การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอนุภาคสีในน้ำ การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนคืออะไร

การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน- การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคที่มองเห็นด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซ แข็งเกิดจากการเคลื่อนตัวทางความร้อนของอนุภาคของของเหลวหรือก๊าซ การเคลื่อนไหวของบราวเนียนไม่เคยหยุดนิ่ง การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน แต่ไม่ควรสับสนแนวคิดเหล่านี้ การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเป็นผลที่ตามมาและเป็นหลักฐานของการมีอยู่ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเป็นการยืนยันการทดลองที่ชัดเจนที่สุดเกี่ยวกับแนวคิดของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุลเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวายของอะตอมและโมเลกุล หากระยะเวลาการสังเกตมีขนาดใหญ่เพียงพอสำหรับแรงที่กระทำต่ออนุภาคจากโมเลกุลของตัวกลางเพื่อเปลี่ยนทิศทางหลายครั้ง ดังนั้นกำลังสองเฉลี่ยของการฉายภาพของการกระจัดบนแกนใด ๆ (ในกรณีที่ไม่มีแรงภายนอกอื่น ๆ ) คือ สัดส่วนกับเวลา

เมื่อได้กฎของไอน์สไตน์ สันนิษฐานว่าการกระจัดของอนุภาคในทิศทางใดๆ มีความเป็นไปได้เท่ากัน และความเฉื่อยของอนุภาคบราวเนียนสามารถละเลยได้เมื่อเปรียบเทียบกับอิทธิพลของแรงเสียดทาน (ซึ่งเป็นที่ยอมรับได้เป็นเวลานานพอสมควร) สูตรสัมประสิทธิ์ ดีขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้กฎของสโตกส์ในการต้านทานอุทกพลศาสตร์ต่อการเคลื่อนที่ของทรงกลมรัศมี A ในของเหลวหนืด ความสัมพันธ์ของ A และ D ได้รับการยืนยันเชิงทดลองโดยการวัดโดย J. Perrin และ T. Svedberg จากการวัดเหล่านี้ ค่าคงที่ของ Boltzmann ถูกกำหนดโดยการทดลอง เคและค่าคงที่ของอโวกาโดร เอ็น A. นอกจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนแบบแปลนแล้ว ยังมีการเคลื่อนที่แบบหมุนแบบบราวเนียนอีกด้วย ซึ่งเป็นการหมุนแบบสุ่มของอนุภาคแบบบราวเนียนภายใต้อิทธิพลของการกระแทกของโมเลกุลของตัวกลาง สำหรับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนแบบหมุน ค่าเฉลี่ยการกระจัดเชิงมุมสี่เหลี่ยมของอนุภาคจะเป็นสัดส่วนกับเวลาในการสังเกต ความสัมพันธ์เหล่านี้ยังได้รับการยืนยันจากการทดลองของเพอร์ริน แม้ว่าผลกระทบนี้สังเกตได้ยากกว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในการแปล

YouTube สารานุกรม

• 1 / 5

  การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเกิดขึ้นเนื่องจากของเหลวและก๊าซทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุล ซึ่งเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่มีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างวุ่นวายอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น จึงผลักอนุภาคบราวเนียนจากทิศทางที่ต่างกันอย่างต่อเนื่อง พบว่าอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีขนาดมากกว่า 5 µm ในทางปฏิบัติแล้วจะไม่มีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (พวกมันอยู่กับที่หรือตะกอน) อนุภาคขนาดเล็ก (น้อยกว่า 3 µm) เคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามวิถีที่ซับซ้อนมากหรือหมุน เมื่อจุ่มวัตถุขนาดใหญ่ลงในตัวกลาง แรงกระแทกที่เกิดขึ้นในปริมาณมากจะถูกเฉลี่ยและก่อให้เกิดแรงดันคงที่ หากวัตถุขนาดใหญ่ถูกล้อมรอบด้วยตัวกลางทุกด้าน ความดันก็จะมีความสมดุลในทางปฏิบัติ เหลือเพียงแรงยกของอาร์คิมิดีสเท่านั้น - วัตถุดังกล่าวจะลอยขึ้นหรือจมได้อย่างราบรื่น หากวัตถุมีขนาดเล็ก เช่น อนุภาคบราวเนียน ความผันผวนของแรงดันจะสังเกตเห็นได้ชัดเจน ซึ่งสร้างแรงที่แปรผันแบบสุ่มที่เห็นได้ชัดเจน ซึ่งนำไปสู่การสั่นของอนุภาค อนุภาคของบราวเนียนมักจะไม่จมหรือลอย แต่ถูกแขวนลอยในตัวกลาง

  กำลังเปิด

  ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

  การสร้างทฤษฎีคลาสสิก

  D = R T 6 N A π a ξ , (\displaystyle D=(\frac (RT)(6N_(A)\pi a\xi )),)

  ที่ไหน D (\displaystyle D)- ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย R (\รูปแบบการแสดงผล R)- ค่าคงที่สากล ก๊าซ  T (\displaystyle T)- อุณหภูมิสัมบูรณ์ N A (\displaystyle N_(A))- ค่าคงที่ของ Avogadro ก (\displaystyle ก)- รัศมีอนุภาค ξ (\displaystyle \xi )- ความหนืดไดนามิก

  การยืนยันการทดลอง

  สูตรของไอน์สไตน์ได้รับการยืนยันจากการทดลองของฌอง แปร์รินและนักเรียนของเขาในปี พ.ศ. 2451-2452 ในฐานะที่เป็นอนุภาคบราวเนียน พวกเขาใช้เม็ดเรซินจากต้นสีเหลืองอ่อนและเหงือก ซึ่งเป็นน้ำนมข้นของต้นไม้ในสกุลการ์ซีเนีย มีการกำหนดความถูกต้องของสูตรสำหรับอนุภาคขนาดต่างๆ ตั้งแต่ 0.212 ไมครอนถึง 5.5 ไมครอน สำหรับสารละลายต่างๆ (สารละลายน้ำตาล กลีเซอรีน) ที่อนุภาคเคลื่อนที่

  การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเป็นกระบวนการสุ่มที่ไม่ใช่แบบมาร์คอฟ

  ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนซึ่งได้รับการพัฒนาอย่างดีในช่วงศตวรรษที่ผ่านมาเป็นทฤษฎีหนึ่งโดยประมาณ และแม้ว่าในกรณีที่สำคัญที่สุดในทางปฏิบัติก็ตาม ทฤษฎีที่มีอยู่ให้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจในบางกรณีอาจต้องมีการชี้แจง ดังนั้น, งานทดลองดำเนินการใน จุดเริ่มต้นของ XXIศตวรรษใน มหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคเมืองโลซาน มหาวิทยาลัยเท็กซัส และห้องปฏิบัติการชีววิทยาโมเลกุลแห่งยุโรปในเมืองไฮเดลเบิร์ก (ภายใต้การนำของเอส. เจนีย์) แสดงให้เห็นความแตกต่างในพฤติกรรมของอนุภาคบราวเนียนจากการทำนายทางทฤษฎีโดยทฤษฎีไอน์สไตน์-สโมลูโควสกี ซึ่งเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษเมื่อเพิ่มขึ้น ขนาดอนุภาค การศึกษายังได้สัมผัสกับการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่อยู่รอบๆ ตัวกลางและแสดงให้เห็นอย่างมีนัยสำคัญ อิทธิพลซึ่งกันและกันการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนและการเคลื่อนที่ของอนุภาคของตัวกลางเข้าหากันซึ่งเกิดจากมันนั่นคือการมีอยู่ของ "หน่วยความจำ" ของอนุภาคบราวเนียนหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือการพึ่งพาอาศัยกัน ลักษณะทางสถิติในอนาคตจากประวัติความเป็นมาของพฤติกรรมของเธอในอดีตทั้งหมด ข้อเท็จจริงนี้ไม่ได้นำมาพิจารณาในทฤษฎีไอน์สไตน์-สโมลูโควสกี

  กระบวนการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอนุภาคในตัวกลางที่มีความหนืดโดยทั่วไปพูดเป็นของกระบวนการที่ไม่ใช่มาร์คอฟและเพื่อให้คำอธิบายที่แม่นยำยิ่งขึ้นจำเป็นต้องใช้สมการสุ่มอินทิกรัล

  อนุภาคแขวนลอยขนาดเล็กเคลื่อนที่อย่างโกลาหลภายใต้อิทธิพลของการกระแทกจากโมเลกุลของเหลว

  ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 มีการถกเถียงกันอย่างจริงจังเกี่ยวกับธรรมชาติของอะตอมในแวดวงวิทยาศาสตร์ ด้านหนึ่งมีเจ้าหน้าที่ที่ไม่อาจหักล้างได้เช่น Ernst Mach ( ซม.คลื่นกระแทก) ซึ่งแย้งว่าอะตอมเป็นเพียงฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สังเกตได้สำเร็จและไม่มีพื้นฐานทางกายภาพที่แท้จริง ในทางกลับกันนักวิทยาศาสตร์ คลื่นลูกใหม่- โดยเฉพาะ ลุดวิก โบลทซ์มันน์ ( ซม.ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์)—ยืนยันว่าอะตอมคือความเป็นจริงทางกายภาพ และทั้งสองฝ่ายต่างตระหนักดีว่าหลายทศวรรษก่อนการโต้แย้งจะเริ่มต้นขึ้น ผลการทดลองได้รับมาว่าได้แก้ไขปัญหานี้ครั้งแล้วครั้งเล่าเพื่อสนับสนุนการมีอยู่ของอะตอมในฐานะความเป็นจริงทางกายภาพ - อย่างไรก็ตาม พวกมันได้รับมาในระเบียบวินัย ของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่อยู่ติดกับฟิสิกส์โดยนักพฤกษศาสตร์ Robert Brown

  ย้อนกลับไปในฤดูร้อนปี พ.ศ. 2370 บราวน์ ขณะศึกษาพฤติกรรมของละอองเกสรดอกไม้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ (เขาศึกษาสารแขวนลอยที่เป็นน้ำของเกสรพืช คลาร์เคีย ปุลเชลลา) ค้นพบทันทีว่าสปอร์แต่ละตัวมีการเคลื่อนไหวของแรงกระตุ้นที่วุ่นวายอย่างยิ่ง เขาตั้งใจแน่วแน่ว่าการเคลื่อนไหวเหล่านี้ไม่เกี่ยวข้องกับความปั่นป่วนและกระแสน้ำหรือการระเหยของมันแต่อย่างใด หลังจากนั้นเมื่อได้บรรยายถึงธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของอนุภาคแล้ว เขาก็ยอมรับอย่างจริงใจต่อความไร้อำนาจของตัวเองที่จะอธิบายที่มาของสิ่งนี้ การเคลื่อนไหวที่วุ่นวาย อย่างไรก็ตาม ในฐานะนักทดลองที่พิถีพิถัน บราวน์ได้พิสูจน์ว่าการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายดังกล่าวเป็นลักษณะของอนุภาคขนาดเล็กมาก ไม่ว่าจะเป็นเกสรพืช แร่ธาตุแขวนลอย หรือสารบดใดๆ โดยทั่วไป

