Činjenice o Brownovom gibanju. Otkriće Roberta Browna

Brownovo otkriće.

Škotski botaničar Robert Brown (ponekad mu se prezime transkribira kao Brown) za života je, kao najbolji stručnjak za biljke, dobio titulu “Princ botaničara”. Došao je do mnogih prekrasnih otkrića. Godine 1805., nakon četverogodišnje ekspedicije u Australiju, donio je u Englesku oko 4000 vrsta australskih biljaka nepoznatih znanstvenicima i proveo mnogo godina proučavajući ih. Opisane biljke donesene iz Indonezije i središnje Afrike. Proučavao je fiziologiju biljaka i prvi put detaljno opisao jezgru biljne stanice. Peterburška akademija znanosti učinila ga je počasnim članom. Ali ime znanstvenika sada je široko poznato ne zbog ovih radova.

Godine 1827. Brown je proveo istraživanje peludi biljaka. Posebno ga je zanimalo kako pelud sudjeluje u procesu oplodnje. Jednom je pod mikroskopom ispitivao izdužena citoplazmatska zrnca suspendirana u vodi iz polenovih stanica sjevernoameričke biljke Clarkia pulchella. Odjednom je Brown vidio da najmanja čvrsta zrnca, koja su se jedva mogla vidjeti u kapi vode, neprestano podrhtavaju i pomiču se s mjesta na mjesto. Otkrio je da ta kretanja, prema njegovim riječima, "nisu povezana ni s strujanjem tekućine ni s njezinim postupnim isparavanjem, već su svojstvena samim česticama."

Brownovo zapažanje potvrdili su i drugi znanstvenici. Najmanje čestice ponašale su se kao da su žive, a "ples" čestica ubrzavao se s povećanjem temperature i smanjenjem veličine čestica i očito usporavao pri zamjeni vode s viskoznijim medijem. Ova nevjerojatna pojava nikada nije prestala: mogla se promatrati koliko god dugo želite. Isprva je Brown čak pomislio da su u polje mikroskopa zapravo upala živa bića, tim više što je pelud muška spolna stanica biljaka, no bilo je tu i čestica mrtvih biljaka, čak i onih osušenih prije stotinjak godina u herbarijima. Tada se Brown zapitao jesu li to one “elementarne molekule živih bića” o kojima je govorio slavni francuski prirodoslovac Georges Buffon (1707.–1788.), autor Prirodoslovlja u 36 svezaka. Ova pretpostavka je otpala kada je Brown počeo ispitivati ​​naizgled nežive predmete; isprva su to bile vrlo male čestice ugljena, kao i čađe i prašine iz londonskog zraka, zatim fino mljevene anorganske tvari: staklo, mnogo različitih minerala. “Aktivne molekule” bile su posvuda: “U svakom mineralu”, napisao je Brown, “koji sam uspio usitniti u prah do te mjere da neko vrijeme može lebdjeti u vodi, pronašao sam, u većim ili manjim količinama, te molekule ."

Mora se reći da Brown nije imao nijedan od najnovijih mikroskopa. U svom članku posebno ističe da je imao obične bikonveksne leće koje je koristio nekoliko godina. I dalje kaže: “Tijekom cijele studije nastavio sam koristiti iste leće s kojima sam započeo rad, kako bih svojim izjavama dao veću vjerodostojnost i učinio ih što dostupnijima uobičajenim opažanjima.”

Sada, da ponovimo Brownovo zapažanje, dovoljno je imati ne baš jak mikroskop i njime pregledati dim u zacrnjenoj kutiji, osvijetljen kroz bočnu rupu snopom intenzivne svjetlosti. U plinu se pojava očituje mnogo jasnije nego u tekućini: vidljivi su mali komadići pepela ili čađe (ovisno o izvoru dima), koji raspršuju svjetlost i neprestano skaču naprijed-natrag.

Kao što se često događa u znanosti, mnogo godina kasnije povjesničari su otkrili da je davne 1670. izumitelj mikroskopa, Nizozemac Antonie Leeuwenhoek, očito primijetio sličan fenomen, ali rijetkost i nesavršenost mikroskopa, embrionalno stanje molekularne znanosti u to vrijeme nije privuklo pozornost na Leeuwenhoekovo opažanje, stoga se otkriće s pravom pripisuje Brownu, koji ga je prvi detaljno proučio i opisao.

Brownovo gibanje i atomsko-molekularna teorija.

Fenomen koji je primijetio Brown brzo je postao naširoko poznat. I sam je svoje pokuse pokazivao brojnim kolegama (Brown navodi dvadesetak imena). Ali ni sam Brown ni mnogi drugi znanstvenici dugi niz godina nisu mogli objasniti taj misteriozni fenomen, koji je nazvan "Brownian pokret". Kretanja čestica bila su potpuno nasumična: skice njihovih položaja napravljene u različitim vremenskim točkama (na primjer, svake minute) na prvi pogled nisu omogućile pronalaženje bilo kakvog uzorka u tim kretanjima.

Objašnjenje Brownovog gibanja (kako je ovaj fenomen nazvan) kretanjem nevidljivih molekula dano je tek u posljednjoj četvrtini 19. stoljeća, ali nije odmah prihvaćeno od svih znanstvenika. Godine 1863., učitelj deskriptivne geometrije iz Karlsruhea (Njemačka), Ludwig Christian Wiener (1826. – 1896.), sugerirao je da je pojava povezana s oscilatornim kretanjem nevidljivih atoma. To je bilo prvo, iako vrlo daleko od modernog, objašnjenje Brownovog gibanja svojstvima samih atoma i molekula. Važno je da je Wiener uvidio priliku da pomoću ovog fenomena prodre u tajne strukture materije. Prvi je pokušao izmjeriti brzinu gibanja Brownovih čestica i njezinu ovisnost o njihovoj veličini. Zanimljivo je da je 1921. u Proceedings of the National Academy of Sciences Sjedinjenih Država objavljen rad o Brownovom kretanju još jednog Wienera, Norberta, slavnog utemeljitelja kibernetike.

Ideje L.K. Wienera prihvatili su i razvili brojni znanstvenici - Sigmund Exner u Austriji (i 33 godine kasnije - njegov sin Felix), Giovanni Cantoni u Italiji, Karl Wilhelm Negeli u Njemačkoj, Louis Georges Gouy u Francuskoj, tri belgijska svećenika. - Isusovci Carbonelli, Delso i Tirion i drugi. Među tim znanstvenicima bio je i kasnije poznati engleski fizičar i kemičar William Ramsay. Postupno je postajalo jasno da najsitnija zrnca materije sa svih strana pogađaju još manje čestice, koje više nisu bile vidljive mikroskopom - kao što se s obale ne vide valovi koji ljuljaju daleki čamac, dok se kretanje čamca ne vidi s obale. same po sebi su sasvim jasno vidljive. Kako su napisali u jednom od članaka 1877. godine, “...zakon velikih brojeva više ne svodi učinak sudara na prosječni uniformni tlak; njihova rezultanta više neće biti jednaka nuli, već će neprestano mijenjati svoj smjer i svoj veličina.”

