ميكرومتر. إذا تمكن بيرين من تحديد موضع الجسيمات البراونية ليس بعد 30 ، ولكن بعد 3 ثوانٍ ، فإن الخطوط المستقيمة بين كل نقطة متجاورة ستتحول إلى نفس الخط المتعرج المعقد المتقطع ، فقط على نطاق أصغر.

باستخدام الصيغة النظرية ونتائجها ، حصل بيرين على قيمة رقم أفوجادرو ، والتي كانت دقيقة تمامًا في ذلك الوقت: 6.8 . 10 23. درس بيرين أيضًا باستخدام مجهر توزيع الجسيمات البراونية على طول الخط العمودي ( سم. AVOGADRO LAW) وأظهر أنه على الرغم من تأثير الجاذبية الأرضية ، إلا أنهم يظلون في محلول في حالة تعليق. يمتلك Perrin أيضًا أعمالًا مهمة أخرى. في عام 1895 أثبت أن أشعة الكاثود عبارة عن شحنات كهربائية سالبة (إلكترونات) ، وفي عام 1901 اقترح لأول مرة نموذجًا كوكبيًا للذرة. في عام 1926 حصل على جائزة نوبل في الفيزياء.

أكدت النتائج التي حصل عليها بيرين استنتاجات أينشتاين النظرية. لقد ترك هذا انطباعًا قويًا. كما كتب الفيزيائي الأمريكي أ. بايس بعد عدة سنوات ، "لن تتوقف أبدًا عن الدهشة من هذه النتيجة التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة البسيطة: يكفي تحضير معلق من الكرات ، حجمها كبير مقارنة بحجم جزيئات بسيطة ، خذ ساعة توقيت ومجهر ، ويمكنك تحديد ثابت أفوجادرو! " يمكن أن يندهش المرء بطريقة أخرى: حتى الآن ، في المجلات العلمية (Nature ، Science ، Journal of Chemical Education) ، تظهر أوصاف التجارب الجديدة على الحركة البراونية من وقت لآخر! بعد نشر نتائج بيرين ، اعترف الخصم السابق للنظرية الذرية ، أوستوالد ، بأن "تزامن الحركة البراونية مع متطلبات الفرضية الحركية ... الآن يعطي الحق للعالم الأكثر حذرًا في التحدث عن الدليل التجريبي على النظرية الذرية للمادة. وهكذا ، فإن النظرية الذرية ترقى إلى مرتبة النظرية العلمية الراسخة. وردد عالم الرياضيات والفيزياء الفرنسي هنري بوانكاريه صدى ما قاله: "إن تحديد بيرين اللامع لعدد الذرات أكمل انتصار الذرة ... أصبحت ذرة الكيميائيين الآن حقيقة واقعة".

الحركة البراونية والانتشار.

تشبه حركة الجسيمات البراونية إلى حد كبير حركة الجزيئات الفردية نتيجة حركتها الحرارية. هذه الحركة تسمى الانتشار. حتى قبل عمل سمولوتشوفسكي وآينشتاين ، تم وضع قوانين حركة الجزيئات في أبسط حالات الحالة الغازية للمادة. اتضح أن جزيئات الغازات تتحرك بسرعة كبيرة - بسرعة الرصاصة ، لكنها لا تستطيع "الطيران بعيدًا" بعيدًا ، لأنها غالبًا ما تصطدم بجزيئات أخرى. على سبيل المثال ، جزيئات الأكسجين والنيتروجين في الهواء ، التي تتحرك بسرعة متوسطة تبلغ حوالي 500 م / ث ، تتعرض لأكثر من مليار تصادم كل ثانية. لذلك ، فإن مسار الجزيء ، إذا أمكن تتبعه ، سيكون خطًا متقطعًا معقدًا. يتم وصف مسار مشابه بواسطة الجسيمات البراونية إذا كان موضعها ثابتًا في فترات زمنية معينة. كل من الانتشار والحركة البراونية هما نتيجة للحركة الحرارية الفوضوية للجزيئات ، وبالتالي يتم وصفهما بعلاقات رياضية مماثلة. الفرق هو أن جزيئات الغازات تتحرك في خط مستقيم حتى تصطدم بجزيئات أخرى ، وبعد ذلك تغير اتجاهها. الجسيم البراوني ، على عكس الجزيء ، لا يؤدي أي "رحلات جوية حرة" ، ولكنه يعاني من "توترات" صغيرة وغير منتظمة للغاية ، ونتيجة لذلك ينتقل بشكل عشوائي إلى جانب أو آخر. أظهرت الحسابات أنه بالنسبة لجسيم 0.1 ميكرومتر ، تحدث حركة واحدة في ثلاثة أجزاء من المليار من الثانية على مسافة 0.5 نانومتر فقط (1 نانومتر = 0.001 ميكرومتر). وفقًا للتعبير المناسب لأحد المؤلفين ، فإن هذا يذكرنا بحركة علبة بيرة فارغة في ساحة تجمع فيها حشد من الناس.

الانتشار أسهل بكثير من ملاحظة الحركة البراونية ، لأنها لا تتطلب مجهرًا: إنها ليست حركات الجسيمات الفردية ، ولكن كتلها الضخمة التي يتم ملاحظتها ، فمن الضروري فقط التأكد من عدم فرض الحمل الحراري على الانتشار - خلط المادة نتيجة لتدفقات الدوامة (من السهل ملاحظة هذه التدفقات ، عن طريق إسقاط قطرة من محلول ملون ، مثل الحبر ، في كوب من الماء الساخن).

يتم ملاحظة الانتشار بسهولة في المواد الهلامية السميكة. يمكن تحضير مثل هذا الهلام ، على سبيل المثال ، في برطمان بنسلين عن طريق تحضير محلول جيلاتين بنسبة 4-5٪ فيه. يجب أن ينتفخ الجيلاتين أولاً لعدة ساعات ، ثم يذوب تمامًا مع التحريك ، وخفض الجرة في الماء الساخن. بعد التبريد ، يتم الحصول على مادة هلامية غير متدفقة على شكل كتلة شفافة ضبابية قليلاً. إذا تم ، بمساعدة ملاقط حادة ، إدخال بلورة صغيرة من برمنجنات البوتاسيوم ("برمنجنات البوتاسيوم") بعناية في مركز هذه الكتلة ، فإن البلورة ستبقى معلقة في المكان الذي تركت فيه ، لأن الجل لا يفعل ذلك. السماح لها بالسقوط. في غضون بضع دقائق ، ستبدأ كرة أرجوانية اللون في النمو حول البلورة ، ومع مرور الوقت تصبح أكبر وأكبر حتى تشوه جدران الجرة شكلها. يمكن الحصول على نفس النتيجة بمساعدة بلورة من كبريتات النحاس ، فقط في هذه الحالة لن تتحول الكرة إلى اللون الأرجواني ، بل الأزرق.

من الواضح سبب انقلاب الكرة: تدخل MnO 4 - الأيونات المتكونة أثناء انحلال البلورة إلى المحلول (الجل هو الماء أساسًا) ونتيجة للانتشار ، تتحرك بشكل موحد في جميع الاتجاهات ، في حين أن الجاذبية ليس لها أي تأثير عمليًا على معدل الانتشار. يكون الانتشار في السائل بطيئًا جدًا: يستغرق نمو الكرة عدة سنتيمترات عدة ساعات. في الغازات ، يكون الانتشار أسرع بكثير ، ولكن مع ذلك ، إذا لم يختلط الهواء ، فإن رائحة العطر أو الأمونيا ستنتشر في الغرفة لساعات.

نظرية الحركة البراونية: المشي العشوائي.

تشرح نظرية Smoluchowski-Einstein أنماط كل من الانتشار والحركة البراونية. يمكننا النظر في هذه الانتظامات في مثال الانتشار. إذا كانت سرعة الجزيء شإذن ، التحرك في خط مستقيم يستغرق وقتًا رسوف يتجاوز المسافة إل = أوت، ولكن بسبب الاصطدام بجزيئات أخرى ، لا يتحرك هذا الجزيء في خط مستقيم ، ولكنه يغير اتجاه حركته باستمرار. إذا كان من الممكن رسم مسار الجزيء ، فلن يختلف اختلافًا جوهريًا عن الرسومات التي حصل عليها Perrin. يمكن أن نرى من هذه الأشكال أنه بسبب الحركة الفوضوية ، يتم إزاحة الجزيء بمسافة س، أقل بكثير من إل. هذه الكميات مرتبطة بالعلاقة س= ، حيث l هي المسافة التي يطير فيها الجزيء من اصطدام إلى آخر ، يعني المسار الحر المتوسط. أظهرت القياسات أنه بالنسبة لجزيئات الهواء عند الضغط الجوي العادي l ~ 0.1 ميكرومتر ، مما يعني أنه عند سرعة 500 م / ث ، فإن جزيء النيتروجين أو الأكسجين سوف يطير في 10000 ثانية (أقل من ثلاث ساعات) إل= 5000 كم ، وسوف يتحول من الموضع الأصلي بمقدار فقط س\ u003d 0.7 م (70 سم) ، وبالتالي فإن المواد الناتجة عن الانتشار تتحرك ببطء شديد حتى في الغازات.