  มันเป็นเพียงในปี 1905 เท่านั้นที่ไม่มีใครอื่นนอกจาก Albert Einstein ตระหนักเป็นครั้งแรกว่าปรากฏการณ์ลึกลับนี้ทำหน้าที่เป็นการยืนยันการทดลองที่ดีที่สุดเกี่ยวกับความถูกต้องของทฤษฎีอะตอมของโครงสร้างของสสาร เขาอธิบายประมาณนี้ สปอร์ที่แขวนอยู่ในน้ำจะถูก "ทิ้งระเบิด" อย่างต่อเนื่องโดยการเคลื่อนย้ายโมเลกุลของน้ำอย่างวุ่นวาย โดยเฉลี่ยแล้ว โมเลกุลจะกระทำกับมันจากทุกด้านด้วยความเข้มเท่ากันและในช่วงเวลาที่เท่ากัน อย่างไรก็ตามไม่ว่าสปอร์จะเล็กแค่ไหนเนื่องจากการเบี่ยงเบนแบบสุ่มล้วนๆ ก่อนอื่นมันจะได้รับแรงกระตุ้นจากโมเลกุลที่กระทบกับด้านหนึ่ง จากนั้นจากด้านข้างของโมเลกุลที่กระทบกับอีกด้านหนึ่ง เป็นต้น ผลที่ตามมาก็คือ จากการหาค่าเฉลี่ยของการชนดังกล่าว ปรากฎว่าในบางครั้งอนุภาคจะ "กระตุก" ไปในทิศทางเดียว จากนั้นหากอีกด้านหนึ่งถูก "ผลัก" ด้วยโมเลกุลมากขึ้น ในอีกด้านหนึ่ง เป็นต้น การใช้กฎหมาย สถิติทางคณิตศาสตร์และทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลของก๊าซ ไอน์สไตน์ได้สมการที่อธิบายการพึ่งพาการกระจัดของราก-ค่าเฉลี่ย-กำลังสองของอนุภาคบราวเนียนบนพารามิเตอร์ขนาดมหภาค - ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ: ในหนังสือเล่มหนึ่งของวารสารเยอรมัน “Annals of Physics” ( อันนาเลน เดอร์ ฟิสิค) ในปี พ.ศ. 2448 มีการตีพิมพ์บทความของไอน์สไตน์ 3 บทความ ได้แก่ บทความที่มีคำอธิบายทางทฤษฎีเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน บทความเกี่ยวกับรากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และสุดท้ายคือบทความที่อธิบายทฤษฎีของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นช่วงหลังที่ Albert Einstein ได้รับรางวัล รางวัลโนเบลในวิชาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2464)

  ในปี 1908 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Jean-Baptiste Perrin (1870-1942) ได้ทำการทดลองที่ยอดเยี่ยมหลายชุดซึ่งยืนยันความถูกต้องของคำอธิบายของ Einstein เกี่ยวกับปรากฏการณ์การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ในที่สุดก็เห็นได้ชัดว่าการเคลื่อนที่ "วุ่นวาย" ของอนุภาคบราวเนียนที่สังเกตได้นั้นเป็นผลมาจากการชนระหว่างโมเลกุล เนื่องจาก "แบบแผนทางคณิตศาสตร์ที่เป็นประโยชน์" (ตามมัค) ไม่สามารถนำไปสู่การเคลื่อนไหวของอนุภาคทางกายภาพที่สังเกตได้และเป็นจริงอย่างสมบูรณ์ ในที่สุดก็ชัดเจนว่าการถกเถียงเกี่ยวกับความเป็นจริงของอะตอมสิ้นสุดลงแล้ว: พวกมันมีอยู่ในธรรมชาติ ในฐานะ "เกมชิงรางวัล" เพอร์รินได้รับสูตรที่ไอน์สไตน์ได้ ซึ่งช่วยให้ชาวฝรั่งเศสสามารถวิเคราะห์และประมาณจำนวนเฉลี่ยของอะตอมและ/หรือโมเลกุลที่ชนกับอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวในช่วงเวลาที่กำหนด และใช้สิ่งนี้ ตัวบ่งชี้คำนวณเลขโมลของของเหลวต่างๆ ความคิดนี้มีพื้นฐานมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าในทุกๆ ในขณะนี้เวลา ความเร่งของอนุภาคแขวนลอยขึ้นอยู่กับจำนวนครั้งที่ชนกับโมเลกุลของตัวกลาง ( ซม.กฎกลศาสตร์ของนิวตัน) และจำนวนโมเลกุลต่อหน่วยปริมาตรของของเหลว และนี่ก็ไม่มีอะไรมากไปกว่า เบอร์อาโวกาโดร (ซม.กฎของอาโวกาโดร) เป็นหนึ่งในค่าคงที่พื้นฐานที่กำหนดโครงสร้างของโลกของเรา

  โรเบิร์ต บราวน์ นักพฤกษศาสตร์ชาวสก็อต (บางครั้งนามสกุลของเขาถูกถอดความว่า บราวน์) ในช่วงชีวิตของเขา ในฐานะผู้เชี่ยวชาญด้านพืชที่ดีที่สุด ได้รับตำแหน่ง "เจ้าชายแห่งนักพฤกษศาสตร์" เขาได้ค้นพบสิ่งอัศจรรย์มากมาย ในปี 1805 หลังจากการเดินทางสี่ปีไปยังออสเตรเลีย เขาได้นำพืชออสเตรเลียประมาณ 4,000 สายพันธุ์ที่นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้จักมายังอังกฤษ และใช้เวลาหลายปีศึกษาพืชเหล่านี้ พืชพรรณที่นำมาจากอินโดนีเซียและแอฟริกากลาง ศึกษาสรีรวิทยาของพืช บรรยายนิวเคลียสโดยละเอียดเป็นครั้งแรก เซลล์พืช. สถาบันเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กวิทยาศาสตร์ทำให้เขาเป็นสมาชิกกิตติมศักดิ์ แต่ปัจจุบันชื่อของนักวิทยาศาสตร์คนนี้เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย ไม่ใช่เพราะผลงานเหล่านี้

  ในปี ค.ศ. 1827 บราวน์ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับเกสรพืช เขาสนใจเป็นพิเศษว่าละอองเรณูมีส่วนร่วมในกระบวนการปฏิสนธิอย่างไร ครั้งหนึ่งเขามองดูเซลล์ละอองเรณูจากพืชในอเมริกาเหนือด้วยกล้องจุลทรรศน์ คลาร์เคีย ปุลเชลลา(คลาร์เกียสวย) เมล็ดไซโตพลาสซึมที่ยืดออกแขวนอยู่ในน้ำ ทันใดนั้น บราวน์ก็เห็นว่าเมล็ดแข็งที่เล็กที่สุดซึ่งแทบจะมองไม่เห็นด้วยหยดน้ำนั้น ตัวสั่นอยู่ตลอดเวลาและเคลื่อนตัวจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง เขาพบว่าการเคลื่อนไหวเหล่านี้ตามคำพูดของเขา "ไม่เกี่ยวข้องกับการไหลของของเหลวหรือการระเหยอย่างค่อยเป็นค่อยไป แต่จะมีอยู่ในตัวอนุภาคเอง"

  การสังเกตการณ์ของบราวน์ได้รับการยืนยันจากนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ อนุภาคที่เล็กที่สุดมีพฤติกรรมราวกับว่าพวกมันยังมีชีวิตอยู่ และ "การเต้นรำ" ของอนุภาคจะถูกเร่งด้วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและขนาดอนุภาคที่ลดลง และช้าลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อแทนที่น้ำด้วยตัวกลางที่มีความหนืดมากขึ้น ปรากฏการณ์อันน่าอัศจรรย์นี้ไม่เคยหยุดนิ่ง สามารถสังเกตได้นานเท่าที่ต้องการ ในตอนแรก บราวน์ถึงกับคิดว่าสิ่งมีชีวิตจริงๆ ตกลงไปในสนามของกล้องจุลทรรศน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากละอองเกสรดอกไม้เป็นเซลล์สืบพันธุ์ของพืช แต่ก็มีอนุภาคจากพืชที่ตายแล้วด้วย แม้กระทั่งจากพืชที่แห้งเมื่อร้อยปีก่อนในหอพรรณไม้ จากนั้นบราวน์ก็คิดว่าสิ่งเหล่านี้เป็น "โมเลกุลเบื้องต้นของสิ่งมีชีวิต" หรือไม่ ซึ่ง Georges Buffon นักธรรมชาติวิทยาชาวฝรั่งเศสผู้โด่งดัง (1707–1788) ผู้เขียนหนังสือ 36 เล่มพูดถึง ประวัติศาสตร์ธรรมชาติ- ข้อสันนิษฐานนี้ล้มเหลวเมื่อบราวน์เริ่มตรวจสอบวัตถุที่ดูเหมือนไม่มีชีวิต ในตอนแรกมันเป็นอนุภาคถ่านหินขนาดเล็กมาก เช่นเดียวกับเขม่าและฝุ่นในอากาศในลอนดอน จากนั้นจึงบดให้ละเอียด สารอนินทรีย์: แก้วแร่ธาตุนานาชนิด “โมเลกุลที่แอคทีฟ” มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง: “ในแร่ธาตุทุกชนิด” บราวน์เขียน “ซึ่งฉันประสบความสำเร็จในการบดจนสามารถแขวนลอยอยู่ในน้ำได้ระยะหนึ่ง ฉันพบว่าโมเลกุลเหล่านี้ในปริมาณมากหรือน้อยนั้น ”

  ต้องบอกว่าบราวน์ไม่มีกล้องจุลทรรศน์รุ่นล่าสุดเลย ในบทความของเขา เขาเน้นย้ำเป็นพิเศษว่าเขามีเลนส์นูนสองด้านธรรมดาซึ่งเขาใช้มาหลายปี และเขากล่าวต่อไปว่า: “ตลอดการศึกษา ผมยังคงใช้เลนส์แบบเดียวกับที่ผมเริ่มงาน เพื่อให้ข้อความของผมมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น และเพื่อให้ผู้สังเกตการณ์ทั่วไปเข้าถึงได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้”