Kvalitativno, slika je bila prilično uvjerljiva, pa čak i vizualno. Mala grančica ili kukac trebala bi se kretati približno na isti način, gurana (ili vučena) u različitim smjerovima od strane mnogih mrava. Ove manje čestice zapravo su bile u rječniku znanstvenika, ali ih nitko nikada nije vidio. Zvale su se molekule; U prijevodu s latinskog, ova riječ znači "mala masa". Zapanjujuće, upravo je ovo objašnjenje sličnom fenomenu dao rimski filozof Titus Lucretius Carus (oko 99. – 55. pr. Kr.) u svojoj poznatoj pjesmi O prirodi stvari. U njemu on najmanje čestice nevidljive oku naziva "primordijalnim principima" stvari.

Principi stvari prvo se pokreću sami,

Za njima su tijela iz njihove najmanje kombinacije,

Blizu, tako reći, po snazi ​​primarnim principima,

Skriveni od njih, primajući šokove, počinju težiti,

Sami se kreću, a zatim potiču veća tijela.

Dakle, od početka, pokret malo po malo

Dotiče naše osjećaje i također postaje vidljiv

Nama iu česticama prašine što se kreću na sunčevoj svjetlosti,

Iako su potresi iz kojih nastaje neprimjetni...

Naknadno se pokazalo da je Lukrecije bio u krivu: Brownovo gibanje nemoguće je promatrati golim okom, a čestice prašine u sunčevoj zraci koja je prodrla u tamnu prostoriju "plešu" zbog vrtložnih kretanja zraka. Ali izvana oba fenomena imaju neke sličnosti. I tek u 19.st. Mnogim je znanstvenicima postalo očito da je kretanje Brownovih čestica uzrokovano nasumičnim udarima molekula medija. Molekule koje se kreću sudaraju se s česticama prašine i drugim čvrstim česticama koje se nalaze u vodi. Što je temperatura viša, kretanje je brže. Ako je čestica prašine velika, npr. veličine 0,1 mm (promjer je milijun puta veći od molekule vode), tada su mnogi istodobni udari na nju sa svih strana međusobno uravnoteženi i ona praktički ne "Osjetite" ih - otprilike isto kao što komad drveta veličine tanjura neće "osjetiti" napore mnogih mrava koji će ga vući ili gurati u različitim smjerovima. Ako je čestica prašine relativno mala, kretat će se u jednom ili drugom smjeru pod utjecajem udaraca okolnih molekula.

Brownove čestice imaju veličinu reda veličine 0,1-1 μm, tj. od jedne tisućinke do jedne desettisućinke milimetra, zbog čega je Brown mogao razaznati njihovo kretanje jer je promatrao sićušna citoplazmatska zrnca, a ne sam pelud (o čemu se često pogrešno piše). Problem je što su stanice peludi prevelike. Tako je u peludi livadskih trava, nošena vjetrom i uzročnikom alergijskih bolesti kod ljudi (peludna groznica), veličina stanica obično u rasponu od 20 - 50 mikrona, tj. prevelike su za promatranje Brownovog gibanja. Također je važno napomenuti da se pojedinačna kretanja Brownove čestice događaju vrlo često i na vrlo malim udaljenostima, tako da ih je nemoguće vidjeti, ali pod mikroskopom su vidljiva kretanja koja su se dogodila u određenom vremenskom razdoblju.

Čini se da je sama činjenica postojanja Brownovog gibanja nedvosmisleno dokazala molekularnu strukturu materije, ali već početkom 20.st. Bilo je znanstvenika, uključujući fizičare i kemičare, koji nisu vjerovali u postojanje molekula. Atomsko-molekularna teorija tek je sporo i teško dobivala priznanje. Tako je vodeći francuski organski kemičar Marcelin Berthelot (1827–1907) napisao: “Pojam molekule, sa stajališta našeg znanja, je nesiguran, dok je drugi pojam – atom – čisto hipotetski.” Čuveni francuski kemičar A. Saint-Clair Deville (1818–1881) govorio je još jasnije: “Ne prihvaćam Avogadrov zakon, ni atom, ni molekulu, jer odbijam vjerovati u ono što ne mogu ni vidjeti ni opaziti. ” I njemački fizikalni kemičar Wilhelm Ostwald (1853. – 1932.), nobelovac, jedan od utemeljitelja fizikalne kemije, još početkom 20. stoljeća. odlučno zanijekao postojanje atoma. Uspio je napisati udžbenik kemije u tri sveska u kojem se riječ “atom” niti ne spominje. Govoreći 19. travnja 1904., s velikim izvješćem u Kraljevskoj instituciji članovima Engleskog kemijskog društva, Ostwald je pokušao dokazati da atomi ne postoje i da je "ono što nazivamo materijom samo zbirka energija skupljenih u danom mjesto."

Ali čak ni oni fizičari koji su prihvatili molekularnu teoriju nisu mogli vjerovati da je valjanost atomsko-molekularne teorije dokazana na tako jednostavan način, pa su izneseni razni alternativni razlozi za objašnjenje fenomena. I to je sasvim u duhu znanosti: sve dok se nedvosmisleno utvrdi uzrok neke pojave, moguće je (pa i potrebno) postavljati razne hipoteze, koje treba, ako je moguće, eksperimentalno ili teorijski provjeriti. Tako je još 1905. godine u Enciklopedijskom rječniku Brockhausa i Efrona objavljen kratki članak profesora fizike iz Sankt Peterburga N.A.Gezehusa, učitelja poznatog akademika A.F.Ioffea. Gesehus je napisao da je, prema nekim znanstvenicima, Brownovo gibanje uzrokovano "svjetlosnim ili toplinskim zrakama koje prolaze kroz tekućinu", a svodi se na "jednostavna strujanja unutar tekućine koja nemaju nikakve veze s kretanjem molekula", a ti tokovi može biti uzrokovano "isparavanjem, difuzijom i drugim razlozima." Uostalom, već se znalo da vrlo slično kretanje čestica prašine u zraku izazivaju upravo vrtložna strujanja. Ali objašnjenje koje je dao Gesehus moglo bi se lako eksperimentalno opovrgnuti: pogledate li dvije Brownove čestice koje se nalaze vrlo blizu jedna drugoj kroz jak mikroskop, njihovo kretanje će se pokazati potpuno neovisnim. Ako su ta kretanja uzrokovana bilo kakvim strujanjem u tekućini, tada bi se takve susjedne čestice kretale usklađeno.

Teorija Brownovog gibanja.

