Bu gün biz vacib bir mövzuya daha yaxından nəzər salacağıq - maye və ya qazda kiçik maddə hissələrinin Brown hərəkətini təyin edəcəyik.
Xəritə və koordinatlar
Darıxdırıcı dərslərdən əziyyət çəkən bəzi məktəblilər fizikanı niyə öyrəndiklərini başa düşmürlər. Bu arada, bir vaxtlar Amerikanı kəşf etməyə imkan verən bu elm idi!
Uzaqdan başlayaq. Aralıq dənizinin qədim sivilizasiyaları müəyyən mənada şanslı idilər: onlar qapalı daxili su hövzəsinin sahillərində inkişaf edirdilər. Aralıq dənizi hər tərəfdən quru ilə əhatə olunduğu üçün belə adlanır. Qədim səyyahlar isə öz ekspedisiyaları ilə sahilləri gözdən qaçırmadan kifayət qədər uzaqlara səyahət edə bilirdilər. Torpağın konturları naviqasiyaya kömək etdi. Və ilk xəritələr coğrafi deyil, təsviri olaraq tərtib edilmişdir. Bu nisbətən qısa səyahətlər sayəsində yunanlar, finikiyalılar və misirlilər gəmi inşa etməyi çox yaxşı bacardılar. Ən yaxşı avadanlıq olan yerdə dünyanızın sərhədlərini aşmaq istəyi var.
Buna görə də gözəl günlərin birində Avropa gücləri okeana girməyə qərar verdilər. Qitələr arasında ucsuz-bucaqsız genişliklərdə üzərkən dənizçilər uzun aylar yalnız su gördülər və birtəhər yollarını tapmalı oldular. Dəqiq saatların və yüksək keyfiyyətli kompasın ixtirası insanın koordinatlarını təyin etməyə kömək etdi.
Saat və kompas
Kiçik əl xronometrlərinin ixtirası dənizçilərə çox kömək etdi. Onların harada olduqlarını dəqiq müəyyən etmək üçün günəşin üfüqdən yuxarı hündürlüyünü ölçən sadə alətə sahib olmalı və günortanın dəqiq nə vaxt olduğunu bilməlidirlər. Və kompas sayəsində gəmi kapitanları hara getdiklərini bilirdilər. Həm saat, həm də maqnit iynəsinin xassələri fiziklər tərəfindən öyrənilmiş və yaradılmışdır. Bunun sayəsində bütün dünya avropalıların üzünə açıldı.
Yeni qitələr terra incognita, öyrənilməmiş torpaqlar idi. Onların üzərində qəribə bitkilər bitdi və qəribə heyvanlar tapıldı.
Bitkilər və Fizika
Sivil dünyanın bütün təbiətşünasları bu yeni qəribə ekoloji sistemləri öyrənməyə tələsdilər. Və təbii ki, onlardan faydalanmağa çalışırdılar.
Robert Braun ingilis botanik idi. O, Avstraliya və Tasmaniyaya səyahət edərək orada bitki kolleksiyalarını toplayır. Artıq İngiltərədəki evdə, gətirilən materialın təsviri və təsnifatı üzərində çox çalışdı. Və bu alim çox vasvası idi. Bir gün bitki şirəsində tozcuqların hərəkətini müşahidə edərkən diqqət çəkdi: kiçik hissəciklər daim xaotik ziqzaq hərəkətləri edir. Bu, qazlar və mayelərdəki kiçik elementlərin Brown hərəkətinin tərifidir. Kəşf sayəsində heyrətamiz botanik öz adını fizika tarixinə yazdı!
Qəhvəyi və Gooey
Avropa elmində bir effekti və ya hadisəni kəşf edən şəxsin adını çəkmək adətdir. Ancaq çox vaxt bu təsadüfən baş verir. Ancaq fiziki qanunu təsvir edən, onun əhəmiyyətini kəşf edən və ya daha ətraflı araşdıran şəxs özünü kölgədə tapır. Bu, fransız Louis Georges Gouy ilə baş verdi. Brown hərəkətinin tərifini verən o idi (7-ci sinif fizikada bu mövzunu öyrənərkən bu barədə qətiliklə eşitmir).
Gouy tədqiqatı və Broun hərəkətinin xüsusiyyətləri
Fransız eksperimentalçısı Louis Georges Gouy məhlullar da daxil olmaqla bir neçə mayedə müxtəlif növ hissəciklərin hərəkətini müşahidə etdi. O dövrün elmi artıq mikrometrin onda bir hissəsinə qədər olan maddə hissələrinin ölçülərini dəqiq müəyyən edə bilmişdi. Brown hərəkətinin nə olduğunu araşdırarkən (fizikada bu fenomenin tərifini Qouy vermişdi) alim başa düşdü: hissəciklərin hərəkətinin intensivliyi onları daha az özlü mühitdə yerləşdirdikdə artır. Geniş spektrli eksperimentator olaraq o, süspansiyonu müxtəlif güclərdə olan işıq və elektromaqnit sahələrinə məruz qoydu. Alim müəyyən edib ki, bu amillər hissəciklərin xaotik ziqzaq sıçrayışlarına heç bir şəkildə təsir etmir. Gouy birmənalı şəkildə Braun hərəkətinin nəyi sübut etdiyini göstərdi: maye və ya qaz molekullarının istilik hərəkəti.
Komanda və kütlə
İndi mayedə kiçik maddə hissələrinin ziqzaq sıçrayış mexanizmini daha ətraflı təsvir edək.
Hər hansı bir maddə atomlardan və ya molekullardan ibarətdir. Dünyanın bu elementləri çox kiçikdir, heç bir optik mikroskop onları görə bilməz. Mayedə onlar hər zaman salınır və hərəkət edirlər. Hər hansı görünən hissəcik məhlula daxil olduqda, onun kütləsi bir atomdan minlərlə dəfə böyükdür. Maye molekullarının Brown hərəkəti xaotik şəkildə baş verir. Ancaq buna baxmayaraq, bütün atomlar və ya molekullar bir kollektivdir, bir-birinə bağlıdırlar, əl-ələ verən insanlar kimi. Buna görə də bəzən elə olur ki, hissəciyin bir tərəfində olan mayenin atomları elə hərəkət edir ki, onun üzərinə “basılır”, zərrəciyin digər tərəfində isə daha az sıx mühit yaranır. Buna görə də, toz hissəcikləri məhlulun boşluğunda hərəkət edir. Başqa yerdə, maye molekullarının kollektiv hərəkəti təsadüfi olaraq daha kütləvi komponentin digər tərəfinə təsir göstərir. Hissəciklərin Brown hərəkəti məhz belə baş verir.
Zaman və Eynşteyn
Əgər maddənin temperaturu sıfırdan fərqlidirsə, onun atomları termal vibrasiyaya məruz qalır. Buna görə də, hətta çox soyuq və ya həddindən artıq soyudulmuş mayedə də Broun hərəkəti mövcuddur. Kiçik asılmış hissəciklərin bu xaotik sıçrayışları heç vaxt dayanmır.
Albert Eynşteyn XX əsrin bəlkə də ən məşhur alimidir. Fizika ilə ən azı bir qədər maraqlanan hər kəs E = mc 2 düsturunu bilir. Çoxları onun Nobel mükafatı aldığı fotoelektrik effekti və xüsusi nisbilik nəzəriyyəsini xatırlaya bilər. Amma az adam bilir ki, Eynşteyn Brown hərəkəti üçün bir düstur hazırlamışdır.
Molekulyar kinetik nəzəriyyəyə əsaslanaraq, alim mayedə asılmış hissəciklərin diffuziya əmsalını əldə etmişdir. Və bu 1905-ci ildə baş verdi. Formula belə görünür:
D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ),
burada D arzu olunan əmsaldır, R universal qaz sabitidir, T mütləq temperaturdur (Kelvində ifadə olunur), N A Avoqadro sabitidir (maddənin bir moluna və ya təxminən 10 23 molekula uyğundur), a təxmini ortadır. hissəciklərin radiusu, ξ mayenin və ya məhlulun dinamik özlülük dərəcəsidir.
Artıq 1908-ci ildə fransız fiziki Jan Perren və tələbələri Eynşteynin hesablamalarının düzgünlüyünü eksperimental olaraq sübut etdilər.
Döyüşçü sahəsində bir hissəcik
Yuxarıda ətraf mühitin bir çox hissəciklərə kollektiv təsirini təsvir etdik. Lakin mayenin tərkibində olan bir xarici element belə bəzi nümunələrə və asılılıqlara səbəb ola bilər. Məsələn, Broun hissəciyini uzun müddət müşahidə etsəniz, onun bütün hərəkətlərini qeyd edə bilərsiniz. Və bu xaosdan ahəngdar bir sistem yaranacaq. Broun hissəciyinin hər hansı bir istiqamət üzrə orta hərəkəti zamanla mütənasibdir.
Mayedəki hissəcik üzərində aparılan təcrübələrdə aşağıdakı miqdarlar dəqiqləşdirildi:
- Boltsman sabiti;
- Avogadro nömrəsi.
Xətti hərəkətlə yanaşı, xaotik fırlanma da xarakterikdir. Və orta bucaq yerdəyişməsi də müşahidə vaxtı ilə mütənasibdir.
Ölçülər və formalar
Bu cür mülahizələrdən sonra məntiqi sual yarana bilər: niyə böyük cisimlər üçün bu təsir müşahidə edilmir? Çünki mayeyə batırılmış cismin ölçüsü müəyyən bir dəyərdən çox olduqda, molekulların bütün bu təsadüfi kollektiv "itələməsi" orta hesabla alındığından sabit təzyiqə çevrilir. Və general Arximed artıq bədəndə hərəkət edir. Beləliklə, böyük bir dəmir parçası batır, metal tozu isə suda üzür.
Nümunə olaraq maye molekullarının dalğalanmasının aşkar edildiyi hissəciklərin ölçüsü 5 mikrometrdən çox olmamalıdır. Böyük obyektlərə gəldikdə, bu təsir nəzərə çarpmayacaq.
Şotlandiyalı botanik Robert Braun (bəzən onun soyadı Qəhvəyi kimi tərcümə olunur) sağlığında ən yaxşı bitki mütəxəssisi kimi “Botaniklərin Şahzadəsi” adını aldı. Çox gözəl kəşflər etdi. 1805-ci ildə Avstraliyaya dörd illik ekspedisiyadan sonra alimlərə məlum olmayan 4000-ə yaxın avstraliyalı bitki növünü İngiltərəyə gətirdi və uzun illər onları öyrənməyə sərf etdi. İndoneziya və Mərkəzi Afrikadan gətirilən bitkilərin təsviri. O, bitki fiziologiyasını öyrənmiş və ilk dəfə olaraq bitki hüceyrəsinin nüvəsini ətraflı təsvir etmişdir. Sankt-Peterburq Elmlər Akademiyası onu fəxri üzv elan edib. Amma alimin adı indi bu əsərlərə görə deyil, geniş şəkildə tanınır.
1827-ci ildə Braun bitki tozcuqları üzərində araşdırma apardı. O, xüsusilə polenin mayalanma prosesində necə iştirak etdiyi ilə maraqlanırdı. Bir dəfə Şimali Amerika bitkisinin polen hüceyrələrinə mikroskop altında baxdı. Clarkia pulchella(yaxşı clarkia) suda asılmış uzanmış sitoplazmatik taxıllar. Qəfil Braun gördü ki, bir damla suda çətinliklə görünən ən xırda bərk dənələr daim titrəyir və yerdən yerə hərəkət edir. O, tapdı ki, bu hərəkətlər, öz sözləri ilə desək, "nə mayedəki axınlarla, ya da onun tədricən buxarlanması ilə əlaqəli deyil, hissəciklərin özünə xasdır".
Braunun müşahidəsi digər alimlər tərəfindən də təsdiqlənib. Ən kiçik hissəciklər özlərini canlı kimi aparırdılar və zərrəciklərin "rəqsi" artan temperatur və hissəcik ölçüsünün azalması ilə sürətlənir və suyu daha özlü bir mühitlə əvəz edərkən aydın şəkildə yavaşlayır. Bu heyrətamiz fenomen heç vaxt dayanmırdı: onu istədiyiniz qədər müşahidə etmək olardı. Əvvəlcə Braun hətta canlıların həqiqətən mikroskop sahəsinə düşdüyünü düşünürdü, xüsusən də polen bitkilərin kişi reproduktiv hüceyrələri olduğu üçün, lakin ölü bitkilərdən, hətta yüz il əvvəl herbariumlarda qurudulmuş bitkilərdən də hissəciklər var idi. Sonra Braun fikirləşdi ki, bunlar haqqında 36 cildlik kitabın müəllifi olan məşhur fransız təbiətşünası Georges Buffon (1707-1788) danışdığı “canlıların elementar molekulları”dırmı? Təbii Tarix. Braun cansız görünən cisimləri tədqiq etməyə başlayanda bu fərziyyə itdi; əvvəlcə çox kiçik kömür hissəcikləri, həmçinin London havasından çıxan his və toz, sonra incə üyüdülmüş qeyri-üzvi maddələr: şüşə, bir çox müxtəlif minerallar. "Aktiv molekullar" hər yerdə idi: "Hər mineralda," Braun yazırdı, "mən o dərəcədə toz halına gətirməyə müvəffəq oldum ki, bir müddət suda dayana bildim, mən az və ya çox miqdarda bu molekulları tapdım. ."
Demək lazımdır ki, Braunda ən son mikroskopların heç biri yox idi. Məqaləsində o, bir neçə il istifadə etdiyi adi bikonveks linzalarının olduğunu xüsusi vurğulayır. O, daha sonra deyir: “Bütün tədqiqat boyu ifadələrimə daha çox inanmaq və onları adi müşahidələr üçün mümkün qədər əlçatan etmək üçün işə başladığım linzalardan istifadə etməyə davam etdim”.
İndi Braunun müşahidəsini təkrarlamaq üçün çox güclü olmayan bir mikroskopun olması və ondan güclü işıq şüası ilə yan dəlikdən işıqlandırılmış qaralmış qutuda tüstünü yoxlamaq üçün istifadə etmək kifayətdir. Qazda bu fenomen maye ilə müqayisədə daha aydın şəkildə özünü göstərir: kiçik kül və ya his parçaları (tüstünün mənbəyindən asılı olaraq) görünür, işıq saçır və davamlı olaraq irəli-geri tullanır.
Elmdə tez-tez baş verdiyi kimi, uzun illər sonra tarixçilər aşkar etdilər ki, hələ 1670-ci ildə mikroskopun ixtiraçısı, hollandiyalı Antonie Leeuwenhoek, yəqin ki, oxşar bir hadisəni müşahidə etdi, lakin mikroskopların nadirliyi və qeyri-kamilliyi, o dövrdə molekulyar elmin embrion vəziyyəti. Leeuwenhoek-in müşahidəsinə diqqəti cəlb etmədi, buna görə də kəşf haqlı olaraq onu təfərrüatlı şəkildə öyrənən və təsvir edən ilk şəxs olan Brauna aid edilir.
Brown hərəkəti və atom-molekulyar nəzəriyyə.