يسمى مسار الجزيء نتيجة الانتشار (أو مسار الجسيم البراوني) بالمشي العشوائي (في المشي العشوائي باللغة الإنجليزية). أعاد علماء الفيزياء البارعون تفسير هذا التعبير إلى مشية السكارى - "مسار السكير". في الواقع ، فإن تحريك الجسيم من موضع إلى آخر (أو مسار الجزيء الذي يمر بالعديد من الاصطدامات) يشبه حركة الشخص المخمور. علاوة على ذلك ، فإن هذا التشبيه يسهل أيضًا اشتقاق المعادلة الأساسية لمثل هذه العملية - على سبيل المثال الحركة أحادية البعد ، والتي يسهل تعميمها على ثلاثية الأبعاد.

دع البحار المليء بالفم يغادر الحانة في وقت متأخر من المساء واتجه على طول الشارع. بعد أن سار في الطريق الأول إلى أقرب فانوس ، استراح وذهب ... إما أبعد من ذلك ، إلى الفانوس التالي ، أو العودة إلى الحانة - بعد كل شيء ، لا يتذكر من أين أتى. السؤال هو ، هل سيغادر الحانة في أي وقت ، أم أنه سيتجول حولها ، الآن يبتعد ، الآن يقترب منها؟ (في نسخة أخرى من المشكلة ، يُقال إن هناك خنادق موحلة على طرفي الشارع حيث تنتهي الفوانيس ، والسؤال هو ما إذا كان البحار سيتمكن من تجنب الوقوع في إحداها). بديهيًا ، يبدو أن الإجابة الثانية صحيحة. لكنه مخطئ: فقد اتضح أن البحار سوف يتحرك تدريجياً أكثر فأكثر بعيدًا عن نقطة الصفر ، على الرغم من أنه أبطأ بكثير مما لو سار في اتجاه واحد فقط. إليك كيفية إثبات ذلك.

بعد اجتيازه لأول مرة إلى أقرب مصباح (إلى اليمين أو اليسار) ، سيكون البحار على مسافة س 1 = ± l من نقطة البداية. نظرًا لأننا مهتمون فقط ببعدها عن هذه النقطة ، وليس الاتجاه ، فإننا نتخلص من العلامات بتربيع هذا التعبير: س 1 2 \ u003d ل 2. بعد مرور بعض الوقت ، بحار ، بعد بالفعل ن"تائه" ، سيكون على مسافة

ق ن= من البداية. وبعد أن مرت مرة أخرى (إلى جانب واحد) إلى أقرب فانوس - على مسافة ق ن+1 = ق ن± l ، أو باستخدام مربع الإزاحة ، س 2 ن+1 = س 2 ن± 2 ق ن l + l 2. إذا كرر البحار هذه الحركة عدة مرات (from نقبل ن+ 1) ، إذن كنتيجة للتوسيط (يمر باحتمالية متساوية نالخطوة الثالثة إلى اليمين أو اليسار) ، المصطلح ± 2 ق ن l يلغي ذلك بحيث s 2 ن+1 = s2 ن+ l 2> (تشير أقواس الزاوية إلى متوسط ​​القيمة). L \ u003d 3600 م \ u003d 3.6 كم ، بينما الإزاحة من نقطة الصفر لنفس الوقت ستكون مساوية فقط س= = 190 م يمر خلال ثلاث ساعات إل= 10.8 كم ، وسوف يتحول بمقدار س= 330 م ، إلخ.

عمل شيمكن مقارنة l في الصيغة الناتجة مع معامل الانتشار ، والذي ، كما أوضح الفيزيائي وعالم الرياضيات الأيرلندي جورج غابرييل ستوكس (1819-1903) ، يعتمد على حجم الجسيم ولزوجة الوسط. بناءً على هذه الاعتبارات ، اشتق أينشتاين معادلته.

نظرية الحركة البراونية في الحياة الواقعية.

نظرية المشي العشوائي لها تطبيق عملي مهم. يقال أنه في غياب المعالم (الشمس والنجوم وضجيج الطريق السريع أو السكك الحديدية ، إلخ) ، يتجول الشخص في غابة أو عبر حقل في عاصفة ثلجية أو في ضباب كثيف في دوائر ، طوال الوقت العودة إلى مكانه الأصلي. في الواقع ، إنه لا يسير في دوائر ، ولكن تقريبًا بالطريقة التي تتحرك بها الجزيئات أو الجسيمات البراونية. يمكنه العودة إلى مكانه الأصلي ، ولكن عن طريق الصدفة فقط. لكنه يعبر طريقه عدة مرات. يقولون أيضًا أنه تم العثور على الأشخاص الذين تم تجميدهم في عاصفة ثلجية على بعد "بعض الكيلومترات" من أقرب سكن أو طريق ، ولكن في الواقع لم يكن لدى الشخص فرصة للسير على هذا الكيلومتر ، وهذا هو السبب.

لحساب مقدار تحرك الشخص نتيجة للمشي العشوائي ، تحتاج إلى معرفة قيمة l ، أي المسافة التي يمكن لأي شخص أن يسيرها في خط مستقيم دون أي نقاط مرجعية. تم قياس هذه القيمة من قبل دكتور العلوم الجيولوجية والمعدنية BS Gorobets بمساعدة متطوعين من الطلاب. بالطبع ، لم يتركهم في غابة كثيفة أو في حقل ثلجي ، كان كل شيء أبسط - وضعوا الطالب في وسط ملعب فارغ ، وعصبوا عينيه وطلبوا في صمت تام (استبعاد التوجيه بالأصوات) للذهاب حتى نهاية ملعب كرة القدم. اتضح ، في المتوسط ​​، أن الطالب سار في خط مستقيم لحوالي 20 مترًا فقط (الانحراف عن الخط المستقيم المثالي لم يتجاوز 5 درجات) ، ثم بدأ ينحرف أكثر فأكثر عن الاتجاه الأصلي. في النهاية توقف بعيدًا عن الوصول إلى الحافة.

الآن دع الشخص يمشي (أو بالأحرى يتجول) في الغابة بسرعة 2 كيلومتر في الساعة (بالنسبة للطريق يكون هذا بطيئًا للغاية ، ولكنه سريع جدًا بالنسبة للغابة الكثيفة) ، ثم إذا كانت قيمة l هي 20 مترًا ، ثم في غضون ساعة سيقطع مسافة 2 كم ، لكنه سيتحرك 200 متر فقط ، في ساعتين - حوالي 280 مترًا ، في ثلاث ساعات - 350 مترًا ، في 4 ساعات - 400 متر ، إلخ. ويتحرك في خط مستقيم عند مثل هذه السرعة ، كان الشخص يمشي 8 كيلومترات في 4 ساعات ، لذلك ، في تعليمات السلامة للعمل الميداني ، توجد مثل هذه القاعدة: إذا فقدت المعالم ، يجب عليك البقاء في مكانها ، وتجهيز ملجأ وانتظار نهاية السيئة الطقس (قد تشرق الشمس) أو تساعد. في الغابة ، ستساعدك المعالم - الأشجار أو الشجيرات - على التحرك في خط مستقيم ، وفي كل مرة تحتاج إلى الاحتفاظ بمعلمين من هذا القبيل - أحدهما في المقدمة والآخر خلفك. لكن ، بالطبع ، من الأفضل أن تأخذ بوصلة معك ...

ايليا لينسون

المؤلفات:

ماريو لوزي. تاريخ الفيزياء. م ، مير ، 1970
كيركر م. الحركات البراونية والواقع الجزيئي قبل عام 1900. مجلة التربية الكيميائية ، 1974 ، المجلد. 51 ، لا .12
لينسون آي. تفاعلات كيميائية. م ، أستريل ، 2002



عالم النبات الاسكتلندي روبرت براون (أحيانًا يُنقل لقبه باسم براون) خلال حياته ، كأفضل متذوق للنباتات ، حصل على لقب "أمير علماء النبات". قام بالعديد من الاكتشافات الرائعة. في عام 1805 ، بعد رحلة استكشافية استمرت أربع سنوات إلى أستراليا ، أحضر إلى إنجلترا حوالي 4000 نوع من النباتات الأسترالية غير المعروفة للعلماء وقضى سنوات عديدة في دراستها. جلبت النباتات الموصوفة من إندونيسيا وأفريقيا الوسطى. درس فسيولوجيا النبات ، ووصف لأول مرة بالتفصيل نواة الخلية النباتية. جعلته أكاديمية بطرسبرغ للعلوم عضوا فخريا. لكن اسم العالم معروف الآن على نطاق واسع ليس بسبب هذه الأعمال.