Početkom 20.st. većina znanstvenika razumjela je molekularnu prirodu Brownovog gibanja. Ali sva su objašnjenja ostala isključivo kvalitativna; nijedna kvantitativna teorija nije mogla izdržati eksperimentalno testiranje. Osim toga, sami eksperimentalni rezultati bili su nejasni: fantastičan spektakl neprekidnih jurećih čestica hipnotizirao je eksperimentatore i nisu znali koje točno karakteristike fenomena treba izmjeriti.
Unatoč očitom potpunom poremećaju, još uvijek je bilo moguće opisati nasumična kretanja Brownovih čestica matematičkim odnosom. Po prvi put, rigorozno objašnjenje Brownovog gibanja dao je 1904. poljski fizičar Marian Smoluchowski (1872–1917), koji je tih godina radio na Sveučilištu u Lavovu. U isto vrijeme, teoriju o ovom fenomenu razvio je Albert Einstein (1879–1955), tada malo poznati stručnjak 2. klase u Patentnom uredu švicarskog grada Berna. Njegov članak, objavljen u svibnju 1905. u njemačkom časopisu Annalen der Physik, bio je naslovljen O gibanju čestica suspendiranih u tekućini u mirovanju, što zahtijeva molekularna kinetička teorija topline. Ovim nazivom Einstein je želio pokazati da molekularno-kinetička teorija strukture materije nužno podrazumijeva postojanje nasumičnog gibanja najsitnijih krutih čestica u tekućinama.

Zanimljivo je da na samom početku ovog članka Einstein piše da je upoznat sa samim fenomenom, iako površno: “Moguće je da su dotična kretanja identična s takozvanim Brownovim molekularnim gibanjem, ali dostupni podaci za mene su potonji toliko netočni da nisam mogao formulirati da je ovo definitivno mišljenje.” A desetljećima kasnije, već u kasnoj životnoj dobi, Einstein je u svojim memoarima napisao nešto drugačije - da uopće nije znao za Brownovo gibanje i da ga je zapravo “ponovno otkrio” čisto teoretski: “Ne znajući da su opažanja “Brownovog gibanja” odavno poznato, otkrio sam da atomska teorija vodi do postojanja vidljivog gibanja mikroskopskih lebdećih čestica. Bilo kako bilo, Einsteinov teorijski članak završio je izravnim pozivom eksperimentatorima da eksperimentalno provjere njegove zaključke: “Ako bi bilo koji istraživač uskoro mogao odgovoriti na pitanja postavljena ovdje!" – završava svoj članak tako neobičnim uzvikom.

Odgovor na Einsteinov strastven apel nije se dugo čekao.

Prema Smoluchowski-Einsteinovoj teoriji, prosječna vrijednost kvadrata pomaka Brownove čestice (s2) tijekom vremena t izravno je proporcionalna temperaturi T i obrnuto proporcionalna viskoznosti tekućine h, veličini čestice r i Avogadrovoj konstanti

NA: s2 = 2RTt/6phrNA,

Gdje je R plinska konstanta. Dakle, ako se za 1 minutu čestica promjera 1 mikrona pomakne za 10 mikrona, tada za 9 minuta - za 10 = 30 mikrona, za 25 minuta - za 10 = 50 mikrona itd. Pod sličnim uvjetima, čestica promjera 0,25 μm u istim vremenskim razdobljima (1, 9 i 25 min) pomaknut će se za 20, 60 i 100 μm, budući da je = 2. Važno je da gornja formula uključuje Avogadrova konstanta, koja je dakle , može se odrediti kvantitativnim mjerenjima gibanja Brownove čestice, što je učinio francuski fizičar Jean Baptiste Perrin (1870.–1942.).

Godine 1908. Perrin je započeo kvantitativna promatranja gibanja Brownovih čestica pod mikroskopom. Koristio se ultramikroskopom, izumljenim 1902., koji je omogućio otkrivanje najmanjih čestica raspršivanjem svjetlosti na njih iz snažnog bočnog iluminatora. Sićušne kuglice gotovo sferičnog oblika i približno iste veličine Perrin je dobivao od gume, zgusnutog soka nekih tropskih stabala (koristi se i kao žuta akvarelna boja). Ova sićušna zrnca suspendirana su u glicerolu koji sadrži 12% vode; viskozna tekućina spriječila je pojavu unutarnjih strujanja u njoj koja bi zamutila sliku. Naoružan štopericom, Perrin je zabilježio i zatim skicirao (naravno, u znatno uvećanom mjerilu) na grafičnom listu papira položaj čestica u pravilnim intervalima, na primjer, svakih pola minute. Povezivanjem dobivenih točaka ravnim linijama dobio je zamršene putanje od kojih su neke prikazane na slici (preuzete su iz Perrinove knjige Atomy, objavljene 1920. u Parizu). Takvo kaotično, neuredno kretanje čestica dovodi do činjenice da se one kreću u prostoru prilično sporo: zbroj segmenata mnogo je veći od pomaka čestice od prve do posljednje točke.

Uzastopne pozicije svakih 30 sekundi tri Brownove čestice - gumene kuglice veličine oko 1 mikrona. Jedna ćelija odgovara udaljenosti od 3 µm.
Uzastopne pozicije svakih 30 sekundi tri Brownove čestice - gumene kuglice veličine oko 1 mikrona. Jedna ćelija odgovara udaljenosti od 3 µm. Kad bi Perrin mogao odrediti položaj Brownovih čestica ne nakon 30, nego nakon 3 sekunde, tada bi se ravne linije između svake susjedne točke pretvorile u istu složenu cik-cak izlomljenu liniju, samo u manjem mjerilu.

Koristeći teoretsku formulu i svoje rezultate, Perrin je dobio prilično točnu vrijednost Avogadrova broja za to vrijeme: 6.8.1023. Perrin je također koristio mikroskop za proučavanje vertikalne raspodjele Brownovih čestica (vidi AVOGADROV ZAKON) i pokazao da, unatoč djelovanju gravitacije, one ostaju lebdjeti u otopini. Perrin posjeduje i druga važna djela. Godine 1895. dokazao je da su katodne zrake negativni električni naboji (elektroni), a 1901. prvi je predložio planetarni model atoma. Godine 1926. dobio je Nobelovu nagradu za fiziku.

Rezultati koje je Perrin dobio potvrdili su Einsteinove teorijske zaključke. Ostavilo je snažan dojam. Kako je mnogo godina kasnije napisao američki fizičar A. Pais, “ne prestajete se čuditi ovom rezultatu, dobivenom na tako jednostavan način: dovoljno je pripremiti suspenziju kuglica, čija je veličina velika u usporedbi s veličinom jednostavnih molekula, uzmite štopericu i mikroskop i možete odrediti Avogadrovu konstantu!” Netko bi se također mogao iznenaditi: opisi novih eksperimenata o Brownovom gibanju još uvijek se s vremena na vrijeme pojavljuju u znanstvenim časopisima (Nature, Science, Journal of Chemical Education)! Nakon objavljivanja Perrinovih rezultata, Ostwald, bivši protivnik atomizma, priznao je da “podudarnost Brownovog gibanja sa zahtjevima kinetičke hipoteze... sada daje pravo najopreznijem znanstveniku da govori o eksperimentalnom dokazu atomske teorije. materije. Time je atomska teorija uzdignuta u rang znanstvene, dobro utemeljene teorije.” Ponavlja ga francuski matematičar i fizičar Henri Poincaré: "Briljantno Perrinovo određivanje broja atoma dovršilo je pobjedu atomizma... Atom kemičara sada je postao stvarnost."