  เพื่อทำซ้ำการสังเกตของบราวน์ ก็เพียงพอแล้วที่จะมีกล้องจุลทรรศน์ที่ไม่แรงมากและใช้มันเพื่อตรวจสอบควันในกล่องสีดำคล้ำที่ส่องสว่างผ่านรูด้านข้างด้วยลำแสงความเข้มสูง ในก๊าซ ปรากฏการณ์นี้ปรากฏชัดเจนกว่าในของเหลวมาก: มองเห็นชิ้นส่วนเล็กๆ ของเถ้าหรือเขม่า (ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของควัน) กระจายแสง และกระโดดไปมาอย่างต่อเนื่อง

  ดังที่มักเกิดขึ้นในทางวิทยาศาสตร์ หลายปีต่อมา นักประวัติศาสตร์ค้นพบว่าย้อนกลับไปในปี 1670 ชาวดัตช์ Antonie Leeuwenhoek ผู้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ เห็นได้ชัดว่าสังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่คล้ายกัน แต่ความหายากและความไม่สมบูรณ์ของกล้องจุลทรรศน์นั้นยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของมัน วิทยาศาสตร์ระดับโมเลกุลการสังเกตของลีเวนฮุกไม่ได้ถูกสังเกตในเวลานั้น ดังนั้นการค้นพบนี้จึงถือเป็นสิทธิ์ของบราวน์ ผู้ซึ่งศึกษาและอธิบายรายละเอียดเป็นครั้งแรก

  การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและทฤษฎีอะตอม-โมเลกุล

  ปรากฏการณ์ที่บราวน์สังเกตพบอย่างรวดเร็วกลายเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวาง เขาเองก็แสดงการทดลองของเขาให้เพื่อนร่วมงานหลายคนเห็น (บราวน์มีชื่อสองโหล) แต่อธิบายหน่อยสิ ปรากฏการณ์ลึกลับซึ่งเรียกว่า "ขบวนการบราวเนียน" ไม่สามารถทำได้โดยตัวบราวน์เองหรือนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ อีกหลายคนมาหลายปีแล้ว การเคลื่อนไหวของอนุภาคเป็นแบบสุ่มโดยสมบูรณ์: การร่างตำแหน่งที่เกิดขึ้น ณ จุดต่าง ๆ ในเวลา (เช่น ทุกนาที) ไม่ได้มองแวบแรกทำให้สามารถค้นหารูปแบบใด ๆ ในการเคลื่อนไหวเหล่านี้ได้

  คำอธิบายการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (ตามที่เรียกว่าปรากฏการณ์นี้) โดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่มองไม่เห็นนั้นมีให้เฉพาะในช่วงไตรมาสสุดท้ายของศตวรรษที่ 19 เท่านั้น แต่นักวิทยาศาสตร์ทุกคนไม่ได้รับการยอมรับในทันที ในปี ค.ศ. 1863 ลุดวิก คริสเตียน วีเนอร์ (ค.ศ. 1826–1896) ครูวิชาเรขาคณิตเชิงพรรณนาจากคาร์ลสรูเฮอ (เยอรมนี) แนะนำว่าปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับ การเคลื่อนไหวแบบสั่นอะตอมที่มองไม่เห็น นี่เป็นครั้งแรก แม้จะห่างไกลจากความทันสมัยมาก แต่คำอธิบายเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนด้วยคุณสมบัติของอะตอมและโมเลกุลเอง เป็นสิ่งสำคัญที่ Wiener มองเห็นโอกาสในการใช้ปรากฏการณ์นี้เพื่อเจาะความลับของโครงสร้างของสสาร เขาเป็นคนแรกที่พยายามวัดความเร็วการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนและการขึ้นอยู่กับขนาดของมัน เป็นที่น่าแปลกใจว่าในปี 1921 รายงาน สถาบันการศึกษาแห่งชาติวิทยาศาสตร์ของสหรัฐอเมริกามีการตีพิมพ์ผลงานเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของ Brownian ของ Wiener - Norbert อีกคนหนึ่ง ผู้ก่อตั้งที่มีชื่อเสียงไซเบอร์เนติกส์

  แนวคิดของ L.K. Wiener ได้รับการยอมรับและพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่ง - Sigmund Exner ในออสเตรีย (และ 33 ปีต่อมา - Felix ลูกชายของเขา), Giovanni Cantoni ในอิตาลี, Karl Wilhelm Negeli ในเยอรมนี, Louis Georges Gouy ในฝรั่งเศส, นักบวชชาวเบลเยียมสามคน - เยสุอิต คาร์โบเนลลี, เดลโซ และ ทิเรียน และคนอื่นๆ ในบรรดานักวิทยาศาสตร์เหล่านี้คือวิลเลียม แรมซีย์ นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวอังกฤษผู้โด่งดังในเวลาต่อมา ค่อยๆ กลายเป็นที่ชัดเจนว่าเม็ดสสารที่เล็กที่สุดถูกกระแทกจากทุกด้านด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อีกต่อไป เช่นเดียวกับคลื่นที่กระทบเรือที่อยู่ห่างไกลซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้จากฝั่ง ในขณะที่การเคลื่อนไหวของเรือ เองก็มองเห็นได้ค่อนข้างชัดเจน ดังที่พวกเขาเขียนไว้ในบทความบทความหนึ่งในปี พ.ศ. 2420 ว่า “... กฎหมาย จำนวนมากตอนนี้ไม่ได้ลดผลกระทบของการชนให้เหลือความดันสม่ำเสมอโดยเฉลี่ย ผลลัพธ์ของมันจะไม่เท่ากับศูนย์อีกต่อไป แต่จะเปลี่ยนทิศทางและขนาดของมันอย่างต่อเนื่อง”

  ในเชิงคุณภาพภาพนั้นค่อนข้างเป็นไปได้และเป็นภาพด้วยซ้ำ กิ่งไม้หรือแมลงเล็กๆ ที่ถูกมดหลายๆ ตัวผลัก (หรือดึง) ไปในทิศทางที่ต่างกัน ควรจะเคลื่อนไหวในลักษณะเดียวกันโดยประมาณ อนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้จริงๆ แล้วอยู่ในคำศัพท์ของนักวิทยาศาสตร์ แต่ไม่มีใครเคยเห็นพวกมันมาก่อน พวกมันถูกเรียกว่าโมเลกุล แปลจากภาษาละตินคำนี้แปลว่า "มวลน้อย" น่าประหลาดใจที่นี่คือคำอธิบายที่มอบให้กับปรากฏการณ์ที่คล้ายกันโดยนักปรัชญาชาวโรมัน Titus Lucretius Carus (ประมาณ 99–55 ปีก่อนคริสตกาล) ในบทกวีชื่อดังของเขา เกี่ยวกับธรรมชาติของสรรพสิ่ง- ในนั้นเขาเรียกอนุภาคที่เล็กที่สุดที่มองไม่เห็นด้วยตาว่า "หลักการดั้งเดิม" ของสิ่งต่าง ๆ

  หลักการของสิ่งต่าง ๆ เคลื่อนไหวเองก่อน
  ต่อไปนี้คือร่างกายจากการรวมตัวที่เล็กที่สุด
  ใกล้เคียงกับความเข้มแข็งของหลักการเบื้องต้น
  ซ่อนตัวจากพวกเขา รับแรงกระแทก พวกเขาเริ่มต่อสู้
  ตัวเองจะเคลื่อนไหวแล้วส่งเสริมให้ร่างกายใหญ่ขึ้น
  ดังนั้นเริ่มจากจุดเริ่มต้นการเคลื่อนไหวทีละน้อย
  มันสัมผัสความรู้สึกของเราและมองเห็นได้เช่นกัน
  สำหรับเราและในจุดฝุ่นที่เคลื่อนตัวไปตามแสงแดด
  แม้ว่าแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจะมองไม่เห็น...

  ต่อจากนั้นปรากฎว่า Lucretius ผิด: เป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตการเคลื่อนไหวของบราวเนียนด้วยตาเปล่าและอนุภาคฝุ่นในแสงตะวันที่แทรกซึมเข้าไปในห้องมืด "เต้นรำ" เนื่องจากการเคลื่อนไหวของกระแสน้ำวนในอากาศ แต่ภายนอกปรากฏการณ์ทั้งสองมีความคล้ายคลึงกันบางประการ และเฉพาะในศตวรรษที่ 19 เท่านั้น นักวิทยาศาสตร์หลายคนเห็นได้ชัดว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนเกิดจากการกระแทกแบบสุ่มของโมเลกุลของตัวกลาง โมเลกุลที่กำลังเคลื่อนที่ชนกับอนุภาคฝุ่นและอนุภาคของแข็งอื่นๆ ที่อยู่ในน้ำ ยิ่งอุณหภูมิสูงเท่าใดการเคลื่อนไหวก็จะเร็วขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่นหากจุดฝุ่นมีขนาดใหญ่มีขนาด 0.1 มม. (เส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าโมเลกุลของน้ำหนึ่งล้านเท่า) ดังนั้นการกระแทกหลายครั้งจากทุกด้านพร้อมกันจะมีความสมดุลซึ่งกันและกันและในทางปฏิบัติไม่ได้เกิดขึ้นจริง "สัมผัส" พวกเขา - มีขนาดประมาณเท่ากับแผ่นไม้ที่มีขนาดเท่าจานจะไม่ "สัมผัส" ความพยายามของมดจำนวนมากที่จะดึงหรือดันไปในทิศทางที่ต่างกัน หากอนุภาคฝุ่นมีขนาดค่อนข้างเล็ก ก็จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่งภายใต้อิทธิพลของการกระแทกจากโมเลกุลที่อยู่รอบๆ

  อนุภาคบราวเนียนมีขนาดประมาณ 0.1–1 ไมโครเมตร เช่น จากหนึ่งในพันถึงหนึ่งหมื่นหนึ่งในหมื่นมิลลิเมตร ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้บราวน์สามารถแยกแยะการเคลื่อนไหวของพวกมันได้เพราะเขากำลังดูเมล็ดไซโตพลาสซึมเล็กๆ ไม่ใช่ละอองเกสรดอกไม้เอง (ซึ่งมักเขียนผิดเกี่ยวกับ) ปัญหาคือเซลล์เรณูมีขนาดใหญ่เกินไป ดังนั้นละอองเกสรหญ้าในทุ่งหญ้าซึ่งถูกลมพัดพาและทำให้เกิดโรคภูมิแพ้ในมนุษย์ (ไข้ละอองฟาง) ขนาดเซลล์มักจะอยู่ในช่วง 20 - 50 ไมครอน กล่าวคือ พวกมันใหญ่เกินกว่าจะสังเกตการเคลื่อนไหวของบราวเนียนได้ สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือการเคลื่อนไหวของอนุภาคบราวเนียนแต่ละครั้งเกิดขึ้นบ่อยมากและในระยะทางที่สั้นมาก จึงไม่สามารถมองเห็นพวกมันได้ แต่ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ การเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่งจะมองเห็นได้