Braunun müşahidə etdiyi fenomen tez bir zamanda geniş şəkildə tanındı. Özü də təcrübələrini çoxsaylı həmkarlarına göstərdi (Braun iki onlarla adı sadalayır). Ancaq nə Braunun özü, nə də bir çox başqa elm adamları uzun illər "Braun hərəkatı" adlanan bu sirli hadisəni izah edə bilmədilər. Hissəciklərin hərəkətləri tamamilə təsadüfi idi: onların mövqelərinin zamanın müxtəlif nöqtələrində (məsələn, hər dəqiqə) hazırlanmış eskizləri ilk baxışdan bu hərəkətlərdə hər hansı bir nümunə tapmağa imkan vermirdi.
Brown hərəkətinin (bu fenomen belə adlandırıldı) görünməz molekulların hərəkəti ilə izahı yalnız 19-cu əsrin son rübündə verildi, lakin bütün elm adamları tərəfindən dərhal qəbul edilmədi. 1863-cü ildə Karlsruedən (Almaniya) təsviri həndəsə müəllimi Lüdviq Kristian Viner (1826-1896) bu fenomenin görünməz atomların salınan hərəkətləri ilə əlaqəli olduğunu irəli sürdü. Bu, müasirdən çox uzaq olsa da, atomların və molekulların özlərinin xassələri ilə Broun hərəkətinin izahı idi. Wiener-in maddənin quruluşunun sirlərinə nüfuz etmək üçün bu fenomendən istifadə etmək fürsətini görməsi vacibdir. O, ilk dəfə Brown hissəciklərinin hərəkət sürətini və onların ölçüsündən asılılığını ölçməyə çalışdı. Maraqlıdır ki, 1921-ci ildə ABŞ Milli Elmlər Akademiyasının hesabatları Başqa bir Vinerin - kibernetikanın məşhur banisi Norbertin Broun hərəkəti haqqında əsər nəşr olundu.
L.K.Vienerin ideyaları bir sıra alimlər - Avstriyada Ziqmund Ekner (və 33 il sonra onun oğlu Feliks), İtaliyada Covanni Kantoni, Almaniyada Karl Vilhelm Negeli, Fransada Lui Georges Qou, üç belçikalı keşiş tərəfindən qəbul edilmiş və inkişaf etdirilmişdir. - Yezuitlər Carbonelli, Delso və Tirion və başqaları. Bu alimlər arasında sonradan məşhur ingilis fiziki və kimyaçısı Uilyam Ramsey də var idi. Tədricən məlum oldu ki, ən kiçik maddə dənəcikləri hər tərəfdən daha kiçik hissəciklər tərəfindən vurulur, onlar artıq mikroskopda görünmür - necə ki, uzaq bir gəmini yelləyən dalğalar sahildən görünmür, qayığın hərəkətləri isə özü olduqca aydın görünür. 1877-ci ildə məqalələrin birində yazdıqları kimi, “...böyük ədədlər qanunu artıq toqquşmaların təsirini orta vahid təzyiqə endirə bilməz; onların nəticəsi artıq sıfıra bərabər olmayacaq, lakin davamlı olaraq öz istiqamətini dəyişəcək və böyüklüyü."
Keyfiyyətcə, şəkil olduqca inandırıcı və hətta vizual idi. Kiçik bir budaq və ya bir böcək təxminən eyni şəkildə hərəkət etməlidir, bir çox qarışqa tərəfindən müxtəlif istiqamətlərə itələnməlidir (və ya çəkilməlidir). Bu kiçik hissəciklər əslində elm adamlarının lüğətində idi, lakin heç kim onları görməmişdi. Onlar molekullar adlanırdı; Latın dilindən tərcümədə bu söz "kiçik kütlə" deməkdir. Təəccüblüdür ki, Roma filosofu Titus Lucretius Carus (e.ə. 99-55-ci illər) məşhur şeirində oxşar hadisəyə məhz belə izahat verir. Şeylərin təbiəti haqqında. Orada o, gözə görünməyən ən kiçik hissəcikləri şeylərin “ilkin prinsipləri” adlandırır.
Şeylərin prinsipləri əvvəlcə özləri hərəkət edir,
Onların ardınca ən kiçik birləşmələrindən olan cisimlər,
Güc baxımından ilkin prinsiplərə yaxınlaşın,
Onlardan gizlənərək, sarsıntılar alaraq səy göstərməyə başlayırlar,
Özlərini hərəkət etməyə, daha sonra daha böyük cisimləri təşviq edirlər.
Beləliklə, başlanğıcdan başlayaraq, yavaş-yavaş hərəkət
Hisslərimizə toxunur və görünən olur
Bizə və günəş işığında hərəkət edən toz ləkələrinə,
Baş verən sarsıntılar hiss olunmasa da...
Sonradan məlum oldu ki, Lucretius səhv edir: Brown hərəkətini çılpaq gözlə müşahidə etmək mümkün deyil və havanın burulğan hərəkətləri səbəbindən qaranlıq otağa nüfuz edən günəş şüasındakı toz hissəcikləri "rəqs edir". Ancaq zahirən hər iki fenomenin bəzi oxşarlıqları var. Və yalnız 19-cu əsrdə. Bir çox alimlərə məlum oldu ki, Broun hissəciklərinin hərəkəti mühitin molekullarının təsadüfi təsirləri nəticəsində baş verir. Hərəkət edən molekullar suda olan toz hissəcikləri və digər bərk hissəciklərlə toqquşur. Temperatur nə qədər yüksək olarsa, hərəkət daha sürətli olur. Əgər toz zərrəsi böyükdürsə, məsələn, 0,1 mm ölçüsündədirsə (diametri su molekulununkindən milyon dəfə böyükdür), onda ona hər tərəfdən eyni vaxtda bir çox təsirlər qarşılıqlı balanslaşdırılmışdır və praktiki olaraq deyil. Onları "hiss edin" - təxminən bir boşqab ölçüsündə bir taxta parçası kimi, onu müxtəlif istiqamətlərə çəkəcək və ya itələyən bir çox qarışqanın səylərini "hiss etməyəcək". Toz hissəcikləri nisbətən kiçikdirsə, ətrafdakı molekulların təsirinin təsiri altında bu və ya digər istiqamətdə hərəkət edəcək.
Brownian hissəciklərinin ölçüsü 0,1-1 mkm təşkil edir, yəni. millimetrin mində birindən on mində birinə qədər, buna görə də Braun onların hərəkətini ayırd edə bildi, çünki o, tozcuqların özünə deyil, xırda sitoplazmatik dənələrə baxırdı (çox vaxt bu barədə səhvən yazılır). Problem polen hüceyrələrinin çox böyük olmasıdır. Beləliklə, küləklə daşınan və insanlarda allergik xəstəliklərə səbəb olan çəmən otu polenində (ot qızdırması) hüceyrə ölçüsü adətən 20 - 50 mikron diapazonunda olur, yəni. Brown hərəkətini müşahidə etmək üçün çox böyükdürlər. Onu da qeyd etmək lazımdır ki, Broun zərrəciyinin fərdi hərəkətləri çox tez-tez və çox qısa məsafələrdə baş verir, belə ki, onları görmək qeyri-mümkündür, lakin mikroskop altında müəyyən vaxt ərzində baş vermiş hərəkətlər görünür.
Belə görünür ki, Brown hərəkətinin mövcudluğu faktı maddənin molekulyar quruluşunu birmənalı şəkildə sübut etdi, lakin hətta 20-ci əsrin əvvəllərində. Molekulların varlığına inanmayan alimlər, o cümlədən fiziklər və kimyaçılar var idi. Atom-molekulyar nəzəriyyə yavaş-yavaş və çətinliklə tanındı. Beləliklə, aparıcı fransız üzvi kimyaçısı Marselin Berthelot (1827-1907) yazırdı: "Bizim biliklərimiz nöqteyi-nəzərindən molekul anlayışı qeyri-müəyyəndir, başqa bir anlayış - atom isə sırf hipotetikdir." Məşhur fransız kimyaçısı A. Saint-Clair Deville (1818-1881) daha aydın danışdı: “Mən nə Avoqadro qanununu, nə atomu, nə də molekulu qəbul etmirəm, çünki nə görə bildiyim, nə də müşahidə etdiyim şeylərə inanmaqdan imtina edirəm. ” Alman fiziki kimyaçısı Vilhelm Ostvald (1853-1932), Nobel mükafatı laureatı, fiziki kimyanın banilərindən biri, hələ 20-ci əsrin əvvəllərində. atomların varlığını qətiyyətlə inkar edirdi. O, üç cildlik kimya dərsliyi yazmağa müvəffəq olub, orada “atom” sözünün heç xatırlanması belə olub. 19 aprel 1904-cü ildə Kral İnstitutunda İngilis Kimya Cəmiyyətinin üzvləri qarşısında geniş bir hesabatla çıxış edən Ostvald atomların olmadığını sübut etməyə çalışdı və “maddə dediyimiz şey yalnız müəyyən bir mühitdə toplanmış enerjilər toplusudur. yer.”
Lakin molekulyar nəzəriyyəni qəbul edən fiziklər belə, atom-molekulyar nəzəriyyənin doğruluğunun bu qədər sadə yolla sübuta yetirildiyinə inana bilmədilər, buna görə də hadisəni izah etmək üçün müxtəlif alternativ səbəblər irəli sürüldü. Və bu, tamamilə elmin ruhuna uyğundur: fenomenin səbəbi birmənalı şəkildə müəyyən edilənə qədər, müxtəlif fərziyyələr irəli sürmək mümkündür (hətta zəruridir), mümkünsə, eksperimental və ya nəzəri cəhətdən sınaqdan keçirilməlidir. Belə ki, hələ 1905-ci ildə Sankt-Peterburqlu fizika professoru, məşhur akademik A.F.İoffenin müəllimi N.A.Gezehusun “Brockhaus və Efron Ensiklopedik Lüğəti”ndə kiçik məqaləsi dərc olunub. Gesehus yazırdı ki, bəzi elm adamlarına görə, Brown hərəkəti "işıq və ya istilik şüalarının mayedən keçməsi" nəticəsində yaranır və "mayenin içərisində molekulların hərəkəti ilə heç bir əlaqəsi olmayan sadə axınlara" qədər qaynayır və bu axınlar. “buxarlanma, diffuziya və digər səbəblərdən” yarana bilər. Axı, toz hissəciklərinin havada çox oxşar hərəkətinə məhz burulğan axınları səbəb olduğu artıq məlum idi. Lakin Gesehusun verdiyi izahı eksperimental olaraq asanlıqla təkzib etmək olar: güclü mikroskopla bir-birinə çox yaxın yerləşən iki Broun hissəciklərinə baxsanız, onların hərəkətləri tamamilə müstəqil olacaq. Əgər bu hərəkətlər mayedəki hər hansı axınlardan qaynaqlanırsa, o zaman belə qonşu zərrəciklər birləşərək hərəkət edərdilər.
Brownian hərəkət nəzəriyyəsi.
20-ci əsrin əvvəllərində. əksər alimlər Brown hərəkətinin molekulyar təbiətini başa düşürdülər. Lakin bütün izahatlar sırf keyfiyyət baxımından qaldı; heç bir kəmiyyət nəzəriyyəsi eksperimental sınaqlara tab gətirə bilmədi. Bundan əlavə, eksperimental nəticələrin özləri də qeyri-müəyyən idi: fasiləsiz tələskən hissəciklərin fantastik tamaşası eksperimentçiləri hipnoz etdi və onlar fenomenin hansı xüsusiyyətlərini ölçmək lazım olduğunu dəqiq bilmirdilər.
Görünən tam pozğunluğa baxmayaraq, Brown hissəciklərinin təsadüfi hərəkətlərini riyazi əlaqə ilə təsvir etmək hələ də mümkün idi. İlk dəfə Broun hərəkətinin ciddi izahı 1904-cü ildə həmin illərdə Lvov Universitetində işləyən polşalı fizik Marian Smoluchovski (1872-1917) tərəfindən verilmişdir. Eyni zamanda, bu fenomenin nəzəriyyəsi İsveçrənin Bern şəhərinin Patent İdarəsində o zaman az tanınan 2-ci dərəcəli ekspert Albert Eynşteyn (1879-1955) tərəfindən hazırlanmışdır. Onun 1905-ci ilin mayında Almaniyanın “Annalen der Physik” jurnalında dərc olunmuş məqaləsi başlıqlı idi İstiliyin molekulyar kinetik nəzəriyyəsinin tələb etdiyi, sakit bir mayedə asılı olan hissəciklərin hərəkəti haqqında. Eynşteyn bu adla maddənin quruluşunun molekulyar kinetik nəzəriyyəsinin mayelərdə ən kiçik bərk hissəciklərin təsadüfi hərəkətinin mövcudluğunu mütləq nəzərdə tutduğunu göstərmək istəyirdi.
Maraqlıdır ki, bu məqalənin lap əvvəlində Eynşteyn fenomenin özü ilə səthi də olsa tanış olduğunu yazır: “Mümkündür ki, sözügedən hərəkətlər Broun molekulyar hərəkəti deyilən hərəkətlə eynidir, lakin mövcud məlumatlar Sonuncularla bağlı mənim fikrim o qədər qeyri-dəqiqdir ki, bunun qəti bir fikir olduğunu ifadə edə bilmədim”. Və onilliklər sonra, artıq ömrünün sonlarında, Eynşteyn öz xatirələrində fərqli bir şey yazdı - Brownian hərəkəti haqqında ümumiyyətlə bilmədiyi və əslində onu sırf nəzəri olaraq "yenidən kəşf etdi": "Braun hərəkəti" ilə bağlı müşahidələrin çoxdan olduğunu bilmədən Məlum olduğu kimi, mən atom nəzəriyyəsinin mikroskopik asılı hissəciklərin müşahidə edilə bilən hərəkətinin mövcudluğuna gətirib çıxardığını kəşf etdim." Nə olursa olsun, Eynşteynin nəzəri məqaləsi öz nəticələrini eksperimental olaraq yoxlamaq üçün eksperimentatorlara birbaşa çağırışla başa çatdı: "Əgər hər hansı bir tədqiqatçı tezliklə cavab verə bilsəydi. burada qaldırılan suallar!" – yazısını belə qeyri-adi nida ilə bitirir.
Eynşteynin ehtiraslı müraciətinin cavabı özünü çox gözlətmədi.
Smoluchowski-Einstein nəzəriyyəsinə görə, Brown hissəciyinin kvadrat yerdəyişməsinin orta qiyməti ( s 2) vaxt üçün t temperaturla düz mütənasibdir T və mayenin özlülüyünə h, hissəcik ölçüsü ilə tərs mütənasibdir r və Avoqadro sabiti
N A: s 2 = 2RTt/6saat rN A,
Harada R- qaz daimi. Belə ki, 1 dəqiqə ərzində diametri 1 mkm olan hissəcik 10 mkm hərəkət edirsə, 9 dəqiqədə - 10 = 30 μm, 25 dəqiqədə - 10 = 50 μm və s. Oxşar şəraitdə eyni vaxt ərzində (1, 9 və 25 dəq) diametri 0,25 mkm olan hissəcik = 2 olduğundan müvafiq olaraq 20, 60 və 100 mkm hərəkət edəcək. Yuxarıdakı düsturun daxil olması vacibdir. Fransız fiziki Jan Batist Perrin (1870-1942) tərəfindən aparılan Broun hissəciyinin hərəkətinin kəmiyyət ölçüləri ilə müəyyən edilə bilən Avoqadro sabiti.