في عام 1827 ، أجرى براون بحثًا عن حبوب اللقاح النباتية. كان ، على وجه الخصوص ، مهتمًا بكيفية مشاركة حبوب اللقاح في عملية الإخصاب. بمجرد أن نظر تحت المجهر المعزول من خلايا حبوب اللقاح لنبات في أمريكا الشمالية كلاركيا بولشيلا(Pretty Clarkia) حبيبات حشوية ممدودة معلقة في الماء. فجأة ، رأى براون أن أصغر الحبوب الصلبة ، والتي بالكاد يمكن رؤيتها في قطرة ماء ، كانت ترتجف باستمرار وتتحرك من مكان إلى آخر. ووجد أن هذه الحركات ، على حد قوله ، "لا ترتبط بالتدفق في السائل أو بتبخره التدريجي ، ولكنها متأصلة في الجسيمات نفسها".

تم تأكيد ملاحظة براون من قبل علماء آخرين. أصغر الجسيمات تصرفت كما لو كانت على قيد الحياة ، وتسارعت "رقصة" الجسيمات مع زيادة درجة الحرارة وانخفاض حجم الجسيمات وتباطأت بشكل واضح عندما تم استبدال الماء بوسط أكثر لزوجة. لم تتوقف هذه الظاهرة المدهشة أبدًا: يمكن ملاحظتها لفترة طويلة بشكل تعسفي. في البداية ، اعتقد براون أن الكائنات الحية دخلت حقًا في مجال المجهر ، خاصة وأن حبوب اللقاح هي الخلايا الجرثومية الذكرية للنباتات ، لكن الجزيئات من النباتات الميتة ، حتى من تلك التي جفت قبل مائة عام في الأعشاب ، أدت أيضًا. ثم فكر براون فيما إذا كانت هذه هي "الجزيئات الأولية للكائنات الحية" ، التي قالها عالم الطبيعة الفرنسي الشهير جورج بوفون (1707-1788) ، مؤلف الكتاب المكون من 36 مجلدًا. تاريخ طبيعي. تلاشى هذا الافتراض عندما بدأ براون في استكشاف الأشياء غير الحية على ما يبدو ؛ في البداية كانت جزيئات صغيرة جدًا من الفحم ، بالإضافة إلى السخام والغبار من هواء لندن ، ثم مواد غير عضوية مطحونة بدقة: الزجاج والعديد من المعادن المختلفة. كانت "الجزيئات النشطة" موجودة في كل مكان: كتب براون: "في كل معدن ، تمكنت من طحنه إلى غبار لدرجة أنه يمكن تعليقه في الماء لبعض الوقت ، وجدت ، بكميات أكبر أو أقل ، هذه الجزيئات .

يجب أن أقول إن براون لم يكن لديه أي من أحدث المجاهر. في مقالته ، أكد على وجه التحديد أنه كان لديه عدسات ثنائية الوجه عادية ، والتي استخدمها لعدة سنوات. ويكتب كذلك: "طوال الدراسة ، واصلت استخدام نفس العدسات التي بدأت العمل بها ، من أجل إعطاء المزيد من الإقناع لبياناتي وجعلها في متناول الملاحظات العادية قدر الإمكان".

الآن ، من أجل تكرار ملاحظة براون ، يكفي أن يكون لديك مجهر غير قوي للغاية واستخدامه لفحص الدخان في صندوق أسود مضاء من خلال ثقب جانبي بشعاع من الضوء الشديد. في الغاز ، تتجلى هذه الظاهرة بشكل أكثر وضوحًا من السائل: بقع صغيرة من الرماد أو السخام (اعتمادًا على مصدر الدخان) هي ظاهرة تشتت الضوء ، والتي تقفز باستمرار ذهابًا وإيابًا.

كما هو الحال غالبًا في العلم ، بعد سنوات عديدة ، اكتشف المؤرخون أنه في عام 1670 ، لاحظ مخترع المجهر الهولندي أنتوني ليفينهوك ظاهرة مماثلة ، لكن ندرة ونقص المجاهر ، الحالة الجنينية للعلم الجزيئي في ذلك الوقت لم يلفت الانتباه إلى ملاحظة Leeuwenhoek ، لذلك يُنسب الاكتشاف بحق إلى Brown ، الذي درسه ووصفه بالتفصيل لأول مرة.

الحركة البراونية والنظرية الجزيئية الذرية.

سرعان ما أصبحت الظاهرة التي لاحظها براون معروفة على نطاق واسع. هو نفسه عرض تجاربه على العديد من الزملاء (يسرد براون أكثر من عشرين اسمًا). لكن لا براون ولا العديد من العلماء الآخرين تمكنوا من تفسير هذه الظاهرة الغامضة ، والتي كانت تسمى "الحركة البراونية" ، لسنوات عديدة. كانت حركات الجسيمات عشوائية تمامًا: لم تقدم الرسومات التخطيطية لمواقعها في نقاط زمنية مختلفة (على سبيل المثال ، كل دقيقة) للوهلة الأولى أي إمكانية لإيجاد أي انتظام في هذه الحركات.

تم تقديم تفسير الحركة البراونية (كما كانت تسمى هذه الظاهرة) بحركة الجزيئات غير المرئية فقط في الربع الأخير من القرن التاسع عشر ، ولكن لم يتم قبوله على الفور من قبل جميع العلماء. في عام 1863 ، اقترح لودفيج كريستيان وينر (1826-1896) ، مدرس الهندسة الوصفية من كارلسروه (ألمانيا) ، أن هذه الظاهرة مرتبطة بالحركات التذبذبية للذرات غير المرئية. كان هذا هو التفسير الأول ، على الرغم من أنه بعيد جدًا عن الحديث ، للحركة البراونية من خلال خصائص الذرات والجزيئات نفسها. من المهم أن يرى وينر فرصة لاختراق أسرار بنية المادة بمساعدة هذه الظاهرة. حاول أولاً قياس سرعة حركة الجسيمات البراونية واعتمادها على حجمها. الغريب ، في عام 1921 تقارير الاكاديمية الوطنية الامريكية للعلومنُشر العمل على الحركة البراونية لوينر آخر ، نوربرت ، المؤسس الشهير لعلم التحكم الآلي.

تم قبول أفكار L.K. Wiener وتطويرها من قبل عدد من العلماء - سيغموند إكسنر في النمسا (وبعد 33 عامًا - وابنه فيليكس) ، وجيوفاني كانتوني في إيطاليا ، وكارل فيلهلم نيجيلي في ألمانيا ، ولويس جورج غوي في فرنسا ، وثلاثة بلجيكيين الكهنة - اليسوعيون كاربونيلي وديلسو وتيريون وغيرهم. كان من بين هؤلاء العلماء الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي الشهير ويليام رامزي. تدريجيًا ، أصبح من الواضح أن أصغر حبيبات المادة قد تعرضت من جميع الجوانب لجزيئات أصغر لم تعد مرئية في المجهر - تمامًا كما لم تكن الأمواج التي تهز قاربًا بعيدًا مرئية من الشاطئ ، بينما تحركات القارب نفسها كانت واضحة للعيان. كما كتبوا في إحدى المقالات في عام 1877 ، "... قانون الأعداد الكبيرة الآن لا يقلل من تأثير الاصطدامات إلى ضغط موحد متوسط ​​، لن يكون الناتج عنها مساويًا للصفر ، ولكنه سيغير اتجاهه باستمرار وضخامته ".

من الناحية النوعية ، كانت الصورة معقولة جدًا وحتى بصرية. يجب أن يتحرك غصين صغير أو حشرة بنفس الطريقة تقريبًا ، والتي يتم دفعها (أو سحبها) في اتجاهات مختلفة بواسطة العديد من النمل. كانت هذه الجسيمات الأصغر في الواقع في قاموس العلماء ، ولم يرها أحد من قبل. أطلقوا عليها اسم الجزيئات. ترجمت هذه الكلمة من اللاتينية ، وتعني "كتلة صغيرة". بشكل مثير للدهشة ، هذا هو بالضبط التفسير الذي قدمه لظاهرة مشابهة للفيلسوف الروماني تيتوس لوكريتيوس كار (حوالي 99-55 قبل الميلاد) في قصيدته الشهيرة على طبيعة الأشياء. في ذلك ، يسمي أصغر الجسيمات غير المرئية للعين "المبادئ الأساسية" للأشياء.