  ดูเหมือนว่าข้อเท็จจริงของการดำรงอยู่ของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนได้รับการพิสูจน์อย่างชัดเจน โครงสร้างโมเลกุลอย่างไรก็ตาม แม้ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ก็ตาม มีนักวิทยาศาสตร์ รวมทั้งนักฟิสิกส์และนักเคมี ที่ไม่เชื่อว่าโมเลกุลมีอยู่จริง ทฤษฎีอะตอม-โมเลกุลได้รับการยอมรับอย่างช้าๆ และยากลำบากเท่านั้น ดังนั้น Marcelin Berthelot นักเคมีอินทรีย์ชั้นนำชาวฝรั่งเศส (ค.ศ. 1827–1907) เขียนว่า: “แนวคิดเกี่ยวกับโมเลกุลจากมุมมองของความรู้ของเรานั้นไม่แน่นอน ในขณะที่แนวคิดอื่น - อะตอม - เป็นเพียงสมมุติฐานเท่านั้น” นักเคมีชาวฝรั่งเศสชื่อดัง A. Saint-Clair Deville (1818–1881) พูดให้ชัดเจนยิ่งขึ้น: “ฉันไม่ยอมรับกฎของ Avogadro หรืออะตอม หรือโมเลกุล เพราะฉันปฏิเสธที่จะเชื่อในสิ่งที่ฉันมองไม่เห็นหรือสังเกตไม่ได้ ” และนักเคมีกายภาพชาวเยอรมัน วิลเฮล์ม ออสต์วัลด์ (ค.ศ. 1853–1932) ผู้ได้รับรางวัลโนเบลซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้ง เคมีกายภาพย้อนกลับไปเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 ปฏิเสธการมีอยู่ของอะตอมอย่างเด็ดเดี่ยว เขาสามารถเขียนหนังสือเรียนวิชาเคมีสามเล่มโดยที่ไม่เคยเอ่ยถึงคำว่า "อะตอม" ด้วยซ้ำ เมื่อพูดถึงวันที่ 19 เมษายน พ.ศ. 2447 ด้วยรายงานจำนวนมากที่ Royal Institution ถึงสมาชิกของ English Chemical Society ออสต์วาลด์พยายามพิสูจน์ว่าอะตอมไม่มีอยู่จริง และ "สิ่งที่เราเรียกว่าสสารเป็นเพียงกลุ่มของพลังงานที่รวบรวมเข้าด้วยกันในสภาวะที่กำหนด สถานที่."

  แต่แม้แต่บรรดานักฟิสิกส์ที่ยอมรับ ทฤษฎีโมเลกุลไม่อยากจะเชื่อเช่นนั้น ด้วยวิธีง่ายๆความถูกต้องของทฤษฎีอะตอม-โมเลกุลได้รับการพิสูจน์แล้ว จึงมีการนำเสนอเหตุผลทางเลือกหลายประการเพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ และนี่ค่อนข้างอยู่ในจิตวิญญาณของวิทยาศาสตร์: จนกว่าจะระบุสาเหตุของปรากฏการณ์ได้อย่างไม่คลุมเครือก็เป็นไปได้ (และจำเป็นด้วยซ้ำ) ที่จะสันนิษฐานสมมติฐานต่าง ๆ ซึ่งหากเป็นไปได้ควรได้รับการทดสอบในเชิงทดลองหรือทางทฤษฎี ย้อนกลับไปในปี 1905 พจนานุกรมสารานุกรม Brockhaus และ Efron ตีพิมพ์บทความสั้น ๆ โดยศาสตราจารย์ฟิสิกส์แห่งเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก N.A. Gezehus อาจารย์ของ A.F. Ioffe นักวิชาการชื่อดัง Gesehus เขียนว่าตามที่นักวิทยาศาสตร์บางคนกล่าวไว้ การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเกิดจาก "แสงหรือรังสีความร้อนที่ผ่านของเหลว" และเดือดลงไปที่ "กระแสธรรมดาภายในของเหลวที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุล" และกระแสเหล่านี้ อาจเกิดจาก “การระเหย การแพร่กระจาย และสาเหตุอื่นๆ” ท้ายที่สุดเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาคฝุ่นในอากาศที่คล้ายกันมากนั้นเกิดจากกระแสน้ำวนอย่างแม่นยำ แต่คำอธิบายที่ให้ไว้โดย Gesehus สามารถหักล้างการทดลองได้อย่างง่ายดาย: หากคุณดูอนุภาคบราวเนียนสองตัวที่อยู่ใกล้กันมากผ่านกล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังแรง การเคลื่อนไหวของพวกมันจะกลายเป็นอิสระอย่างสมบูรณ์ หากการเคลื่อนไหวเหล่านี้เกิดจากการไหลของของเหลว อนุภาคที่อยู่ใกล้เคียงก็จะเคลื่อนที่พร้อมกัน

  ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

  ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เข้าใจธรรมชาติของโมเลกุลของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน แต่คำอธิบายทั้งหมดยังคงเป็นเชิงคุณภาพล้วนๆ ไม่มีทฤษฎีเชิงปริมาณใดที่สามารถต้านทานการทดสอบเชิงทดลองได้ นอกจากนี้ผลการทดลองเองก็ไม่ชัดเจน: ปรากฏการณ์อันน่าอัศจรรย์ของอนุภาคที่พุ่งไม่หยุดนิ่งสะกดจิตผู้ทดลอง และพวกเขาไม่ทราบแน่ชัดว่าต้องวัดลักษณะเฉพาะของปรากฏการณ์ใด

  แม้จะมีความผิดปกติโดยสิ้นเชิง แต่ก็ยังสามารถอธิบายการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคบราวเนียนด้วยความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ได้ เป็นครั้งแรกที่นักฟิสิกส์ชาวโปแลนด์ Marian Smoluchowski (พ.ศ. 2415-2460) ให้คำอธิบายที่เข้มงวดเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในปี พ.ศ. 2447 ซึ่งในช่วงหลายปีที่ผ่านมาทำงานที่มหาวิทยาลัยลวิฟ ในเวลาเดียวกัน ทฤษฎีของปรากฏการณ์นี้ได้รับการพัฒนาโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (พ.ศ. 2422-2498) ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญระดับ 2 ที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักในสำนักงานสิทธิบัตรแห่งเมืองเบิร์นของสวิส บทความของเขาซึ่งตีพิมพ์ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2448 ในวารสารเยอรมัน Annalen der Physik มีชื่อว่า เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวที่อยู่นิ่ง ซึ่งกำหนดโดยทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุลของความร้อน- ด้วยชื่อนี้ ไอน์สไตน์ต้องการแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลของโครงสร้างของสสารจำเป็นต้องบอกเป็นนัยถึงการมีอยู่ของการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคของแข็งที่เล็กที่สุดในของเหลว

  เป็นที่สงสัยว่าในตอนต้นของบทความนี้ ไอน์สไตน์เขียนว่าเขาคุ้นเคยกับปรากฏการณ์นี้แล้ว แม้ว่าจะเป็นเพียงผิวเผินก็ตาม: “เป็นไปได้ที่การเคลื่อนไหวที่เป็นปัญหาจะเหมือนกันกับสิ่งที่เรียกว่าการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแบบบราวเนียน แต่มีข้อมูลอยู่ สำหรับฉันเกี่ยวกับเรื่องหลังนั้นไม่ถูกต้องมากจนฉันไม่สามารถกำหนดสิ่งนี้ได้ ความคิดเห็นที่แน่นอน- และหลายทศวรรษต่อมาในช่วงบั้นปลายชีวิตของเขา ไอน์สไตน์เขียนบางสิ่งที่แตกต่างออกไปในบันทึกความทรงจำของเขา - โดยที่เขาไม่รู้เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวแบบบราวเนียนเลยและจริงๆ แล้ว "ค้นพบ" มันในทางทฤษฎีล้วนๆ: "ไม่รู้ว่าการสังเกต "การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน" มีมานานแล้ว ฉันค้นพบว่าทฤษฎีอะตอมนำไปสู่การดำรงอยู่ของการเคลื่อนที่ที่สังเกตได้ของอนุภาคแขวนลอยด้วยกล้องจุลทรรศน์ อย่างไรก็ตาม บทความทางทฤษฎีของไอน์สไตน์จบลงด้วยการดึงดูดนักทดลองโดยตรงให้ทดสอบข้อสรุปของเขาในเชิงทดลอง: “หากนักวิจัยคนใดสามารถตอบได้ในเร็ว ๆ นี้ คำถามที่เกิดขึ้นที่นี่” – เขาจบบทความด้วยเครื่องหมายอัศเจรีย์ที่ไม่ธรรมดาเช่นนี้

  คำตอบสำหรับความหลงใหลอันเร่าร้อนของไอน์สไตน์นั้นกำลังจะเกิดขึ้นในไม่ช้า

  ตามทฤษฎีสโมลูโควสกี-ไอน์สไตน์ ค่าเฉลี่ยของการกระจัดกำลังสองของอนุภาคบราวเนียน ( ส 2) สำหรับเวลา ทีสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ ตและแปรผกผันกับความหนืดของของเหลว h ขนาดอนุภาค รและค่าคงที่ของอโวกาโดร

  เอ็นตอบ: ส 2 = 2RTt/6พ อาร์เอ็นเอ,

  ที่ไหน ร– ค่าคงที่ของแก๊ส ดังนั้นหากใน 1 นาทีอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 μm เคลื่อนที่ 10 μm ดังนั้นใน 9 นาที - คูณ 10 = 30 μm ใน 25 นาที - คูณ 10 = 50 μm เป็นต้น ภายใต้สภาวะที่คล้ายกัน อนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.25 μm ในช่วงเวลาเดียวกัน (1, 9 และ 25 นาที) จะเคลื่อนที่ 20, 60 และ 100 μm ตามลำดับ เนื่องจาก = 2 สิ่งสำคัญคือสูตรข้างต้นประกอบด้วย ค่าคงที่ของอาโวกาโดร ซึ่งสามารถกำหนดได้โดยการวัดเชิงปริมาณของการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียน ซึ่งทำโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ฌอง บัปติสต์ แปร์แรง (พ.ศ. 2413-2485)