1908-ci ildə Perrin mikroskop altında Broun hissəciklərinin hərəkətini kəmiyyətcə müşahidə etməyə başladı. O, 1902-ci ildə icad edilmiş ultramikroskopdan istifadə etdi ki, bu da güclü yan işıqlandırıcıdan onlara işığı səpərək ən kiçik hissəcikləri aşkar etməyə imkan verdi. Perrin saqqızdan, bəzi tropik ağacların qatılaşdırılmış şirəsindən (sarı akvarel boyası kimi də istifadə olunur) demək olar ki, sferik formalı və təxminən eyni ölçülü kiçik toplar əldə etdi. Bu kiçik muncuqlar 12% su ehtiva edən qliserolda dayandırılıb; viskoz maye, şəkli bulandıran daxili axınların görünməsinə mane oldu. Saniyəölçənlə silahlanmış Perrin müəyyən fasilələrlə, məsələn, hər yarım dəqiqədə bir qrafikli vərəqdə hissəciklərin mövqeyini qeyd etdi və sonra eskizini (əlbəttə ki, çox böyüdülmüş miqyasda) çəkdi. Yaranan nöqtələri düz xətlərlə birləşdirərək mürəkkəb trayektoriyalar əldə etdi, onlardan bəziləri şəkildə göstərilmişdir (onlar Perrin kitabından götürülmüşdür). Atomlar, 1920-ci ildə Parisdə nəşr edilmişdir). Zərrəciklərin belə xaotik, nizamsız hərəkəti onların kosmosda kifayət qədər yavaş hərəkət etməsinə səbəb olur: seqmentlərin cəmi birinci nöqtədən sonuncuya qədər hissəciyin yerdəyişməsindən qat-qat çoxdur.
Üç Brownian hissəciklərinin hər 30 saniyədə ardıcıl mövqeləri - təxminən 1 mikron ölçüsündə saqqız topları. Bir hüceyrə 3 µm məsafəyə uyğundur. Əgər Perrin Braun hissəciklərinin mövqeyini 30-dan sonra deyil, 3 saniyədən sonra müəyyən edə bilsəydi, onda hər bir qonşu nöqtə arasındakı düz xətlər yalnız daha kiçik miqyasda eyni mürəkkəb ziqzaq qırıq xəttinə çevrilərdi.
Nəzəri düsturdan və onun nəticələrindən istifadə edərək Perrin Avoqadro nömrəsi üçün o dövr üçün olduqca dəqiq olan bir dəyər əldə etdi: 6,8 . 10 23 . Perrin həmçinin Broun hissəciklərinin şaquli paylanmasını öyrənmək üçün mikroskopdan istifadə edib. santimetr. AVOQADRO QANUNU) və cazibə qüvvəsinin təsirinə baxmayaraq, məhlulda asılı vəziyyətdə qaldığını göstərdi. Perrinin digər mühüm əsərləri də var. 1895-ci ildə o, katod şüalarının mənfi elektrik yükləri (elektron) olduğunu sübut etdi və 1901-ci ildə ilk dəfə atomun planetar modelini təklif etdi. 1926-cı ildə fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görülüb.
Perrinin əldə etdiyi nəticələr Eynşteynin nəzəri nəticələrini təsdiqlədi. Güclü təəssürat yaratdı. Amerikalı fizik A.Pais uzun illər sonra yazdığı kimi, “belə sadə üsulla əldə edilən bu nəticəyə heyran olmaqdan əl çəkmirsiniz: ölçüsü ilə müqayisədə ölçüsü böyük olan toplardan asma hazırlamaq kifayətdir. Sadə molekullardan ibarət, bir saniyəölçən və mikroskop götürün və Avoqadro sabitini təyin edə bilərsiniz!” Bir də təəccüblənə bilər: Brown hərəkəti ilə bağlı yeni təcrübələrin təsvirləri hələ də elmi jurnallarda (Nature, Science, Journal of Chemical Education) dərc olunur! Perrinin nəticələri dərc edildikdən sonra atomizmin keçmiş əleyhdarı olan Ostvald etiraf etdi ki, “Broun hərəkətinin kinetik fərziyyənin tələbləri ilə üst-üstə düşməsi... indi ən ehtiyatlı alimə atom nəzəriyyəsinin eksperimental sübutu haqqında danışmaq hüququ verir. maddənin. Beləliklə, atom nəzəriyyəsi elmi, əsaslı nəzəriyyə dərəcəsinə yüksəldi”. Onu fransız riyaziyyatçısı və fiziki Anri Puankare də təkrarlayır: “Perrin tərəfindən atomların sayını parlaq şəkildə təyin etməsi atomizmin qələbəsini tamamladı... Kimyaçıların atomu indi reallığa çevrildi”.
Brownian hərəkət və diffuziya.
Brown hissəciklərinin hərəkəti zahirən ayrı-ayrı molekulların istilik hərəkəti nəticəsində hərəkətinə çox bənzəyir. Bu hərəkət diffuziya adlanır. Smoluxovski və Eynşteynin işindən əvvəl də maddənin qaz halının ən sadə halda molekulyar hərəkət qanunları qurulmuşdu. Məlum oldu ki, qazlardakı molekullar çox sürətlə - bir güllə sürətində hərəkət edirlər, lakin çox vaxt digər molekullarla toqquşduqları üçün uzağa uça bilmirlər. Məsələn, havada orta hesabla 500 m/s sürətlə hərəkət edən oksigen və azot molekulları saniyədə bir milyarddan çox toqquşma yaşayır. Deməli, molekulun yolu, əgər onu izləmək mümkün olsaydı, mürəkkəb bir qırıq xətt olardı. Brown hissəcikləri də müəyyən vaxt intervallarında mövqeləri qeydə alınırsa, oxşar trayektoriyanı təsvir edir. Həm diffuziya, həm də Broun hərəkəti molekulların xaotik istilik hərəkətinin nəticəsidir və buna görə də oxşar riyazi əlaqələrlə təsvir olunur. Fərq ondadır ki, qazlardakı molekullar digər molekullarla toqquşana qədər düz xətt üzrə hərəkət edir, sonra isə istiqamət dəyişir. Brown hissəciyi, bir molekuldan fərqli olaraq, heç bir "sərbəst uçuşlar" həyata keçirmir, lakin çox tez-tez kiçik və qeyri-müntəzəm "sarsıntılar" yaşayır, nəticədə xaotik olaraq bu və ya digər istiqamətə dəyişir. Hesablamalar göstərdi ki, ölçüsü 0,1 µm olan hissəcik üçün bir hərəkət saniyənin milyardda üçdə birində cəmi 0,5 nm (1 nm = 0,001 µm) məsafədə baş verir. Müəlliflərdən birinin düzgün dediyi kimi, bu, insanların toplaşdığı meydanda boş pivə qabını hərəkət etdirməyi xatırladır.
Diffuziyanı müşahidə etmək Brown hərəkətindən daha asandır, çünki onun üçün mikroskop tələb olunmur: hərəkətlər ayrı-ayrı hissəciklərin deyil, onların nəhəng kütlələrinin müşahidəsi ilə müşahidə olunur, sadəcə olaraq diffuziyanın konveksiya ilə üst-üstə düşməməsini təmin etmək lazımdır - maddənin qarışığı. burulğan axınlarının nəticəsi (bu cür axınları asanlıqla müşahidə etmək olur, bir stəkan isti suya mürəkkəb kimi rəngli məhlulun damcısını qoyur).
Diffuziya qalın gellərdə müşahidə etmək üçün əlverişlidir. Belə bir gel, məsələn, penisilin qabında 4-5% jelatin məhlulu hazırlanaraq hazırlana bilər. Jelatin əvvəlcə bir neçə saat şişməlidir, sonra banka isti suya endirilərək qarışdırılaraq tamamilə həll edilir. Soyuduqdan sonra şəffaf, az buludlu kütlə şəklində axmayan bir gel əldə edilir. Kəskin cımbızlardan istifadə edərək, bu kütlənin mərkəzinə kiçik bir kalium permanganat kristalını ("kalium permanganat") diqqətlə daxil etsəniz, jel onun düşməsinin qarşısını aldığı üçün kristal qaldığı yerdə asılı qalacaq. Bir neçə dəqiqə ərzində kristalın ətrafında bənövşəyi rəngli bir top böyüməyə başlayacaq, zaman keçdikcə bankanın divarları şəklini pozana qədər böyüyür və böyüyür. Eyni nəticəni mis sulfat kristalından istifadə etməklə əldə etmək olar, yalnız bu halda top bənövşəyi deyil, mavi olacaq.
Topun niyə çıxdığı aydındır: MnO 4 – kristal həll edildikdə əmələ gələn ionlar məhlula daxil olur (gel əsasən sudur) və diffuziya nəticəsində bütün istiqamətlərdə bərabər hərəkət edir, halbuki cazibə qüvvəsi faktiki olaraq heç bir təsir göstərmir. diffuziya dərəcəsi. Mayedə diffuziya çox yavaşdır: topun bir neçə santimetr böyüməsi üçün çoxlu saatlar lazımdır. Qazlarda diffuziya çox daha sürətli olur, amma yenə də hava qarışmasaydı, ətir və ya ammonyak qoxusu otaqda saatlarla yayılardı.
Brownian hərəkət nəzəriyyəsi: təsadüfi gedişlər.
Smoluchowski-Einstein nəzəriyyəsi həm diffuziya, həm də Broun hərəkətinin qanunlarını izah edir. Bu nümunələri diffuziya nümunəsindən istifadə edərək nəzərdən keçirə bilərik. Əgər molekulun sürəti u, sonra, düz bir xəttdə, zamanda hərəkət edir t məsafəyə gedəcək L = ut, lakin digər molekullarla toqquşma nəticəsində bu molekul düz xətt üzrə hərəkət etmir, davamlı olaraq hərəkət istiqamətini dəyişir. Əgər molekulun yolunu eskiz etmək mümkün olsaydı, Perrinin əldə etdiyi rəsmlərdən prinsipial olaraq heç bir fərqi olmazdı. Bu rəqəmlərdən aydın olur ki, xaotik hərəkət nəticəsində molekul bir məsafədə yerdəyişmişdir s, əhəmiyyətli dərəcədə azdır L. Bu kəmiyyətlər əlaqə ilə bağlıdır s= , burada l molekulun bir toqquşmadan digərinə uçduğu məsafə, orta sərbəst yoldur. Ölçmələr göstərdi ki, normal atmosfer təzyiqində hava molekulları üçün l ~ 0,1 μm, bu o deməkdir ki, 500 m/s sürətlə azot və ya oksigen molekulu məsafəni 10.000 saniyəyə (üç saatdan az) uçacaq. L= 5000 km və orijinal mövqedən yalnız dəyişəcək s= 0,7 m (70 sm), buna görə də maddələr qazlarda belə diffuziya səbəbindən çox yavaş hərəkət edir.
Diffuziya nəticəsində molekulun yolu (və ya Broun hissəciyinin yolu) təsadüfi gediş adlanır. Hazırcavab fiziklər bu ifadəni yenidən sərxoşun yerişi - “sərxoşun yolu” kimi şərh etdilər.Həqiqətən də zərrəciyin bir mövqedən digərinə hərəkəti (yaxud bir çox toqquşmalara məruz qalan molekulun yolu) sərxoş insanın hərəkətinə bənzəyir. bu bənzətmə həm də sadə bir nəticə çıxarmağa imkan verir ki, belə bir prosesin əsas tənliyi birölçülü hərəkət nümunəsinə əsaslanır və onu üçölçülüyə ümumiləşdirmək asandır.
Tutaq ki, sərxoş bir dənizçi gecə gec saatlarda meyxanadan çıxıb küçə ilə yola çıxdı. Ən yaxın fənərə gedən l yolu keçib, dincəldi və getdi... ya daha uzağa, növbəti fənərə, ya da geriyə, meyxanaya – axır ki, haradan gəldiyini xatırlamır. Sual budur ki, o, nə vaxtsa balqabağı tərk edəcək, yoxsa sadəcə onun ətrafında dolaşacaq, indi uzaqlaşacaq, indi ona yaxınlaşacaq? (Problemin başqa bir variantında isə küçənin hər iki başında küçə işıqlarının bitdiyi yerdə çirkli arxlar olduğu bildirilir və dənizçinin onlardan birinə düşməkdən yayına bilməyəcəyi soruşulur). İntuitiv olaraq ikinci cavabın düzgün olduğu görünür. Ancaq bu düzgün deyil: belə çıxır ki, dənizçi yalnız bir istiqamətdə getdiyindən daha yavaş olsa da, tədricən sıfır nöqtəsindən daha da uzaqlaşacaq. Bunu necə sübut etmək olar.
İlk dəfə ən yaxın lampaya (sağa və ya sola) keçən dənizçi bir məsafədə olacaq. s 1 = ± l başlanğıc nöqtəsindən. Bizi yalnız onun bu nöqtədən uzaqlığı maraqlandırır, istiqaməti yox, bu ifadəni kvadrata çəkərək işarələrdən xilas olacağıq: s 1 2 = l 2. Bir müddət sonra dənizçi artıq tamamladı N"gəzən", məsafədə olacaq
s N= əvvəldən. Və yenidən (bir istiqamətə) ən yaxın fənərə qədər məsafədə getdi s N+1 = s N± l və ya yerdəyişmə kvadratından istifadə edərək, s 2 N+1 = s 2 N± 2 s N l + l 2. Dənizçi bu hərəkəti dəfələrlə təkrar edərsə (dan Nəvvəl N+ 1), sonra orta hesablama nəticəsində (bərabər ehtimalla keçir N sağa və ya sola doğru addım), müddət ± 2 s N Mən ləğv edəcəyəm, buna görə də 2 N+1 = s2 N+ l 2> (bucaqlı mötərizələr orta dəyəri göstərir) L = 3600 m = 3,6 km, eyni zamanda sıfır nöqtəsindən yerdəyişmə yalnız bərabər olacaq s= = 190 m.Üç saatdan sonra keçəcək L= 10,8 km və sürüşəcək s= 330 m və s.
iş u Nəticədə düsturdakı l diffuziya əmsalı ilə müqayisə edilə bilər, İrlandiyalı fiziki və riyaziyyatçı Corc Qabriel Stokes (1819-1903) tərəfindən göstərildiyi kimi, hissəcik ölçüsündən və mühitin özlülüyündən asılıdır. Bənzər mülahizələrə əsaslanaraq, Eynşteyn öz tənliyini əldə etdi.
Real həyatda Brown hərəkəti nəzəriyyəsi.