أصل الأشياء يتحرك أولاً ،
وخلفهم أجساد من أصغر مجموعاتهم ،
قريب ، كيف أقول ، بقوة من بدايات المرحلة الابتدائية ،
يختبئون عنهم ، يتلقون دفعات ، يبدأون في الكفاح ،
أنفسهم إلى الحركة ثم دفع الجسم الأكبر.
لذا ، بدءًا من البداية ، كانت الحركة شيئًا فشيئًا
تلمس مشاعرنا وتصبح مرئية أيضًا
بالنسبة لنا وفي جزيئات الغبار يتحرك في ضوء الشمس ،
على الرغم من الصدمات غير المحسوسة التي تحدث منها ...

بعد ذلك ، اتضح أن لوكريتيوس كان مخطئًا: من المستحيل ملاحظة الحركة البراونية بالعين المجردة ، وجزيئات الغبار في شعاع الشمس الذي اخترق "رقصة" غرفة مظلمة بسبب حركات الهواء الدوامة. لكن ظاهريًا لكلتا الظاهرتين بعض أوجه التشابه. وفقط في القرن التاسع عشر. أصبح من الواضح للعديد من العلماء أن حركة الجسيمات البراونية ناتجة عن التأثيرات العشوائية لجزيئات الوسط. تصطدم الجزيئات المتحركة بجزيئات الغبار والجزيئات الصلبة الأخرى الموجودة في الماء. كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت سرعة الحركة. إذا كانت حبة غبار كبيرة ، على سبيل المثال ، يبلغ حجمها 0.1 مم (أكبر مليون مرة من جزيء الماء) ، فإن العديد من التأثيرات المتزامنة عليها من جميع الجوانب تكون متوازنة بشكل متبادل ولا تشعر بها عمليًا - تقريبًا مثل قطعة من الخشب بحجم الصفيحة لن "تشعر" بجهود العديد من النمل التي ستسحبها أو تدفعها في اتجاهات مختلفة. من ناحية أخرى ، إذا كانت حبة الغبار صغيرة نسبيًا ، فسوف تتحرك أولاً في اتجاه واحد ، ثم في الاتجاه الآخر ، تحت تأثير تأثيرات الجزيئات المحيطة.

يبلغ حجم الجسيمات البراونية من 0.1 إلى 1 ميكرومتر ، أي من ألف إلى واحد من عشرة آلاف من المليمتر ، وهذا هو السبب في أن براون كان قادرًا على رؤية حركتهم ، وأنه كان ينظر إلى حبيبات هيولي دقيقة ، وليس حبوب اللقاح نفسها (والتي غالبًا ما يتم الإبلاغ عنها عن طريق الخطأ). الحقيقة هي أن خلايا حبوب اللقاح كبيرة جدًا. وبالتالي ، في حبوب لقاح عشب المروج ، التي تحملها الرياح وتسبب أمراض الحساسية لدى البشر (حمى القش) ، يكون حجم الخلية عادة في حدود 20-50 ميكرون ، أي. هم أكبر من أن يلاحظوا الحركة البراونية. من المهم أيضًا ملاحظة أن الحركات الفردية للجسيم البراوني تحدث كثيرًا جدًا وعلى مسافات صغيرة جدًا ، لذلك من المستحيل رؤيتها ، ولكن تحت المجهر ، يمكن رؤية الحركات التي حدثت خلال فترة زمنية معينة.

يبدو أن حقيقة وجود الحركة البراونية أثبتت بشكل لا لبس فيه التركيب الجزيئي للمادة ، ولكن حتى في بداية القرن العشرين. كان هناك علماء ، بمن فيهم علماء فيزيائيون وكيميائيون ، لم يؤمنوا بوجود الجزيئات. اكتسبت النظرية الجزيئية الذرية الاعتراف ببطء وبصعوبة. وهكذا ، كتب أكبر كيميائي عضوي فرنسي مارسيلين بيرثيلوت (1827-1907): "مفهوم الجزيء ، من وجهة نظر معرفتنا ، غير محدد ، بينما مفهوم آخر - الذرة - هو افتراضي بحت." تحدث الكيميائي الفرنسي المعروف أ.سانت كلير ديفيل (1818-1881) بشكل أكثر وضوحًا: "لا أسمح بقانون أفوجادرو أو الذرة أو الجزيء ، لأنني أرفض الإيمان بما لا أستطيع رؤيته. ولا ترصد ". والكيميائي الفيزيائي الألماني فيلهلم أوستوالد (1853-1932) ، الحائز على جائزة نوبل ، أحد مؤسسي الكيمياء الفيزيائية ، يعود إلى أوائل القرن العشرين. نفى بشدة وجود الذرات. تمكن من كتابة كتاب كيميائي مكون من ثلاثة مجلدات لم تذكر فيه كلمة "ذرة" مطلقًا. في حديثه في 19 أبريل 1904 بتقرير كبير في المعهد الملكي لأعضاء الجمعية الكيميائية الإنجليزية ، حاول أوستوالد إثبات أن الذرات غير موجودة ، و "ما نسميه المادة هو مجرد مجموعة من الطاقات متجمعة معًا في مكان معين. "

لكن حتى هؤلاء الفيزيائيين الذين قبلوا النظرية الجزيئية لم يتمكنوا من تصديق أن حقيقة العقيدة الجزيئية الذرية قد تم إثباتها بهذه الطريقة البسيطة ، لذلك تم طرح مجموعة متنوعة من الأسباب البديلة لشرح هذه الظاهرة. وهذا ينطبق تمامًا على روح العلم: حتى يتم تحديد سبب الظاهرة بشكل لا لبس فيه ، فمن الممكن (وحتى الضروري) افتراض فرضيات مختلفة ، والتي ينبغي ، إذا أمكن ، التحقق منها تجريبياً أو نظرياً. لذلك ، في عام 1905 ، نُشر مقال صغير في القاموس الموسوعي لبروكهاوس وإيفرون من قبل أستاذ الفيزياء في سانت بطرسبرغ N.A. Gezehus ، مدرس الأكاديمي الشهير A.F. Ioffe. كتب Gezehus أنه وفقًا لبعض العلماء ، فإن الحركة البراونية ناتجة عن "الضوء أو الأشعة الحرارية التي تمر عبر السائل" ، ويتم اختزالها إلى "تدفقات بسيطة داخل السائل ، والتي لا علاقة لها بحركات الجزيئات" ، وهذه التدفقات يمكن أن يكون سببه "التبخر والانتشار وأسباب أخرى". بعد كل شيء ، كان معروفًا بالفعل أن حركة مماثلة جدًا لجزيئات الغبار في الهواء ناتجة على وجه التحديد عن تدفقات الدوامة. لكن التفسير الذي قدمه Gezehus يمكن بسهولة دحضه تجريبيًا: إذا تم فحص جسيمين براونيين قريبين جدًا من بعضهما البعض من خلال مجهر قوي ، فإن حركاتهما ستصبح مستقلة تمامًا. إذا كانت هذه الحركات ناتجة عن أي تدفقات في السائل ، فإن هذه الجسيمات المجاورة ستتحرك بالتنسيق.

نظرية الحركة البراونية.

في بداية القرن العشرين فهم معظم العلماء الطبيعة الجزيئية للحركة البراونية. لكن جميع التفسيرات ظلت نوعية بحتة ؛ ولا يمكن لأي نظرية كمية أن تصمد أمام التحقق التجريبي. بالإضافة إلى ذلك ، كانت النتائج التجريبية نفسها غير واضحة: المشهد الرائع للجسيمات المتدفقة بلا توقف أنوم المجربون ، ولم يعرفوا بالضبط ما هي خصائص الظاهرة التي ينبغي قياسها.

على الرغم من الاضطراب الكامل الظاهر ، كان لا يزال من الممكن وصف الحركات العشوائية للجسيمات البراونية بالاعتماد على الرياضيات. تم تقديم أول تفسير صارم للحركة البراونية في عام 1904 من قبل الفيزيائي البولندي ماريان سمولوتشوفسكي (1872-1917) ، الذي عمل في تلك السنوات في جامعة لفيف. في الوقت نفسه ، طور ألبرت أينشتاين (1879-1955) نظرية هذه الظاهرة ، وهو خبير غير معروف من الدرجة الثانية في مكتب براءات الاختراع في مدينة برن السويسرية. نُشرت مقالته في مايو 1905 في المجلة الألمانية Annalen der Physik بعنوان حول حركة الجسيمات المعلقة في سائل في حالة السكون ، التي تتطلبها النظرية الحركية الجزيئية للحرارة. بهذا الاسم ، أراد أينشتاين أن يُظهر أن وجود حركة عشوائية لأصغر الجسيمات الصلبة في السوائل ينبع بالضرورة من النظرية الحركية الجزيئية لبنية المادة.