  ในปี 1908 เพอร์รินเริ่มสังเกตการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนในเชิงปริมาณภายใต้กล้องจุลทรรศน์ เขาใช้อัลตราไมโครสโคปซึ่งประดิษฐ์ขึ้นในปี 1902 ซึ่งทำให้สามารถตรวจจับอนุภาคที่เล็กที่สุดได้โดยการกระจายแสงจากไฟส่องสว่างด้านข้างอันทรงพลังไปยังพวกมัน เพอร์รินได้ลูกบอลเล็กๆ ที่มีรูปร่างเกือบเป็นทรงกลมและมีขนาดใกล้เคียงกันจากหมากฝรั่ง ซึ่งเป็นน้ำยางข้นของต้นไม้เขตร้อนบางชนิด (ใช้เป็นสีน้ำสีเหลืองด้วย) เม็ดบีดเล็กๆ เหล่านี้ถูกแขวนลอยอยู่ในกลีเซอรอลที่มีน้ำ 12%; ของเหลวหนืดป้องกันไม่ให้เกิดกระแสภายในซึ่งจะทำให้ภาพเบลอ เพอร์รินมีนาฬิกาจับเวลาติดอาวุธ ตั้งข้อสังเกตแล้วร่าง (แน่นอนว่าในขนาดที่ขยายใหญ่ขึ้นมาก) บนกระดาษกราฟ ตำแหน่งของอนุภาคในช่วงเวลาปกติ เช่น ทุกครึ่งนาที โดยการเชื่อมต่อจุดผลลัพธ์ด้วยเส้นตรง เขาได้วิถีโคจรที่ซับซ้อน ซึ่งบางส่วนแสดงไว้ในภาพ (นำมาจากหนังสือของเพอร์ริน อะตอมตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2463 ในปารีส) การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่วุ่นวายและไม่เป็นระเบียบดังกล่าวนำไปสู่ความจริงที่ว่าพวกมันเคลื่อนที่ในอวกาศค่อนข้างช้า: ผลรวมของเซ็กเมนต์นั้นมากกว่าการกระจัดของอนุภาคจากจุดแรกไปยังจุดสุดท้ายมาก

  

  วางตำแหน่งต่อเนื่องกันทุกๆ 30 วินาทีของอนุภาคบราวเนียน 3 ชิ้น - ลูกหมากฝรั่งที่มีขนาดประมาณ 1 ไมครอน หนึ่งเซลล์สอดคล้องกับระยะห่าง 3 µm หากเพอร์รินสามารถระบุตำแหน่งของอนุภาคบราวเนียนได้ไม่ใช่หลังจาก 30 แต่หลังจาก 3 วินาที เส้นตรงระหว่างจุดใกล้เคียงแต่ละจุดจะกลายเป็นซิกแซกที่ซับซ้อนเหมือนกัน เส้นขาดในระดับที่เล็กกว่าเท่านั้น

  เมื่อใช้สูตรทางทฤษฎีและผลลัพธ์ของเขา เพอร์รินได้ค่าของเลขอาโวกาโดรที่ค่อนข้างแม่นยำในขณะนั้น: 6.8 . 10 23 . เพอร์รินยังใช้กล้องจุลทรรศน์เพื่อศึกษาการกระจายตัวของอนุภาคบราวเนียนในแนวตั้ง ( ซม- กฎของอาโวกาโดร) และแสดงให้เห็นว่า แม้จะมีการกระทำของแรงโน้มถ่วง แต่พวกมันก็ยังคงลอยอยู่ในสารละลาย เพอร์รินยังเป็นเจ้าของผลงานสำคัญอื่นๆ อีกด้วย ในปี พ.ศ. 2438 เขาได้พิสูจน์ว่ารังสีแคโทดเป็นประจุไฟฟ้าลบ (อิเล็กตรอน) และในปี พ.ศ. 2444 เขาได้เสนอแบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมเป็นครั้งแรก ในปี 1926 เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

  ผลลัพธ์ที่ได้รับจากเพอร์รินได้รับการยืนยัน ข้อสรุปทางทฤษฎีไอน์สไตน์. มันสร้างความประทับใจอย่างมาก ดังที่นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน A. Pais เขียนในอีกหลายปีต่อมา“ คุณไม่เคยหยุดที่จะประหลาดใจกับผลลัพธ์นี้ซึ่งได้มาด้วยวิธีง่ายๆ: ก็เพียงพอแล้วที่จะเตรียมลูกบอลแขวนซึ่งมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับขนาด โมเลกุลที่เรียบง่ายใช้นาฬิกาจับเวลาและกล้องจุลทรรศน์ แล้วคุณจะสามารถกำหนดค่าคงที่ของ Avogadro ได้!” เราอาจแปลกใจอีกสิ่งหนึ่ง: ยังอยู่ วารสารวิทยาศาสตร์(ธรรมชาติ วิทยาศาสตร์ วารสารเคมีศึกษา) คำอธิบายของการทดลองใหม่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนปรากฏขึ้นเป็นครั้งคราว! หลังจากการตีพิมพ์ผลงานของเพอร์ริน Ostwald อดีตฝ่ายตรงข้ามของอะตอมมิกยอมรับว่า "ความบังเอิญของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนกับข้อกำหนดของสมมติฐานทางจลน์... ตอนนี้ให้สิทธิ์แก่นักวิทยาศาสตร์ที่ระมัดระวังที่สุดในการพูดคุยเกี่ยวกับ หลักฐานการทดลองทฤษฎีอะตอมของสสาร ด้วยเหตุนี้ ทฤษฎีอะตอมจึงได้รับการยกระดับให้เป็นทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่มีรากฐานมาอย่างดี” เขาสะท้อนโดยนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Henri Poincaré: "การกำหนดจำนวนอะตอมอันชาญฉลาดของ Perrin ได้ทำให้ชัยชนะของอะตอมมิกส์สำเร็จลง... อะตอมของนักเคมีได้กลายเป็นความจริงแล้ว"

  การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและการแพร่กระจาย

  การเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนมีลักษณะคล้ายกันมากกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแต่ละตัวอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน การเคลื่อนไหวนี้เรียกว่าการแพร่กระจาย แม้กระทั่งก่อนงานของ Smoluchowski และ Einstein กฎการเคลื่อนที่ของโมเลกุลได้ถูกสร้างขึ้นในกรณีที่ง่ายที่สุด สถานะก๊าซสาร ปรากฎว่าโมเลกุลในก๊าซเคลื่อนที่เร็วมาก - ด้วยความเร็วกระสุน แต่พวกมันไม่สามารถบินได้ไกลเนื่องจากพวกมันมักจะชนกับโมเลกุลอื่นมาก ตัวอย่างเช่น โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจนในอากาศซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเฉลี่ยประมาณ 500 เมตรต่อวินาที เกิดการชนกันมากกว่าพันล้านครั้งต่อวินาที ดังนั้นเส้นทางของโมเลกุลหากเดินตามได้ก็จะเป็นเส้นหักที่ซับซ้อน อนุภาคบราวเนียนยังอธิบายถึงวิถีโคจรที่คล้ายกันหากตำแหน่งของพวกมันถูกบันทึกในช่วงเวลาหนึ่ง ทั้งการแพร่กระจายและการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวายของโมเลกุล ดังนั้นจึงอธิบายได้ด้วยความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ที่คล้ายคลึงกัน ความแตกต่างก็คือโมเลกุลในก๊าซเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงจนกระทั่งชนกับโมเลกุลอื่น แล้วเปลี่ยนทิศทาง อนุภาคบราวเนียนซึ่งแตกต่างจากโมเลกุล ไม่ทำงาน "บินฟรี" ใด ๆ แต่พบกับ "ความกระวนกระวายใจ" เล็กน้อยและผิดปกติบ่อยครั้งมาก ซึ่งเป็นผลมาจากการที่มันเปลี่ยนไปอย่างวุ่นวายในทิศทางเดียวหรืออีกทางหนึ่ง การคำนวณแสดงให้เห็นว่าสำหรับอนุภาคขนาด 0.1 µm การเคลื่อนไหวหนึ่งครั้งเกิดขึ้นในสามในพันล้านของวินาทีในระยะห่างเพียง 0.5 นาโนเมตร (1 นาโนเมตร = 0.001 µm) ดังที่ผู้เขียนคนหนึ่งกล่าวไว้อย่างเหมาะสม สิ่งนี้ชวนให้นึกถึงการเคลื่อนย้ายกระป๋องเบียร์เปล่าไปในจัตุรัสที่มีผู้คนจำนวนมากมารวมตัวกัน

  การแพร่กระจายนั้นสังเกตได้ง่ายกว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนมาก เนื่องจากมันไม่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์: การเคลื่อนไหวนั้นไม่ได้สังเกตจากอนุภาคแต่ละตัว แต่เป็นมวลมหาศาล คุณเพียงแค่ต้องแน่ใจว่าการแพร่กระจายนั้นไม่ได้ทับด้วยการพาความร้อน - การผสมสสารเป็น ผลจากกระแสน้ำวน (กระแสดังกล่าวสังเกตได้ง่าย โดยหยดสารละลายสี เช่น หมึก ลงในแก้วน้ำร้อน)

  การแพร่กระจายจะสังเกตได้สะดวกในเจลหนา ตัวอย่างเช่นสามารถเตรียมเจลดังกล่าวในขวดเพนิซิลลินโดยเตรียมสารละลายเจลาติน 4-5% ลงไป เจลาตินจะต้องพองตัวเป็นเวลาหลายชั่วโมงก่อนแล้วจึงละลายจนหมดโดยคนโดยลดขวดลงใน น้ำร้อน- หลังจากเย็นตัวลงจะได้เจลที่ไม่ไหลออกมาในรูปของมวลโปร่งใสและมีเมฆมากเล็กน้อย หากคุณใช้แหนบแหลมคมสอดคริสตัลโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตขนาดเล็ก (“โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต”) เข้าไปในใจกลางของมวลนี้อย่างระมัดระวัง คริสตัลจะยังคงแขวนอยู่ในตำแหน่งที่ทิ้งไว้ เนื่องจากเจลจะป้องกันไม่ให้ตกลงมา ภายในไม่กี่นาที คริสตัลสีจะเริ่มเติบโตรอบๆ คริสตัล สีม่วงเมื่อเวลาผ่านไปลูกบอลก็จะใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งผนังของโถบิดเบี้ยวรูปร่างของมัน ผลลัพธ์เดียวกันนี้สามารถรับได้โดยใช้คริสตัลคอปเปอร์ซัลเฟตเฉพาะในกรณีนี้ลูกบอลจะไม่กลายเป็นสีม่วง แต่เป็นสีน้ำเงิน