Təsadüfi gedişlər nəzəriyyəsi mühüm praktik tətbiqlərə malikdir. Deyirlər ki, görməli yerlər (günəş, ulduzlar, magistral və ya dəmir yolunun səs-küyü və s.) olmadıqda, insan meşədə, qar fırtınası zamanı və ya qalın dumanda bir tarlada gəzir, həmişə öz yerinə qayıdır. orijinal yer. Əslində, o, dairələrdə deyil, molekulların və ya Brown hissəciklərinin təxminən eyni şəkildə hərəkət edir. O, orijinal yerinə qayıda bilər, ancaq təsadüfən. Amma onun yolunu dəfələrlə kəsir. Onlar həmçinin deyirlər ki, qar fırtınası zamanı donmuş insanlar ən yaxın yaşayış yerindən və ya yoldan “bir neçə kilometr” məsafədə tapılıb, amma əslində insanın bu kilometri qət etmək şansı yox idi və bunun səbəbi budur.
Bir insanın təsadüfi gəzintilər nəticəsində nə qədər dəyişəcəyini hesablamaq üçün l dəyərini bilmək lazımdır, yəni. bir insanın heç bir işarəsi olmayan düz bir xəttdə gedə biləcəyi məsafə. Bu dəyəri tələbə könüllülərinin köməyi ilə geologiya-mineralogiya elmləri doktoru B.S.Qorobets ölçmüşdür. O, əlbəttə ki, onları sıx meşədə və ya qarla örtülmüş meydançada qoymadı, hər şey daha sadə idi - tələbəni boş bir stadionun mərkəzinə yerləşdirdilər, gözlərini bağladılar və futbol meydançasının sonuna qədər getməyi xahiş etdilər. tam sükut (səslərlə oriyentasiyanı istisna etmək üçün). Məlum olub ki, şagird orta hesabla düz xətt üzrə cəmi 20 metrə yaxın yeriyib (ideal düz xəttdən kənara çıxma 5°-dən çox deyildi), sonra isə ilkin istiqamətdən getdikcə daha çox kənara çıxmağa başlayıb. Axırda kənara çatmaqdan uzaq dayandı.
İndi bir adam meşədə saatda 2 kilometr sürətlə getsin (daha doğrusu, gəzsin) (yol üçün bu çox yavaş, lakin sıx meşə üçün çox sürətli), onda l dəyəri 20 olarsa. metr, sonra bir saatda 2 km qət edəcək, lakin cəmi 200 m, iki saatda - təxminən 280 m, üç saatda - 350 m, 4 saatda - 400 m və s. və s. belə bir sürətdə bir adam 4 saatda 8 kilometr məsafəni qət edərdi, buna görə də çöl işləri üçün təhlükəsizlik təlimatlarında belə bir qayda var: əlamətlər itirildikdə, yerində qalmalı, sığınacaq qurmalı və sonunu gözləməlisiniz. pis hava (günəş çıxa bilər) və ya kömək üçün. Meşədə görməli yerlər - ağaclar və ya kollar - düz bir xəttdə hərəkət etməyə kömək edəcək və hər dəfə iki belə əlamətdardan yapışmaq lazımdır - biri qabaqda, digəri arxada. Ancaq təbii ki, ən yaxşısı özünüzlə kompas götürməkdir...
İlya Leenson
Ədəbiyyat:
Mario Liozzi. Fizika tarixi. M., Mir, 1970
Kerker M. Brown Hərəkatları və 1900-cü Əvvəlki Molekulyar Reallıq. Kimya Təhsili Jurnalı, 1974, cild. 51, № 12
Leenson I.A. Kimyəvi reaksiyalar. M., Astrel, 2002
Braunun kəşfi.
Şotlandiyalı botanik Robert Braun (bəzən onun soyadı Qəhvəyi kimi tərcümə olunur) sağlığında ən yaxşı bitki mütəxəssisi kimi “Botaniklərin Şahzadəsi” adını aldı. Çox gözəl kəşflər etdi. 1805-ci ildə Avstraliyaya dörd illik ekspedisiyadan sonra alimlərə məlum olmayan 4000-ə yaxın avstraliyalı bitki növünü İngiltərəyə gətirdi və uzun illər onları öyrənməyə sərf etdi. İndoneziya və Mərkəzi Afrikadan gətirilən bitkilərin təsviri. O, bitki fiziologiyasını öyrənmiş və ilk dəfə olaraq bitki hüceyrəsinin nüvəsini ətraflı təsvir etmişdir. Sankt-Peterburq Elmlər Akademiyası onu fəxri üzv elan edib. Amma alimin adı indi bu əsərlərə görə deyil, geniş şəkildə tanınır.
1827-ci ildə Braun bitki tozcuqları üzərində araşdırma apardı. O, xüsusilə polenin mayalanma prosesində necə iştirak etdiyi ilə maraqlanırdı. Bir dəfə mikroskop altında o, Şimali Amerika bitkisi Clarkia pulchella-nın polen hüceyrələrindən suda asılmış uzunsov sitoplazmatik taxılları araşdırdı. Qəfil Braun gördü ki, bir damla suda çətinliklə görünən ən xırda bərk dənələr daim titrəyir və yerdən yerə hərəkət edir. O, tapdı ki, bu hərəkətlər, öz sözləri ilə desək, "nə mayedəki axınlarla, ya da onun tədricən buxarlanması ilə əlaqəli deyil, hissəciklərin özünə xasdır".
Braunun müşahidəsi digər alimlər tərəfindən də təsdiqlənib. Ən kiçik hissəciklər özlərini canlı kimi aparırdılar və zərrəciklərin "rəqsi" artan temperatur və hissəcik ölçüsünün azalması ilə sürətlənir və suyu daha özlü bir mühitlə əvəz edərkən aydın şəkildə yavaşlayır. Bu heyrətamiz fenomen heç vaxt dayanmırdı: onu istədiyiniz qədər müşahidə etmək olardı. Əvvəlcə Braun hətta canlıların həqiqətən mikroskop sahəsinə düşdüyünü düşünürdü, xüsusən də polen bitkilərin kişi reproduktiv hüceyrələri olduğu üçün, lakin ölü bitkilərdən, hətta yüz il əvvəl herbariumlarda qurudulmuş bitkilərdən də hissəciklər var idi. Sonra Braun maraqlandı ki, bunlar 36 cildlik Təbiət Tarixi kitabının müəllifi, məşhur fransız təbiətşünası Georges Buffonun (1707-1788) danışdığı “canlıların elementar molekulları”dırmı? Braun cansız görünən cisimləri tədqiq etməyə başlayanda bu fərziyyə itdi; əvvəlcə çox kiçik kömür hissəcikləri, həmçinin London havasından çıxan his və toz, sonra incə üyüdülmüş qeyri-üzvi maddələr: şüşə, bir çox müxtəlif minerallar. "Aktiv molekullar" hər yerdə idi: "Hər mineralda," Braun yazırdı, "mən o dərəcədə toz halına gətirməyə müvəffəq oldum ki, bir müddət suda dayana bildim, mən az və ya çox miqdarda bu molekulları tapdım. ."
Demək lazımdır ki, Braunda ən son mikroskopların heç biri yox idi. Məqaləsində o, bir neçə il istifadə etdiyi adi bikonveks linzalarının olduğunu xüsusi vurğulayır. O, daha sonra deyir: “Bütün tədqiqat boyu ifadələrimə daha çox inanmaq və onları adi müşahidələr üçün mümkün qədər əlçatan etmək üçün işə başladığım linzalardan istifadə etməyə davam etdim”.
İndi Braunun müşahidəsini təkrarlamaq üçün çox güclü olmayan bir mikroskopun olması və ondan güclü işıq şüası ilə yan dəlikdən işıqlandırılmış qaralmış qutuda tüstünü yoxlamaq üçün istifadə etmək kifayətdir. Qazda bu fenomen maye ilə müqayisədə daha aydın şəkildə özünü göstərir: kiçik kül və ya his parçaları (tüstünün mənbəyindən asılı olaraq) görünür, işıq saçır və davamlı olaraq irəli-geri tullanır.
Elmdə tez-tez baş verdiyi kimi, uzun illər sonra tarixçilər aşkar etdilər ki, hələ 1670-ci ildə mikroskopun ixtiraçısı, hollandiyalı Antonie Leeuwenhoek, yəqin ki, oxşar bir hadisəni müşahidə etdi, lakin mikroskopların nadirliyi və qeyri-kamilliyi, o dövrdə molekulyar elmin embrion vəziyyəti. Leeuwenhoek-in müşahidəsinə diqqəti cəlb etmədi, buna görə də kəşf haqlı olaraq onu təfərrüatlı şəkildə öyrənən və təsvir edən ilk şəxs olan Brauna aid edilir.
Brown hərəkəti və atom-molekulyar nəzəriyyə.
Braunun müşahidə etdiyi fenomen tez bir zamanda geniş şəkildə tanındı. Özü də təcrübələrini çoxsaylı həmkarlarına göstərdi (Braun iki onlarla adı sadalayır). Ancaq nə Braunun özü, nə də bir çox başqa elm adamları uzun illər "Braun hərəkatı" adlanan bu sirli hadisəni izah edə bilmədilər. Hissəciklərin hərəkətləri tamamilə təsadüfi idi: onların mövqelərinin zamanın müxtəlif nöqtələrində (məsələn, hər dəqiqə) hazırlanmış eskizləri ilk baxışdan bu hərəkətlərdə hər hansı bir nümunə tapmağa imkan vermirdi.
Brown hərəkətinin (bu fenomen belə adlandırıldı) görünməz molekulların hərəkəti ilə izahı yalnız 19-cu əsrin son rübündə verildi, lakin bütün elm adamları tərəfindən dərhal qəbul edilmədi. 1863-cü ildə Karlsruedən (Almaniya) təsviri həndəsə müəllimi Lüdviq Kristian Viner (1826-1896) bu fenomenin görünməz atomların salınan hərəkətləri ilə əlaqəli olduğunu irəli sürdü. Bu, müasirdən çox uzaq olsa da, atomların və molekulların özlərinin xassələri ilə Broun hərəkətinin izahı idi. Wiener-in maddənin quruluşunun sirlərinə nüfuz etmək üçün bu fenomendən istifadə etmək fürsətini görməsi vacibdir. O, ilk dəfə Brown hissəciklərinin hərəkət sürətini və onların ölçüsündən asılılığını ölçməyə çalışdı. Maraqlıdır ki, 1921-ci ildə ABŞ Milli Elmlər Akademiyasının “Proceedings” jurnalında kibernetikanın məşhur banisi Norbertin başqa bir Vinerinin Broun hərəkəti haqqında əsər dərc edilmişdir.
L.K.Vienerin ideyaları bir sıra alimlər - Avstriyada Ziqmund Ekner (və 33 il sonra onun oğlu Feliks), İtaliyada Covanni Kantoni, Almaniyada Karl Vilhelm Negeli, Fransada Lui Georges Qou, üç belçikalı keşiş tərəfindən qəbul edilmiş və inkişaf etdirilmişdir. - Yezuitlər Carbonelli, Delso və Tirion və başqaları. Bu alimlər arasında sonradan məşhur ingilis fiziki və kimyaçısı Uilyam Ramsey də var idi. Tədricən məlum oldu ki, ən kiçik maddə dənəcikləri hər tərəfdən daha kiçik hissəciklər tərəfindən vurulur, onlar artıq mikroskopda görünmür - necə ki, uzaq bir gəmini yelləyən dalğalar sahildən görünmür, qayığın hərəkətləri isə özü olduqca aydın görünür. 1877-ci ildə məqalələrin birində yazdıqları kimi, “...böyük ədədlər qanunu artıq toqquşmaların təsirini orta vahid təzyiqə endirə bilməz; onların nəticəsi artıq sıfıra bərabər olmayacaq, lakin davamlı olaraq öz istiqamətini dəyişəcək və böyüklüyü."
Keyfiyyətcə, şəkil olduqca inandırıcı və hətta vizual idi. Kiçik bir budaq və ya bir böcək təxminən eyni şəkildə hərəkət etməlidir, bir çox qarışqa tərəfindən müxtəlif istiqamətlərə itələnməlidir (və ya çəkilməlidir). Bu kiçik hissəciklər əslində elm adamlarının lüğətində idi, lakin heç kim onları görməmişdi. Onlar molekullar adlanırdı; Latın dilindən tərcümədə bu söz "kiçik kütlə" deməkdir. Təəccüblüdür ki, Roma filosofu Titus Lucretius Carus (e.ə. 99-55-ci illər) "Əşyaların təbiəti haqqında" adlı məşhur poemasında oxşar hadisəyə məhz belə izahat verir. Orada o, gözə görünməyən ən kiçik hissəcikləri şeylərin “ilkin prinsipləri” adlandırır.
Şeylərin prinsipləri əvvəlcə özləri hərəkət edir,
Onların ardınca ən kiçik birləşmələrindən olan cisimlər,
Güc baxımından ilkin prinsiplərə yaxınlaşın,
Onlardan gizlənərək, sarsıntılar alaraq səy göstərməyə başlayırlar,
Özlərini hərəkət etməyə, daha sonra daha böyük cisimləri təşviq edirlər.
Beləliklə, başlanğıcdan başlayaraq, yavaş-yavaş hərəkət
Hisslərimizə toxunur və görünən olur
Bizə və günəş işığında hərəkət edən toz ləkələrinə,
Baş verən sarsıntılar hiss olunmasa da...
Sonradan məlum oldu ki, Lucretius səhv edir: Brown hərəkətini çılpaq gözlə müşahidə etmək mümkün deyil və havanın burulğan hərəkətləri səbəbindən qaranlıq otağa nüfuz edən günəş şüasındakı toz hissəcikləri "rəqs edir". Ancaq zahirən hər iki fenomenin bəzi oxşarlıqları var. Və yalnız 19-cu əsrdə. Bir çox alimlərə məlum oldu ki, Broun hissəciklərinin hərəkəti mühitin molekullarının təsadüfi təsirləri nəticəsində baş verir. Hərəkət edən molekullar suda olan toz hissəcikləri və digər bərk hissəciklərlə toqquşur. Temperatur nə qədər yüksək olarsa, hərəkət daha sürətli olur. Əgər toz zərrəsi böyükdürsə, məsələn, 0,1 mm ölçüsündədirsə (diametri su molekulununkindən milyon dəfə böyükdür), onda ona hər tərəfdən eyni vaxtda bir çox təsirlər qarşılıqlı balanslaşdırılmışdır və praktiki olaraq deyil. Onları "hiss edin" - təxminən bir boşqab ölçüsündə bir taxta parçası kimi, onu müxtəlif istiqamətlərə çəkəcək və ya itələyən bir çox qarışqanın səylərini "hiss etməyəcək". Toz hissəcikləri nisbətən kiçikdirsə, ətrafdakı molekulların təsirinin təsiri altında bu və ya digər istiqamətdə hərəkət edəcək.
