Sự thật về chuyển động Brown. Khám phá của Robert Brown

Khám phá của Brown.

Nhà thực vật học người Scotland Robert Brown (đôi khi họ của ông được phiên âm là Brown) trong suốt cuộc đời của mình, với tư cách là chuyên gia thực vật giỏi nhất, đã nhận được danh hiệu “Hoàng tử của các nhà thực vật học”. Ông đã có nhiều khám phá tuyệt vời. Năm 1805, sau chuyến thám hiểm kéo dài 4 năm tới Úc, ông đã mang đến Anh khoảng 4.000 loài thực vật Úc mà các nhà khoa học chưa biết đến và dành nhiều năm nghiên cứu chúng. Thực vật được mô tả được mang từ Indonesia và Trung Phi. Ông nghiên cứu sinh lý thực vật và lần đầu tiên mô tả chi tiết nhân của tế bào thực vật. Viện Hàn lâm Khoa học St. Petersburg đã phong ông làm thành viên danh dự. Nhưng tên tuổi của nhà khoa học hiện nay được biết đến rộng rãi không phải nhờ những công trình này.

Năm 1827 Brown tiến hành nghiên cứu về phấn hoa thực vật. Ông đặc biệt quan tâm đến việc phấn hoa tham gia vào quá trình thụ tinh như thế nào. Một lần, dưới kính hiển vi, ông đã kiểm tra các hạt tế bào chất thon dài lơ lửng trong nước từ tế bào phấn hoa của cây Clarkia pulchella ở Bắc Mỹ. Đột nhiên Brown nhìn thấy những hạt rắn nhỏ nhất, khó có thể nhìn thấy trong một giọt nước, không ngừng rung chuyển và di chuyển từ nơi này sang nơi khác. Ông phát hiện ra rằng những chuyển động này, theo cách nói của ông, “không liên quan đến dòng chảy trong chất lỏng hoặc sự bay hơi dần dần của nó, mà vốn có trong chính các hạt”.

Quan sát của Brown đã được các nhà khoa học khác xác nhận. Các hạt nhỏ nhất hoạt động như thể chúng còn sống, và “vũ điệu” của các hạt tăng tốc khi nhiệt độ ngày càng tăng và kích thước hạt giảm và rõ ràng là chậm lại khi thay nước bằng môi trường nhớt hơn. Hiện tượng đáng kinh ngạc này không bao giờ dừng lại: nó có thể được quan sát bao lâu tùy thích. Lúc đầu, Brown thậm chí còn nghĩ rằng các sinh vật sống thực sự rơi vào phạm vi quan sát của kính hiển vi, đặc biệt vì phấn hoa là tế bào sinh sản đực của thực vật, nhưng cũng có những hạt từ thực vật chết, thậm chí từ những hạt được sấy khô hàng trăm năm trước trong phòng mẫu. Sau đó, Brown tự hỏi liệu đây có phải là “các phân tử cơ bản của sinh vật sống” mà nhà tự nhiên học nổi tiếng người Pháp Georges Buffon (1707–1788), tác giả cuốn Lịch sử tự nhiên gồm 36 tập, đã nói đến hay không. Giả định này đã biến mất khi Brown bắt đầu kiểm tra những đồ vật dường như vô tri; Lúc đầu, đó là những hạt than rất nhỏ, cũng như bồ hóng và bụi từ không khí London, sau đó được nghiền mịn các chất vô cơ: thủy tinh, nhiều khoáng chất khác nhau. “Các phân tử hoạt động” có ở khắp mọi nơi: “Trong mọi khoáng chất,” Brown viết, “mà tôi đã thành công trong việc nghiền thành bột đến mức có thể lơ lửng trong nước một thời gian, tôi đã tìm thấy, với số lượng lớn hơn hoặc ít hơn, những phân tử này ."

Phải nói rằng Brown không có bất kỳ chiếc kính hiển vi mới nhất nào. Trong bài viết của mình, ông đặc biệt nhấn mạnh rằng ông có thấu kính hai mặt lồi thông thường mà ông đã sử dụng trong vài năm. Và anh ấy tiếp tục nói: “Trong suốt toàn bộ nghiên cứu, tôi tiếp tục sử dụng cùng một lăng kính mà tôi đã bắt đầu nghiên cứu, để mang lại độ tin cậy cao hơn cho những tuyên bố của mình và làm cho chúng dễ tiếp cận nhất có thể với những quan sát thông thường”.

Bây giờ, để lặp lại quan sát của Brown, chỉ cần có một chiếc kính hiển vi không mạnh lắm và sử dụng nó để kiểm tra khói trong một chiếc hộp đen, được chiếu sáng qua một lỗ bên cạnh bằng một chùm ánh sáng cực mạnh. Ở chất khí, hiện tượng này biểu hiện rõ ràng hơn nhiều so với ở chất lỏng: có thể nhìn thấy những mảnh tro hoặc bồ hóng nhỏ (tùy thuộc vào nguồn khói), tán xạ ánh sáng và liên tục nhảy qua nhảy lại.

Như thường lệ xảy ra trong khoa học, nhiều năm sau, các nhà sử học phát hiện ra rằng vào năm 1670, người phát minh ra kính hiển vi, Antonie Leeuwenhoek, người Hà Lan, dường như đã quan sát thấy một hiện tượng tương tự, nhưng sự hiếm có và không hoàn hảo của kính hiển vi, trạng thái phôi thai của khoa học phân tử vào thời điểm đó. đã không thu hút sự chú ý đến quan sát của Leeuwenhoek, do đó phát hiện này đúng là do Brown, người đầu tiên nghiên cứu và mô tả chi tiết về nó.

Chuyển động Brown và lý thuyết nguyên tử-phân tử.

Hiện tượng mà Brown quan sát được nhanh chóng được biết đến rộng rãi. Bản thân ông đã cho nhiều đồng nghiệp xem thí nghiệm của mình (Brown liệt kê hai chục cái tên). Nhưng bản thân Brown cũng như nhiều nhà khoa học khác trong nhiều năm đều không thể giải thích được hiện tượng bí ẩn này, được gọi là “chuyển động Brown”. Chuyển động của các hạt là hoàn toàn ngẫu nhiên: các bản phác thảo về vị trí của chúng được thực hiện tại các thời điểm khác nhau (ví dụ, mỗi phút) thoạt nhìn không thể tìm thấy bất kỳ mô hình nào trong các chuyển động này.

Lời giải thích về chuyển động Brown (như hiện tượng này được gọi) bằng chuyển động của các phân tử vô hình chỉ được đưa ra trong 1/4 cuối thế kỷ 19, nhưng không được tất cả các nhà khoa học chấp nhận ngay lập tức. Năm 1863, một giáo viên dạy hình học mô tả ở Karlsruhe (Đức), Ludwig Christian Wiener (1826–1896), cho rằng hiện tượng này có liên quan đến chuyển động dao động của các nguyên tử vô hình. Đây là cách giải thích đầu tiên, mặc dù rất xa so với hiện đại, về chuyển động Brown bằng các tính chất của chính các nguyên tử và phân tử. Điều quan trọng là Wiener đã nhìn thấy cơ hội sử dụng hiện tượng này để thâm nhập vào bí mật về cấu trúc của vật chất. Ông là người đầu tiên thử đo tốc độ chuyển động của các hạt Brown và sự phụ thuộc của nó vào kích thước của chúng. Điều gây tò mò là vào năm 1921, trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, một tác phẩm về chuyển động Brown của một Wiener khác, Norbert, người sáng lập nổi tiếng của ngành điều khiển học, đã được xuất bản.

Ý tưởng của L.K. Wiener đã được chấp nhận và phát triển bởi một số nhà khoa học - Sigmund Exner ở Áo (và 33 năm sau - con trai ông là Felix), Giovanni Cantoni ở Ý, Karl Wilhelm Negeli ở Đức, Louis Georges Gouy ở Pháp, ba linh mục người Bỉ - Dòng Tên Carbonelli, Delso và Tirion và những người khác. Trong số những nhà khoa học này có nhà vật lý và hóa học nổi tiếng người Anh sau này là William Ramsay. Dần dần người ta trở nên rõ ràng rằng những hạt vật chất nhỏ nhất đang bị va chạm từ mọi phía bởi những hạt thậm chí còn nhỏ hơn, chúng không còn nhìn thấy được qua kính hiển vi nữa - giống như sóng làm rung chuyển một chiếc thuyền ở xa không thể nhìn thấy từ bờ, trong khi chuyển động của con thuyền bản thân nó có thể nhìn thấy khá rõ ràng. Như họ đã viết trong một bài báo năm 1877, “...định luật số lớn không còn làm giảm tác động của các va chạm về áp suất trung bình đều; kết quả của chúng sẽ không còn bằng 0 nữa, mà sẽ liên tục thay đổi hướng và hướng của nó. kích cỡ."