Brownovo gibanje i difuzija.

Kretanje Brownovih čestica izgledom je vrlo slično kretanju pojedinačnih molekula kao rezultat njihova toplinskog gibanja. Ovo kretanje naziva se difuzija. Još prije rada Smoluchowskog i Einsteina utvrđeni su zakoni gibanja molekula u najjednostavnijem slučaju plinovitog stanja tvari. Pokazalo se da se molekule u plinovima kreću vrlo brzo - brzinom metka, ali ne mogu daleko letjeti, jer se vrlo često sudaraju s drugim molekulama. Na primjer, molekule kisika i dušika u zraku, krećući se prosječnom brzinom od približno 500 m/s, dožive više od milijardu sudara svake sekunde. Stoga bi putanja molekule, kada bi se mogla pratiti, bila složena isprekidana linija. Brownove čestice također opisuju sličnu putanju ako se njihov položaj bilježi u određenim vremenskim intervalima. I difuzija i Brownovo gibanje posljedica su kaotičnog toplinskog gibanja molekula i stoga se opisuju sličnim matematičkim odnosima. Razlika je u tome što se molekule u plinovima gibaju pravocrtno dok se ne sudare s drugim molekulama, nakon čega mijenjaju smjer. Brownova čestica, za razliku od molekule, ne izvodi nikakve „slobodne letove“, već doživljava vrlo česte male i nepravilne „podrhtaje“, uslijed kojih se kaotično pomiče u jednom ili drugom smjeru. Izračuni su pokazali da se za česticu veličine 0,1 µm jedan pokret dogodi u tri milijarde sekunde na udaljenosti od samo 0,5 nm (1 nm = 0,001 µm). Kako jedan autor prikladno kaže, to podsjeća na pomicanje prazne limenke piva na trgu gdje se okupilo mnoštvo ljudi.
Difuziju je puno lakše promatrati od Brownovog gibanja, budući da ne zahtijeva mikroskop: ne promatraju se kretnje pojedinačnih čestica, već njihove ogromne mase, samo trebate osigurati da difuzija nije superponirana konvekcijom - miješanjem materije kao rezultat vrtložnih strujanja (takva strujanja je lako uočiti stavljanjem kapi obojene otopine, npr. tinte, u čašu vruće vode).

Difuziju je zgodno promatrati u gustim gelovima. Takav gel se može pripremiti, na primjer, u posudi za penicilin tako da se u njoj pripremi 4-5% otopina želatine. Želatina najprije nekoliko sati mora bubriti, a zatim se potpuno otopi uz miješanje spuštanjem staklenke u vruću vodu. Nakon hlađenja dobiva se netekući gel u obliku prozirne, blago mutne mase. Ako oštrom pincetom pažljivo ubacite mali kristal kalijevog permanganata (“kalijev permanganat”) u središte te mase, kristal će ostati visjeti na mjestu gdje je ostavljen, budući da ga gel sprječava da padne. U roku od nekoliko minuta oko kristala će početi rasti kuglica ljubičaste boje, koja će s vremenom postajati sve veća i veća dok joj stijenke staklenke ne poremete oblik. Isti rezultat može se dobiti pomoću kristala bakrenog sulfata, samo u ovom slučaju lopta neće biti ljubičasta, već plava.

Jasno je zašto je lopta ispala: ioni MnO4– nastali tijekom otapanja kristala prelaze u otopinu (gel je uglavnom voda) i kao rezultat difuzije kreću se ravnomjerno u svim smjerovima, dok gravitacija nema praktički nikakav učinak na brzinu difuzije. Difuzija u tekućini je vrlo spora: bit će potrebno mnogo sati da lopta naraste nekoliko centimetara. Kod plinova je difuzija puno brža, ali ipak, da se zrak ne miješa, miris parfema ili amonijaka širio bi se prostorijom satima.

Teorija Brownovog gibanja: slučajna hodanja.

Smoluchowski-Einsteinova teorija objašnjava zakone i difuzije i Brownovog gibanja. Te obrasce možemo razmotriti na primjeru difuzije. Ako je brzina molekule u, tada će ona, gibajući se pravocrtno, prijeći udaljenost L = ut u vremenu t, ali zbog sudara s drugim molekulama ta se molekula ne giba pravocrtno, već se kontinuirano mijenja smjer njegovog kretanja. Kad bi bilo moguće skicirati putanju molekule, to se u osnovi ne bi razlikovalo od crteža koje je dobio Perrin. Iz takvih slika je jasno da je molekula zbog kaotičnog gibanja pomaknuta za udaljenost s, znatno manju od L. Te su veličine povezane relacijom s =, gdje je l udaljenost koju molekula preleti od jednog sudara do drugi, prosječni slobodni put. Mjerenja su pokazala da je za molekule zraka pri normalnom atmosferskom tlaku l ~ 0,1 μm, što znači da će pri brzini od 500 m/s molekula dušika ili kisika preletjeti za 10 000 sekundi (manje od tri sata) udaljenost L = 5000 km, te će pomak od prvobitnog položaja je samo s = 0,7 m (70 cm), zbog čega se tvari zbog difuzije kreću tako sporo, čak iu plinovima.

Put molekule kao rezultat difuzije (ili put Brownove čestice) naziva se slučajni hod. Duhoviti fizičari reinterpretirali su ovaj izraz kao pijanac - "put pijanca." Doista, kretanje čestice iz jedne pozicije u drugu (ili putanja molekule koja prolazi kroz mnoge sudare) nalikuje kretanju pijane osobe. ova analogija također omogućuje prilično jednostavan zaključak da se osnovna jednadžba takvog procesa temelji na primjeru jednodimenzionalnog gibanja, koje se lako može generalizirati na trodimenzionalno gibanje. Oni to rade ovako.

Pretpostavimo da je pripit mornar kasno noću izašao iz krčme i krenuo ulicom. Prošavši put l do najbližeg fenjera, odmori se i ode... ili dalje, do sljedećeg fenjera, ili natrag, do konobe - uostalom, ne sjeća se odakle je došao. Pitanje je hoće li ikada ostaviti tikvicu ili će samo lutati oko nje, čas se odmičući, čas joj se približavajući? (Druga verzija problema kaže da postoje prljavi jarci na oba kraja ulice, gdje završavaju ulične rasvjete, i postavlja pitanje hoće li mornar moći izbjeći pad u jedan od njih.) Intuitivno se čini da je drugi odgovor točan. Ali to je netočno: ispada da će se mornar postupno sve više udaljavati od nulte točke, iako mnogo sporije nego da hoda samo u jednom smjeru. Evo kako to dokazati.