Brownian hissəciklərinin ölçüsü 0,1-1 mkm təşkil edir, yəni. millimetrin mində birindən on mində birinə qədər, buna görə də Braun onların hərəkətini ayırd edə bildi, çünki o, tozcuqların özünə deyil, xırda sitoplazmatik dənələrə baxırdı (çox vaxt bu barədə səhvən yazılır). Problem polen hüceyrələrinin çox böyük olmasıdır. Beləliklə, küləklə daşınan və insanlarda allergik xəstəliklərə səbəb olan çəmən otu polenində (ot qızdırması) hüceyrə ölçüsü adətən 20 - 50 mikron diapazonunda olur, yəni. Brown hərəkətini müşahidə etmək üçün çox böyükdürlər. Onu da qeyd etmək lazımdır ki, Broun zərrəciyinin fərdi hərəkətləri çox tez-tez və çox qısa məsafələrdə baş verir, belə ki, onları görmək qeyri-mümkündür, lakin mikroskop altında müəyyən vaxt ərzində baş vermiş hərəkətlər görünür.
Belə görünür ki, Brown hərəkətinin mövcudluğu faktı maddənin molekulyar quruluşunu birmənalı şəkildə sübut etdi, lakin hətta 20-ci əsrin əvvəllərində. Molekulların varlığına inanmayan alimlər, o cümlədən fiziklər və kimyaçılar var idi. Atom-molekulyar nəzəriyyə yavaş-yavaş və çətinliklə tanındı. Beləliklə, aparıcı fransız üzvi kimyaçısı Marselin Berthelot (1827-1907) yazırdı: "Bizim biliklərimiz nöqteyi-nəzərindən molekul anlayışı qeyri-müəyyəndir, başqa bir anlayış - atom isə sırf hipotetikdir." Məşhur fransız kimyaçısı A. Saint-Clair Deville (1818-1881) daha aydın danışdı: “Mən nə Avoqadro qanununu, nə atomu, nə də molekulu qəbul etmirəm, çünki nə görə bildiyim, nə də müşahidə etdiyim şeylərə inanmaqdan imtina edirəm. ” Alman fiziki kimyaçısı Vilhelm Ostvald (1853-1932), Nobel mükafatı laureatı, fiziki kimyanın banilərindən biri, hələ 20-ci əsrin əvvəllərində. atomların varlığını qətiyyətlə inkar edirdi. O, üç cildlik kimya dərsliyi yazmağa müvəffəq olub, orada “atom” sözünün heç xatırlanması belə olub. 19 aprel 1904-cü ildə Kral İnstitutunda İngilis Kimya Cəmiyyətinin üzvləri qarşısında geniş bir hesabatla çıxış edən Ostvald atomların olmadığını sübut etməyə çalışdı və “maddə dediyimiz şey yalnız müəyyən bir mühitdə toplanmış enerjilər toplusudur. yer.”
Lakin molekulyar nəzəriyyəni qəbul edən fiziklər belə, atom-molekulyar nəzəriyyənin doğruluğunun bu qədər sadə yolla sübuta yetirildiyinə inana bilmədilər, buna görə də hadisəni izah etmək üçün müxtəlif alternativ səbəblər irəli sürüldü. Və bu, tamamilə elmin ruhuna uyğundur: fenomenin səbəbi birmənalı şəkildə müəyyən edilənə qədər, müxtəlif fərziyyələr irəli sürmək mümkündür (hətta zəruridir), mümkünsə, eksperimental və ya nəzəri cəhətdən sınaqdan keçirilməlidir. Belə ki, hələ 1905-ci ildə Sankt-Peterburqlu fizika professoru, məşhur akademik A.F.İoffenin müəllimi N.A.Gezehusun “Brockhaus və Efron Ensiklopedik Lüğəti”ndə kiçik məqaləsi dərc edilmişdir. Gesehus yazırdı ki, bəzi elm adamlarına görə, Brown hərəkəti "işıq və ya istilik şüalarının mayedən keçməsi" nəticəsində yaranır və "mayenin içərisində molekulların hərəkəti ilə heç bir əlaqəsi olmayan sadə axınlara" qədər qaynayır və bu axınlar. “buxarlanma, diffuziya və digər səbəblərdən” yarana bilər. Axı, toz hissəciklərinin havada çox oxşar hərəkətinə məhz burulğan axınları səbəb olduğu artıq məlum idi. Lakin Gesehusun verdiyi izahı eksperimental olaraq asanlıqla təkzib etmək olar: güclü mikroskopla bir-birinə çox yaxın yerləşən iki Broun hissəciklərinə baxsanız, onların hərəkətləri tamamilə müstəqil olacaq. Əgər bu hərəkətlər mayedəki hər hansı axınlardan qaynaqlanırsa, o zaman belə qonşu zərrəciklər birləşərək hərəkət edərdilər.
Brownian hərəkət nəzəriyyəsi.
20-ci əsrin əvvəllərində. əksər alimlər Brown hərəkətinin molekulyar təbiətini başa düşürdülər. Lakin bütün izahatlar sırf keyfiyyət baxımından qaldı; heç bir kəmiyyət nəzəriyyəsi eksperimental sınaqlara tab gətirə bilmədi. Bundan əlavə, eksperimental nəticələrin özləri də qeyri-müəyyən idi: fasiləsiz tələskən hissəciklərin fantastik tamaşası eksperimentçiləri hipnoz etdi və onlar fenomenin hansı xüsusiyyətlərini ölçmək lazım olduğunu dəqiq bilmirdilər.
Görünən tam pozğunluğa baxmayaraq, Brown hissəciklərinin təsadüfi hərəkətlərini riyazi əlaqə ilə təsvir etmək hələ də mümkün idi. İlk dəfə Broun hərəkətinin ciddi izahı 1904-cü ildə həmin illərdə Lvov Universitetində işləyən polşalı fizik Marian Smoluchovski (1872-1917) tərəfindən verilmişdir. Eyni zamanda, bu fenomenin nəzəriyyəsi İsveçrənin Bern şəhərinin Patent İdarəsində o zaman az tanınan 2-ci dərəcəli ekspert Albert Eynşteyn (1879-1955) tərəfindən hazırlanmışdır. Onun 1905-ci ilin mayında Almaniyanın Annalen der Physik jurnalında dərc olunmuş məqaləsi İstiliyin molekulyar kinetik nəzəriyyəsinin tələb etdiyi, sükunətdə olan mayedə asılı vəziyyətdə olan hissəciklərin hərəkəti haqqında başlıqlı idi. Eynşteyn bu adla maddənin quruluşunun molekulyar kinetik nəzəriyyəsinin mayelərdə ən kiçik bərk hissəciklərin təsadüfi hərəkətinin mövcudluğunu mütləq nəzərdə tutduğunu göstərmək istəyirdi.
Maraqlıdır ki, bu məqalənin lap əvvəlində Eynşteyn fenomenin özü ilə səthi də olsa tanış olduğunu yazır: “Mümkündür ki, sözügedən hərəkətlər Broun molekulyar hərəkəti deyilən hərəkətlə eynidir, lakin mövcud məlumatlar Sonuncularla bağlı mənim fikrim o qədər qeyri-dəqiqdir ki, bunun qəti bir fikir olduğunu ifadə edə bilmədim”. Və onilliklər sonra, artıq ömrünün sonlarında, Eynşteyn öz xatirələrində fərqli bir şey yazdı - Brownian hərəkəti haqqında ümumiyyətlə bilmədiyi və əslində onu sırf nəzəri olaraq "yenidən kəşf etdi": "Braun hərəkəti" ilə bağlı müşahidələrin çoxdan olduğunu bilmədən Məlum olduğu kimi, mən atom nəzəriyyəsinin mikroskopik asılı hissəciklərin müşahidə edilə bilən hərəkətinin mövcudluğuna gətirib çıxardığını kəşf etdim." Nə olursa olsun, Eynşteynin nəzəri məqaləsi öz nəticələrini eksperimental olaraq yoxlamaq üçün eksperimentatorlara birbaşa çağırışla başa çatdı: "Əgər hər hansı bir tədqiqatçı tezliklə cavab verə bilsəydi. burada qaldırılan suallar!" – yazısını belə qeyri-adi nida ilə bitirir.
Eynşteynin ehtiraslı müraciətinin cavabı özünü çox gözlətmədi.
Smoluçovski-Eynşteyn nəzəriyyəsinə görə, t zamanında Broun hissəciyinin (s2) kvadrat yerdəyişməsinin orta qiyməti T temperaturu ilə düz mütənasibdir və mayenin özlülüyünə h, hissəcik ölçüsü r və Avoqadro sabiti ilə tərs mütənasibdir.
NA: s2 = 2RTt/6phrNA,
Burada R qaz sabitidir. Belə ki, 1 dəqiqə ərzində diametri 1 mkm olan hissəcik 10 mkm hərəkət edirsə, 9 dəqiqədə - 10 = 30 μm, 25 dəqiqədə - 10 = 50 μm və s. Oxşar şəraitdə eyni vaxt ərzində (1, 9 və 25 dəq) diametri 0,25 mkm olan hissəcik = 2 olduğundan müvafiq olaraq 20, 60 və 100 mkm hərəkət edəcək. Yuxarıdakı düsturun daxil olması vacibdir. Fransız fiziki Jan Batist Perrin (1870-1942) tərəfindən aparılan Broun hissəciyinin hərəkətinin kəmiyyət ölçüləri ilə müəyyən edilə bilən Avoqadro sabiti.
1908-ci ildə Perrin mikroskop altında Broun hissəciklərinin hərəkətini kəmiyyətcə müşahidə etməyə başladı. O, 1902-ci ildə icad edilmiş ultramikroskopdan istifadə etdi ki, bu da güclü yan işıqlandırıcıdan onlara işığı səpərək ən kiçik hissəcikləri aşkar etməyə imkan verdi. Perrin saqqızdan, bəzi tropik ağacların qatılaşdırılmış şirəsindən (sarı akvarel boyası kimi də istifadə olunur) demək olar ki, sferik formalı və təxminən eyni ölçülü kiçik toplar əldə etdi. Bu kiçik muncuqlar 12% su ehtiva edən qliserolda dayandırılıb; viskoz maye, şəkli bulandıran daxili axınların görünməsinə mane oldu. Saniyəölçənlə silahlanmış Perrin müəyyən fasilələrlə, məsələn, hər yarım dəqiqədə bir qrafikli vərəqdə hissəciklərin mövqeyini qeyd etdi və sonra eskizini (əlbəttə ki, çox böyüdülmüş miqyasda) çəkdi. Yaranan nöqtələri düz xətlərlə birləşdirərək, o, mürəkkəb trayektoriyalar əldə etdi, onlardan bəziləri şəkildə göstərilmişdir (onlar Perrinin 1920-ci ildə Parisdə nəşr olunmuş Atomiya kitabından götürülmüşdür). Zərrəciklərin belə xaotik, nizamsız hərəkəti onların kosmosda kifayət qədər yavaş hərəkət etməsinə səbəb olur: seqmentlərin cəmi birinci nöqtədən sonuncuya qədər hissəciyin yerdəyişməsindən qat-qat çoxdur. 
Üç Brownian hissəciklərinin hər 30 saniyədə ardıcıl mövqeləri - təxminən 1 mikron ölçüsündə saqqız topları. Bir hüceyrə 3 µm məsafəyə uyğundur.
Üç Brownian hissəciklərinin hər 30 saniyədə ardıcıl mövqeləri - təxminən 1 mikron ölçüsündə saqqız topları. Bir hüceyrə 3 µm məsafəyə uyğundur. Əgər Perrin Braun hissəciklərinin mövqeyini 30-dan sonra deyil, 3 saniyədən sonra müəyyən edə bilsəydi, onda hər bir qonşu nöqtə arasındakı düz xətlər yalnız daha kiçik miqyasda eyni mürəkkəb ziqzaq qırıq xəttinə çevrilərdi.
Nəzəri düsturdan və onun nəticələrindən istifadə edərək Perrin o zaman üçün Avoqadro nömrəsi üçün kifayət qədər dəqiq qiymət əldə etdi: 6.8.1023. Perrin həmçinin Broun hissəciklərinin şaquli paylanmasını öyrənmək üçün mikroskopdan istifadə etdi (bax: AVOQADRO QANUNU) və cazibə qüvvəsinin təsirinə baxmayaraq, onların məhlulda asılı vəziyyətdə qaldığını göstərdi. Perrinin digər mühüm əsərləri də var. 1895-ci ildə o, katod şüalarının mənfi elektrik yükləri (elektron) olduğunu sübut etdi və 1901-ci ildə ilk dəfə atomun planetar modelini təklif etdi. 1926-cı ildə fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görülüb.
Perrinin əldə etdiyi nəticələr Eynşteynin nəzəri nəticələrini təsdiqlədi. Güclü təəssürat yaratdı. Amerikalı fizik A.Pais uzun illər sonra yazdığı kimi, “belə sadə üsulla əldə edilən bu nəticəyə heyran olmaqdan əl çəkmirsiniz: ölçüsü ilə müqayisədə ölçüsü böyük olan toplardan asma hazırlamaq kifayətdir. Sadə molekullardan ibarət, bir saniyəölçən və mikroskop götürün və Avoqadro sabitini təyin edə bilərsiniz!” Bir də təəccüblənə bilər: Brown hərəkəti ilə bağlı yeni təcrübələrin təsvirləri hələ də elmi jurnallarda (Nature, Science, Journal of Chemical Education) dərc olunur! Perrinin nəticələri dərc edildikdən sonra atomizmin keçmiş əleyhdarı olan Ostvald etiraf etdi ki, “Broun hərəkətinin kinetik fərziyyənin tələbləri ilə üst-üstə düşməsi... indi ən ehtiyatlı alimə atom nəzəriyyəsinin eksperimental sübutu haqqında danışmaq hüququ verir. maddənin. Beləliklə, atom nəzəriyyəsi elmi, əsaslı nəzəriyyə dərəcəsinə yüksəldi”. Onu fransız riyaziyyatçısı və fiziki Anri Puankare də təkrarlayır: “Perrin tərəfindən atomların sayını parlaq şəkildə təyin etməsi atomizmin qələbəsini tamamladı... Kimyaçıların atomu indi reallığa çevrildi”.
Brownian hərəkət və diffuziya.
Brown hissəciklərinin hərəkəti zahirən ayrı-ayrı molekulların istilik hərəkəti nəticəsində hərəkətinə çox bənzəyir. Bu hərəkət diffuziya adlanır. Smoluxovski və Eynşteynin işindən əvvəl də maddənin qaz halının ən sadə halda molekulyar hərəkət qanunları qurulmuşdu. Məlum oldu ki, qazlardakı molekullar çox sürətlə - bir güllə sürətində hərəkət edirlər, lakin çox vaxt digər molekullarla toqquşduqları üçün uzağa uça bilmirlər. Məsələn, havada orta hesabla 500 m/s sürətlə hərəkət edən oksigen və azot molekulları saniyədə bir milyarddan çox toqquşma yaşayır. Deməli, molekulun yolu, əgər onu izləmək mümkün olsaydı, mürəkkəb bir qırıq xətt olardı. Brown hissəcikləri də müəyyən vaxt intervallarında mövqeləri qeydə alınırsa, oxşar trayektoriyanı təsvir edir. Həm diffuziya, həm də Broun hərəkəti molekulların xaotik istilik hərəkətinin nəticəsidir və buna görə də oxşar riyazi əlaqələrlə təsvir olunur. Fərq ondadır ki, qazlardakı molekullar digər molekullarla toqquşana qədər düz xətt üzrə hərəkət edir, sonra isə istiqamət dəyişir. Brown hissəciyi, bir molekuldan fərqli olaraq, heç bir "sərbəst uçuşlar" həyata keçirmir, lakin çox tez-tez kiçik və qeyri-müntəzəm "sarsıntılar" yaşayır, nəticədə xaotik olaraq bu və ya digər istiqamətə dəyişir. Hesablamalar göstərdi ki, ölçüsü 0,1 µm olan hissəcik üçün bir hərəkət saniyənin milyardda üçdə birində cəmi 0,5 nm (1 nm = 0,001 µm) məsafədə baş verir. Müəlliflərdən birinin düzgün dediyi kimi, bu, insanların toplaşdığı meydanda boş pivə qabını hərəkət etdirməyi xatırladır.