Về mặt chất lượng, bức tranh khá hợp lý và thậm chí có hình ảnh. Một cành cây nhỏ hoặc một con bọ sẽ di chuyển theo cùng một cách, được nhiều con kiến đẩy (hoặc kéo) theo các hướng khác nhau. Những hạt nhỏ hơn này thực ra đã có trong vốn từ vựng của các nhà khoa học, nhưng chưa ai từng nhìn thấy chúng. Chúng được gọi là phân tử; Được dịch từ tiếng Latin, từ này có nghĩa là “khối lượng nhỏ”. Thật đáng ngạc nhiên, đây chính xác là lời giải thích cho một hiện tượng tương tự của nhà triết học La Mã Titus Lucretius Carus (khoảng 99–55 trước Công nguyên) trong bài thơ nổi tiếng Về bản chất của sự vật. Trong đó, ông gọi những hạt nhỏ nhất mà mắt thường không nhìn thấy được là “nguyên tắc nguyên thủy” của sự vật.

Nguyên lý của vạn vật trước hết tự chuyển động,

Theo sau họ là những cơ thể từ sự kết hợp nhỏ nhất của họ,

Có thể nói là gần gũi với các nguyên tắc cơ bản,

Ẩn mình khỏi họ, nhận những cú sốc, họ bắt đầu phấn đấu,

Tự mình di chuyển, sau đó khuyến khích cơ thể lớn hơn.

Vì vậy, bắt đầu từ đầu, chuyển động từng chút một

Nó chạm đến cảm xúc của chúng ta và cũng trở nên hữu hình

Với chúng ta và trong những hạt bụi di chuyển dưới ánh mặt trời,

Mặc dù những chấn động mà nó xảy ra là không thể nhận thấy được...

Sau đó, hóa ra Lucretius đã sai: không thể quan sát chuyển động Brown bằng mắt thường và các hạt bụi trong tia nắng xuyên qua phòng tối sẽ “nhảy múa” do chuyển động xoáy của không khí. Nhưng bề ngoài cả hai hiện tượng đều có một số điểm tương đồng. Và chỉ trong thế kỷ 19. Nhiều nhà khoa học thấy rõ rằng chuyển động của các hạt Brown là do tác động ngẫu nhiên của các phân tử trong môi trường. Các phân tử chuyển động va chạm với các hạt bụi và các hạt rắn khác có trong nước. Nhiệt độ càng cao thì chuyển động càng nhanh. Ví dụ, nếu một hạt bụi lớn có kích thước 0,1 mm (đường kính lớn hơn một triệu lần so với phân tử nước), thì nhiều tác động đồng thời lên nó từ mọi phía sẽ cân bằng lẫn nhau và thực tế nó không “cảm nhận” chúng - gần giống như một miếng gỗ, kích thước của một chiếc đĩa sẽ không “cảm nhận được” nỗ lực của nhiều con kiến sẽ kéo hoặc đẩy nó theo các hướng khác nhau. Nếu hạt bụi tương đối nhỏ sẽ di chuyển theo hướng này hay hướng khác dưới tác động của các phân tử xung quanh.

Các hạt Brown có kích thước vào khoảng 0,1–1 μm, tức là từ một phần nghìn đến một phần mười nghìn milimét, đó là lý do tại sao Brown có thể nhận ra chuyển động của chúng vì ông đang nhìn vào các hạt tế bào chất nhỏ chứ không phải bản thân phấn hoa (điều thường bị viết nhầm). Vấn đề là các tế bào phấn hoa quá lớn. Như vậy, trong phấn hoa cỏ đồng cỏ được gió mang đi và gây bệnh dị ứng ở người (sốt cỏ khô), kích thước tế bào thường nằm trong khoảng 20 - 50 micron, tức là. chúng quá lớn để có thể quan sát được chuyển động Brown. Cũng cần lưu ý rằng các chuyển động riêng lẻ của hạt Brown xảy ra rất thường xuyên và trong khoảng cách rất ngắn, do đó không thể nhìn thấy chúng, nhưng dưới kính hiển vi, có thể nhìn thấy được các chuyển động xảy ra trong một khoảng thời gian nhất định.

Có vẻ như chính sự tồn tại của chuyển động Brown đã chứng minh rõ ràng cấu trúc phân tử của vật chất, ngay cả vào đầu thế kỷ 20. Có những nhà khoa học, kể cả các nhà vật lý và hóa học, không tin vào sự tồn tại của các phân tử. Lý thuyết nguyên tử-phân tử chỉ được công nhận một cách chậm rãi và khó khăn. Vì vậy, nhà hóa học hữu cơ hàng đầu người Pháp Marcelin Berthelot (1827–1907) đã viết: “Khái niệm về phân tử, theo quan điểm kiến thức của chúng ta, là không chắc chắn, trong khi một khái niệm khác - nguyên tử - hoàn toàn chỉ là giả thuyết”. Nhà hóa học nổi tiếng người Pháp A. Saint-Clair Deville (1818–1881) còn phát biểu rõ ràng hơn: “Tôi không chấp nhận định luật Avogadro, nguyên tử hay phân tử, vì tôi từ chối tin vào những gì tôi không thể nhìn thấy hay quan sát. ” Và nhà hóa học vật lý người Đức, Wilhelm Ostwald (1853–1932), người đoạt giải Nobel, một trong những người sáng lập hóa học vật lý, vào đầu thế kỷ 20. kiên quyết phủ nhận sự tồn tại của nguyên tử. Ông đã viết được một cuốn sách giáo khoa hóa học ba tập trong đó từ “nguyên tử” thậm chí không bao giờ được nhắc đến. Phát biểu vào ngày 19 tháng 4 năm 1904, với một báo cáo lớn tại Viện Hoàng gia cho các thành viên của Hiệp hội Hóa học Anh, Ostwald đã cố gắng chứng minh rằng các nguyên tử không tồn tại và “cái mà chúng ta gọi là vật chất chỉ là một tập hợp năng lượng được tập hợp lại với nhau trong một khối nhất định”. địa điểm."

Nhưng ngay cả những nhà vật lý chấp nhận lý thuyết phân tử cũng không thể tin rằng giá trị của lý thuyết nguyên tử-phân tử đã được chứng minh theo cách đơn giản như vậy, vì vậy nhiều lý do thay thế đã được đưa ra để giải thích hiện tượng này. Và điều này hoàn toàn theo tinh thần khoa học: cho đến khi nguyên nhân của một hiện tượng được xác định rõ ràng, có thể (và thậm chí cần thiết) đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau, nếu có thể, nên được kiểm tra bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết. Vì vậy, vào năm 1905, một bài viết ngắn của giáo sư vật lý St. Petersburg N.A. Gezehus, thầy của học giả nổi tiếng A.F. Ioffe, đã được xuất bản trong Từ điển Bách khoa Brockhaus và Efron. Gesehus đã viết rằng, theo một số nhà khoa học, chuyển động Brown là do “các tia sáng hoặc tia nhiệt truyền qua chất lỏng” và sôi sục thành “những dòng chảy đơn giản bên trong chất lỏng không liên quan gì đến chuyển động của các phân tử” và những dòng chảy này có thể được gây ra bởi "sự bay hơi, khuếch tán và các lý do khác." Rốt cuộc, người ta đã biết rằng một chuyển động rất giống nhau của các hạt bụi trong không khí là do dòng xoáy gây ra. Nhưng lời giải thích do Gesehus đưa ra có thể dễ dàng bị bác bỏ bằng thực nghiệm: nếu bạn nhìn vào hai hạt Brown nằm rất gần nhau qua một kính hiển vi mạnh, chuyển động của chúng sẽ trở nên hoàn toàn độc lập. Nếu những chuyển động này là do bất kỳ dòng chảy nào trong chất lỏng gây ra thì những hạt lân cận đó sẽ chuyển động đồng bộ.