  เป็นที่ชัดเจนว่าทำไมลูกบอลจึงกลายเป็น: MnO 4 – ไอออนที่เกิดขึ้นเมื่อคริสตัลละลาย เข้าไปในสารละลาย (เจลส่วนใหญ่เป็นน้ำ) และเป็นผลจากการแพร่กระจาย เคลื่อนที่อย่างเท่าเทียมกันในทุกทิศทาง ในขณะที่แรงโน้มถ่วงแทบไม่มีผลกระทบต่อ อัตราการแพร่กระจาย การแพร่กระจายในของเหลวช้ามาก: จะใช้เวลาหลายชั่วโมงกว่าลูกบอลจะโตขึ้นหลายเซนติเมตร ในก๊าซการแพร่กระจายจะเร็วกว่ามาก แต่ถึงกระนั้นหากอากาศไม่ปะปน กลิ่นของน้ำหอมหรือแอมโมเนียก็จะกระจายอยู่ในห้องเป็นเวลาหลายชั่วโมง

  ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน: การเดินแบบสุ่ม

  ทฤษฎีสโมลูโควสกี–ไอน์สไตน์อธิบายกฎของทั้งการแพร่กระจายและการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน เราสามารถพิจารณารูปแบบเหล่านี้ได้โดยใช้ตัวอย่างการแพร่กระจาย ถ้าความเร็วของโมเลกุลเป็น คุณแล้วเคลื่อนตัวเป็นเส้นตรงทันเวลา ทีจะไปไกล ล = utแต่เนื่องจากการชนกับโมเลกุลอื่น ๆ โมเลกุลนี้จึงไม่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง แต่เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง หากเป็นไปได้ที่จะวาดเส้นทางของโมเลกุล โดยพื้นฐานแล้วมันก็ไม่ต่างจากภาพวาดที่เพอร์รินได้รับ จากตัวเลขเหล่านี้ เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากการเคลื่อนไหวที่วุ่นวาย โมเลกุลจึงถูกแทนที่ในระยะไกล สน้อยกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ล- ปริมาณเหล่านี้สัมพันธ์กันด้วยความสัมพันธ์ ส= โดยที่ l คือระยะทางที่โมเลกุลลอยจากการชนกันครั้งหนึ่ง ซึ่งเป็นเส้นทางอิสระเฉลี่ย จากการตรวจวัดพบว่าโมเลกุลของอากาศอยู่ในภาวะปกติ ความดันบรรยากาศ l ~ 0.1 μm ซึ่งหมายความว่าที่ความเร็ว 500 m/s โมเลกุลของไนโตรเจนหรือออกซิเจนจะบินไปไกลใน 10,000 วินาที (น้อยกว่าสามชั่วโมง) ล= 5,000 กม. และจะเปลี่ยนจากตำแหน่งเดิมเพียงเท่านั้น ส= 0.7 ม. (70 ซม.) ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้สสารเคลื่อนที่ช้ามากเนื่องจากการแพร่ แม้จะอยู่ในก๊าซก็ตาม

  เส้นทางของโมเลกุลอันเป็นผลมาจากการแพร่กระจาย (หรือเส้นทางของอนุภาคบราวเนียน) เรียกว่าการเดินแบบสุ่ม นักฟิสิกส์ที่มีไหวพริบตีความการแสดงออกนี้ใหม่ว่าเป็นการเดินของคนขี้เมา - "เส้นทางของคนขี้เมา" แท้จริงแล้วการเคลื่อนที่ของอนุภาคจากตำแหน่งหนึ่งไปอีกตำแหน่งหนึ่ง (หรือเส้นทางของโมเลกุลที่มีการชนกันหลายครั้ง) มีลักษณะคล้ายกับการเคลื่อนไหวของคนเมา การเปรียบเทียบนี้ยังช่วยให้สามารถสรุปสมการพื้นฐานของกระบวนการดังกล่าวได้ค่อนข้างง่ายโดยอิงจากตัวอย่างของการเคลื่อนไหวในมิติเดียว ซึ่งง่ายต่อการสรุปเป็นสามมิติ พวกเขาทำเช่นนี้

  สมมุติว่ากะลาสีขี้เมาคนหนึ่งออกมาจากร้านเหล้าตอนดึกแล้วมุ่งหน้าไปตามถนน เมื่อเดินไปตามเส้นทางไปยังตะเกียงที่ใกล้ที่สุด เขาก็พักและไป... ไม่ว่าจะต่อไปอีกตะเกียงถัดไปหรือกลับไปที่โรงเตี๊ยม ท้ายที่สุดเขาจำไม่ได้ว่าเขามาจากไหน คำถามคือ เขาจะทิ้งบวบไว้ไหม หรือจะแค่เดินไปรอบๆ มัน ย้ายออกไป แล้วเข้าใกล้มัน? (ปัญหาอีกประการหนึ่งระบุว่ามีคูน้ำสกปรกที่ปลายถนนทั้งสองฝั่งซึ่งไฟถนนสิ้นสุด และถามว่ากะลาสีเรือจะหลีกเลี่ยงการตกลงไปในคูน้ำใดแห่งหนึ่งได้หรือไม่) โดยสัญชาตญาณดูเหมือนว่าคำตอบที่สองนั้นถูกต้อง แต่มันไม่ถูกต้อง: ปรากฎว่ากะลาสีเรือจะค่อยๆเคลื่อนตัวออกห่างจากจุดศูนย์มากขึ้นเรื่อยๆ แม้ว่าจะช้ากว่ามากหากเขาเดินไปในทิศทางเดียวก็ตาม ต่อไปนี้เป็นวิธีพิสูจน์

  เมื่อผ่านไปครั้งแรกไปยังโคมไฟที่ใกล้ที่สุด (ไปทางขวาหรือทางซ้าย) กะลาสีเรือจะอยู่ห่างไกล ส 1 = ± l จากจุดเริ่มต้น เนื่องจากเราสนใจเฉพาะระยะห่างจากจุดนี้เท่านั้น แต่ไม่สนใจทิศทางของมัน เราจึงจะกำจัดเครื่องหมายต่างๆ ออกไปโดยยกกำลังสองนิพจน์นี้: ส 1 2 = l 2. หลังจากนั้นครู่หนึ่งกะลาสีเรือก็ทำเสร็จแล้ว เอ็น“หลงทาง” จะอยู่ห่างไกล

  เอส เอ็น= ตั้งแต่ต้น. แล้วเดินไปอีกทางหนึ่งไปยังโคมที่ใกล้ที่สุดในระยะไกล เอส เอ็น+1 = เอส เอ็น± l หรือใช้กำลังสองของการกระจัด ส 2 เอ็น+1 = ส 2 เอ็น± 2 เอส เอ็น l + l 2. หากกะลาสีทำท่านี้ซ้ำหลายครั้ง (จาก เอ็นถึง เอ็น+ 1) จากนั้นเป็นผลมาจากการหาค่าเฉลี่ย (ผ่านด้วยความน่าจะเป็นที่เท่ากัน เอ็นขั้นตอนที่ 3 ไปทางขวาหรือซ้าย) เทอม ± 2 เอส เอ็นฉันจะยกเลิก ดังนั้น 2 เอ็น+1 = ส2 เอ็น+ l 2> (วงเล็บมุมระบุค่าเฉลี่ย) L = 3600 m = 3.6 กม. ในขณะที่การกระจัดจากจุดศูนย์ในเวลาเดียวกันจะเท่ากับเท่านั้น ส= = 190 ม. อีก 3 ชั่วโมงก็จะผ่านไป ล= 10.8 กม. และจะเปลี่ยนไป ส= 330 ม. เป็นต้น

  งาน คุณ l ในสูตรผลลัพธ์สามารถนำมาเปรียบเทียบกับค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ ซึ่งดังที่แสดงโดยนักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวไอริช George Gabriel Stokes (1819–1903) ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคและความหนืดของตัวกลาง จากการพิจารณาที่คล้ายกัน ไอน์สไตน์ได้สมการของเขามา

  ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในชีวิตจริง

  ทฤษฎีการเดินสุ่มมีการนำไปประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติที่สำคัญ ว่ากันว่าในกรณีที่ไม่มีสถานที่สำคัญ (ดวงอาทิตย์ ดวงดาว เสียงทางหลวง หรือ ทางรถไฟฯลฯ) บุคคลจะเดินทางอยู่ในป่า ข้ามทุ่งท่ามกลางพายุหิมะ หรือหมอกหนาเป็นวงกลม กลับไปสู่ที่เดิมตลอดเวลา ในความเป็นจริง เขาไม่ได้เดินเป็นวงกลม แต่เคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกับที่โมเลกุลหรืออนุภาคบราวเนียนเคลื่อนที่ เขาสามารถกลับไปยังที่เดิมได้ แต่ต้องบังเอิญเท่านั้น แต่เขาข้ามเส้นทางของเขาหลายครั้ง พวกเขายังกล่าวอีกว่ามีคนถูกพบเป็นน้ำแข็งในพายุหิมะ “ประมาณหนึ่งกิโลเมตร” จากที่อยู่อาศัยหรือถนนที่ใกล้ที่สุด แต่ในความเป็นจริงแล้วบุคคลนั้นไม่มีโอกาสเดินในกิโลเมตรนี้ และนี่คือสาเหตุ

  ในการคำนวณว่าบุคคลจะเปลี่ยนไปมากน้อยเพียงใดอันเป็นผลมาจากการเดินแบบสุ่ม คุณจำเป็นต้องทราบค่าของ l เช่น ระยะทางที่บุคคลสามารถเดินเป็นเส้นตรงได้โดยไม่มีจุดสังเกต ค่านี้วัดโดย Doctor of Geological and Mineraological Sciences B.S. Gorobets ด้วยความช่วยเหลือจากนักศึกษาอาสาสมัคร แน่นอนว่าเขาไม่ได้ทิ้งพวกเขาไว้ในป่าทึบหรือบนสนามที่เต็มไปด้วยหิมะ ทุกอย่างง่ายกว่า - นักเรียนถูกวางไว้ตรงกลางสนามกีฬาที่ว่างเปล่า ปิดตา และขอให้เดินไปที่ปลายสนามฟุตบอลอย่างเงียบ ๆ (เพื่อไม่รวมการวางแนวด้วยเสียง) ปรากฎว่าโดยเฉลี่ยแล้วนักเรียนเดินเป็นเส้นตรงเพียงประมาณ 20 เมตร (ค่าเบี่ยงเบนจากเส้นตรงในอุดมคติไม่เกิน 5°) จากนั้นเริ่มเบี่ยงเบนไปจากทิศทางเดิมมากขึ้นเรื่อยๆ ในท้ายที่สุดเขาก็หยุดจนไม่ถึงขอบ

  ตอนนี้ให้คน ๆ หนึ่งเดิน (หรือค่อนข้างเดิน) ในป่าด้วยความเร็ว 2 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (สำหรับถนนนี่ช้ามาก แต่สำหรับป่าทึบมันเร็วมาก) แล้วถ้าค่าของ l คือ 20 เมตรจากนั้นในหนึ่งชั่วโมงเขาจะครอบคลุม 2 กม. แต่จะเคลื่อนที่เพียง 200 ม. ในสองชั่วโมง - ประมาณ 280 ม. ในสามชั่วโมง - 350 ม. ใน 4 ชั่วโมง - 400 ม. เป็นต้น และเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงที่ ความเร็วดังกล่าวบุคคลจะครอบคลุม 8 กิโลเมตรใน 4 ชั่วโมง ดังนั้นในคำแนะนำด้านความปลอดภัยสำหรับงานภาคสนามจึงมีกฎดังต่อไปนี้: หากจุดสังเกตสูญหายคุณต้องอยู่ในสถานที่ตั้งที่พักพิงและรอจุดสิ้นสุด ของสภาพอากาศเลวร้าย (แสงแดดอาจออกมา) หรือขอความช่วยเหลือ ในป่า สถานที่สำคัญ - ต้นไม้หรือพุ่มไม้ - จะช่วยให้คุณเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง และในแต่ละครั้งคุณจะต้องยึดติดกับจุดสังเกตดังกล่าวสองแห่ง - อันหนึ่งอยู่ด้านหน้าและอีกอันอยู่ด้านหลัง แต่แน่นอนว่า พกเข็มทิศติดตัวไปด้วยจะดีที่สุด...