Prošavši prvi put do najbliže lanterne (desno ili lijevo), mornar će se naći na udaljenosti s1 = ± l od početne točke. Budući da nas zanima samo njegova udaljenost od ove točke, ali ne i smjer, predznaka ćemo se riješiti kvadriranjem ovog izraza: s12 = l2. Nakon nekog vremena, mornar, koji je već završio N "lutanja", bit će udaljen

SN = od početka. I ponovno prošavši (u jednom smjeru) do najbliže svjetiljke, na udaljenosti sN+1 = sN ± l, ili, koristeći kvadrat pomaka, s2N+1 = s2N ±2sN l + l2. Ako jedriličar ponovi ovo kretanje mnogo puta (od N do N + 1), tada će se kao rezultat usrednjavanja (on napravi N-ti korak udesno ili ulijevo s jednakom vjerojatnošću) izraz ±2sNl smanjiti, pa to (uglaste zagrade označavaju prosječnu vrijednost).

Kako je s12 = l2, onda

S22 = s12 + l2 = 2l2, s32 = s22 + l2 = 3ll2 itd., tj. s2N = Nl2 ili sN =l. Ukupna prijeđena udaljenost L može se napisati i kao umnožak brzine mornara i vremena putovanja (L = ut), i kao umnožak broja lutanja i udaljenosti između svjetiljki (L = Nl), dakle, ut = Nl, odakle je N = ut/l i konačno sN = . Tako dobivamo ovisnost pomaka mornara (kao i molekule ili Brownove čestice) o vremenu. Na primjer, ako između svjetiljki ima 10 m, a mornar hoda brzinom od 1 m/s, tada će za sat vremena njegov ukupni put biti L = 3600 m = 3,6 km, dok je pomak od nulte točke tijekom isto vrijeme će biti samo s = = 190 m za tri sata će proći L = 10,8 km, te će se pomaknuti za s = 330 m itd.

Umnožak ul u dobivenoj formuli može se usporediti s koeficijentom difuzije, koji, kako je pokazao irski fizičar i matematičar George Gabriel Stokes (1819–1903), ovisi o veličini čestica i viskoznosti medija. Na temelju sličnih razmatranja Einstein je izveo svoju jednadžbu.

Teorija Brownovog gibanja u stvarnom životu.

Teorija slučajnih šetnji ima važne praktične primjene. Kažu da u nedostatku orijentira (sunca, zvijezda, buke autoputa ili željeznice itd.) čovjek luta šumom, poljem u snježnoj mećavi ili gustoj magli u krugovima, uvijek se vraćajući svome originalno mjesto. Zapravo, on ne hoda u krugovima, već otprilike na isti način na koji se kreću molekule ili Brownove čestice. Može se vratiti na svoje prvobitno mjesto, ali samo slučajno. Ali on mu mnogo puta prijeđe put. Kažu i da su ljudi promrzli u snježnoj mećavi pronađeni “neki kilometar” od najbliže kuće ili ceste, no u stvarnosti osoba nije imala šanse prepješačiti taj kilometar, a evo i zašto.

Da biste izračunali koliko će se osoba pomaknuti kao rezultat nasumičnog hoda, trebate znati vrijednost l, tj. udaljenost koju osoba može prijeći u ravnoj liniji bez ikakvih orijentira. Ovu vrijednost izmjerio je doktor geoloških i mineraloških znanosti B.S. Gorobets uz pomoć studenata volontera. On ih, naravno, nije ostavio u gustoj šumi ili na snježnom terenu, sve je bilo jednostavnije - učenika su smjestili u središte praznog stadiona, zavezali mu oči i zamolili ga da u potpunoj tišini odšeta do kraja nogometnog igrališta. (isključiti orijentaciju zvukovima). Ispostavilo se da je učenik u prosjeku pravocrtno hodao svega 20-ak metara (odstupanje od idealne ravne linije nije prelazilo 5°), a zatim je počeo sve više odstupati od prvobitnog smjera. Na kraju je stao, daleko od ruba.

Neka sada čovjek hoda (ili bolje rečeno luta) šumom brzinom od 2 kilometra na sat (za cestu je to vrlo sporo, ali za gustu šumu je vrlo brzo), onda ako je vrijednost l 20 metara, tada će za sat vremena prijeći 2 km, ali će se kretati samo 200 m, za dva sata - oko 280 m, za tri sata - 350 m, za 4 sata - 400 m, itd. I krećući se pravocrtno na takvom brzinom, osoba bi hodala 8 kilometara za 4 sata, stoga u sigurnosnim uputama za terenski rad postoji sljedeće pravilo: ako se orijentir izgubi, morate ostati na mjestu, postaviti sklonište i pričekati kraj lošeg vremena (može izaći sunce) ili za pomoć. U šumi će vam orijentiri - drveće ili grmlje - pomoći da se krećete ravno, a svaki put se morate držati dva takva orijentira - jednog ispred, drugog iza. No, naravno, najbolje je sa sobom ponijeti kompas...

Što je Brownovo gibanje?

Sada ćete se upoznati s najočitijim dokazom toplinskog gibanja molekula (drugo glavno stajalište molekularne kinetičke teorije). Svakako pokušajte pogledati kroz mikroskop i vidjeti kako se kreću takozvane Brownove čestice.

Prethodno ste naučili što je to difuzija, tj. miješanje plinova, tekućina i krutina u izravnom kontaktu. Ovaj fenomen se može objasniti nasumičnim kretanjem molekula i prodiranjem molekula jedne tvari u prostor između molekula druge tvari. Time se može objasniti, na primjer, činjenica da je volumen mješavine vode i alkohola manji od volumena njegovih sastavnih komponenti. Ali najočitiji dokaz kretanja molekula može se dobiti promatranjem kroz mikroskop najmanjih čestica bilo koje krute tvari suspendirane u vodi. Te se čestice gibaju nasumično, tzv braunovski.

To je toplinsko kretanje čestica suspendiranih u tekućini (ili plinu).