من الغريب أنه في بداية هذا المقال ، كتب أينشتاين أنه على دراية بالظاهرة نفسها ، وإن كانت سطحية: "من الممكن أن تكون الحركات المعنية متطابقة مع ما يسمى بالحركة الجزيئية البراونية ، لكن البيانات المتاحة بالنسبة لي فيما يتعلق بالأخيرة غير دقيقة لدرجة أنني لم أستطع هذا الرأي بعينه ". وبعد عقود ، على منحدر حياته ، كتب أينشتاين شيئًا مختلفًا في مذكراته - أنه لم يكن يعرف عن الحركة البراونية على الإطلاق و "أعاد اكتشافها" من الناحية النظرية البحتة: "عدم معرفة أن الملاحظات على" الحركة البراونية "لها منذ فترة طويلة معروف ، اكتشفت أن النظرية الذرية تؤدي إلى وجود حركة ملحوظة للجسيمات المعلقة المجهرية. "مهما كان الأمر ، انتهت مقالة أينشتاين النظرية بمناشدة مباشرة إلى المجربين لاختبار استنتاجاته في الممارسة:" إن وجدت يمكن للباحث أن يجيب عما قريب على الأسئلة المطروحة هنا! " - أنهى مقالته بمثل هذا التعجب غير العادي.

لم يمض وقت طويل على جاذبية آينشتاين الحماسية.

وفقًا لنظرية Smoluchowski-Einstein ، فإن متوسط ​​قيمة الإزاحة التربيعية لجسيم براوني ( س 2) الوقت ريتناسب طرديا مع درجة الحرارة تيويتناسب عكسيا مع لزوجة المائع h ، وحجم الجسيمات صوثابت أفوجادرو

نأ: س 2 = 2RTt/ 6 س rNأ ،

أين صهو ثابت الغاز. لذلك ، إذا تم إزاحة جسيم قطره 1 ميكرومتر بمقدار 10 ميكرومتر في دقيقة واحدة ، فعندئذٍ في 9 دقائق - بمقدار 10 = 30 ميكرومتر ، في 25 دقيقة - بمقدار 10 = 50 ميكرومتر ، إلخ. في ظل ظروف مماثلة ، فإن الجسيم الذي يبلغ قطره 0.25 ميكرومتر سوف ينزاح بمقدار 20 و 60 و 100 ميكرومتر ، على التوالي ، في نفس الفترات الزمنية (1 ، 9 ، و 25 دقيقة) ، بما أن = 2. تتضمن الصيغة ثابت أفوجادرو ، وبالتالي ، يمكن تحديده من خلال القياسات الكمية لحركة الجسيم البراوني ، وهو ما فعله الفيزيائي الفرنسي جان بابتيست بيرين (1870-1942).

في عام 1908 ، بدأ بيرين ملاحظات كمية لحركة الجسيمات البراونية تحت المجهر. استخدم المجهر الفائق ، الذي تم اختراعه في عام 1902 ، والذي جعل من الممكن الكشف عن أصغر الجسيمات بسبب تشتت الضوء من مصباح جانبي قوي عليها. كرات صغيرة ذات شكل كروي تقريبًا وبنفس الحجم تقريبًا من Perrin تم الحصول عليها من gummigut - العصير المكثف لبعض الأشجار الاستوائية (يتم استخدامه أيضًا كطلاء مائي أصفر). تم وزن هذه الكرات الصغيرة في الجلسرين الذي يحتوي على 12٪ ماء. السائل اللزج منع ظهور التدفقات الداخلية فيه ، والتي من شأنها أن تلطخ الصورة. مسلحًا بساعة توقيت ، لاحظ بيرين ثم رسم (بالطبع ، بمقياس كبير جدًا) على ورقة بيانية موقع الجسيمات على فترات منتظمة ، على سبيل المثال ، كل نصف دقيقة. من خلال ربط النقاط التي تم الحصول عليها بالخطوط المستقيمة ، حصل على مسارات معقدة ، بعضها موضح في الشكل (مأخوذ من كتاب بيرين ذراتنُشر عام 1920 في باريس). تؤدي مثل هذه الحركة الفوضوية والفوضوية للجسيمات إلى حقيقة أنها تتحرك في الفضاء ببطء نوعًا ما: فمجموع الأجزاء أكبر بكثير من إزاحة الجسيم من النقطة الأولى إلى النقطة الأخيرة.

مواضع متتابعة كل 30 ثانية لثلاث جسيمات براونية - كرات صمغية بحجم 1 ميكرون. خلية واحدة تقابل مسافة 3 ميكرومتر. إذا تمكن بيرين من تحديد موضع الجسيمات البراونية ليس بعد 30 ، ولكن بعد 3 ثوانٍ ، فإن الخطوط المستقيمة بين كل نقطة متجاورة ستتحول إلى نفس الخط المتعرج المعقد المتقطع ، فقط على نطاق أصغر.

باستخدام الصيغة النظرية ونتائجها ، حصل بيرين على قيمة رقم أفوجادرو ، والتي كانت دقيقة تمامًا في ذلك الوقت: 6.8 . 10 23. درس بيرين أيضًا باستخدام مجهر توزيع الجسيمات البراونية على طول الخط العمودي ( سم. AVOGADRO LAW) وأظهر أنه على الرغم من تأثير الجاذبية الأرضية ، إلا أنهم يظلون في محلول في حالة تعليق. يمتلك Perrin أيضًا أعمالًا مهمة أخرى. في عام 1895 أثبت أن أشعة الكاثود عبارة عن شحنات كهربائية سالبة (إلكترونات) ، وفي عام 1901 اقترح لأول مرة نموذجًا كوكبيًا للذرة. في عام 1926 حصل على جائزة نوبل في الفيزياء.

أكدت النتائج التي حصل عليها بيرين استنتاجات أينشتاين النظرية. لقد ترك هذا انطباعًا قويًا. كما كتب الفيزيائي الأمريكي أ. بايس بعد عدة سنوات ، "لن تتوقف أبدًا عن الدهشة من هذه النتيجة التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة البسيطة: يكفي تحضير معلق من الكرات ، حجمها كبير مقارنة بحجم جزيئات بسيطة ، خذ ساعة توقيت ومجهر ، ويمكنك تحديد ثابت أفوجادرو! " يمكن أن يندهش المرء بطريقة أخرى: حتى الآن ، في المجلات العلمية (Nature ، Science ، Journal of Chemical Education) ، تظهر أوصاف التجارب الجديدة على الحركة البراونية من وقت لآخر! بعد نشر نتائج بيرين ، اعترف الخصم السابق للنظرية الذرية ، أوستوالد ، بأن "تزامن الحركة البراونية مع متطلبات الفرضية الحركية ... الآن يعطي الحق للعالم الأكثر حذرًا في التحدث عن الدليل التجريبي على النظرية الذرية للمادة. وهكذا ، فإن النظرية الذرية ترقى إلى مرتبة النظرية العلمية الراسخة. وردد عالم الرياضيات والفيزياء الفرنسي هنري بوانكاريه صدى ما قاله: "إن تحديد بيرين اللامع لعدد الذرات أكمل انتصار الذرة ... أصبحت ذرة الكيميائيين الآن حقيقة واقعة".

الحركة البراونية والانتشار.

تشبه حركة الجسيمات البراونية إلى حد كبير حركة الجزيئات الفردية نتيجة حركتها الحرارية. هذه الحركة تسمى الانتشار. حتى قبل عمل سمولوتشوفسكي وآينشتاين ، تم وضع قوانين حركة الجزيئات في أبسط حالات الحالة الغازية للمادة. اتضح أن جزيئات الغازات تتحرك بسرعة كبيرة - بسرعة الرصاصة ، لكنها لا تستطيع "الطيران بعيدًا" بعيدًا ، لأنها غالبًا ما تصطدم بجزيئات أخرى. على سبيل المثال ، جزيئات الأكسجين والنيتروجين في الهواء ، التي تتحرك بسرعة متوسطة تبلغ حوالي 500 م / ث ، تتعرض لأكثر من مليار تصادم كل ثانية. لذلك ، فإن مسار الجزيء ، إذا أمكن تتبعه ، سيكون خطًا متقطعًا معقدًا. يتم وصف مسار مشابه بواسطة الجسيمات البراونية إذا كان موضعها ثابتًا في فترات زمنية معينة. كل من الانتشار والحركة البراونية هما نتيجة للحركة الحرارية الفوضوية للجزيئات ، وبالتالي يتم وصفهما بعلاقات رياضية مماثلة. الفرق هو أن جزيئات الغازات تتحرك في خط مستقيم حتى تصطدم بجزيئات أخرى ، وبعد ذلك تغير اتجاهها. الجسيم البراوني ، على عكس الجزيء ، لا يؤدي أي "رحلات جوية حرة" ، ولكنه يعاني من "توترات" صغيرة وغير منتظمة للغاية ، ونتيجة لذلك ينتقل بشكل عشوائي إلى جانب أو آخر. أظهرت الحسابات أنه بالنسبة لجسيم 0.1 ميكرومتر ، تحدث حركة واحدة في ثلاثة أجزاء من المليار من الثانية على مسافة 0.5 نانومتر فقط (1 نانومتر = 0.001 ميكرومتر). وفقًا للتعبير المناسب لأحد المؤلفين ، فإن هذا يذكرنا بحركة علبة بيرة فارغة في ساحة تجمع فيها حشد من الناس.