  อิลยา ลีนสัน

  วรรณกรรม:

  มาริโอ ลิออซซี่. ประวัติความเป็นมาของฟิสิกส์- ม. มีร์ 1970
  เคอร์เกอร์ เอ็ม. การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียนและความเป็นจริงระดับโมเลกุลก่อนปี 1900- วารสารเคมีศึกษา, 2517, ฉบับ. 51, ฉบับที่ 12
  ลีนสัน ไอ.เอ. ปฏิกิริยาเคมี - เอ็ม. แอสเทรล 2545

  

  ในปีพ.ศ. 2370 นักพฤกษศาสตร์ชาวอังกฤษ โรเบิร์ต บราวน์ ตรวจดูอนุภาคของละอองเกสรที่แขวนลอยอยู่ในน้ำภายใต้กล้องจุลทรรศน์ พบว่าอนุภาคที่เล็กที่สุดอยู่ในสภาวะของการเคลื่อนไหวต่อเนื่องและสุ่ม ต่อมาปรากฎว่าการเคลื่อนไหวนี้เป็นลักษณะของอนุภาคที่เล็กที่สุดทั้งจากแหล่งกำเนิดอินทรีย์และอนินทรีย์และแสดงออกอย่างเข้มข้นยิ่งขึ้น ยิ่งมวลของอนุภาคมีขนาดเล็กลง อุณหภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้นและความหนืดของตัวกลางก็จะยิ่งต่ำลง เป็นเวลานานแล้วที่การค้นพบของบราวน์ไม่ได้ให้ความสำคัญมากนัก นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าสาเหตุของการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคคือการสั่นสะเทือนของอุปกรณ์และการมีกระแสหมุนเวียนในของเหลว อย่างไรก็ตาม การทดลองอย่างรอบคอบที่ดำเนินการในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่า ไม่ว่าจะใช้มาตรการใดเพื่อรักษาสมดุลทางกลและทางความร้อนในระบบ การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนจะแสดงออกมาที่อุณหภูมิที่กำหนดเสมอด้วยความเข้มข้นเท่าเดิมและสม่ำเสมอตลอดเวลา . อนุภาคขนาดใหญ่เคลื่อนที่เล็กน้อย สำหรับตัวอักษรขนาดเล็กกลายเป็นการเคลื่อนไหวที่ไม่เป็นระเบียบในทิศทางตามวิถีที่ซับซ้อน

  ข้าว.การกระจายตัวของจุดสิ้นสุดของการกระจัดในแนวนอนของอนุภาคในการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ( จุดเริ่มต้นย้ายไปอยู่ตรงกลาง)

  ข้อสรุปต่อไปนี้เสนอแนะ: การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนไม่ได้เกิดจากภายนอก แต่เกิดจากสาเหตุภายใน กล่าวคือ การชนกันของโมเลกุลของเหลวกับอนุภาคแขวนลอย เมื่อชนอนุภาคของแข็ง แต่ละโมเลกุลจะถ่ายโอนส่วนหนึ่งของโมเมนตัมไปยังอนุภาคนั้น ( มυ) เนื่องจากธรรมชาติของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนมีความโกลาหลโดยสิ้นเชิง โมเมนตัมรวมที่อนุภาคได้รับในช่วงเวลาอันยาวนานจึงเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตาม ในช่วงเวลาสั้นๆ ∆ ใดๆ ก็ตาม ทีโมเมนตัมที่ได้รับจากอนุภาคด้านใดด้านหนึ่งจะมากกว่าจากอีกด้านหนึ่งเสมอ เป็นผลให้มันเปลี่ยนไป การพิสูจน์สมมติฐานนี้ทันเวลา ( ปลาย XIX- ต้นศตวรรษที่ 20) โดยเฉพาะ คุ้มค่ามากเนื่องจากนักวิทยาศาสตร์และนักปรัชญาธรรมชาติบางคน เช่น Ostwald, Mach, Avenarius สงสัยความจริงของการมีอยู่ของอะตอมและโมเลกุล

  ในปี พ.ศ. 2448-2449 A. และนักฟิสิกส์ชาวโปแลนด์ Marian Smoluchowski ได้สร้างทฤษฎีทางสถิติของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนอย่างอิสระ โดยยึดหลักสมมติฐานของความโกลาหลโดยสมบูรณ์ของมัน สำหรับอนุภาคทรงกลมจะได้สมการ

  

  ที่ไหน ∆ x- การกระจัดของอนุภาคเฉลี่ยเมื่อเวลาผ่านไป ที(เช่น ขนาดของส่วนที่เชื่อมต่อกัน ตำแหน่งเริ่มต้นอนุภาคที่มีตำแหน่งในขณะนั้น ที); η - ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดปานกลาง ร- รัศมีอนุภาค ต- อุณหภูมิเป็น K; เอ็น 0 - หมายเลขของอาโวกาโดร; ร- ค่าคงที่ก๊าซสากล

  ความสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นได้รับการทดสอบโดยการทดลองโดย J. Perrin ซึ่งต้องศึกษาการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอนุภาคทรงกลมของกัม กัม และมาสติคด้วยรัศมีที่ทราบแน่ชัด โดยการถ่ายภาพอนุภาคเดียวกันอย่างต่อเนื่องในช่วงเวลาที่เท่ากัน J. Perrin จะพบค่าของ ∆ xสำหรับแต่ละ ∆ ทีผลลัพธ์ที่เขาได้รับสำหรับอนุภาคขนาดต่างๆ และธรรมชาติที่แตกต่างกันนั้นเข้ากันได้ดีกับอนุภาคทางทฤษฎี ซึ่งเป็นข้อพิสูจน์ที่ดีเยี่ยมถึงความเป็นจริงของอะตอมและโมเลกุล และอีกประการหนึ่งมันยืนยันทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล

  โดยการสังเกตตำแหน่งของอนุภาคที่กำลังเคลื่อนที่ในช่วงเวลาเท่ากันตามลำดับ จะสามารถสร้างวิถีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนได้ หากเราทำการถ่ายโอนทุกส่วนแบบขนานเพื่อให้จุดเริ่มต้นตรงกันสำหรับจุดสิ้นสุดเราจะได้รับการแจกแจงคล้ายกับการแพร่กระจายของกระสุนเมื่อยิงไปที่เป้าหมาย (รูปที่) สิ่งนี้เป็นการยืนยันหลักสมมุติของทฤษฎีไอน์สไตน์-สโมลูโควสกี ซึ่งเป็นธรรมชาติที่วุ่นวายของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

  ความเสถียรทางจลน์ของระบบกระจาย

  เมื่อมีมวลจำนวนหนึ่ง อนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวจะต้องค่อยๆ ตกลงไปในสนามโน้มถ่วงของโลก (หากมีความหนาแน่น งความหนาแน่นมากขึ้น สิ่งแวดล้อม วัน 0) หรือลอย (ถ้า ง ). อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่เคยเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ การทรุดตัว (หรือการลอยตัว) ถูกขัดขวางโดยการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ซึ่งมีแนวโน้มที่จะกระจายอนุภาคเท่า ๆ กันตลอดทั้งปริมาตร อัตราการตกตะกอนของอนุภาคจึงขึ้นอยู่กับมวลและความหนืดของของเหลว เช่น ลูกบอลเงินที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 มมผ่านน้ำ1 ซมในราคา 0.05 วินาที,และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 ไมโครเมตร- สำหรับ 500 วินาทีดังที่เห็นได้จากตารางที่ 13 อนุภาคเงินที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 1 ไมโครเมตรไม่สามารถปักหลักอยู่ที่ก้นเรือได้เลย

  ตารางที่ 13

  การเปรียบเทียบความเข้มของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนกับความเร็วการตกตะกอนของอนุภาคเงิน (การคำนวณของเบอร์ตัน)

  	ระยะทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ได้ใน 1 วินาที เอก ม.ค
  เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาค ไมโครเมตร		การทรุดตัว
  100	10	6760
  10	31,6	67,6
  1	100	0,676

  หากเฟสการกระจายตัวตกลงไปที่ด้านล่างของถังหรือลอยขึ้นสู่ผิวน้ำในเวลาอันสั้น ระบบจะเรียกว่าไม่เสถียรทางจลนศาสตร์ ตัวอย่างคือการแขวนลอยของทรายในน้ำ

  ถ้าอนุภาคมีขนาดเล็กพอที่จะทำให้การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนขัดขวางไม่ให้พวกมันตกลงไปอย่างสมบูรณ์ ระบบจะบอกว่ามีความเสถียรทางจลน์

  เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนแบบสุ่มในระบบการกระจายตัวที่มีความเสถียรทางจลน์ ทำให้เกิดการกระจายตัวของอนุภาคที่มีความสูงไม่เท่ากันตามการกระทำของแรงโน้มถ่วง ธรรมชาติของการแจกแจงอธิบายได้ด้วยสมการ:

  ที่ไหน กับ 1 ชม. 1 ;จาก 2- ความเข้มข้นของอนุภาคที่ความสูง ชั่วโมง 2 ; ต- มวลของอนุภาค ด-ความหนาแน่น; ดี 0 - ความหนาแน่นของตัวกลางการกระจายตัว เมื่อใช้สมการนี้ ค่าคงที่ที่สำคัญที่สุดของทฤษฎีจลน์เนติกส์ของโมเลกุลถูกกำหนดเป็นครั้งแรก - เบอร์อาโวกาโดร เอ็น 0 . เมื่อนับจำนวนอนุภาคเหงือกที่แขวนลอยอยู่ในน้ำด้วยกล้องจุลทรรศน์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ในระดับต่างๆ เจ. เพอร์รินจึงได้ค่าตัวเลขของค่าคงที่ เอ็น 0 , ซึ่งแปรผันตามการทดลองต่างๆ ตั้งแต่ 6.5 10 23 ถึง 7.2 10 23 ตามข้อมูลสมัยใหม่ หมายเลขของ Avogadro คือ 6.02 10 23