Lý thuyết chuyển động Brown.

Vào đầu thế kỷ 20. hầu hết các nhà khoa học đều hiểu bản chất phân tử của chuyển động Brown. Nhưng mọi lời giải thích vẫn thuần túy định tính; không lý thuyết định lượng nào có thể chịu được thử nghiệm thực nghiệm. Ngoài ra, bản thân các kết quả thí nghiệm cũng không rõ ràng: cảnh tượng tuyệt vời của các hạt lao tới không ngừng đã thôi miên những người thực nghiệm và họ không biết chính xác những đặc điểm nào của hiện tượng cần đo.
Bất chấp sự rối loạn hoàn toàn rõ ràng, người ta vẫn có thể mô tả chuyển động ngẫu nhiên của các hạt Brown bằng một mối quan hệ toán học. Lần đầu tiên, một lời giải thích chính xác về chuyển động Brown được đưa ra vào năm 1904 bởi nhà vật lý người Ba Lan Marian Smoluchowski (1872–1917), người trong những năm đó làm việc tại Đại học Lviv. Đồng thời, lý thuyết về hiện tượng này được phát triển bởi Albert Einstein (1879–1955), một chuyên gia hạng 2 lúc bấy giờ ít được biết đến tại Văn phòng Sáng chế của thành phố Bern, Thụy Sĩ. Bài báo của ông, xuất bản vào tháng 5 năm 1905 trên tạp chí Annalen der Physik của Đức, có tựa đề Về chuyển động của các hạt lơ lửng trong chất lỏng ở trạng thái đứng yên, được yêu cầu bởi lý thuyết động học phân tử của nhiệt. Với cái tên này, Einstein muốn chứng tỏ rằng thuyết động học phân tử về cấu trúc của vật chất nhất thiết phải hàm ý sự tồn tại chuyển động ngẫu nhiên của các hạt rắn nhỏ nhất trong chất lỏng.

Điều gây tò mò là ngay từ đầu bài viết này, Einstein đã viết rằng ông đã quen thuộc với bản thân hiện tượng này, mặc dù chỉ nhìn bề ngoài: “Có thể các chuyển động được đề cập giống hệt với cái gọi là chuyển động phân tử Brown, nhưng dữ liệu có sẵn đối với tôi, ý kiến sau không chính xác đến mức tôi không thể đưa ra quan điểm chắc chắn.” Và nhiều thập kỷ sau, khi đã ở giai đoạn cuối đời, Einstein đã viết một điều khác trong hồi ký của mình - rằng ông hoàn toàn không biết gì về chuyển động Brown và thực sự đã “khám phá lại” nó về mặt lý thuyết: “Không biết rằng những quan sát về “chuyển động Brown” đã được thực hiện từ lâu. được biết, tôi phát hiện ra rằng lý thuyết nguyên tử dẫn đến sự tồn tại chuyển động quan sát được của các hạt lơ lửng cực nhỏ." Dù vậy, bài báo về lý thuyết của Einstein đã kết thúc bằng lời kêu gọi trực tiếp tới các nhà thực nghiệm hãy kiểm tra kết luận của ông bằng thực nghiệm: "Nếu bất kỳ nhà nghiên cứu nào có thể sớm trả lời các câu hỏi đặt ra ở đây câu hỏi!" – anh ấy kết thúc bài viết của mình bằng một câu cảm thán khác thường.

Câu trả lời cho lời kêu gọi đầy nhiệt huyết của Einstein sẽ không còn lâu nữa.

Theo lý thuyết Smoluchowski-Einstein, giá trị trung bình của bình phương dịch chuyển của hạt Brown (s2) trong thời gian t tỷ lệ thuận với nhiệt độ T và tỷ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng h, kích thước hạt r và hằng số Avogadro

NA: s2 = 2RTt/6phrNA,

Trong đó R là hằng số khí. Vì vậy, nếu trong 1 phút một hạt có đường kính 1 μm di chuyển 10 μm, thì trong 9 phút - 10 = 30 μm, trong 25 phút - 10 = 50 μm, v.v. Trong các điều kiện tương tự, một hạt có đường kính 0,25 μm trong cùng khoảng thời gian (1, 9 và 25 phút) sẽ di chuyển lần lượt 20, 60 và 100 μm vì = 2. Điều quan trọng là công thức trên bao gồm Hằng số Avogadro, do đó, có thể được xác định bằng các phép đo định lượng chuyển động của một hạt Brown, được thực hiện bởi nhà vật lý người Pháp Jean Baptiste Perrin (1870–1942).

Năm 1908, Perrin bắt đầu quan sát định lượng chuyển động của các hạt Brown dưới kính hiển vi. Ông đã sử dụng kính hiển vi siêu nhỏ, được phát minh vào năm 1902, cho phép phát hiện các hạt nhỏ nhất bằng cách phân tán ánh sáng lên chúng từ một đèn chiếu sáng mạnh ở cạnh bên. Perrin thu được những quả bóng nhỏ có hình dạng gần như hình cầu và kích thước xấp xỉ bằng nhựa từ nhựa cây cô đặc của một số cây nhiệt đới (nó cũng được dùng làm sơn màu nước màu vàng). Những hạt nhỏ này lơ lửng trong glycerol chứa 12% nước; chất lỏng nhớt ngăn chặn sự xuất hiện của các dòng chảy bên trong có thể làm mờ hình ảnh. Được trang bị một chiếc đồng hồ bấm giờ, Perrin ghi lại và sau đó phác họa (tất nhiên, ở tỷ lệ cực lớn) trên một tờ giấy có đồ thị vị trí của các hạt trong những khoảng thời gian đều đặn, chẳng hạn, cứ sau nửa phút. Bằng cách nối các điểm thu được bằng các đường thẳng, ông đã thu được các quỹ đạo phức tạp, một số quỹ đạo được thể hiện trong hình (chúng được lấy từ cuốn sách Atomy của Perrin, xuất bản năm 1920 tại Paris). Sự chuyển động hỗn loạn, mất trật tự như vậy của các hạt dẫn đến việc chúng chuyển động khá chậm trong không gian: tổng các đoạn lớn hơn nhiều so với độ dịch chuyển của hạt từ điểm đầu đến điểm cuối.

Vị trí liên tiếp cứ sau 30 giây của ba hạt Brownian - quả bóng kẹo cao su có kích thước khoảng 1 micron. Một ô tương ứng với khoảng cách 3 µm.
Vị trí liên tiếp cứ sau 30 giây của ba hạt Brownian - quả bóng kẹo cao su có kích thước khoảng 1 micron. Một ô tương ứng với khoảng cách 3 µm. Nếu Perrin có thể xác định vị trí của các hạt Brownian không phải sau 30 mà sau 3 giây, thì các đường thẳng giữa mỗi điểm lân cận sẽ biến thành cùng một đường đứt nét ngoằn ngoèo phức tạp, chỉ ở tỷ lệ nhỏ hơn.

Sử dụng công thức lý thuyết và kết quả của mình, Perrin đã thu được một giá trị khá chính xác cho số Avogadro vào thời điểm đó: 6.8.1023. Perrin cũng sử dụng kính hiển vi để nghiên cứu sự phân bố theo chiều dọc của các hạt Brown (xem LUẬT AVOGADRO) và chỉ ra rằng, bất chấp tác động của trọng lực, chúng vẫn lơ lửng trong dung dịch. Perrin còn sở hữu những công trình quan trọng khác. Năm 1895, ông chứng minh rằng tia âm cực là điện tích âm (electron), và vào năm 1901, ông lần đầu tiên đề xuất mô hình hành tinh của nguyên tử. Năm 1926 ông được trao giải Nobel Vật lý.