Diffuziyanı müşahidə etmək Brown hərəkətindən daha asandır, çünki onun üçün mikroskop tələb olunmur: hərəkətlər ayrı-ayrı hissəciklərin deyil, onların nəhəng kütlələrinin müşahidəsi ilə müşahidə olunur, sadəcə olaraq diffuziyanın konveksiya ilə üst-üstə düşməməsini təmin etmək lazımdır - maddənin qarışığı. burulğan axınlarının nəticəsi (bu cür axınları asanlıqla müşahidə etmək olur, bir stəkan isti suya mürəkkəb kimi rəngli məhlulun damcısını qoyur).
Diffuziya qalın gellərdə müşahidə etmək üçün əlverişlidir. Belə bir gel, məsələn, penisilin qabında 4-5% jelatin məhlulu hazırlanaraq hazırlana bilər. Jelatin əvvəlcə bir neçə saat şişməlidir, sonra banka isti suya endirilərək qarışdırılaraq tamamilə həll edilir. Soyuduqdan sonra şəffaf, az buludlu kütlə şəklində axmayan bir gel əldə edilir. Kəskin cımbızlardan istifadə edərək, bu kütlənin mərkəzinə kiçik bir kalium permanganat kristalını ("kalium permanganat") diqqətlə daxil etsəniz, jel onun düşməsinin qarşısını aldığı üçün kristal qaldığı yerdə asılı qalacaq. Bir neçə dəqiqə ərzində kristalın ətrafında bənövşəyi rəngli bir top böyüməyə başlayacaq, zaman keçdikcə bankanın divarları şəklini pozana qədər böyüyür və böyüyür. Eyni nəticəni mis sulfat kristalından istifadə etməklə əldə etmək olar, yalnız bu halda top bənövşəyi deyil, mavi olacaq.
Topun nə üçün çıxdığı aydındır: kristalın həlli zamanı əmələ gələn MnO4- ionları məhlula daxil olur (gel əsasən sudur) və diffuziya nəticəsində bütün istiqamətlərdə bərabər şəkildə hərəkət edir, cazibə qüvvəsi isə praktiki olaraq heç bir təsir göstərmir. diffuziya sürəti üzrə. Mayedə diffuziya çox yavaşdır: topun bir neçə santimetr böyüməsi üçün çoxlu saatlar lazımdır. Qazlarda diffuziya çox daha sürətli olur, amma yenə də hava qarışmasaydı, ətir və ya ammonyak qoxusu otaqda saatlarla yayılardı.
Brownian hərəkət nəzəriyyəsi: təsadüfi gedişlər.
Smoluchowski-Einstein nəzəriyyəsi həm diffuziya, həm də Broun hərəkətinin qanunlarını izah edir. Bu nümunələri diffuziya nümunəsindən istifadə edərək nəzərdən keçirə bilərik. Əgər molekulun sürəti u-dursa, o zaman düz xətt üzrə hərəkət edərək t zamanında L = ut məsafəsini qət edəcək, lakin digər molekullarla toqquşma nəticəsində bu molekul düz xətt üzrə hərəkət etmir, davamlı olaraq dəyişir. onun hərəkət istiqaməti. Əgər molekulun yolunu eskiz etmək mümkün olsaydı, Perrinin əldə etdiyi rəsmlərdən prinsipial olaraq heç bir fərqi olmazdı. Bu cür rəqəmlərdən aydın olur ki, xaotik hərəkətə görə molekul L-dən əhəmiyyətli dərəcədə az olan s məsafəsi ilə yerdəyişmişdir. Bu kəmiyyətlər s = əlaqəsi ilə bağlıdır, burada l molekulun bir toqquşmadan uçduğu məsafədir. başqa, orta sərbəst yol. Ölçmələr göstərdi ki, normal atmosfer təzyiqində l ~ 0,1 μm olan hava molekulları üçün bu o deməkdir ki, 500 m/s sürətlə azot və ya oksigen molekulu 10.000 saniyəyə (üç saatdan az) L = 5000 km məsafədə uçacaq və ilkin mövqedən yerdəyişmə yalnız s = 0,7 m (70 sm) təşkil edir, buna görə də qazlarda belə maddələr diffuziya səbəbindən belə yavaş hərəkət edir.
Diffuziya nəticəsində molekulun yolu (və ya Broun hissəciyinin yolu) təsadüfi gediş adlanır. Hazırcavab fiziklər bu ifadəni yenidən sərxoşun yerişi - “sərxoşun yolu” kimi şərh etdilər.Həqiqətən də zərrəciyin bir mövqedən digərinə hərəkəti (yaxud bir çox toqquşmalara məruz qalan molekulun yolu) sərxoş insanın hərəkətinə bənzəyir. bu bənzətmə həm də sadə bir nəticə çıxarmağa imkan verir ki, belə bir prosesin əsas tənliyi birölçülü hərəkət nümunəsinə əsaslanır və onu üçölçülüyə ümumiləşdirmək asandır.
Tutaq ki, sərxoş bir dənizçi gecə gec saatlarda meyxanadan çıxıb küçə ilə yola çıxdı. Ən yaxın fənərə gedən l yolu keçib, dincəldi və getdi... ya daha uzağa, növbəti fənərə, ya da geriyə, meyxanaya – axır ki, haradan gəldiyini xatırlamır. Sual budur ki, o, nə vaxtsa balqabağı tərk edəcək, yoxsa sadəcə onun ətrafında dolaşacaq, indi uzaqlaşacaq, indi ona yaxınlaşacaq? (Problemin başqa bir variantında isə küçənin hər iki başında küçə işıqlarının bitdiyi yerdə çirkli arxlar olduğu bildirilir və dənizçinin onlardan birinə düşməkdən yayına bilməyəcəyi soruşulur). İntuitiv olaraq ikinci cavabın düzgün olduğu görünür. Ancaq bu düzgün deyil: belə çıxır ki, dənizçi yalnız bir istiqamətdə getdiyindən daha yavaş olsa da, tədricən sıfır nöqtəsindən daha da uzaqlaşacaq. Bunu necə sübut etmək olar.
İlk dəfə ən yaxın fənərə (sağa və ya sola) getdikdən sonra dənizçi başlanğıc nöqtəsindən s1 = ± l məsafədə özünü tapacaq. Bizi yalnız onun bu nöqtədən uzaqlığı maraqlandırır, istiqaməti yox, bu ifadəni kvadratlaşdırmaqla işarələrdən xilas olacağıq: s12 = l2. Bir müddət sonra, artıq N "sərgərdan" başa çatan dənizçi bir məsafədə olacaq
SN = başlanğıcdan. Və yenidən (bir istiqamətdə) ən yaxın lampaya keçərək, sN+1 = sN ± l məsafədə və ya yerdəyişmə kvadratından istifadə edərək, s2N+1 = s2N ±2sN l + l2. Dənizçi bu hərəkəti dəfələrlə təkrar edərsə (N-dən N + 1-ə qədər), onda orta hesablama nəticəsində (bərabər ehtimalla sağa və ya sola N-ci addım atır) ±2sNl termini azalacaq, beləliklə. ki (bucaqlı mötərizələr orta dəyəri göstərir).
s12 = l2 olduğundan
S22 = s12 + l2 = 2l2, s32 = s22 + l2 = 3ll2 və s., yəni. s2N = Nl2 və ya sN =l. Qatılan ümumi məsafə L həm dənizçinin sürətinin və səyahət vaxtının hasili (L = ut), həm də gəzintilərin sayı ilə fənərlər arasındakı məsafənin (L = Nl) hasili kimi yazıla bilər, buna görə də ut = Nl, buradan N = ut/l və nəhayət sN =. Beləliklə, dənizçinin (həmçinin molekulun və ya Broun hissəciyinin) yerdəyişməsinin zamandan asılılığını əldə edirik. Məsələn, fənərlər arasında 10 m məsafə varsa və dənizçi 1 m/s sürətlə gedirsə, bir saatdan sonra onun ümumi yolu L = 3600 m = 3,6 km olacaq, bu zaman sıfır nöqtəsindən yerdəyişmə eyni vaxt yalnız s = = 190 m olacaq.Üç saat ərzində L = 10,8 km yol qət edəcək və s = 330 m sürüşəcək və s.
Alınan düsturdakı ul məhsulu diffuziya əmsalı ilə müqayisə oluna bilər ki, bu da İrlandiyalı fizik və riyaziyyatçı Corc Qabriel Stokes (1819-1903) tərəfindən göstərildiyi kimi, hissəcik ölçüsündən və mühitin özlülüyündən asılıdır. Bənzər mülahizələrə əsaslanaraq, Eynşteyn öz tənliyini əldə etdi.
Real həyatda Brown hərəkəti nəzəriyyəsi.
Təsadüfi gedişlər nəzəriyyəsi mühüm praktik tətbiqlərə malikdir. Deyirlər ki, görməli yerlər (günəş, ulduzlar, magistral və ya dəmir yolunun səs-küyü və s.) olmadıqda, insan meşədə, qar fırtınası zamanı və ya qalın dumanda bir tarlada gəzir, həmişə öz yerinə qayıdır. orijinal yer. Əslində, o, dairələrdə deyil, molekulların və ya Brown hissəciklərinin təxminən eyni şəkildə hərəkət edir. O, orijinal yerinə qayıda bilər, ancaq təsadüfən. Amma onun yolunu dəfələrlə kəsir. Onlar həmçinin deyirlər ki, qar fırtınası zamanı donmuş insanlar ən yaxın yaşayış yerindən və ya yoldan “bir neçə kilometr” məsafədə tapılıb, amma əslində insanın bu kilometri qət etmək şansı yox idi və bunun səbəbi budur.
Bir insanın təsadüfi gəzintilər nəticəsində nə qədər dəyişəcəyini hesablamaq üçün l dəyərini bilmək lazımdır, yəni. bir insanın heç bir işarəsi olmayan düz bir xəttdə gedə biləcəyi məsafə. Bu dəyəri tələbə könüllülərinin köməyi ilə geologiya-mineralogiya elmləri doktoru B.S.Qorobets ölçmüşdür. O, əlbəttə ki, onları sıx meşədə və ya qarla örtülmüş meydançada qoymadı, hər şey daha sadə idi - tələbəni boş bir stadionun mərkəzinə yerləşdirdilər, gözlərini bağladılar və futbol meydançasının sonuna qədər getməyi xahiş etdilər. tam sükut (səslərlə oriyentasiyanı istisna etmək üçün). Məlum olub ki, şagird orta hesabla düz xətt üzrə cəmi 20 metrə yaxın yeriyib (ideal düz xəttdən kənara çıxma 5°-dən çox deyildi), sonra isə ilkin istiqamətdən getdikcə daha çox kənara çıxmağa başlayıb. Axırda kənara çatmaqdan uzaq dayandı.
İndi bir adam meşədə saatda 2 kilometr sürətlə getsin (daha doğrusu, gəzsin) (yol üçün bu çox yavaş, lakin sıx meşə üçün çox sürətli), onda l dəyəri 20 olarsa. metr, sonra bir saatda 2 km qət edəcək, lakin cəmi 200 m, iki saatda - təxminən 280 m, üç saatda - 350 m, 4 saatda - 400 m və s. və s. belə bir sürətdə bir adam 4 saatda 8 kilometr məsafəni qət edərdi, buna görə də çöl işləri üçün təhlükəsizlik təlimatlarında belə bir qayda var: əlamətlər itirildikdə, yerində qalmalı, sığınacaq qurmalı və sonunu gözləməlisiniz. pis hava (günəş çıxa bilər) və ya kömək üçün. Meşədə görməli yerlər - ağaclar və ya kollar - düz bir xəttdə hərəkət etməyə kömək edəcək və hər dəfə iki belə əlamətdardan yapışmaq lazımdır - biri qabaqda, digəri arxada. Ancaq təbii ki, ən yaxşısı özünüzlə kompas götürməkdir...
Şotlandiyalı botanik Robert Braun (bəzən onun soyadı Qəhvəyi kimi tərcümə olunur) sağlığında ən yaxşı bitki mütəxəssisi kimi “Botaniklərin Şahzadəsi” adını aldı. Çox gözəl kəşflər etdi. 1805-ci ildə Avstraliyaya dörd illik ekspedisiyadan sonra alimlərə məlum olmayan 4000-ə yaxın avstraliyalı bitki növünü İngiltərəyə gətirdi və uzun illər onları öyrənməyə sərf etdi. İndoneziya və Mərkəzi Afrikadan gətirilən bitkilərin təsviri. O, bitki fiziologiyasını öyrənmiş və ilk dəfə olaraq bitki hüceyrəsinin nüvəsini ətraflı təsvir etmişdir. Sankt-Peterburq Elmlər Akademiyası onu fəxri üzv elan edib. Amma alimin adı indi bu əsərlərə görə deyil, geniş şəkildə tanınır.
1827-ci ildə Braun bitki tozcuqları üzərində araşdırma apardı. O, xüsusilə polenin mayalanma prosesində necə iştirak etdiyi ilə maraqlanırdı. Bir dəfə Şimali Amerika bitkisinin polen hüceyrələrinə mikroskop altında baxdı. Clarkia pulchella(yaxşı clarkia) suda asılmış uzanmış sitoplazmatik taxıllar. Qəfil Braun gördü ki, bir damla suda çətinliklə görünən ən xırda bərk dənələr daim titrəyir və yerdən yerə hərəkət edir. O, tapdı ki, bu hərəkətlər, öz sözləri ilə desək, "nə mayedəki axınlarla, ya da onun tədricən buxarlanması ilə əlaqəli deyil, hissəciklərin özünə xasdır".