Promatranje Brownovog gibanja

Engleski botaničar R. Brown (1773.-1858.) prvi je primijetio ovaj fenomen 1827. godine, proučavajući spore mahovine suspendirane u vodi kroz mikroskop. Kasnije je pogledao druge male čestice, uključujući komadiće kamena iz egipatskih piramida. Danas se za promatranje Brownovog gibanja koriste čestice gumene boje, koja je netopiva u vodi. Te se čestice kreću nasumično. Najnevjerojatnije i najneobičnije za nas je to što to kretanje nikada ne prestaje. Navikli smo na činjenicu da se svako tijelo koje se kreće prije ili kasnije zaustavi. Brown je isprva mislio da spore mahovine pokazuju znakove života.

toplinsko kretanje i ne može se zaustaviti. S porastom temperature povećava se i njezin intenzitet. Slika 8.3 prikazuje dijagram kretanja Brownovih čestica. Položaji čestica, označenih točkama, određuju se u pravilnim intervalima od 30 s. Te su točke povezane ravnim linijama. U stvarnosti je putanja čestica mnogo složenija.

Brownovo gibanje također se može promatrati u plinu. Uzrokuju ga čestice prašine ili dima lebdeće u zraku.

Njemački fizičar R. Pohl (1884.-1976.) živopisno opisuje Brownovo gibanje: “Malo je fenomena koji mogu toliko očarati promatrača kao Brownovo gibanje. Ovdje je promatraču dopušteno pogledati iza kulisa onoga što se događa u prirodi. Pred njim se otvara novi svijet - neprestana vreva ogromnog broja čestica. Najmanje čestice brzo lete kroz vidno polje mikroskopa, gotovo trenutno mijenjajući smjer kretanja. Veće čestice kreću se sporije, ali i stalno mijenjaju smjer kretanja. Velike čestice praktički se drobe na mjestu. Njihove izbočine jasno pokazuju rotaciju čestica oko svoje osi, koja stalno mijenja smjer u prostoru. Nigdje ni traga sistemu i redu. Dominacija slijepe slučajnosti - to je snažan, neodoljiv dojam koji ova slika ostavlja na promatrača."

Trenutno koncept Brownovo gibanje koristi u širem smislu. Primjerice, Brownovo gibanje je titranje igala osjetljivih mjernih instrumenata, koje nastaje zbog toplinskog gibanja atoma dijelova instrumenata i okoline.

Objašnjenje Brownovog gibanja

Brownovo gibanje se može objasniti samo na temelju molekularne kinetičke teorije. Razlog Brownovog gibanja čestice je taj što se udari molekula tekućine na česticu međusobno ne poništavaju.. Slika 8.4 shematski prikazuje položaj jedne Brownove čestice i njoj najbližih molekula. Kada se molekule kreću nasumično, impulsi koje šalju Brownovoj čestici, primjerice, lijevo i desno, nisu isti. Stoga je rezultirajuća sila pritiska molekula tekućine na Brownovu česticu različita od nule. Ta sila uzrokuje promjenu gibanja čestice.

Prosječni tlak ima određenu vrijednost i u plinu i u tekućini. Ali uvijek postoje manja slučajna odstupanja od ovog prosjeka. Što je površina tijela manja, to su relativne promjene u sili pritiska koja djeluje na ovo područje vidljivije. Tako, na primjer, ako područje ima veličinu veličine nekoliko promjera molekule, tada se sila pritiska koja djeluje na njega naglo mijenja od nule do određene vrijednosti kada molekula udari u ovo područje.

Molekularno kinetičku teoriju Brownovog gibanja stvorio je 1905. A. Einstein (1879.-1955.).

Izgradnja teorije Brownovog gibanja i njezina eksperimentalna potvrda od strane francuskog fizičara J. Perrina konačno je dovršila pobjedu molekularne kinetičke teorije.

Perrinovi eksperimenti

Ideja Perrinovih eksperimenata je sljedeća. Poznato je da koncentracija molekula plina u atmosferi opada s visinom. Kad ne bi bilo toplinskog gibanja, tada bi sve molekule pale na Zemlju i atmosfera bi nestala. Međutim, kada ne bi bilo privlačnosti prema Zemlji, tada bi zbog toplinskog gibanja molekule napustile Zemlju, jer je plin sposoban neograničenog širenja. Uslijed djelovanja ovih suprotnih čimbenika uspostavlja se određena raspodjela molekula po visini, kao što je gore navedeno, tj. koncentracija molekula dosta brzo opada s visinom. Štoviše, što je veća masa molekula, njihova koncentracija brže opada s visinom.

Brownove čestice sudjeluju u toplinskom gibanju. Budući da je njihova interakcija zanemarivo mala, skup tih čestica u plinu ili tekućini može se smatrati idealnim plinom vrlo teških molekula. Posljedično, koncentracija Brownovih čestica u plinu ili tekućini u Zemljinom gravitacijskom polju trebala bi opadati po istom zakonu kao i koncentracija molekula plina. Ovaj zakon je poznat.

Perrin je pomoću mikroskopa velikog povećanja s malom dubinom polja (shallow depth of field) promatrao Brownove čestice u vrlo tankim slojevima tekućine. Izračunavanjem koncentracije čestica na različitim visinama ustanovio je da ta koncentracija opada s visinom po istom zakonu kao i koncentracija molekula plina. Razlika je u tome što zbog velike mase Brownovih čestica do smanjenja dolazi vrlo brzo.

Štoviše, brojanje Brownovih čestica na različitim visinama omogućilo je Perrinu da odredi Avogadrovu konstantu pomoću potpuno nove metode. Vrijednost ove konstante podudarala se s poznatom.

Sve ove činjenice ukazuju na ispravnost teorije Brownovog gibanja, a time i da Brownove čestice sudjeluju u toplinskom gibanju molekula.

Jasno ste vidjeli postojanje toplinskog gibanja; vidio kaotično kretanje. Molekule se kreću još nasumičnije od Brownovih čestica.

Suština fenomena

Pokušajmo sada razumjeti bit fenomena Brownovog gibanja. A to se događa jer se sve apsolutno tekućine i plinovi sastoje od atoma ili molekula. Ali također znamo da te sićušne čestice, budući da su u neprekidnom kaotičnom kretanju, neprestano guraju Brownovu česticu iz različitih smjerova.

Ali ono što je zanimljivo jest da su znanstvenici dokazali da čestice veće veličine koje prelaze 5 mikrona ostaju nepomične i gotovo da ne sudjeluju u Brownovom gibanju, što se ne može reći za manje čestice. Čestice veličine manje od 3 mikrona sposobne su se kretati translatorno, izvoditi rotacije ili pisati složene putanje.

Kada je veliko tijelo uronjeno u okolinu, čini se da udarci koji se javljaju u ogromnoj količini dosežu prosječnu razinu i održavaju konstantan pritisak. U ovom slučaju Arhimedova teorija stupa na scenu, budući da veliko tijelo okruženo okolišem sa svih strana uravnotežuje pritisak, a preostala sila podizanja omogućuje ovom tijelu da pluta ili potone.

Ali ako tijelo ima dimenzije poput Brownove čestice, odnosno potpuno neprimjetne, tada postaju zamjetna odstupanja tlaka, koja doprinose stvaranju slučajne sile koja dovodi do vibracija tih čestica. Može se zaključiti da su Brownove čestice u mediju u suspenziji, za razliku od velikih čestica koje tonu ili lebde.