الانتشار أسهل بكثير من ملاحظة الحركة البراونية ، لأنها لا تتطلب مجهرًا: إنها ليست حركات الجسيمات الفردية ، ولكن كتلها الضخمة التي يتم ملاحظتها ، فمن الضروري فقط التأكد من عدم فرض الحمل الحراري على الانتشار - خلط المادة نتيجة لتدفقات الدوامة (من السهل ملاحظة هذه التدفقات ، عن طريق إسقاط قطرة من محلول ملون ، مثل الحبر ، في كوب من الماء الساخن).

يتم ملاحظة الانتشار بسهولة في المواد الهلامية السميكة. يمكن تحضير مثل هذا الهلام ، على سبيل المثال ، في برطمان بنسلين عن طريق تحضير محلول جيلاتين بنسبة 4-5٪ فيه. يجب أن ينتفخ الجيلاتين أولاً لعدة ساعات ، ثم يذوب تمامًا مع التحريك ، وخفض الجرة في الماء الساخن. بعد التبريد ، يتم الحصول على مادة هلامية غير متدفقة على شكل كتلة شفافة ضبابية قليلاً. إذا تم ، بمساعدة ملاقط حادة ، إدخال بلورة صغيرة من برمنجنات البوتاسيوم ("برمنجنات البوتاسيوم") بعناية في مركز هذه الكتلة ، فإن البلورة ستبقى معلقة في المكان الذي تركت فيه ، لأن الجل لا يفعل ذلك. السماح لها بالسقوط. في غضون بضع دقائق ، ستبدأ كرة أرجوانية اللون في النمو حول البلورة ، ومع مرور الوقت تصبح أكبر وأكبر حتى تشوه جدران الجرة شكلها. يمكن الحصول على نفس النتيجة بمساعدة بلورة من كبريتات النحاس ، فقط في هذه الحالة لن تتحول الكرة إلى اللون الأرجواني ، بل الأزرق.

من الواضح سبب انقلاب الكرة: تدخل MnO 4 - الأيونات المتكونة أثناء انحلال البلورة إلى المحلول (الجل هو الماء أساسًا) ونتيجة للانتشار ، تتحرك بشكل موحد في جميع الاتجاهات ، في حين أن الجاذبية ليس لها أي تأثير عمليًا على معدل الانتشار. يكون الانتشار في السائل بطيئًا جدًا: يستغرق نمو الكرة عدة سنتيمترات عدة ساعات. في الغازات ، يكون الانتشار أسرع بكثير ، ولكن مع ذلك ، إذا لم يختلط الهواء ، فإن رائحة العطر أو الأمونيا ستنتشر في الغرفة لساعات.

نظرية الحركة البراونية: المشي العشوائي.

تشرح نظرية Smoluchowski-Einstein أنماط كل من الانتشار والحركة البراونية. يمكننا النظر في هذه الانتظامات في مثال الانتشار. إذا كانت سرعة الجزيء شإذن ، التحرك في خط مستقيم يستغرق وقتًا رسوف يتجاوز المسافة إل = أوت، ولكن بسبب الاصطدام بجزيئات أخرى ، لا يتحرك هذا الجزيء في خط مستقيم ، ولكنه يغير اتجاه حركته باستمرار. إذا كان من الممكن رسم مسار الجزيء ، فلن يختلف اختلافًا جوهريًا عن الرسومات التي حصل عليها Perrin. يمكن أن نرى من هذه الأشكال أنه بسبب الحركة الفوضوية ، يتم إزاحة الجزيء بمسافة س، أقل بكثير من إل. هذه الكميات مرتبطة بالعلاقة س= ، حيث l هي المسافة التي يطير فيها الجزيء من اصطدام إلى آخر ، يعني المسار الحر المتوسط. أظهرت القياسات أنه بالنسبة لجزيئات الهواء عند الضغط الجوي العادي l ~ 0.1 ميكرومتر ، مما يعني أنه عند سرعة 500 م / ث ، فإن جزيء النيتروجين أو الأكسجين سوف يطير في 10000 ثانية (أقل من ثلاث ساعات) إل= 5000 كم ، وسوف يتحول من الموضع الأصلي بمقدار فقط س\ u003d 0.7 م (70 سم) ، وبالتالي فإن المواد الناتجة عن الانتشار تتحرك ببطء شديد حتى في الغازات.

يسمى مسار الجزيء نتيجة الانتشار (أو مسار الجسيم البراوني) بالمشي العشوائي (في المشي العشوائي باللغة الإنجليزية). أعاد علماء الفيزياء البارعون تفسير هذا التعبير إلى مشية السكارى - "مسار السكير". في الواقع ، فإن تحريك الجسيم من موضع إلى آخر (أو مسار الجزيء الذي يمر بالعديد من الاصطدامات) يشبه حركة الشخص المخمور. علاوة على ذلك ، فإن هذا التشبيه يسهل أيضًا اشتقاق المعادلة الأساسية لمثل هذه العملية - على سبيل المثال الحركة أحادية البعد ، والتي يسهل تعميمها على ثلاثية الأبعاد.

دع البحار المليء بالفم يغادر الحانة في وقت متأخر من المساء واتجه على طول الشارع. بعد أن سار في الطريق الأول إلى أقرب فانوس ، استراح وذهب ... إما أبعد من ذلك ، إلى الفانوس التالي ، أو العودة إلى الحانة - بعد كل شيء ، لا يتذكر من أين أتى. السؤال هو ، هل سيغادر الحانة في أي وقت ، أم أنه سيتجول حولها ، الآن يبتعد ، الآن يقترب منها؟ (في نسخة أخرى من المشكلة ، يُقال إن هناك خنادق موحلة على طرفي الشارع حيث تنتهي الفوانيس ، والسؤال هو ما إذا كان البحار سيتمكن من تجنب الوقوع في إحداها). بديهيًا ، يبدو أن الإجابة الثانية صحيحة. لكنه مخطئ: فقد اتضح أن البحار سوف يتحرك تدريجياً أكثر فأكثر بعيدًا عن نقطة الصفر ، على الرغم من أنه أبطأ بكثير مما لو سار في اتجاه واحد فقط. إليك كيفية إثبات ذلك.

بعد اجتيازه لأول مرة إلى أقرب مصباح (إلى اليمين أو اليسار) ، سيكون البحار على مسافة س 1 = ± l من نقطة البداية. نظرًا لأننا مهتمون فقط ببعدها عن هذه النقطة ، وليس الاتجاه ، فإننا نتخلص من العلامات بتربيع هذا التعبير: س 1 2 \ u003d ل 2. بعد مرور بعض الوقت ، بحار ، بعد بالفعل ن"تائه" ، سيكون على مسافة

ق ن= من البداية. وبعد أن مرت مرة أخرى (إلى جانب واحد) إلى أقرب فانوس - على مسافة ق ن+1 = ق ن± l ، أو باستخدام مربع الإزاحة ، س 2 ن+1 = س 2 ن± 2 ق ن l + l 2. إذا كرر البحار هذه الحركة عدة مرات (from نقبل ن+ 1) ، إذن كنتيجة للتوسيط (يمر باحتمالية متساوية نالخطوة الثالثة إلى اليمين أو اليسار) ، المصطلح ± 2 ق ن l يلغي ذلك بحيث s 2 ن+1 = s2 ن+ l 2> (تشير أقواس الزاوية إلى متوسط ​​القيمة). L \ u003d 3600 م \ u003d 3.6 كم ، بينما الإزاحة من نقطة الصفر لنفس الوقت ستكون مساوية فقط س= = 190 م يمر خلال ثلاث ساعات إل= 10.8 كم ، وسوف يتحول بمقدار س= 330 م ، إلخ.

عمل شيمكن مقارنة l في الصيغة الناتجة مع معامل الانتشار ، والذي ، كما أوضح الفيزيائي وعالم الرياضيات الأيرلندي جورج غابرييل ستوكس (1819-1903) ، يعتمد على حجم الجسيم ولزوجة الوسط. بناءً على هذه الاعتبارات ، اشتق أينشتاين معادلته.