Kết quả mà Perrin thu được đã xác nhận kết luận lý thuyết của Einstein. Nó đã gây ấn tượng mạnh mẽ. Như nhà vật lý người Mỹ A. Pais đã viết nhiều năm sau đó, “bạn không bao giờ hết ngạc nhiên về kết quả này, kết quả đạt được một cách đơn giản như vậy: chỉ cần chuẩn bị một hệ thống treo các quả bóng, kích thước của nó lớn so với kích thước của nó là đủ.” của các phân tử đơn giản, hãy dùng đồng hồ bấm giờ và kính hiển vi, và bạn có thể xác định được hằng số Avogadro!” Người ta cũng có thể ngạc nhiên: thỉnh thoảng những mô tả về các thí nghiệm mới về chuyển động Brown vẫn xuất hiện trên các tạp chí khoa học (Tự nhiên, Khoa học, Tạp chí Giáo dục Hóa học)! Sau khi công bố kết quả của Perrin, Ostwald, một người từng phản đối thuyết nguyên tử, đã thừa nhận rằng “sự trùng hợp của chuyển động Brown với những yêu cầu của giả thuyết động học… giờ đây trao cho nhà khoa học thận trọng nhất quyền nói về bằng chứng thực nghiệm của lý thuyết nguyên tử.” của vấn đề. Vì vậy, lý thuyết nguyên tử đã được nâng lên hàng một lý thuyết khoa học và có cơ sở vững chắc.” Nhà toán học và vật lý học người Pháp Henri Poincaré lặp lại quan điểm của ông: “Việc xác định xuất sắc số lượng nguyên tử của Perrin đã hoàn thành chiến thắng của thuyết nguyên tử… Nguyên tử của các nhà hóa học giờ đây đã trở thành hiện thực.”

Chuyển động Brown và sự khuếch tán.

Chuyển động của các hạt Brown có hình dáng rất giống với chuyển động của từng phân tử do chuyển động nhiệt của chúng. Chuyển động này được gọi là khuếch tán. Ngay cả trước công trình của Smoluchowski và Einstein, các định luật về chuyển động phân tử đã được thiết lập trong trường hợp đơn giản nhất về trạng thái khí của vật chất. Hóa ra các phân tử trong chất khí chuyển động rất nhanh - bằng tốc độ của một viên đạn, nhưng chúng không thể bay xa vì chúng rất thường xuyên va chạm với các phân tử khác. Ví dụ, các phân tử oxy và nitơ trong không khí, di chuyển với tốc độ trung bình xấp xỉ 500 m/s, trải qua hơn một tỷ vụ va chạm mỗi giây. Do đó, đường đi của phân tử, nếu có thể đi theo nó, sẽ là một đường đứt gãy phức tạp. Các hạt Brown cũng mô tả một quỹ đạo tương tự nếu vị trí của chúng được ghi lại trong những khoảng thời gian nhất định. Cả sự khuếch tán và chuyển động Brown đều là hệ quả của chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử và do đó được mô tả bằng các mối quan hệ toán học tương tự nhau. Sự khác biệt là các phân tử trong chất khí chuyển động theo đường thẳng cho đến khi va chạm với các phân tử khác, sau đó chúng đổi hướng. Một hạt Brownian, không giống như một phân tử, không thực hiện bất kỳ "chuyến bay tự do" nào, nhưng trải qua những "sự dao động" nhỏ và không đều rất thường xuyên, do đó nó dịch chuyển hỗn loạn theo hướng này hay hướng khác. Các tính toán đã chỉ ra rằng đối với một hạt có kích thước 0,1 µm, một chuyển động xảy ra trong ba phần tỷ giây trên khoảng cách chỉ 0,5 nm (1 nm = 0,001 µm). Như một tác giả đã nói một cách khéo léo, điều này gợi nhớ đến việc di chuyển một lon bia rỗng ở một quảng trường nơi một đám đông đang tụ tập.
Sự khuếch tán dễ quan sát hơn nhiều so với chuyển động Brown, vì nó không cần kính hiển vi: các chuyển động được quan sát không phải của từng hạt riêng lẻ mà của khối lượng khổng lồ của chúng, bạn chỉ cần đảm bảo rằng sự khuếch tán không bị chồng lên bởi sự đối lưu - sự trộn lẫn của vật chất như một kết quả của dòng xoáy (dễ dàng nhận thấy những dòng chảy như vậy bằng cách nhỏ một giọt dung dịch có màu, chẳng hạn như mực, vào cốc nước nóng).

Khuếch tán thuận tiện để quan sát trong gel dày. Ví dụ, một loại gel như vậy có thể được điều chế trong lọ penicillin bằng cách chuẩn bị dung dịch gelatin 4–5% trong đó. Gelatin trước tiên phải trương nở trong vài giờ, sau đó được hòa tan hoàn toàn bằng cách khuấy bằng cách hạ bình vào nước nóng. Sau khi làm mát, thu được một loại gel không chảy ở dạng khối trong suốt, hơi đục. Nếu bằng nhíp sắc, bạn cẩn thận nhét một tinh thể nhỏ thuốc tím (“thuốc tím”) vào giữa khối này, tinh thể sẽ vẫn treo ở vị trí đã để lại, vì gel ngăn nó rơi xuống. Trong vòng vài phút, một quả bóng màu tím sẽ bắt đầu phát triển xung quanh tinh thể; theo thời gian, nó ngày càng lớn hơn cho đến khi thành bình làm biến dạng hình dạng của nó. Kết quả tương tự có thể đạt được bằng cách sử dụng tinh thể đồng sunfat, chỉ trong trường hợp này quả bóng sẽ không có màu tím mà là màu xanh lam.

Rõ ràng tại sao quả bóng lại bật ra: các ion MnO4– hình thành trong quá trình hòa tan tinh thể đi vào dung dịch (gel chủ yếu là nước) và do sự khuếch tán, di chuyển đều theo mọi hướng, trong khi trọng lực thực tế không có tác dụng về tốc độ khuếch tán. Sự khuếch tán trong chất lỏng rất chậm: phải mất nhiều giờ để quả bóng lớn lên vài cm. Ở dạng khí, sự khuếch tán nhanh hơn nhiều, tuy nhiên, nếu không khí không được hòa trộn, mùi nước hoa hoặc mùi amoniac sẽ lan khắp phòng trong nhiều giờ.

Lý thuyết chuyển động Brown: bước đi ngẫu nhiên.

Lý thuyết Smoluchowski–Einstein giải thích các định luật về cả khuếch tán và chuyển động Brown. Chúng ta có thể xem xét các mô hình này bằng ví dụ về sự khuếch tán. Nếu tốc độ của phân tử là u thì khi chuyển động theo đường thẳng thì nó sẽ đi được quãng đường L = ut trong thời gian t, nhưng do va chạm với các phân tử khác nên phân tử này không chuyển động theo đường thẳng mà liên tục thay đổi hướng chuyển động của nó. Nếu có thể phác họa đường đi của một phân tử thì về cơ bản nó sẽ không khác gì những bức vẽ mà Perrin thu được. Từ những hình vẽ đó, rõ ràng là, do chuyển động hỗn loạn, phân tử bị dịch chuyển một khoảng s, nhỏ hơn đáng kể so với L. Các đại lượng này có liên hệ bởi hệ thức s =, trong đó l là khoảng cách mà phân tử bay từ lần va chạm này đến lần va chạm khác. khác, đường đi tự do trung bình. Các phép đo đã chỉ ra rằng đối với các phân tử không khí ở áp suất khí quyển bình thường l ~ 0,1 μm, có nghĩa là ở tốc độ 500 m/s, một phân tử nitơ hoặc oxy sẽ bay trong khoảng cách 10.000 giây (dưới ba giờ) L = 5000 km, và sẽ độ dịch chuyển so với vị trí ban đầu chỉ là s = 0,7 m (70 cm), đó là lý do tại sao các chất chuyển động rất chậm do sự khuếch tán, ngay cả trong chất khí.

Đường đi của một phân tử là kết quả của sự khuếch tán (hoặc đường đi của hạt Brown) được gọi là bước đi ngẫu nhiên. Các nhà vật lý hóm hỉnh diễn giải lại biểu thức này là bước đi của người say rượu - "con đường của người say rượu". Thật vậy, chuyển động của một hạt từ vị trí này sang vị trí khác (hoặc đường đi của một phân tử trải qua nhiều va chạm) giống với chuyển động của một người say rượu. Hơn nữa, Sự tương tự này cũng cho phép người ta suy ra khá đơn giản phương trình cơ bản của một quá trình như vậy dựa trên ví dụ về chuyển động một chiều, dễ dàng khái quát hóa thành chuyển động ba chiều.

