Броуновское движение
В 1827 г. английский ботаник Р. Броун наблюдал в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде. То, что он увидел, очень его удивило. Писал он об этом так: «При работе с частицами или зернами необычайно малой величины размером от одной четырехтысячной до одной пятитысячной доли дюйма (т. е. 5—6 мм) в длину, погруженными в воду, я наблюдал многие из них в явном движении... Эти движения были таковы, что после многих повторных наблюдений я убедился в том, что они возникают не от потоков жидкости и не от ее постоянного испарения, а принадлежат самим частицам». Броун также отметил, что частицы двигались непрерывно, описывая самые причудливые траектории; их движение носило ярко выраженный хаотический характер. Даже качественно объяснить причины броуновского движения удалось только через 50 лет. В то время в существование атомов и молекул очень многие не верили, во всяком случае прямых экспериментальных доказательств не было. Поэтому вначале предполагали, что частички двигались за счет присущей им «жизненной силы», поскольку они были органического происхождения. Однако, когда опыты Броуна были повторены многократно и на самых разных, в том числе неорганических, мельчайших частичках, оказалось, что эффект универсален и не зависит ни от каких внешних факторов, за исключением температуры. С увеличением температуры интенсивность движения броуновских частичек заметно возрастала.
Лишь в конце 70-х гг. прошлого века причину броуновского движения стали связывать с ударами молекул жидкости о поверхность взвешенной в ней частицы. Если бы частица была большой, то молекулы равномерно толкали бы ее со всех сторон и взвешенная частица оставалась бы на месте. Но маленькая частица имеет маленькую поверхность, и толчки не уравновешивают друг друга. Равнодействующая сил не равна нулю, а все время меняется по величине и направлению. В результате частица блуждает случайным образом по жидкости.
Первая количественная теория броуновского движения появилась в 1905 г. Ее автором был А. Эйнштейн, опубликовавший классическую работу «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты».
В своей работе Эйнштейн показал, что случайные блуждания броуновских частиц можно трактовать следующим образом: они участвуют в тепловом движении наравне с молекулами той среды, в которой они взвешены, обладая в среднем такой же кинетической энергией, но несравненно меньшей, скоростью ввиду гораздо большей массы. Измерив смещение частицы за определенное время, зная ее радиус и вязкость жидкости, можно вычислить число Авогадро.
Экспериментальное подтверждение теории Эйнштейна явилось заслугой французского физика Ж. Перрена. Он решил изучить распределение микроскопических частичек в специально приготовленной эмульсии. Серию таких экспериментов Перрен с сотрудниками начал в 1906 г. Главная трудность заключалась в приготовлении эмульсии с частицами одинакового размера. После ряда неудач Перрену удалось получить такие частицы из гуммигута — смолистого вещества, добываемого из млечного сока некоторых деревьев, и мастики— одной из разновидностей смол. Частицы были взвешены в глицерине с добавкой 12% воды для достижения необходимой плотности.
Опыты заключались в следующем: капельку эмульсии помещали в плоскую кювету глубиной 0,1 мм, плотно закрывающуюся покровным стеклом. Положение частичек эмульсии через определенные промежутки времени наблюдали с помощью специального микроскопа. На рисунке изображены траектории трех частиц гуммигута. Кружочки отвечают положениям частиц через равные промежутки времени. Видно, что движения частиц совершенно случайны: протяженность каждого смещения произвольна, все направления движения непредсказуемы.
Проследив за движением нескольких тысяч частиц и подставив свои данные в формулу Эйнштейна, Перрен в результате довольно точно вычислил значение числа Авогадро.