Značenje Brownovog gibanja

Pokušajmo otkriti ima li Brownovo gibanje ikakvo značenje u prirodnom okolišu:

Prvo, Brownovo gibanje igra značajnu ulogu u ishrani biljaka iz tla;
Drugo, u ljudskim i životinjskim organizmima, apsorpcija hranjivih tvari događa se kroz stijenke probavnih organa zbog Brownovog gibanja;
Treće, u provedbi disanja kože;
I na kraju, Brownovo gibanje je važno u distribuciji štetnih tvari u zraku i vodi.

domaća zadaća

Pažljivo pročitajte pitanja i pismeno odgovorite na njih:

1. Sjećate se što se zove difuzija?
2. Kakav je odnos između difuzije i toplinskog gibanja molekula?
3. Definirajte Brownovo gibanje.
4. Smatrate li da je Brownovo gibanje toplinsko i obrazložite svoj odgovor?
5. Hoće li se priroda Brownovog gibanja promijeniti kada se zagrijava? Ako se mijenja, kako točno?
6. Koji se uređaj koristi za proučavanje Brownovog gibanja?
7. Mijenja li se uzorak Brownovog gibanja s porastom temperature i kako točno?
8. Hoće li doći do promjena u Brownovom gibanju ako se vodena emulzija zamijeni glicerolom?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizika 10. razred

Za života je škotski botaničar Robert Brown, kao najbolji stručnjak za biljke, dobio titulu “Princ botaničara”. Došao je do mnogih prekrasnih otkrića. Godine 1805., nakon četverogodišnje ekspedicije u Australiju, donio je u Englesku oko 4000 vrsta australskih biljaka nepoznatih znanstvenicima i proveo mnogo godina proučavajući ih. Opisane biljke donesene iz Indonezije i središnje Afrike. Proučavao je fiziologiju biljaka i prvi put detaljno opisao jezgru biljne stanice. Ali ime znanstvenika sada je široko poznato ne zbog ovih radova.

Godine 1827. Brown je proveo istraživanje peludi biljaka. Posebno ga je zanimalo kako pelud sudjeluje u procesu oplodnje. Jednom je pod mikroskopom ispitivao izdužena citoplazmatska zrnca suspendirana u vodi iz polenovih stanica sjevernoameričke biljke Clarkia pulchella. Odjednom je Brown vidio da najmanja čvrsta zrnca, koja su se jedva mogla vidjeti u kapi vode, neprestano podrhtavaju i pomiču se s mjesta na mjesto. Otkrio je da ta kretanja, prema njegovim riječima, "nisu povezana ni s strujanjem tekućine ni s njezinim postupnim isparavanjem, već su svojstvena samim česticama."

Brownovo zapažanje potvrdili su i drugi znanstvenici. Najmanje čestice ponašale su se kao da su žive, a "ples" čestica ubrzavao se s povećanjem temperature i smanjenjem veličine čestica i očito usporavao pri zamjeni vode s viskoznijim medijem. Ova nevjerojatna pojava nikada nije prestala: mogla se promatrati koliko god dugo želite. Isprva je Brown čak pomislio da su u polje mikroskopa zapravo upala živa bića, tim više što je pelud muška spolna stanica biljaka, no bilo je tu i čestica mrtvih biljaka, čak i onih osušenih prije stotinjak godina u herbarijima. Tada se Brown zapitao jesu li to one “elementarne molekule živih bića” o kojima je govorio slavni francuski prirodoslovac Georges Buffon (1707.-1788.), autor Prirodoslovlja u 36 tomova. Ova pretpostavka je otpala kada je Brown počeo ispitivati ​​naizgled nežive predmete; isprva su to bile vrlo male čestice ugljena, kao i čađe i prašine iz londonskog zraka, zatim fino mljevene anorganske tvari: staklo, mnogo različitih minerala. “Aktivne molekule” bile su posvuda: “U svakom mineralu,” napisao je Brown, “koji sam uspio samljeti u prah do te mjere da je neko vrijeme mogao biti suspendiran u vodi, pronašao sam, u većim ili manjim količinama, ove molekule."

Otprilike 30 godina Brownovo otkriće nije privlačilo zanimanje fizičara. Novoj pojavi nije pridavan veći značaj, s obzirom na to da se objašnjava podrhtavanjem preparata ili sličnim kretanju čestica prašine, koje se opaža u atmosferi kada na njih padne snop svjetlosti, a koje, kako je poznato, , nastaje zbog kretanja zraka. Ali ako su kretanja Brownovih čestica uzrokovana bilo kakvim strujanjem u tekućini, tada bi se takve susjedne čestice kretale usklađeno, što je u suprotnosti s podacima promatranja.

Objašnjenje Brownovog gibanja (kako je ovaj fenomen nazvan) kretanjem nevidljivih molekula dano je tek u posljednjoj četvrtini 19. stoljeća, ali nije odmah prihvaćeno od svih znanstvenika. Godine 1863. učitelj deskriptivne geometrije iz Karlsruhea (Njemačka), Ludwig Christian Wiener (1826.-1896.), sugerirao je da je pojava povezana s oscilatornim kretanjem nevidljivih atoma. Važno je da je Wiener uvidio priliku da pomoću ovog fenomena prodre u tajne strukture materije. Prvi je pokušao izmjeriti brzinu gibanja Brownovih čestica i njezinu ovisnost o njihovoj veličini. Ali Wienerovi zaključci bili su komplicirani uvođenjem koncepta "atoma etera" uz atome materije. Godine 1876. William Ramsay, a 1877. belgijski isusovački svećenici Carbonel, Delso i Thirion, te konačno 1888. Guy jasno su pokazali toplinsku prirodu Brownovog gibanja [5].

“Na velikom području”, napisali su Delso i Carbonelle, “udarci molekula, koje su uzrok pritiska, ne uzrokuju nikakvo podrhtavanje ovješenog tijela, jer zajedno stvaraju jednolik pritisak na tijelo u svim smjerovima. . Ali ako površina nije dovoljna za kompenzaciju neravnina, potrebno je uzeti u obzir nejednakost pritisaka i njihovu kontinuiranu promjenu od točke do točke. Zakon velikih brojeva više ne svodi učinak sudara na prosječni uniformni tlak; njihova rezultanta više neće biti jednaka nuli, već će neprestano mijenjati svoj smjer i svoju veličinu.”

Ako prihvatimo ovo objašnjenje, tada se za fenomen toplinskog gibanja tekućina, koji postulira kinetička teorija, može reći da je dokazan ad oculos (vizualno). Kao što je moguće, bez razlikovanja valova u daljini na moru, valovima objasniti ljuljanje čamca na horizontu, na isti se način, ne videći kretanje molekula, može suditi o kretanju čestica lebdećih u tekućini.