نظرية الحركة البراونية في الحياة الواقعية.

نظرية المشي العشوائي لها تطبيق عملي مهم. يقال أنه في غياب المعالم (الشمس والنجوم وضجيج الطريق السريع أو السكك الحديدية ، إلخ) ، يتجول الشخص في غابة أو عبر حقل في عاصفة ثلجية أو في ضباب كثيف في دوائر ، طوال الوقت العودة إلى مكانه الأصلي. في الواقع ، إنه لا يسير في دوائر ، ولكن تقريبًا بالطريقة التي تتحرك بها الجزيئات أو الجسيمات البراونية. يمكنه العودة إلى مكانه الأصلي ، ولكن عن طريق الصدفة فقط. لكنه يعبر طريقه عدة مرات. يقولون أيضًا أنه تم العثور على الأشخاص الذين تم تجميدهم في عاصفة ثلجية على بعد "بعض الكيلومترات" من أقرب سكن أو طريق ، ولكن في الواقع لم يكن لدى الشخص فرصة للسير على هذا الكيلومتر ، وهذا هو السبب.

لحساب مقدار تحرك الشخص نتيجة للمشي العشوائي ، تحتاج إلى معرفة قيمة l ، أي المسافة التي يمكن لأي شخص أن يسيرها في خط مستقيم دون أي نقاط مرجعية. تم قياس هذه القيمة من قبل دكتور العلوم الجيولوجية والمعدنية BS Gorobets بمساعدة متطوعين من الطلاب. بالطبع ، لم يتركهم في غابة كثيفة أو في حقل ثلجي ، كان كل شيء أبسط - وضعوا الطالب في وسط ملعب فارغ ، وعصبوا عينيه وطلبوا في صمت تام (استبعاد التوجيه بالأصوات) للذهاب حتى نهاية ملعب كرة القدم. اتضح ، في المتوسط ​​، أن الطالب سار في خط مستقيم لحوالي 20 مترًا فقط (الانحراف عن الخط المستقيم المثالي لم يتجاوز 5 درجات) ، ثم بدأ ينحرف أكثر فأكثر عن الاتجاه الأصلي. في النهاية توقف بعيدًا عن الوصول إلى الحافة.

الآن دع الشخص يمشي (أو بالأحرى يتجول) في الغابة بسرعة 2 كيلومتر في الساعة (بالنسبة للطريق يكون هذا بطيئًا للغاية ، ولكنه سريع جدًا بالنسبة للغابة الكثيفة) ، ثم إذا كانت قيمة l هي 20 مترًا ، ثم في غضون ساعة سيقطع مسافة 2 كم ، لكنه سيتحرك 200 متر فقط ، في ساعتين - حوالي 280 مترًا ، في ثلاث ساعات - 350 مترًا ، في 4 ساعات - 400 متر ، إلخ. ويتحرك في خط مستقيم عند مثل هذه السرعة ، كان الشخص يمشي 8 كيلومترات في 4 ساعات ، لذلك ، في تعليمات السلامة للعمل الميداني ، توجد مثل هذه القاعدة: إذا فقدت المعالم ، يجب عليك البقاء في مكانها ، وتجهيز ملجأ وانتظار نهاية السيئة الطقس (قد تشرق الشمس) أو تساعد. في الغابة ، ستساعدك المعالم - الأشجار أو الشجيرات - على التحرك في خط مستقيم ، وفي كل مرة تحتاج إلى الاحتفاظ بمعلمين من هذا القبيل - أحدهما في المقدمة والآخر خلفك. لكن ، بالطبع ، من الأفضل أن تأخذ بوصلة معك ...

ايليا لينسون

المؤلفات:

ماريو لوزي. تاريخ الفيزياء. م ، مير ، 1970
كيركر م. الحركات البراونية والواقع الجزيئي قبل عام 1900. مجلة التربية الكيميائية ، 1974 ، المجلد. 51 ، لا .12
لينسون آي. تفاعلات كيميائية. م ، أستريل ، 2002



حصل عالم النبات الاسكتلندي روبرت براون ، خلال حياته ، باعتباره أفضل متذوق للنباتات ، على لقب "أمير علماء النبات". قام بالعديد من الاكتشافات الرائعة. في عام 1805 ، بعد رحلة استكشافية استمرت أربع سنوات إلى أستراليا ، أحضر إلى إنجلترا حوالي 4000 نوع من النباتات الأسترالية غير المعروفة للعلماء وقضى سنوات عديدة في دراستها. جلبت النباتات الموصوفة من إندونيسيا وأفريقيا الوسطى. درس فسيولوجيا النبات ، ووصف لأول مرة بالتفصيل نواة الخلية النباتية. لكن اسم العالم معروف الآن على نطاق واسع ليس بسبب هذه الأعمال.

في عام 1827 ، أجرى براون بحثًا عن حبوب اللقاح النباتية. كان ، على وجه الخصوص ، مهتمًا بكيفية مشاركة حبوب اللقاح في عملية الإخصاب. ذات مرة ، تحت المجهر ، قام بفحص حبيبات السيتوبلازم المعلقة في الماء المعزولة من خلايا حبوب اللقاح في نبات أمريكا الشمالية Clarkia pulchella (كلاركيا جميلة). فجأة ، رأى براون أن أصغر الحبوب الصلبة ، والتي بالكاد يمكن رؤيتها في قطرة ماء ، كانت ترتجف باستمرار وتتحرك من مكان إلى آخر. ووجد أن هذه الحركات ، على حد قوله ، "لا ترتبط بالتدفق في السائل أو بتبخره التدريجي ، ولكنها متأصلة في الجسيمات نفسها".

تم تأكيد ملاحظة براون من قبل علماء آخرين. أصغر الجسيمات تصرفت كما لو كانت على قيد الحياة ، وتسارعت "رقصة" الجسيمات مع زيادة درجة الحرارة وانخفاض حجم الجسيمات وتباطأت بشكل واضح عندما تم استبدال الماء بوسط أكثر لزوجة. لم تتوقف هذه الظاهرة المدهشة أبدًا: يمكن ملاحظتها لفترة طويلة بشكل تعسفي. في البداية ، اعتقد براون أن الكائنات الحية دخلت حقًا في مجال المجهر ، خاصة وأن حبوب اللقاح هي الخلايا الجرثومية الذكرية للنباتات ، لكن الجزيئات من النباتات الميتة ، حتى من تلك التي جفت قبل مائة عام في الأعشاب ، أدت أيضًا. ثم تساءل براون عما إذا كانت هذه هي "الجزيئات الأولية للكائنات الحية" ، التي تحدث عنها عالم الطبيعة الفرنسي الشهير جورج بوفون (1707-1788) ، مؤلف كتاب التاريخ الطبيعي المكون من 36 مجلدًا. تلاشى هذا الافتراض عندما بدأ براون في استكشاف الأشياء غير الحية على ما يبدو ؛ في البداية كانت جزيئات صغيرة جدًا من الفحم ، بالإضافة إلى السخام والغبار من هواء لندن ، ثم مواد غير عضوية مطحونة بدقة: الزجاج والعديد من المعادن المختلفة. كانت "الجزيئات النشطة" في كل مكان: "في كل معدن ،" كتب براون ، "لقد تمكنت من طحن الغبار إلى درجة أنه يمكن تعليقه في الماء لبعض الوقت ، وجدت ، بكميات أكبر أو أقل ، هذه الجزيئات .

لمدة 30 عامًا تقريبًا ، لم يجذب اكتشاف براون اهتمام علماء الفيزياء. لم تعط الظاهرة الجديدة أهمية كبيرة ، حيث اعتبرت ناتجة عن ارتعاش الدواء ، أو مماثلة لحركة جزيئات الغبار ، والتي تُلاحظ في الغلاف الجوي عند سقوط شعاع من الضوء عليها ، والتي ، كما كان معروف ، بسبب حركة الهواء. ولكن إذا كانت حركات الجسيمات البراونية ناتجة عن بعض التدفقات في السائل ، فإن هذه الجسيمات المجاورة ستتحرك في تناسق ، مما يتعارض مع بيانات الرصد.