Braunun müşahidəsi digər alimlər tərəfindən də təsdiqlənib. Ən kiçik hissəciklər özlərini canlı kimi aparırdılar və zərrəciklərin "rəqsi" artan temperatur və hissəcik ölçüsünün azalması ilə sürətlənir və suyu daha özlü bir mühitlə əvəz edərkən aydın şəkildə yavaşlayır. Bu heyrətamiz fenomen heç vaxt dayanmırdı: onu istədiyiniz qədər müşahidə etmək olardı. Əvvəlcə Braun hətta canlıların həqiqətən mikroskop sahəsinə düşdüyünü düşünürdü, xüsusən də polen bitkilərin kişi reproduktiv hüceyrələri olduğu üçün, lakin ölü bitkilərdən, hətta yüz il əvvəl herbariumlarda qurudulmuş bitkilərdən də hissəciklər var idi. Sonra Braun fikirləşdi ki, bunlar haqqında 36 cildlik kitabın müəllifi olan məşhur fransız təbiətşünası Georges Buffon (1707-1788) danışdığı “canlıların elementar molekulları”dırmı? Təbii Tarix. Braun cansız görünən cisimləri tədqiq etməyə başlayanda bu fərziyyə itdi; əvvəlcə çox kiçik kömür hissəcikləri, həmçinin London havasından çıxan his və toz, sonra incə üyüdülmüş qeyri-üzvi maddələr: şüşə, bir çox müxtəlif minerallar. "Aktiv molekullar" hər yerdə idi: "Hər mineralda," Braun yazırdı, "mən o dərəcədə toz halına gətirməyə müvəffəq oldum ki, bir müddət suda dayana bildim, mən az və ya çox miqdarda bu molekulları tapdım. ."
Demək lazımdır ki, Braunda ən son mikroskopların heç biri yox idi. Məqaləsində o, bir neçə il istifadə etdiyi adi bikonveks linzalarının olduğunu xüsusi vurğulayır. O, daha sonra deyir: “Bütün tədqiqat boyu ifadələrimə daha çox inanmaq və onları adi müşahidələr üçün mümkün qədər əlçatan etmək üçün işə başladığım linzalardan istifadə etməyə davam etdim”.
İndi Braunun müşahidəsini təkrarlamaq üçün çox güclü olmayan bir mikroskopun olması və ondan güclü işıq şüası ilə yan dəlikdən işıqlandırılmış qaralmış qutuda tüstünü yoxlamaq üçün istifadə etmək kifayətdir. Qazda bu fenomen maye ilə müqayisədə daha aydın şəkildə özünü göstərir: kiçik kül və ya his parçaları (tüstünün mənbəyindən asılı olaraq) görünür, işıq saçır və davamlı olaraq irəli-geri tullanır.
Elmdə tez-tez baş verdiyi kimi, uzun illər sonra tarixçilər aşkar etdilər ki, hələ 1670-ci ildə mikroskopun ixtiraçısı, hollandiyalı Antonie Leeuwenhoek, yəqin ki, oxşar bir hadisəni müşahidə etdi, lakin mikroskopların nadirliyi və qeyri-kamilliyi, o dövrdə molekulyar elmin embrion vəziyyəti. Leeuwenhoek-in müşahidəsinə diqqəti cəlb etmədi, buna görə də kəşf haqlı olaraq onu təfərrüatlı şəkildə öyrənən və təsvir edən ilk şəxs olan Brauna aid edilir.
Brown hərəkəti və atom-molekulyar nəzəriyyə.
Braunun müşahidə etdiyi fenomen tez bir zamanda geniş şəkildə tanındı. Özü də təcrübələrini çoxsaylı həmkarlarına göstərdi (Braun iki onlarla adı sadalayır). Ancaq nə Braunun özü, nə də bir çox başqa elm adamları uzun illər "Braun hərəkatı" adlanan bu sirli hadisəni izah edə bilmədilər. Hissəciklərin hərəkətləri tamamilə təsadüfi idi: onların mövqelərinin zamanın müxtəlif nöqtələrində (məsələn, hər dəqiqə) hazırlanmış eskizləri ilk baxışdan bu hərəkətlərdə hər hansı bir nümunə tapmağa imkan vermirdi.
Brown hərəkətinin (bu fenomen belə adlandırıldı) görünməz molekulların hərəkəti ilə izahı yalnız 19-cu əsrin son rübündə verildi, lakin bütün elm adamları tərəfindən dərhal qəbul edilmədi. 1863-cü ildə Karlsruedən (Almaniya) təsviri həndəsə müəllimi Lüdviq Kristian Viner (1826-1896) bu fenomenin görünməz atomların salınan hərəkətləri ilə əlaqəli olduğunu irəli sürdü. Bu, müasirdən çox uzaq olsa da, atomların və molekulların özlərinin xassələri ilə Broun hərəkətinin izahı idi. Wiener-in maddənin quruluşunun sirlərinə nüfuz etmək üçün bu fenomendən istifadə etmək fürsətini görməsi vacibdir. O, ilk dəfə Brown hissəciklərinin hərəkət sürətini və onların ölçüsündən asılılığını ölçməyə çalışdı. Maraqlıdır ki, 1921-ci ildə ABŞ Milli Elmlər Akademiyasının hesabatları Başqa bir Vinerin - kibernetikanın məşhur banisi Norbertin Broun hərəkəti haqqında əsər nəşr olundu.
L.K.Vienerin ideyaları bir sıra alimlər - Avstriyada Ziqmund Ekner (və 33 il sonra onun oğlu Feliks), İtaliyada Covanni Kantoni, Almaniyada Karl Vilhelm Negeli, Fransada Lui Georges Qou, üç belçikalı keşiş tərəfindən qəbul edilmiş və inkişaf etdirilmişdir. - Yezuitlər Carbonelli, Delso və Tirion və başqaları. Bu alimlər arasında sonradan məşhur ingilis fiziki və kimyaçısı Uilyam Ramsey də var idi. Tədricən məlum oldu ki, ən kiçik maddə dənəcikləri hər tərəfdən daha kiçik hissəciklər tərəfindən vurulur, onlar artıq mikroskopda görünmür - necə ki, uzaq bir gəmini yelləyən dalğalar sahildən görünmür, qayığın hərəkətləri isə özü olduqca aydın görünür. 1877-ci ildə məqalələrin birində yazdıqları kimi, “...böyük ədədlər qanunu artıq toqquşmaların təsirini orta vahid təzyiqə endirə bilməz; onların nəticəsi artıq sıfıra bərabər olmayacaq, lakin davamlı olaraq öz istiqamətini dəyişəcək və böyüklüyü."
Keyfiyyətcə, şəkil olduqca inandırıcı və hətta vizual idi. Kiçik bir budaq və ya bir böcək təxminən eyni şəkildə hərəkət etməlidir, bir çox qarışqa tərəfindən müxtəlif istiqamətlərə itələnməlidir (və ya çəkilməlidir). Bu kiçik hissəciklər əslində elm adamlarının lüğətində idi, lakin heç kim onları görməmişdi. Onlar molekullar adlanırdı; Latın dilindən tərcümədə bu söz "kiçik kütlə" deməkdir. Təəccüblüdür ki, Roma filosofu Titus Lucretius Carus (e.ə. 99-55-ci illər) məşhur şeirində oxşar hadisəyə məhz belə izahat verir. Şeylərin təbiəti haqqında. Orada o, gözə görünməyən ən kiçik hissəcikləri şeylərin “ilkin prinsipləri” adlandırır.
Şeylərin prinsipləri əvvəlcə özləri hərəkət edir,
Onların ardınca ən kiçik birləşmələrindən olan cisimlər,
Güc baxımından ilkin prinsiplərə yaxınlaşın,
Onlardan gizlənərək, sarsıntılar alaraq səy göstərməyə başlayırlar,
Özlərini hərəkət etməyə, daha sonra daha böyük cisimləri təşviq edirlər.
Beləliklə, başlanğıcdan başlayaraq, yavaş-yavaş hərəkət
Hisslərimizə toxunur və görünən olur
Bizə və günəş işığında hərəkət edən toz ləkələrinə,
Baş verən sarsıntılar hiss olunmasa da...
Sonradan məlum oldu ki, Lucretius səhv edir: Brown hərəkətini çılpaq gözlə müşahidə etmək mümkün deyil və havanın burulğan hərəkətləri səbəbindən qaranlıq otağa nüfuz edən günəş şüasındakı toz hissəcikləri "rəqs edir". Ancaq zahirən hər iki fenomenin bəzi oxşarlıqları var. Və yalnız 19-cu əsrdə. Bir çox alimlərə məlum oldu ki, Broun hissəciklərinin hərəkəti mühitin molekullarının təsadüfi təsirləri nəticəsində baş verir. Hərəkət edən molekullar suda olan toz hissəcikləri və digər bərk hissəciklərlə toqquşur. Temperatur nə qədər yüksək olarsa, hərəkət daha sürətli olur. Əgər toz zərrəsi böyükdürsə, məsələn, 0,1 mm ölçüsündədirsə (diametri su molekulununkindən milyon dəfə böyükdür), onda ona hər tərəfdən eyni vaxtda bir çox təsirlər qarşılıqlı balanslaşdırılmışdır və praktiki olaraq deyil. Onları "hiss edin" - təxminən bir boşqab ölçüsündə bir taxta parçası kimi, onu müxtəlif istiqamətlərə çəkəcək və ya itələyən bir çox qarışqanın səylərini "hiss etməyəcək". Toz hissəcikləri nisbətən kiçikdirsə, ətrafdakı molekulların təsirinin təsiri altında bu və ya digər istiqamətdə hərəkət edəcək.
Brownian hissəciklərinin ölçüsü 0,1-1 mkm təşkil edir, yəni. millimetrin mində birindən on mində birinə qədər, buna görə də Braun onların hərəkətini ayırd edə bildi, çünki o, tozcuqların özünə deyil, xırda sitoplazmatik dənələrə baxırdı (çox vaxt bu barədə səhvən yazılır). Problem polen hüceyrələrinin çox böyük olmasıdır. Beləliklə, küləklə daşınan və insanlarda allergik xəstəliklərə səbəb olan çəmən otu polenində (ot qızdırması) hüceyrə ölçüsü adətən 20 - 50 mikron diapazonunda olur, yəni. Brown hərəkətini müşahidə etmək üçün çox böyükdürlər. Onu da qeyd etmək lazımdır ki, Broun zərrəciyinin fərdi hərəkətləri çox tez-tez və çox qısa məsafələrdə baş verir, belə ki, onları görmək qeyri-mümkündür, lakin mikroskop altında müəyyən vaxt ərzində baş vermiş hərəkətlər görünür.
Belə görünür ki, Brown hərəkətinin mövcudluğu faktı maddənin molekulyar quruluşunu birmənalı şəkildə sübut etdi, lakin hətta 20-ci əsrin əvvəllərində. Molekulların varlığına inanmayan alimlər, o cümlədən fiziklər və kimyaçılar var idi. Atom-molekulyar nəzəriyyə yavaş-yavaş və çətinliklə tanındı. Beləliklə, aparıcı fransız üzvi kimyaçısı Marselin Berthelot (1827-1907) yazırdı: "Bizim biliklərimiz nöqteyi-nəzərindən molekul anlayışı qeyri-müəyyəndir, başqa bir anlayış - atom isə sırf hipotetikdir." Məşhur fransız kimyaçısı A. Saint-Clair Deville (1818-1881) daha aydın danışdı: “Mən nə Avoqadro qanununu, nə atomu, nə də molekulu qəbul etmirəm, çünki nə görə bildiyim, nə də müşahidə etdiyim şeylərə inanmaqdan imtina edirəm. ” Alman fiziki kimyaçısı Vilhelm Ostvald (1853-1932), Nobel mükafatı laureatı, fiziki kimyanın banilərindən biri, hələ 20-ci əsrin əvvəllərində. atomların varlığını qətiyyətlə inkar edirdi. O, üç cildlik kimya dərsliyi yazmağa müvəffəq olub, orada “atom” sözünün heç xatırlanması belə olub. 19 aprel 1904-cü ildə Kral İnstitutunda İngilis Kimya Cəmiyyətinin üzvləri qarşısında geniş bir hesabatla çıxış edən Ostvald atomların olmadığını sübut etməyə çalışdı və “maddə dediyimiz şey yalnız müəyyən bir mühitdə toplanmış enerjilər toplusudur. yer.”
Lakin molekulyar nəzəriyyəni qəbul edən fiziklər belə, atom-molekulyar nəzəriyyənin doğruluğunun bu qədər sadə yolla sübuta yetirildiyinə inana bilmədilər, buna görə də hadisəni izah etmək üçün müxtəlif alternativ səbəblər irəli sürüldü. Və bu, tamamilə elmin ruhuna uyğundur: fenomenin səbəbi birmənalı şəkildə müəyyən edilənə qədər, müxtəlif fərziyyələr irəli sürmək mümkündür (hətta zəruridir), mümkünsə, eksperimental və ya nəzəri cəhətdən sınaqdan keçirilməlidir. Belə ki, hələ 1905-ci ildə Sankt-Peterburqlu fizika professoru, məşhur akademik A.F.İoffenin müəllimi N.A.Gezehusun “Brockhaus və Efron Ensiklopedik Lüğəti”ndə kiçik məqaləsi dərc olunub. Gesehus yazırdı ki, bəzi elm adamlarına görə, Brown hərəkəti "işıq və ya istilik şüalarının mayedən keçməsi" nəticəsində yaranır və "mayenin içərisində molekulların hərəkəti ilə heç bir əlaqəsi olmayan sadə axınlara" qədər qaynayır və bu axınlar. “buxarlanma, diffuziya və digər səbəblərdən” yarana bilər. Axı, toz hissəciklərinin havada çox oxşar hərəkətinə məhz burulğan axınları səbəb olduğu artıq məlum idi. Lakin Gesehusun verdiyi izahı eksperimental olaraq asanlıqla təkzib etmək olar: güclü mikroskopla bir-birinə çox yaxın yerləşən iki Broun hissəciklərinə baxsanız, onların hərəkətləri tamamilə müstəqil olacaq. Əgər bu hərəkətlər mayedəki hər hansı axınlardan qaynaqlanırsa, o zaman belə qonşu zərrəciklər birləşərək hərəkət edərdilər.
Brownian hərəkət nəzəriyyəsi.
20-ci əsrin əvvəllərində. əksər alimlər Brown hərəkətinin molekulyar təbiətini başa düşürdülər. Lakin bütün izahatlar sırf keyfiyyət baxımından qaldı; heç bir kəmiyyət nəzəriyyəsi eksperimental sınaqlara tab gətirə bilmədi. Bundan əlavə, eksperimental nəticələrin özləri də qeyri-müəyyən idi: fasiləsiz tələskən hissəciklərin fantastik tamaşası eksperimentçiləri hipnoz etdi və onlar fenomenin hansı xüsusiyyətlərini ölçmək lazım olduğunu dəqiq bilmirdilər.