Ovo objašnjenje Brownovog gibanja značajno je ne samo kao potvrda kinetičke teorije, ono za sobom povlači i važne teorijske posljedice. Prema zakonu održanja energije, promjenu brzine lebdeće čestice mora pratiti promjena temperature u neposrednoj blizini te čestice: ta temperatura raste ako se brzina čestice smanjuje, a smanjuje ako se brzina čestice smanjuje. čestica se povećava. Dakle, toplinska ravnoteža tekućine je statistička ravnoteža.

Guy je 1888. iznio još značajnije opažanje: Brownovo gibanje, strogo govoreći, ne poštuje drugi zakon termodinamike. Zapravo, kada se suspendirana čestica spontano diže u tekućini, dio topline njezine okoline spontano se pretvara u mehanički rad, što je zabranjeno drugim zakonom termodinamike. Promatranja su, međutim, pokazala da se podizanje čestice događa rjeđe, što je čestica teža. Za čestice materije normalne veličine ta je vjerojatnost takvog porasta praktički jednaka nuli.

Dakle, drugi zakon termodinamike postaje zakon vjerojatnosti, a ne zakon nužnosti. Nijedno prethodno iskustvo nije poduprlo ovo statističko tumačenje. Bilo je dovoljno zanijekati postojanje molekula, kao što je to učinila, primjerice, škola energetike, koja je cvjetala pod vodstvom Macha i Ostwalda, da drugi zakon termodinamike postane zakon nužnosti. Ali nakon otkrića Brownovog gibanja, striktno tumačenje drugog zakona postalo je nemoguće: postojalo je stvarno iskustvo koje je pokazalo da se drugi zakon termodinamike u prirodi stalno krši, da perpetuum mobile druge vrste ne samo da nije isključen nego , ali se neprestano ostvaruje pred našim očima.

Stoga je krajem prošlog stoljeća proučavanje Brownovog gibanja dobilo ogroman teorijski značaj i privuklo pažnju mnogih teorijskih fizičara, a posebno Einsteina.

Male suspendirane čestice kreću se kaotično pod utjecajem udaraca molekula tekućine.

U drugoj polovici 19. stoljeća u znanstvenim se krugovima rasplamsala ozbiljna rasprava o prirodi atoma. S jedne strane bili su nepobitni autoriteti poput Ernsta Macha ( cm. Shockwaves), koji je tvrdio da su atomi jednostavno matematičke funkcije koje uspješno opisuju vidljive fizičke pojave i nemaju stvarnu fizikalnu osnovu. S druge strane, znanstvenici novog vala - posebice Ludwig Boltzmann ( cm. Boltzmannova konstanta) — inzistirao na tome da su atomi fizičke stvarnosti. I nijedna od dviju strana nije shvaćala da su već desetljećima prije početka njihovog spora dobiveni eksperimentalni rezultati koji su jednom zauvijek riješili pitanje u korist postojanja atoma kao fizičke stvarnosti - međutim, oni su dobiveni u disciplini prirodnih znanosti uz fiziku botaničar Robert Brown.

Još u ljeto 1827., Brown je, proučavajući ponašanje cvjetne peludi pod mikroskopom (proučavao je vodenu suspenziju biljnog polena Clarkia pulchella), iznenada je otkrio da pojedinačne spore čine apsolutno kaotične impulsne pokrete. Sa sigurnošću je utvrdio da ta kretanja nisu ni na koji način povezana s turbulencijama i strujanjima vode, niti s njezinim isparavanjem, nakon čega je, opisavši prirodu kretanja čestica, iskreno priznao vlastitu nemoć da objasni podrijetlo ovoga kaotično kretanje. Međutim, kao pedantan eksperimentator, Brown je ustanovio da je takvo kaotično kretanje karakteristično za sve mikroskopske čestice - bilo da se radi o peludi biljaka, suspendiranim mineralima ili općenito o bilo kojoj zdrobljenoj tvari.

Tek je 1905. godine nitko drugi nego Albert Einstein prvi shvatio da ovaj, na prvi pogled tajanstveni fenomen služi kao najbolja eksperimentalna potvrda ispravnosti atomske teorije o strukturi materije. Objasnio je to otprilike ovako: spora suspendirana u vodi podložna je stalnom "bombardiranju" molekula vode koje se kaotično kreću. U prosjeku molekule na njega djeluju sa svih strana jednakim intenzitetom i u jednakim vremenskim intervalima. Međutim, koliko god spora bila mala, zbog čisto slučajnih odstupanja, ona prvo prima impuls od molekule koja ju je pogodila s jedne strane, zatim od strane molekule koja ju je pogodila s druge strane, itd. Kao rezultat usrednjavanja takvih sudara, ispada da se čestica u nekom trenutku “trzne” u jednom smjeru, zatim, ako je s druge strane “gura” više molekula, u drugom, itd. Korištenjem zakona matematičke statistike i molekularno kinetičke teorije plinova, Einstein je izveo jednadžbu koja opisuje ovisnost srednjeg kvadrata pomaka Brownove čestice o makroskopskim parametrima. (Zanimljivost: u jednom od svezaka njemačkog časopisa “Annals of Physics” ( Annalen der Physik) 1905. godine objavljena su tri Einsteinova članka: članak s teorijskim objašnjenjem Brownova gibanja, članak o temeljima posebne teorije relativnosti i, konačno, članak koji opisuje teoriju fotoelektričnog učinka. Za potonje je Albert Einstein 1921. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku.)

Godine 1908. francuski fizičar Jean-Baptiste Perrin (1870.-1942.) izveo je briljantan niz pokusa koji su potvrdili ispravnost Einsteinovog objašnjenja fenomena Brownovog gibanja. Postalo je konačno jasno da je promatrano "kaotično" gibanje Brownovih čestica posljedica međumolekulskih sudara. Budući da “korisne matematičke konvencije” (prema Machu) ne mogu dovesti do vidljivih i potpuno stvarnih kretanja fizičkih čestica, postalo je konačno jasno da je rasprava o stvarnosti atoma završena: oni postoje u prirodi. Kao "nagradnu igru", Perrin je dobio formulu koju je izveo Einstein, a koja je Francuzu omogućila analizu i procjenu prosječnog broja atoma i/ili molekula koji se sudaraju s česticom suspendiranom u tekućini tijekom određenog vremenskog razdoblja i, koristeći ovu indikator, izračunati molarne brojeve raznih tekućina. Ova se ideja temeljila na činjenici da u bilo kojem trenutku u vremenu ubrzanje suspendirane čestice ovisi o broju sudara s molekulama medija ( cm. Newtonovi zakoni mehanike), a time i na broj molekula po jedinici volumena tekućine. A ovo nije ništa više od Avogadrov broj (cm. Avogadrov zakon) jedna je od temeljnih konstanti koje određuju strukturu našeg svijeta.