تم تقديم تفسير الحركة البراونية (كما كانت تسمى هذه الظاهرة) بحركة الجزيئات غير المرئية فقط في الربع الأخير من القرن التاسع عشر ، ولكن لم يتم قبوله على الفور من قبل جميع العلماء. في عام 1863 ، اقترح Ludwig Christian Wiener (1826-1896) ، مدرس الهندسة الوصفية من كارلسروه (ألمانيا) ، أن هذه الظاهرة مرتبطة بالحركات التذبذبية للذرات غير المرئية. من المهم أن يرى وينر فرصة لاختراق أسرار بنية المادة بمساعدة هذه الظاهرة. حاول أولاً قياس سرعة حركة الجسيمات البراونية واعتمادها على حجمها. لكن استنتاجات وينر كانت معقدة بسبب إدخال مفهوم "ذرات الأثير" بالإضافة إلى ذرات المادة. في عام 1876 ، أظهر ويليام رامزي ، وفي عام 1877 الكهنة البلجيكيون اليسوعيون كاربونيل وديلسو وتيريون ، وأخيراً في عام 1888 ، الطبيعة الحرارية للحركة البراونية [5].

كتب ديلسو وكاربونيل: "مع وجود مساحة كبيرة ، فإن تأثير الجزيئات التي تسبب الضغط لا يسبب أي اهتزاز للجسم المعلق ، لأنهما معًا يخلقان ضغطًا موحدًا على الجسم في جميع الاتجاهات. ولكن إذا كانت المساحة غير كافية للتعويض عن التفاوت ، فمن الضروري مراعاة عدم المساواة في الضغوط وتغيرها المستمر من نقطة إلى أخرى. لا يقلل قانون الأعداد الكبيرة الآن من تأثير الاصطدامات إلى متوسط ​​ضغط موحد ، ولن يكون الناتج الناتج مساويًا للصفر ، ولكنه سيغير اتجاهه وحجمه باستمرار.

إذا تم قبول هذا التفسير ، فيمكن القول إن ظاهرة الحركة الحرارية للسوائل ، التي تفترضها النظرية الحركية ، قد تم إثباتها إلى ad oculos (بشكل مرئي). مثلما يمكن ، دون تمييز الأمواج في المسافة من البحر ، أن يفسر هز القارب في الأفق بالموجات ، بنفس الطريقة ، عدم رؤية حركة الجزيئات ، يمكن للمرء أن يحكم عليها بالحركة من الجسيمات العالقة في السائل.

هذا التفسير للحركة البراونية ليس مهمًا فقط كتأكيد للنظرية الحركية ، بل له أيضًا عواقب نظرية مهمة. وفقًا لقانون حفظ الطاقة ، يجب أن يكون التغيير في سرعة الجسيم المعلق مصحوبًا بتغير في درجة الحرارة في المنطقة المجاورة مباشرة لهذا الجسيم: تزداد درجة الحرارة هذه إذا انخفضت سرعة الجسيم ، وتنخفض إذا انخفضت السرعة. من الجسيم يزيد. وبالتالي ، فإن التوازن الحراري للسائل هو توازن إحصائي.

تم إجراء ملاحظة أكثر أهمية في عام 1888 بواسطة Huy: الحركة البراونية ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا تخضع للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. في الواقع ، عندما يرتفع جسيم معلق تلقائيًا في سائل ما ، فإن جزءًا من حرارة بيئته يتحول تلقائيًا إلى عمل ميكانيكي ، وهو ما يمنعه القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ومع ذلك ، فقد أظهرت الملاحظات أن الجسيم يرتفع بشكل أقل تكرارًا ، وكلما زاد وزن الجسيم. بالنسبة للجسيمات ذات الحجم العادي ، فإن احتمال حدوث مثل هذا الارتفاع هو صفر عمليًا.

وهكذا يصبح القانون الثاني للديناميكا الحرارية قانونًا للاحتمالية وليس قانونًا للضرورة. في السابق ، لم تدعم أي خبرة هذا التفسير الإحصائي. كان يكفي إنكار وجود الجزيئات ، كما فعلت ، على سبيل المثال ، من قبل مدرسة الطاقة ، التي ازدهرت تحت قيادة ماخ وأوستوالد ، ليصبح القانون الثاني للديناميكا الحرارية قانون الضرورة. ولكن بعد اكتشاف الحركة البراونية ، أصبح التفسير الصارم للقانون الثاني مستحيلًا بالفعل: كانت هناك تجربة حقيقية أظهرت أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يتم انتهاكه باستمرار في الطبيعة ، وأن النوع الثاني من آلة الحركة الدائمة ليس فقط ليست مستبعدة ، ولكن يتم إدراكها باستمرار أمام أعيننا.

لذلك ، في نهاية القرن الماضي ، اكتسبت دراسة الحركة البراونية أهمية نظرية كبيرة وجذبت انتباه العديد من علماء الفيزياء النظرية ، وعلى وجه الخصوص أينشتاين.

أحد الأدلة غير المباشرة على أن جميع المواد تتكون من ذرات وجزيئات تتحرك بشكل عشوائي الحركة البراونية.

هذه حركة فوضوية مستمرة للجسيمات العالقة في سائل أو غاز.

سبب هذه الحركة هو تأثير الجزيئات على الجسيم ، والتي لا تعوض بعضها البعض.

إذا نظرت من خلال زجاج الزجاجة إلى الضوء ، يمكنك أن ترى كيف تحدث جزيئات الغبار حركة فوضوية في الهواء.

ملاحظات روبرت براون

في عام 1827 ، أبلغ عالم النبات الاسكتلندي روبرت براون عن ملاحظاته للمجتمع العلمي. أضاف حبيبات صغيرة من حبوب اللقاح إلى الماء ، وأضاءها بضوء شديد وملاحظتها تحت المجهر.

وجد براون حركة قوية ومستمرة ومتعرجة لهذه الجسيمات في الماء ، على الرغم من أن سطح السائل كان ثابتًا تمامًا.

في ذلك الوقت ، لم يستطع تفسير مصدر هذه الحركة. كان سبب الظاهرة هو اختلاف درجات الحرارة داخل الماء ، اهتزاز الطاولة التي أجريت عليها التجربة.

حتى نهاية القرن ، كان العلماء متشككين بشأن الحركة البراونية. قلة فقط اعتبروا أنه تأكيد للنظرية الحركية الجزيئية لتركيب المادة.

أصر فيزيائيون آخرون على أن الذرات والجزيئات لا توجد فعليًا كأشياء حقيقية ، ولكنها مفاهيم رياضية مفيدة لحساب نتائج التفاعلات الكيميائية.

نظرية أينشتاين وتجربة بيرين

في عام 1905 ، نشر ألبرت أينشتاين ، غير مدرك لملاحظات براون ، مقالًا ، باستخدام الحسابات الرياضية ، استنتج أنه إذا تم وضع جزيء صغير من المادة في الماء ، فسوف يبدأ في التحرك في اتجاهات مختلفة. ستكون حركة الجسيم نتيجة لقصفه من جميع الجهات بجزيئات الماء. في وقت معين ، تصطدم جزيئات الماء بالجسيم على جانب واحد أكثر من الآخر ، مما ينتج عنه نمط حركة عشوائي على ما يبدو. كان عمل أينشتاين أول حجة نظرية لوجود الجزيئات والذرات.

في عام 1909 ، أكدت تجربة أجراها العالم الفرنسي جان بابتيست بيرين صيغة أينشتاين ، التي نُشرت عام 1905 ، وساعدت في إثبات وجود الذرات والجزيئات. أكسبه هذا الدليل جائزة نوبل في الفيزياء عام 1926.

وفقًا لمعادلات أينشتاين ، التي تصف إحصائيًا الحركة البراونية ، يجب أن تتحرك بعض الجسيمات المعلقة في الماء في الاتجاه المعاكس لقوة الجاذبية المؤثرة. لأن جزيئات الماء تمنحهم دفعة وتغير اتجاه حركتهم.

بدأ بيرين ملاحظاته المضنية عن سلوك جزيئات مستخلص العلكة (العلكة) في عام 1908 لتحديد الحجم التقريبي لجزيئات الماء.

أمضى عدة أشهر في عزلة لمراقبة 0.1 جرام من قطعة صمغية. وفقًا لنظرية أينشتاين الجزيئية ، لن تغرق كل الجسيمات في قاع التعليق. قام جان بيرين بحساب عدد الجسيمات على أعماق مختلفة في قطرة واحدة من السائل بعمق 0.12 مم. انخفض تركيز الجسيمات بشكل كبير مع الارتفاع ، بما يتماشى مع التوقعات الرياضية لنظرية أينشتاين.

ارتبط أينشتاين بالحركة البراونية بمفهوم رقم أفوجادرو (6.023 * 10 23). حصل Perrin على هذه القيمة من خلال إجراء حسابات تستند إلى البيانات التي تم الحصول عليها في المختبر.

خلال خطابه في جائزة نوبل ، قال: "إذا كانت الجزيئات والذرات موجودة بالفعل ، فنحن نعرف وزنها النسبي. بمعرفة عدد Avogadro ، يمكننا معرفة وزنها المطلق.