Giả sử một thủy thủ say khướt bước ra khỏi quán rượu vào lúc đêm khuya và đi dọc theo con phố. Sau khi đi theo con đường l đến chiếc đèn lồng gần nhất, anh ta nghỉ ngơi và đi... xa hơn, đến chiếc đèn lồng tiếp theo, hoặc quay lại quán rượu - rốt cuộc, anh ta không nhớ mình đến từ đâu. Câu hỏi đặt ra là liệu anh ta có bao giờ rời khỏi quả bí xanh không, hay anh ta sẽ chỉ đi loanh quanh nó, lúc đi chỗ khác, lúc lại gần nó? (Một phiên bản khác của bài toán nói rằng có những con mương bẩn ở hai đầu đường, nơi kết thúc đèn đường, và hỏi liệu người thủy thủ có thể tránh rơi vào một trong số đó hay không.) Bằng trực giác, có vẻ như câu trả lời thứ hai là đúng. Nhưng điều đó không chính xác: hóa ra người thủy thủ sẽ dần dần di chuyển ngày càng xa điểm 0, mặc dù chậm hơn nhiều so với khi anh ta chỉ đi theo một hướng. Đây là cách để chứng minh điều đó.

Sau khi đi bộ lần đầu tiên đến chiếc đèn lồng gần nhất (bên phải hoặc bên trái), người thủy thủ sẽ thấy mình ở khoảng cách s1 = ± l tính từ điểm xuất phát. Vì chúng ta chỉ quan tâm đến khoảng cách của nó tới điểm này chứ không quan tâm đến hướng của nó, nên chúng ta sẽ loại bỏ dấu bằng cách bình phương biểu thức này: s12 = l2. Sau một thời gian, người thủy thủ đã hoàn thành N “chuyến đi lang thang” sẽ ở một khoảng cách

SN = từ đầu. Và sau khi truyền lại (theo một hướng) đến đèn gần nhất, ở khoảng cách sN+1 = sN ± l, hoặc sử dụng bình phương độ dịch chuyển, s2N+1 = s2N ±2sN l + l2. Nếu thủy thủ lặp lại chuyển động này nhiều lần (từ N đến N + 1), thì do tính trung bình (anh ta thực hiện bước thứ N sang phải hoặc sang trái với xác suất bằng nhau), số hạng ±2sNl sẽ giảm đi, do đó đó (dấu ngoặc nhọn biểu thị giá trị trung bình).

Vì s12 = l2 nên

S22 = s12 + l2 = 2l2, s32 = s22 + l2 = 3ll2, v.v., tức là s2N = Nl2 hoặc sN =l. Tổng quãng đường đã đi L có thể được viết vừa là tích của tốc độ của thủy thủ và thời gian di chuyển (L = ut), vừa là tích của số lần đi lang thang và khoảng cách giữa các đèn lồng (L = Nl), do đó, ut = Nl, từ đó N = ut/l và cuối cùng là sN = . Do đó, chúng ta thu được sự phụ thuộc vào thời gian của độ dịch chuyển của thủy thủ (cũng như phân tử hoặc hạt Brown). Ví dụ: nếu có 10 m giữa các đèn lồng và thủy thủ đi bộ với tốc độ 1 m/s thì trong một giờ tổng quãng đường của anh ta sẽ là L = 3600 m = 3,6 km, trong khi độ dời so với điểm 0 trong thời gian cùng thời gian sẽ chỉ có s = = 190 m, trong 3 giờ nó sẽ đi được L = 10,8 km và sẽ dịch chuyển một đoạn s = 330 m, v.v.

Tích ul trong công thức thu được có thể được so sánh với hệ số khuếch tán, hệ số này, như được chỉ ra bởi nhà vật lý và toán học người Ireland George Gabriel Stokes (1819–1903), phụ thuộc vào kích thước hạt và độ nhớt của môi trường. Dựa trên những cân nhắc tương tự, Einstein đã rút ra được phương trình của mình.

Lý thuyết chuyển động Brown trong thực tế.

Lý thuyết bước đi ngẫu nhiên có những ứng dụng thực tế quan trọng. Người ta nói rằng khi không có điểm mốc (mặt trời, các ngôi sao, tiếng ồn của đường cao tốc hoặc đường sắt, v.v.), một người lang thang trong rừng, băng qua cánh đồng trong cơn bão tuyết hoặc trong sương mù dày đặc theo vòng tròn, luôn quay trở lại vị trí của mình. nơi ban đầu. Trên thực tế, anh ta không đi theo vòng tròn mà gần giống như cách các phân tử hoặc hạt Brown chuyển động. Anh ta có thể trở lại vị trí ban đầu của mình, nhưng chỉ một cách tình cờ. Nhưng anh ấy đã vượt qua con đường của mình nhiều lần. Họ cũng nói rằng những người bị chết cóng trong cơn bão tuyết được tìm thấy cách nhà hoặc con đường gần nhất “vài km”, nhưng trên thực tế, người đó không có cơ hội đi bộ hàng km này, và đây là lý do.

Để tính toán một người sẽ dịch chuyển bao nhiêu do bước đi ngẫu nhiên, bạn cần biết giá trị của l, tức là. khoảng cách mà một người có thể đi theo một đường thẳng mà không có điểm mốc nào. Giá trị này được đo bởi Tiến sĩ Khoa học Địa chất và Khoáng vật B.S. Gorobets với sự giúp đỡ của các sinh viên tình nguyện. Tất nhiên, anh ta không bỏ họ trong một khu rừng rậm rạp hay trên một sân phủ đầy tuyết, mọi thứ đơn giản hơn - cậu học sinh được xếp vào giữa một sân vận động trống, bị bịt mắt và yêu cầu đi bộ đến cuối sân bóng trong hoàn toàn im lặng (để loại trừ sự định hướng bằng âm thanh). Hóa ra, trung bình học sinh đó chỉ đi trên một đường thẳng khoảng 20 mét (độ lệch so với đường thẳng lý tưởng không vượt quá 5°), và sau đó bắt đầu ngày càng đi chệch khỏi hướng ban đầu. Cuối cùng, anh ta dừng lại, còn lâu mới chạm tới mép vực.

Bây giờ hãy để một người đi bộ (hay đúng hơn là đi lang thang) trong rừng với tốc độ 2 km một giờ (đối với đường thì rất chậm, nhưng đối với rừng rậm thì rất nhanh), thì nếu giá trị của l là 20 mét, sau đó trong một giờ anh ta sẽ đi được 2 km, nhưng sẽ chỉ di chuyển được 200 m, trong hai giờ - khoảng 280 m, trong ba giờ - 350 m, trong 4 giờ - 400 m, v.v. Với tốc độ như vậy, một người sẽ đi bộ 8 km trong 4 giờ, do đó, trong hướng dẫn an toàn khi đi thực địa có quy định sau: nếu mất mốc, bạn phải ở yên tại chỗ, dựng nơi trú ẩn và chờ kết thúc. khi thời tiết xấu (mặt trời có thể ló dạng) hoặc để được giúp đỡ. Trong rừng, các cột mốc - cây cối hoặc bụi rậm - sẽ giúp bạn di chuyển trên một đường thẳng và mỗi lần bạn cần bám vào hai cột mốc như vậy - một phía trước, một phía sau. Nhưng tất nhiên, tốt nhất bạn nên mang theo la bàn bên mình...

Chuyển động Brown là gì?

Bây giờ bạn sẽ làm quen với bằng chứng rõ ràng nhất về chuyển động nhiệt của các phân tử (vị trí chính thứ hai của lý thuyết động học phân tử). Hãy chắc chắn thử nhìn qua kính hiển vi và xem cái gọi là hạt Brown chuyển động như thế nào.

Trước đây bạn đã biết nó là gì khuếch tán, tức là trộn khí, chất lỏng và chất rắn tiếp xúc trực tiếp. Hiện tượng này có thể được giải thích bằng sự chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử và sự xâm nhập của các phân tử của chất này vào khoảng trống giữa các phân tử của chất khác. Ví dụ, điều này có thể giải thích thực tế là thể tích của hỗn hợp nước và rượu nhỏ hơn thể tích của các thành phần cấu thành nó. Nhưng bằng chứng rõ ràng nhất về chuyển động của các phân tử có thể thu được bằng cách quan sát qua kính hiển vi những hạt nhỏ nhất của bất kỳ chất rắn nào lơ lửng trong nước. Những hạt này trải qua chuyển động ngẫu nhiên, được gọi là màu nâu.