  ปัจจุบันเมื่อคงที่ เอ็น 0 เป็นที่รู้จักในด้านความแม่นยำสูง การนับอนุภาคในระดับต่างๆ ใช้ในการค้นหาขนาดและมวล

  บทความในหัวข้อ การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน

  การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน

  (การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน) การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซภายใต้อิทธิพลของการกระแทกจากโมเลกุลของสิ่งแวดล้อม ค้นพบโดยอาร์. บราวน์

  บราวน์เนียนโมชั่น

  BROWNIAN MOTION (การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน) การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของผลกระทบจากโมเลกุลของสิ่งแวดล้อม ค้นพบโดยอาร์. บราวน์ (ซม.บราวน์ โรเบิร์ต (เนิร์ด)ในปี พ.ศ. 2370
  เมื่อสังเกตการแขวนลอยของละอองเกสรดอกไม้ในน้ำด้วยกล้องจุลทรรศน์ บราวน์สังเกตเห็นการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายของอนุภาคที่เกิดขึ้น “ไม่ได้มาจากการเคลื่อนที่ของของเหลวหรือการระเหยของมัน” อนุภาคแขวนลอยที่มีขนาด 1 µm หรือน้อยกว่า ซึ่งมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์เท่านั้น มีการเคลื่อนไหวอย่างอิสระที่ไม่เป็นระเบียบ โดยอธิบายวิถีซิกแซกที่ซับซ้อน การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนไม่ลดลงตามเวลาและไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีของตัวกลาง ความเข้มของมันจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของตัวกลางและด้วยความหนืดและขนาดอนุภาคที่ลดลง แม้แต่คำอธิบายเชิงคุณภาพเกี่ยวกับสาเหตุของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนก็เป็นไปได้เพียง 50 ปีต่อมา เมื่อสาเหตุของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเริ่มสัมพันธ์กับผลกระทบของโมเลกุลของเหลวบนพื้นผิวของอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในนั้น
  ทฤษฎีเชิงปริมาณแรกของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนมอบให้โดย A. Einstein (ซม.ไอน์สไตน์ อัลเบิร์ต)และ M. Smoluchowski (ซม.สโมลูโชวสกี้ มาเรียน)ในปี 1905-06 ขึ้นอยู่กับทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล แสดงให้เห็นว่าการเดินสุ่มของอนุภาคบราวเนียนสัมพันธ์กับการมีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนพร้อมกับโมเลกุลของตัวกลางที่พวกมันถูกแขวนลอย (ซม.อนุภาคมีพลังงานจลน์โดยเฉลี่ยเท่ากัน แต่เนื่องจากมีมวลมากกว่า จึงมีความเร็วต่ำกว่า ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนอธิบายการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคโดยการกระทำของแรงสุ่มจากโมเลกุลและแรงเสียดทาน ตามทฤษฎีนี้ โมเลกุลของของเหลวหรือก๊าซมีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนคงที่ และแรงกระตุ้นของโมเลกุลต่างๆ ขนาดและทิศทางไม่เท่ากัน หากพื้นผิวของอนุภาคที่วางในตัวกลางมีขนาดเล็ก เช่นในกรณีของอนุภาคบราวเนียน การกระแทกที่อนุภาคได้รับจากโมเลกุลที่อยู่รอบๆ จะไม่ได้รับการชดเชยอย่างแน่นอน ดังนั้นจากการ "ทิ้งระเบิด" ด้วยโมเลกุล อนุภาคบราวเนียนจึงมีการเคลื่อนที่แบบสุ่ม เปลี่ยนขนาดและทิศทางของความเร็วประมาณ 10 หรือ 14 ครั้งต่อวินาที จากทฤษฎีนี้ ตามมาด้วยการวัดการกระจัดของอนุภาคในช่วงเวลาหนึ่งและทราบรัศมีและความหนืดของของเหลว เราสามารถคำนวณจำนวนอโวกาโดรได้.
  ค่าคงตัวของอาโวกาโดร) (ซม.ข้อสรุปของทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนได้รับการยืนยันโดยการวัดโดยเจ. เพอร์รินแปร์ริน ฌ็อง บัปติสต์) (ซม.และ ต. สเวดเบิร์กสเวดเบิร์ก ธีโอดอร์) (ซม.ในปี 1906 จากความสัมพันธ์เหล่านี้ ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ถูกกำหนดโดยการทดลองโบลซมันน์ คอนสแตนต์)
  เมื่อสังเกตการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ตำแหน่งของอนุภาคจะถูกบันทึกเป็นระยะๆ ยิ่งช่วงเวลาสั้นลง วิถีโคจรของอนุภาคก็จะยิ่งแตกหักมากขึ้นเท่านั้น
  กฎการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเป็นการยืนยันที่ชัดเจนถึงหลักการพื้นฐานของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล ในที่สุดก็พบว่ารูปแบบการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของสสารเกิดจากการเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายของอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นวัตถุขนาดมหึมา
  ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนมีบทบาทสำคัญในการพิสูจน์กลศาสตร์ทางสถิติ โดยมีพื้นฐานมาจากทฤษฎีจลน์ของการแข็งตัวของสารละลายในน้ำ นอกจากนี้ ยังมีความสำคัญในทางปฏิบัติในด้านมาตรวิทยาด้วย เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนถือเป็นปัจจัยหลักที่จำกัดความแม่นยำของเครื่องมือวัด ตัวอย่างเช่น ขีดจำกัดความแม่นยำของการอ่านค่ากัลวาโนมิเตอร์แบบกระจกถูกกำหนดโดยการสั่นของกระจก เช่นเดียวกับอนุภาคบราวเนียนที่ถูกถล่มด้วยโมเลกุลอากาศ กฎการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนกำหนดการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอิเล็กตรอน ซึ่งทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในวงจรไฟฟ้า การสูญเสียอิเล็กทริกในอิเล็กทริกอธิบายได้จากการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุลไดโพลที่ประกอบเป็นอิเล็กทริก การเคลื่อนที่แบบสุ่มของไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มความต้านทานไฟฟ้า

  
  

  พจนานุกรมสารานุกรม. 2009 .

  ดูว่า "การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร:

  - (การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน) การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซ เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของผลกระทบจากโมเลกุลของสิ่งแวดล้อม สำรวจในปี พ.ศ. 2370 โดยอังกฤษ นักวิทยาศาสตร์ อาร์. บราวน์ (บราวน์ ; อาร์. บราวน์) ซึ่งเขาสังเกตผ่านกล้องจุลทรรศน์... ... สารานุกรมกายภาพ

  บราวน์เนียนโมชั่น- (สีน้ำตาล) การเคลื่อนที่ของอนุภาคเล็กๆ ที่แขวนลอยอยู่ในของเหลว เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของการชนกันระหว่างอนุภาคเหล่านี้กับโมเลกุลของของเหลว มันถูกสังเกตเห็นครั้งแรกภายใต้กล้องจุลทรรศน์ภาษาอังกฤษ นักพฤกษศาสตร์ บราวน์ ในปี พ.ศ. 2370 หากอยู่ในสายตา... ... สารานุกรมการแพทย์ที่ยิ่งใหญ่

  - (การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน) การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซภายใต้อิทธิพลของผลกระทบจากโมเลกุลของสิ่งแวดล้อม ค้นพบโดยอาร์. บราวน์... พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่

  BROWNIAN MOTION การเคลื่อนที่แบบซิกแซกที่ไม่เป็นระเบียบของอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในการไหล (ของเหลวหรือก๊าซ) มันเกิดจากการระดมยิงอนุภาคขนาดใหญ่จากด้านต่างๆ อย่างไม่สม่ำเสมอโดยโมเลกุลขนาดเล็กของกระแสที่กำลังเคลื่อนที่ นี้… … พจนานุกรมสารานุกรมวิทยาศาสตร์และเทคนิค

  การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน- – การเคลื่อนที่แบบสั่น การหมุน หรือการแปลของอนุภาคของเฟสที่กระจายตัวภายใต้อิทธิพลของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลของตัวกลางในการกระจายตัว เคมีทั่วไป: หนังสือเรียน / A.V. Zholnin ... เงื่อนไขทางเคมี

  บราวน์เนียนโมชั่น- การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซภายใต้อิทธิพลของผลกระทบจากโมเลกุลของสิ่งแวดล้อมในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน มีบทบาทสำคัญในทางกายภาพบางอย่าง เคมี กระบวนการจำกัดความถูกต้อง... ... สารานุกรมโพลีเทคนิคขนาดใหญ่

  การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน- - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov พจนานุกรมภาษาอังกฤษเป็นภาษารัสเซียเกี่ยวกับวิศวกรรมไฟฟ้าและวิศวกรรมพลังงาน มอสโก 2542] หัวข้อวิศวกรรมไฟฟ้า แนวคิดพื้นฐาน EN การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน ... คู่มือนักแปลทางเทคนิค

  บทความหรือส่วนนี้จำเป็นต้องแก้ไข โปรดปรับปรุงบทความให้เป็นไปตามหลักเกณฑ์การเขียนบทความ... Wikipedia

  การเคลื่อนไหวที่วุ่นวายอย่างต่อเนื่องของอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในก๊าซหรือของเหลว เกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลในสิ่งแวดล้อม ปรากฏการณ์นี้อธิบายครั้งแรกในปี พ.ศ. 2370 โดยนักพฤกษศาสตร์ชาวสก็อต อาร์. บราวน์ ซึ่งศึกษาภายใต้... ... สารานุกรมถ่านหิน

  ที่ถูกต้องกว่าคือการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคขนาดเล็ก (หลายไมโครเมตรหรือขนาดน้อยกว่า) ที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซ เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงกระแทกจากโมเลกุลของสิ่งแวดล้อม ค้นพบโดยอาร์. บราวน์ในปี พ.ศ. 2370… … สารานุกรมผู้ยิ่งใหญ่แห่งสหภาพโซเวียต

  หนังสือ

  • การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของเครื่องสั่น Yu.A. ครูตคอฟ. ทำซ้ำโดยใช้การสะกดของผู้เขียนต้นฉบับในฉบับปี 1935 (สำนักพิมพ์ 'Izvestia of the USSR Academy of Sciences') ใน…