Đây là chuyển động nhiệt của các hạt lơ lửng trong chất lỏng (hoặc chất khí).

Quan sát chuyển động Brown

Nhà thực vật học người Anh R. Brown (1773-1858) lần đầu tiên quan sát thấy hiện tượng này vào năm 1827, khi kiểm tra các bào tử rêu lơ lửng trong nước qua kính hiển vi. Sau đó ông quan sát các hạt nhỏ khác, bao gồm cả những mảnh đá từ kim tự tháp Ai Cập. Ngày nay, để quan sát chuyển động Brown, người ta sử dụng các hạt sơn dính, không tan trong nước. Những hạt này di chuyển ngẫu nhiên. Điều tuyệt vời và bất thường nhất đối với chúng tôi là phong trào này không bao giờ dừng lại. Chúng ta đã quen với việc bất kỳ vật thể chuyển động nào sớm hay muộn đều dừng lại. Ban đầu Brown cho rằng các bào tử rêu đang có dấu hiệu của sự sống.

chuyển động nhiệt và không thể dừng lại. Khi nhiệt độ tăng, cường độ của nó tăng lên. Hình 8.3 biểu diễn sơ đồ chuyển động của các hạt Brown. Vị trí của các hạt, được đánh dấu bằng các dấu chấm, được xác định đều đặn trong khoảng thời gian 30 s. Những điểm này được kết nối bằng các đường thẳng. Trong thực tế, quỹ đạo của các hạt phức tạp hơn nhiều.

Chuyển động Brown cũng có thể được quan sát thấy trong chất khí. Nguyên nhân là do các hạt bụi hoặc khói lơ lửng trong không khí.

Nhà vật lý người Đức R. Pohl (1884-1976) mô tả một cách đầy màu sắc chuyển động Brown: “Rất ít hiện tượng có khả năng thu hút người quan sát nhiều như chuyển động Brown. Ở đây người quan sát được phép nhìn vào hậu trường của những gì đang xảy ra trong tự nhiên. Một thế giới mới mở ra trước mắt anh - sự nhộn nhịp không ngừng nghỉ của một số lượng lớn các hạt. Các hạt nhỏ nhất nhanh chóng bay qua trường nhìn của kính hiển vi, gần như ngay lập tức thay đổi hướng chuyển động. Các hạt lớn hơn di chuyển chậm hơn nhưng chúng cũng liên tục thay đổi hướng chuyển động. Các hạt lớn gần như bị nghiền nát tại chỗ. Phần nhô ra của chúng cho thấy rõ chuyển động quay của các hạt quanh trục của chúng, liên tục thay đổi hướng trong không gian. Không có dấu vết của hệ thống hoặc trật tự ở bất cứ đâu. Sự thống trị của cơ hội mù quáng - đó là ấn tượng mạnh mẽ, choáng ngợp mà bức ảnh này gây ra cho người quan sát.”

Hiện nay khái niệm Chuyển động Brownđược sử dụng theo nghĩa rộng hơn. Ví dụ, chuyển động Brown là sự rung động của kim của các dụng cụ đo nhạy cảm, xảy ra do chuyển động nhiệt của các nguyên tử trong các bộ phận của dụng cụ và môi trường.

Giải thích chuyển động Brown

Chuyển động Brown chỉ có thể được giải thích trên cơ sở lý thuyết động học phân tử. Sở dĩ chuyển động Brown của một hạt là do tác động của các phân tử chất lỏng lên hạt không triệt tiêu lẫn nhau.. Hình 8.4 biểu diễn dưới dạng sơ đồ vị trí của một hạt Brown và các phân tử gần nó nhất. Khi các phân tử chuyển động ngẫu nhiên, các xung mà chúng truyền tới hạt Brownian, chẳng hạn như sang trái và sang phải, là không giống nhau. Do đó, lực áp suất do các phân tử chất lỏng tác dụng lên hạt Brownian là khác không. Lực này gây ra sự thay đổi chuyển động của hạt.

Áp suất trung bình có một giá trị nhất định trong cả chất khí và chất lỏng. Nhưng luôn có những sai lệch ngẫu nhiên nhỏ so với mức trung bình này. Diện tích bề mặt của cơ thể càng nhỏ thì sự thay đổi tương đối của lực áp lực tác động lên vùng này càng dễ nhận thấy. Vì vậy, ví dụ, nếu diện tích có kích thước bằng vài đường kính của phân tử, thì lực áp suất tác dụng lên nó thay đổi đột ngột từ 0 đến một giá trị nhất định khi phân tử chạm vào diện tích này.

Lý thuyết động học phân tử của chuyển động Brown được A. Einstein (1879-1955) đưa ra vào năm 1905.

Việc xây dựng lý thuyết chuyển động Brown và xác nhận thực nghiệm của nó bởi nhà vật lý người Pháp J. Perrin cuối cùng đã hoàn thành thắng lợi của lý thuyết động học phân tử.

Thí nghiệm của Perrin

Ý tưởng thí nghiệm của Perrin như sau. Được biết, nồng độ của các phân tử khí trong khí quyển giảm theo độ cao. Nếu không có chuyển động nhiệt thì tất cả các phân tử sẽ rơi xuống Trái đất và bầu khí quyển sẽ biến mất. Tuy nhiên, nếu Trái đất không có lực hút thì do chuyển động nhiệt, các phân tử sẽ rời khỏi Trái đất, vì khí có khả năng giãn nở vô hạn. Do tác động của các yếu tố đối lập này, sự phân bố nhất định của các phân tử theo chiều cao được thiết lập, như đã đề cập ở trên, tức là nồng độ của các phân tử giảm khá nhanh theo chiều cao. Hơn nữa, khối lượng phân tử càng lớn thì nồng độ của chúng càng giảm theo chiều cao.

Các hạt Brown tham gia vào chuyển động nhiệt. Vì tương tác của chúng nhỏ không đáng kể nên việc tập hợp các hạt này trong chất khí hoặc chất lỏng có thể được coi là chất khí lý tưởng của các phân tử rất nặng. Do đó, nồng độ của các hạt Brown trong chất khí hoặc chất lỏng trong trường hấp dẫn của Trái đất sẽ giảm theo định luật giống như nồng độ của các phân tử khí. Luật này được biết đến.

Perrin, sử dụng kính hiển vi có độ phóng đại cao với độ sâu trường ảnh nông (độ sâu trường ảnh nông), đã quan sát các hạt Brownian trong các lớp chất lỏng rất mỏng. Bằng cách tính nồng độ của các hạt ở các độ cao khác nhau, ông nhận thấy nồng độ này giảm theo độ cao tuân theo định luật giống như nồng độ của các phân tử khí. Sự khác biệt là do khối lượng hạt Brownian lớn nên quá trình giảm xảy ra rất nhanh.

Hơn nữa, việc đếm các hạt Brown ở các độ cao khác nhau cho phép Perrin xác định hằng số Avogadro bằng một phương pháp hoàn toàn mới. Giá trị của hằng số này trùng với giá trị đã biết.

Tất cả những sự thật này cho thấy tính đúng đắn của lý thuyết chuyển động Brown và theo đó, các hạt Brown tham gia vào chuyển động nhiệt của các phân tử.

Bạn đã thấy rõ sự tồn tại của chuyển động nhiệt; chứng kiến một phong trào hỗn loạn đang diễn ra. Các phân tử thậm chí còn chuyển động ngẫu nhiên hơn các hạt Brownian.

Bản chất của hiện tượng

Bây giờ chúng ta hãy cố gắng tìm hiểu bản chất của hiện tượng chuyển động Brown. Và nó xảy ra bởi vì tất cả các chất lỏng và chất khí đều bao gồm các nguyên tử hoặc phân tử. Nhưng chúng ta cũng biết rằng những hạt nhỏ bé này, đang chuyển động hỗn loạn liên tục, liên tục đẩy hạt Brownian theo các hướng khác nhau.

Nhưng điều thú vị là các nhà khoa học đã chứng minh được rằng những hạt có kích thước lớn hơn vượt quá 5 micron vẫn đứng yên và hầu như không tham gia vào chuyển động Brown, điều này không thể nói đến những hạt nhỏ hơn. Các hạt có kích thước nhỏ hơn 3 micron có khả năng chuyển động tịnh tiến, thực hiện các chuyển động quay hoặc ghi các quỹ đạo phức tạp.

Khi một vật thể lớn được ngâm trong môi trường, những cú sốc xảy ra với lượng lớn dường như đạt đến mức trung bình và duy trì áp suất không đổi. Trong trường hợp này, lý thuyết của Archimedes phát huy tác dụng, vì một vật thể lớn được bao quanh bởi môi trường ở mọi phía sẽ cân bằng áp suất và lực nâng còn lại cho phép vật thể này nổi hoặc chìm.

Nhưng nếu vật thể có các kích thước như hạt Brownian, tức là hoàn toàn không thể nhận thấy được, thì độ lệch áp suất sẽ trở nên đáng chú ý, điều này góp phần tạo ra một lực ngẫu nhiên dẫn đến dao động của các hạt này. Có thể kết luận rằng các hạt Brown trong môi trường ở trạng thái lơ lửng, trái ngược với các hạt lớn chìm hoặc nổi.

Ý nghĩa của chuyển động Brown

Chúng ta hãy thử tìm hiểu xem chuyển động Brown có ý nghĩa gì trong môi trường tự nhiên hay không:

Đầu tiên, chuyển động Brown đóng một vai trò quan trọng trong dinh dưỡng thực vật từ đất;
Thứ hai, ở cơ thể người và động vật, quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng diễn ra qua thành của cơ quan tiêu hóa do chuyển động Brown;
Thứ ba, trong việc thực hiện thở da;
Và cuối cùng, chuyển động Brown rất quan trọng trong việc phân phối các chất có hại trong không khí và trong nước.

Bài tập về nhà

Đọc kỹ các câu hỏi và đưa ra câu trả lời bằng văn bản cho chúng:

1. Bạn có nhớ cái gì được gọi là khuếch tán không?
2. Mối quan hệ giữa sự khuếch tán và chuyển động nhiệt của phân tử là gì?
3. Định nghĩa chuyển động Brown.
4. Bạn có nghĩ chuyển động Brown là nhiệt và giải thích cho câu trả lời của mình không?
5. Bản chất của chuyển động Brown có thay đổi khi bị nung nóng không? Nếu thay đổi thì cụ thể như thế nào?
6. Người ta dùng thiết bị nào để nghiên cứu chuyển động Brown?
7. Mô hình chuyển động Brown có thay đổi khi nhiệt độ tăng không và chính xác như thế nào?
8. Liệu chuyển động Brown có thay đổi gì không nếu thay nhũ tương nước bằng glycerol?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Vật lý lớp 10

Trong suốt cuộc đời của mình, nhà thực vật học người Scotland Robert Brown, với tư cách là chuyên gia thực vật giỏi nhất, đã nhận được danh hiệu “Hoàng tử của các nhà thực vật học”. Ông đã có nhiều khám phá tuyệt vời. Năm 1805, sau chuyến thám hiểm kéo dài 4 năm tới Úc, ông đã mang đến Anh khoảng 4.000 loài thực vật Úc mà các nhà khoa học chưa biết đến và dành nhiều năm nghiên cứu chúng. Thực vật được mô tả được mang từ Indonesia và Trung Phi. Ông nghiên cứu sinh lý thực vật và lần đầu tiên mô tả chi tiết nhân của tế bào thực vật. Nhưng tên tuổi của nhà khoa học hiện nay được biết đến rộng rãi không phải nhờ những công trình này.

Quan sát của Brown đã được các nhà khoa học khác xác nhận. Các hạt nhỏ nhất hoạt động như thể chúng còn sống, và “vũ điệu” của các hạt tăng tốc khi nhiệt độ ngày càng tăng và kích thước hạt giảm và rõ ràng là chậm lại khi thay nước bằng môi trường nhớt hơn. Hiện tượng đáng kinh ngạc này không bao giờ dừng lại: nó có thể được quan sát bao lâu tùy thích. Lúc đầu, Brown thậm chí còn nghĩ rằng các sinh vật sống thực sự rơi vào phạm vi quan sát của kính hiển vi, đặc biệt vì phấn hoa là tế bào sinh sản đực của thực vật, nhưng cũng có những hạt từ thực vật chết, thậm chí từ những hạt được sấy khô hàng trăm năm trước trong phòng mẫu. Sau đó, Brown tự hỏi liệu đây có phải là “các phân tử cơ bản của sinh vật sống” mà nhà tự nhiên học nổi tiếng người Pháp Georges Buffon (1707-1788), tác giả cuốn Lịch sử tự nhiên gồm 36 tập, đã nói đến. Giả định này đã biến mất khi Brown bắt đầu kiểm tra những đồ vật dường như vô tri; Lúc đầu, đó là những hạt than rất nhỏ, cũng như bồ hóng và bụi từ không khí London, sau đó được nghiền mịn các chất vô cơ: thủy tinh, nhiều khoáng chất khác nhau. “Các phân tử hoạt động” có ở khắp mọi nơi: “Trong mọi khoáng chất,” Brown viết, “mà tôi đã thành công trong việc nghiền thành bụi đến mức nó có thể lơ lửng trong nước một thời gian, tôi đã tìm thấy, với số lượng lớn hơn hoặc ít hơn, những phân tử này."

Trong khoảng 30 năm, khám phá của Brown không thu hút được sự quan tâm của các nhà vật lý. Hiện tượng mới không được coi trọng lắm vì nó được giải thích là do sự rung chuyển của chế phẩm hoặc tương tự như sự chuyển động của các hạt bụi, được quan sát thấy trong khí quyển khi một tia sáng chiếu vào chúng, và như đã biết. , được gây ra bởi sự chuyển động của không khí. Nhưng nếu chuyển động của các hạt Brown là do bất kỳ dòng chảy nào trong chất lỏng gây ra, thì các hạt lân cận đó sẽ chuyển động đồng bộ, điều này mâu thuẫn với dữ liệu quan sát.

Lời giải thích về chuyển động Brown (như hiện tượng này được gọi) bằng chuyển động của các phân tử vô hình chỉ được đưa ra trong 1/4 cuối thế kỷ 19, nhưng không được tất cả các nhà khoa học chấp nhận ngay lập tức. Năm 1863, một giáo viên dạy hình học mô tả ở Karlsruhe (Đức), Ludwig Christian Wiener (1826-1896), cho rằng hiện tượng này có liên quan đến chuyển động dao động của các nguyên tử vô hình. Điều quan trọng là Wiener đã nhìn thấy cơ hội sử dụng hiện tượng này để thâm nhập vào bí mật về cấu trúc của vật chất. Ông là người đầu tiên thử đo tốc độ chuyển động của các hạt Brown và sự phụ thuộc của nó vào kích thước của chúng. Nhưng kết luận của Wiener rất phức tạp do đưa ra khái niệm “nguyên tử ether” bên cạnh các nguyên tử vật chất. Năm 1876, William Ramsay, và năm 1877, các linh mục Dòng Tên người Bỉ là Carbonel, Delso và Thirion, và cuối cùng, vào năm 1888, Guy, đã chứng tỏ rõ ràng bản chất nhiệt của chuyển động Brown [5].

Delso và Carbonelle viết: “Trên một khu vực rộng lớn, tác động của các phân tử, vốn là nguyên nhân gây ra áp suất, không gây ra bất kỳ sự rung lắc nào của vật thể lơ lửng, bởi vì chúng cùng nhau tạo ra một áp suất đồng đều lên vật thể theo mọi hướng.” . Nhưng nếu diện tích không đủ để bù đắp cho sự không đồng đều thì cần tính đến sự bất bình đẳng về áp lực và sự thay đổi liên tục của chúng từ điểm này sang điểm khác. Định luật số lớn không còn làm giảm tác động của các va chạm về một áp suất trung bình đều; kết quả của chúng sẽ không còn bằng 0 nữa mà sẽ liên tục thay đổi hướng và độ lớn của nó.”

Nếu chúng ta chấp nhận lời giải thích này, thì hiện tượng chuyển động nhiệt của chất lỏng, do lý thuyết động học đưa ra, có thể nói là đã được chứng minh là ad oculos (bằng trực quan). Cũng giống như có thể, không cần phân biệt sóng ở xa trên biển, có thể giải thích sự lắc lư của một con thuyền ở đường chân trời là do sóng, theo cách tương tự, không nhìn thấy chuyển động của các phân tử, người ta có thể đánh giá nó bằng chuyển động của các hạt lơ lửng trong một chất lỏng.

Cách giải thích này về chuyển động Brown có ý nghĩa không chỉ như một sự xác nhận lý thuyết động học mà còn kéo theo những hệ quả lý thuyết quan trọng. Theo định luật bảo toàn năng lượng, sự thay đổi tốc độ của hạt lơ lửng phải đi kèm với sự thay đổi nhiệt độ ở vùng lân cận của hạt này: nhiệt độ này tăng nếu tốc độ của hạt giảm và giảm nếu tốc độ của hạt tăng lên. Như vậy, cân bằng nhiệt của chất lỏng là cân bằng thống kê.

Một quan sát thậm chí còn quan trọng hơn được Guy đưa ra vào năm 1888: Chuyển động Brown, nói đúng ra, không tuân theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Trên thực tế, khi một hạt lơ lửng tự phát bay lên trong chất lỏng, một phần nhiệt của môi trường xung quanh nó tự động biến thành công cơ học, điều này bị cấm bởi định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Tuy nhiên, các quan sát đã chỉ ra rằng việc nâng một hạt xảy ra ít thường xuyên hơn, hạt càng nặng. Đối với các hạt vật chất có kích thước bình thường, xác suất tăng lên như vậy thực tế là bằng không.

Như vậy, định luật thứ hai của nhiệt động lực học trở thành định luật xác suất hơn là định luật tất yếu. Không có kinh nghiệm trước đây hỗ trợ cho cách giải thích thống kê này. Chỉ cần phủ nhận sự tồn tại của các phân tử, chẳng hạn như trường phái năng lượng học đã phát triển mạnh mẽ dưới sự lãnh đạo của Mach và Ostwald, là đủ để định luật thứ hai của nhiệt động lực học trở thành một định luật tất yếu. Nhưng sau khi phát hiện ra chuyển động Brown, việc giải thích chặt chẽ định luật thứ hai trở nên bất khả thi: có kinh nghiệm thực tế cho thấy định luật thứ hai của nhiệt động lực học liên tục bị vi phạm trong tự nhiên, rằng động cơ vĩnh cửu loại hai không những không bị loại trừ , nhưng liên tục được hiện thực hóa ngay trước mắt chúng ta.

Vì vậy, vào cuối thế kỷ trước, việc nghiên cứu chuyển động Brown đã có ý nghĩa lý thuyết to lớn và thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà vật lý lý thuyết, đặc biệt là Einstein.

Các hạt lơ lửng nhỏ chuyển động hỗn loạn dưới tác động của các phân tử chất lỏng.

Vào nửa sau thế kỷ 19, một cuộc tranh luận gay gắt về bản chất của nguyên tử đã nổ ra trong giới khoa học. Một bên là những nhà cầm quyền không thể chối cãi như Ernst Mach ( cm. sóng xung kích), người lập luận rằng các nguyên tử chỉ đơn giản là các hàm toán học mô tả thành công các hiện tượng vật lý có thể quan sát được và không có cơ sở vật lý thực sự. Mặt khác, các nhà khoa học của làn sóng mới - đặc biệt là Ludwig Boltzmann ( cm. Hằng số Boltzmann)—khẳng định rằng nguyên tử là thực thể vật lý. Và cả hai bên đều không biết rằng nhiều thập kỷ trước khi bắt đầu tranh chấp, các kết quả thực nghiệm đã thu được rằng một lần và mãi mãi đã giải quyết được vấn đề ủng hộ sự tồn tại của nguyên tử như một thực tại vật lý - tuy nhiên, chúng đã thu được trong môn học. khoa học tự nhiên gần với vật lý của nhà thực vật học Robert Brown.

Trở lại mùa hè năm 1827, Brown, trong khi nghiên cứu hành vi của phấn hoa dưới kính hiển vi (ông đã nghiên cứu huyền phù nước của phấn hoa thực vật). Clarkia pulchella), đột nhiên phát hiện ra rằng các bào tử riêng lẻ thực hiện các chuyển động xung hoàn toàn hỗn loạn. Ông xác định chắc chắn rằng những chuyển động này không hề liên quan đến sự hỗn loạn và dòng chảy của nước, hoặc với sự bay hơi của nó, sau đó, sau khi mô tả bản chất chuyển động của các hạt, ông thành thật thừa nhận sự bất lực của mình trong việc giải thích nguồn gốc của điều này. chuyển động hỗn loạn. Tuy nhiên, là một nhà thí nghiệm tỉ mỉ, Brown đã chứng minh rằng chuyển động hỗn loạn như vậy là đặc trưng của bất kỳ hạt cực nhỏ nào - có thể là phấn hoa thực vật, khoáng chất lơ lửng hoặc bất kỳ chất nào bị nghiền nát nói chung.

Chỉ đến năm 1905, không ai khác ngoài Albert Einstein lần đầu tiên nhận ra rằng hiện tượng bí ẩn này, thoạt nhìn, đóng vai trò là bằng chứng thực nghiệm tốt nhất về tính đúng đắn của lý thuyết nguyên tử về cấu trúc của vật chất. Ông giải thích nó như thế này: một bào tử lơ lửng trong nước liên tục bị “bắn phá” bởi các phân tử nước chuyển động hỗn loạn. Trung bình, các phân tử tác động lên nó từ mọi phía với cường độ như nhau và trong khoảng thời gian bằng nhau. Tuy nhiên, bào tử dù nhỏ đến đâu, do những sai lệch hoàn toàn ngẫu nhiên, đầu tiên nó nhận được một xung lực từ phân tử va vào nó ở một bên, sau đó từ phía phân tử va vào nó ở phía bên kia, v.v. tính trung bình các va chạm như vậy, hóa ra là tại một thời điểm nào đó hạt “co giật” theo một hướng, sau đó, nếu ở phía bên kia, nó bị “đẩy” bởi nhiều phân tử hơn - ở phía kia, v.v. và lý thuyết động học phân tử của chất khí, Einstein đã rút ra một phương trình mô tả sự phụ thuộc của độ dịch chuyển căn bậc hai của một hạt Brown vào các thông số vĩ mô. (Sự thật thú vị: trong một tập của tạp chí Đức “Biên niên sử vật lý” ( Annalen der Physik) vào năm 1905, ba bài báo của Einstein đã được xuất bản: một bài báo giải thích lý thuyết về chuyển động Brown, một bài báo về cơ sở của thuyết tương đối đặc biệt, và cuối cùng, một bài báo mô tả lý thuyết về hiệu ứng quang điện. Chính vì điều này mà Albert Einstein đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1921.)

Năm 1908, nhà vật lý người Pháp Jean-Baptiste Perrin (1870-1942) đã tiến hành một loạt thí nghiệm xuất sắc xác nhận tính đúng đắn trong lời giải thích của Einstein về hiện tượng chuyển động Brown. Cuối cùng người ta đã rõ ràng rằng chuyển động “hỗn loạn” quan sát được của các hạt Brownian là hệ quả của sự va chạm giữa các phân tử. Vì “các quy ước toán học hữu ích” (theo Mach) không thể dẫn đến những chuyển động hoàn toàn thực tế và có thể quan sát được của các hạt vật lý, nên cuối cùng rõ ràng là cuộc tranh luận về tính thực tế của nguyên tử đã kết thúc: chúng tồn tại trong tự nhiên. Là một “trò chơi có thưởng”, Perrin nhận được một công thức do Einstein đưa ra, cho phép người Pháp phân tích và ước tính số lượng trung bình các nguyên tử và/hoặc phân tử va chạm với một hạt lơ lửng trong chất lỏng trong một khoảng thời gian nhất định và sử dụng công thức này. chỉ báo, tính toán số mol của các chất lỏng khác nhau. Ý tưởng này dựa trên thực tế là tại bất kỳ thời điểm nào, gia tốc của hạt lơ lửng phụ thuộc vào số lần va chạm với các phân tử của môi trường ( cm.định luật cơ học của Newton), và do đó về số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích chất lỏng. Và điều này không gì khác hơn là Số avogadro (cm.Định luật Avogadro) là một trong những hằng số cơ bản quyết định cấu trúc thế giới của chúng ta.