Görünən tam pozğunluğa baxmayaraq, Brown hissəciklərinin təsadüfi hərəkətlərini riyazi əlaqə ilə təsvir etmək hələ də mümkün idi. İlk dəfə Broun hərəkətinin ciddi izahı 1904-cü ildə həmin illərdə Lvov Universitetində işləyən polşalı fizik Marian Smoluchovski (1872-1917) tərəfindən verilmişdir. Eyni zamanda, bu fenomenin nəzəriyyəsi İsveçrənin Bern şəhərinin Patent İdarəsində o zaman az tanınan 2-ci dərəcəli ekspert Albert Eynşteyn (1879-1955) tərəfindən hazırlanmışdır. Onun 1905-ci ilin mayında Almaniyanın “Annalen der Physik” jurnalında dərc olunmuş məqaləsi başlıqlı idi İstiliyin molekulyar kinetik nəzəriyyəsinin tələb etdiyi, sakit bir mayedə asılı olan hissəciklərin hərəkəti haqqında. Eynşteyn bu adla maddənin quruluşunun molekulyar kinetik nəzəriyyəsinin mayelərdə ən kiçik bərk hissəciklərin təsadüfi hərəkətinin mövcudluğunu mütləq nəzərdə tutduğunu göstərmək istəyirdi.
Maraqlıdır ki, bu məqalənin lap əvvəlində Eynşteyn fenomenin özü ilə səthi də olsa tanış olduğunu yazır: “Mümkündür ki, sözügedən hərəkətlər Broun molekulyar hərəkəti deyilən hərəkətlə eynidir, lakin mövcud məlumatlar Sonuncularla bağlı mənim fikrim o qədər qeyri-dəqiqdir ki, bunun qəti bir fikir olduğunu ifadə edə bilmədim”. Və onilliklər sonra, artıq ömrünün sonlarında, Eynşteyn öz xatirələrində fərqli bir şey yazdı - Brownian hərəkəti haqqında ümumiyyətlə bilmədiyi və əslində onu sırf nəzəri olaraq "yenidən kəşf etdi": "Braun hərəkəti" ilə bağlı müşahidələrin çoxdan olduğunu bilmədən Məlum olduğu kimi, mən atom nəzəriyyəsinin mikroskopik asılı hissəciklərin müşahidə edilə bilən hərəkətinin mövcudluğuna gətirib çıxardığını kəşf etdim." Nə olursa olsun, Eynşteynin nəzəri məqaləsi öz nəticələrini eksperimental olaraq yoxlamaq üçün eksperimentatorlara birbaşa çağırışla başa çatdı: "Əgər hər hansı bir tədqiqatçı tezliklə cavab verə bilsəydi. burada qaldırılan suallar!" – yazısını belə qeyri-adi nida ilə bitirir.
Eynşteynin ehtiraslı müraciətinin cavabı özünü çox gözlətmədi.
Smoluchowski-Einstein nəzəriyyəsinə görə, Brown hissəciyinin kvadrat yerdəyişməsinin orta qiyməti ( s 2) vaxt üçün t temperaturla düz mütənasibdir T və mayenin özlülüyünə h, hissəcik ölçüsü ilə tərs mütənasibdir r və Avoqadro sabiti
N A: s 2 = 2RTt/6saat rN A,
Harada R- qaz daimi. Belə ki, 1 dəqiqə ərzində diametri 1 mkm olan hissəcik 10 mkm hərəkət edirsə, 9 dəqiqədə - 10 = 30 μm, 25 dəqiqədə - 10 = 50 μm və s. Oxşar şəraitdə eyni vaxt ərzində (1, 9 və 25 dəq) diametri 0,25 mkm olan hissəcik = 2 olduğundan müvafiq olaraq 20, 60 və 100 mkm hərəkət edəcək. Yuxarıdakı düsturun daxil olması vacibdir. Fransız fiziki Jan Batist Perrin (1870-1942) tərəfindən aparılan Broun hissəciyinin hərəkətinin kəmiyyət ölçüləri ilə müəyyən edilə bilən Avoqadro sabiti.
1908-ci ildə Perrin mikroskop altında Broun hissəciklərinin hərəkətini kəmiyyətcə müşahidə etməyə başladı. O, 1902-ci ildə icad edilmiş ultramikroskopdan istifadə etdi ki, bu da güclü yan işıqlandırıcıdan onlara işığı səpərək ən kiçik hissəcikləri aşkar etməyə imkan verdi. Perrin saqqızdan, bəzi tropik ağacların qatılaşdırılmış şirəsindən (sarı akvarel boyası kimi də istifadə olunur) demək olar ki, sferik formalı və təxminən eyni ölçülü kiçik toplar əldə etdi. Bu kiçik muncuqlar 12% su ehtiva edən qliserolda dayandırılıb; viskoz maye, şəkli bulandıran daxili axınların görünməsinə mane oldu. Saniyəölçənlə silahlanmış Perrin müəyyən fasilələrlə, məsələn, hər yarım dəqiqədə bir qrafikli vərəqdə hissəciklərin mövqeyini qeyd etdi və sonra eskizini (əlbəttə ki, çox böyüdülmüş miqyasda) çəkdi. Yaranan nöqtələri düz xətlərlə birləşdirərək mürəkkəb trayektoriyalar əldə etdi, onlardan bəziləri şəkildə göstərilmişdir (onlar Perrin kitabından götürülmüşdür). Atomlar, 1920-ci ildə Parisdə nəşr edilmişdir). Zərrəciklərin belə xaotik, nizamsız hərəkəti onların kosmosda kifayət qədər yavaş hərəkət etməsinə səbəb olur: seqmentlərin cəmi birinci nöqtədən sonuncuya qədər hissəciyin yerdəyişməsindən qat-qat çoxdur.
Üç Brownian hissəciklərinin hər 30 saniyədə ardıcıl mövqeləri - təxminən 1 mikron ölçüsündə saqqız topları. Bir hüceyrə 3 µm məsafəyə uyğundur. Əgər Perrin Braun hissəciklərinin mövqeyini 30-dan sonra deyil, 3 saniyədən sonra müəyyən edə bilsəydi, onda hər bir qonşu nöqtə arasındakı düz xətlər yalnız daha kiçik miqyasda eyni mürəkkəb ziqzaq qırıq xəttinə çevrilərdi.
Nəzəri düsturdan və onun nəticələrindən istifadə edərək Perrin Avoqadro nömrəsi üçün o dövr üçün olduqca dəqiq olan bir dəyər əldə etdi: 6,8 . 10 23 . Perrin həmçinin Broun hissəciklərinin şaquli paylanmasını öyrənmək üçün mikroskopdan istifadə edib. santimetr. AVOQADRO QANUNU) və cazibə qüvvəsinin təsirinə baxmayaraq, məhlulda asılı vəziyyətdə qaldığını göstərdi. Perrinin digər mühüm əsərləri də var. 1895-ci ildə o, katod şüalarının mənfi elektrik yükləri (elektron) olduğunu sübut etdi və 1901-ci ildə ilk dəfə atomun planetar modelini təklif etdi. 1926-cı ildə fizika üzrə Nobel mükafatına layiq görülüb.
Perrinin əldə etdiyi nəticələr Eynşteynin nəzəri nəticələrini təsdiqlədi. Güclü təəssürat yaratdı. Amerikalı fizik A.Pais uzun illər sonra yazdığı kimi, “belə sadə üsulla əldə edilən bu nəticəyə heyran olmaqdan əl çəkmirsiniz: ölçüsü ilə müqayisədə ölçüsü böyük olan toplardan asma hazırlamaq kifayətdir. Sadə molekullardan ibarət, bir saniyəölçən və mikroskop götürün və Avoqadro sabitini təyin edə bilərsiniz!” Bir də təəccüblənə bilər: Brown hərəkəti ilə bağlı yeni təcrübələrin təsvirləri hələ də elmi jurnallarda (Nature, Science, Journal of Chemical Education) dərc olunur! Perrinin nəticələri dərc edildikdən sonra atomizmin keçmiş əleyhdarı olan Ostvald etiraf etdi ki, “Broun hərəkətinin kinetik fərziyyənin tələbləri ilə üst-üstə düşməsi... indi ən ehtiyatlı alimə atom nəzəriyyəsinin eksperimental sübutu haqqında danışmaq hüququ verir. maddənin. Beləliklə, atom nəzəriyyəsi elmi, əsaslı nəzəriyyə dərəcəsinə yüksəldi”. Onu fransız riyaziyyatçısı və fiziki Anri Puankare də təkrarlayır: “Perrin tərəfindən atomların sayını parlaq şəkildə təyin etməsi atomizmin qələbəsini tamamladı... Kimyaçıların atomu indi reallığa çevrildi”.
Brownian hərəkət və diffuziya.
Brown hissəciklərinin hərəkəti zahirən ayrı-ayrı molekulların istilik hərəkəti nəticəsində hərəkətinə çox bənzəyir. Bu hərəkət diffuziya adlanır. Smoluxovski və Eynşteynin işindən əvvəl də maddənin qaz halının ən sadə halda molekulyar hərəkət qanunları qurulmuşdu. Məlum oldu ki, qazlardakı molekullar çox sürətlə - bir güllə sürətində hərəkət edirlər, lakin çox vaxt digər molekullarla toqquşduqları üçün uzağa uça bilmirlər. Məsələn, havada orta hesabla 500 m/s sürətlə hərəkət edən oksigen və azot molekulları saniyədə bir milyarddan çox toqquşma yaşayır. Deməli, molekulun yolu, əgər onu izləmək mümkün olsaydı, mürəkkəb bir qırıq xətt olardı. Brown hissəcikləri də müəyyən vaxt intervallarında mövqeləri qeydə alınırsa, oxşar trayektoriyanı təsvir edir. Həm diffuziya, həm də Broun hərəkəti molekulların xaotik istilik hərəkətinin nəticəsidir və buna görə də oxşar riyazi əlaqələrlə təsvir olunur. Fərq ondadır ki, qazlardakı molekullar digər molekullarla toqquşana qədər düz xətt üzrə hərəkət edir, sonra isə istiqamət dəyişir. Brown hissəciyi, bir molekuldan fərqli olaraq, heç bir "sərbəst uçuşlar" həyata keçirmir, lakin çox tez-tez kiçik və qeyri-müntəzəm "sarsıntılar" yaşayır, nəticədə xaotik olaraq bu və ya digər istiqamətə dəyişir. Hesablamalar göstərdi ki, ölçüsü 0,1 µm olan hissəcik üçün bir hərəkət saniyənin milyardda üçdə birində cəmi 0,5 nm (1 nm = 0,001 µm) məsafədə baş verir. Müəlliflərdən birinin düzgün dediyi kimi, bu, insanların toplaşdığı meydanda boş pivə qabını hərəkət etdirməyi xatırladır.
Diffuziyanı müşahidə etmək Brown hərəkətindən daha asandır, çünki onun üçün mikroskop tələb olunmur: hərəkətlər ayrı-ayrı hissəciklərin deyil, onların nəhəng kütlələrinin müşahidəsi ilə müşahidə olunur, sadəcə olaraq diffuziyanın konveksiya ilə üst-üstə düşməməsini təmin etmək lazımdır - maddənin qarışığı. burulğan axınlarının nəticəsi (bu cür axınları asanlıqla müşahidə etmək olur, bir stəkan isti suya mürəkkəb kimi rəngli məhlulun damcısını qoyur).
Diffuziya qalın gellərdə müşahidə etmək üçün əlverişlidir. Belə bir gel, məsələn, penisilin qabında 4-5% jelatin məhlulu hazırlanaraq hazırlana bilər. Jelatin əvvəlcə bir neçə saat şişməlidir, sonra banka isti suya endirilərək qarışdırılaraq tamamilə həll edilir. Soyuduqdan sonra şəffaf, az buludlu kütlə şəklində axmayan bir gel əldə edilir. Kəskin cımbızlardan istifadə edərək, bu kütlənin mərkəzinə kiçik bir kalium permanganat kristalını ("kalium permanganat") diqqətlə daxil etsəniz, jel onun düşməsinin qarşısını aldığı üçün kristal qaldığı yerdə asılı qalacaq. Bir neçə dəqiqə ərzində kristalın ətrafında bənövşəyi rəngli bir top böyüməyə başlayacaq, zaman keçdikcə bankanın divarları şəklini pozana qədər böyüyür və böyüyür. Eyni nəticəni mis sulfat kristalından istifadə etməklə əldə etmək olar, yalnız bu halda top bənövşəyi deyil, mavi olacaq.
Topun niyə çıxdığı aydındır: MnO 4 – kristal həll edildikdə əmələ gələn ionlar məhlula daxil olur (gel əsasən sudur) və diffuziya nəticəsində bütün istiqamətlərdə bərabər hərəkət edir, halbuki cazibə qüvvəsi faktiki olaraq heç bir təsir göstərmir. diffuziya dərəcəsi. Mayedə diffuziya çox yavaşdır: topun bir neçə santimetr böyüməsi üçün çoxlu saatlar lazımdır. Qazlarda diffuziya çox daha sürətli olur, amma yenə də hava qarışmasaydı, ətir və ya ammonyak qoxusu otaqda saatlarla yayılardı.
Brownian hərəkət nəzəriyyəsi: təsadüfi gedişlər.
Smoluchowski-Einstein nəzəriyyəsi həm diffuziya, həm də Broun hərəkətinin qanunlarını izah edir. Bu nümunələri diffuziya nümunəsindən istifadə edərək nəzərdən keçirə bilərik. Əgər molekulun sürəti u, sonra, düz bir xəttdə, zamanda hərəkət edir t məsafəyə gedəcək L = ut, lakin digər molekullarla toqquşma nəticəsində bu molekul düz xətt üzrə hərəkət etmir, davamlı olaraq hərəkət istiqamətini dəyişir. Əgər molekulun yolunu eskiz etmək mümkün olsaydı, Perrinin əldə etdiyi rəsmlərdən prinsipial olaraq heç bir fərqi olmazdı. Bu rəqəmlərdən aydın olur ki, xaotik hərəkət nəticəsində molekul bir məsafədə yerdəyişmişdir s, əhəmiyyətli dərəcədə azdır L. Bu kəmiyyətlər əlaqə ilə bağlıdır s= , burada l molekulun bir toqquşmadan digərinə uçduğu məsafə, orta sərbəst yoldur. Ölçmələr göstərdi ki, normal atmosfer təzyiqində hava molekulları üçün l ~ 0,1 μm, bu o deməkdir ki, 500 m/s sürətlə azot və ya oksigen molekulu məsafəni 10.000 saniyəyə (üç saatdan az) uçacaq. L= 5000 km və orijinal mövqedən yalnız dəyişəcək s= 0,7 m (70 sm), buna görə də maddələr qazlarda belə diffuziya səbəbindən çox yavaş hərəkət edir.
Diffuziya nəticəsində molekulun yolu (və ya Broun hissəciyinin yolu) təsadüfi gediş adlanır. Hazırcavab fiziklər bu ifadəni yenidən sərxoşun yerişi - “sərxoşun yolu” kimi şərh etdilər.Həqiqətən də zərrəciyin bir mövqedən digərinə hərəkəti (yaxud bir çox toqquşmalara məruz qalan molekulun yolu) sərxoş insanın hərəkətinə bənzəyir. bu bənzətmə həm də sadə bir nəticə çıxarmağa imkan verir ki, belə bir prosesin əsas tənliyi birölçülü hərəkət nümunəsinə əsaslanır və onu üçölçülüyə ümumiləşdirmək asandır.
Tutaq ki, sərxoş bir dənizçi gecə gec saatlarda meyxanadan çıxıb küçə ilə yola çıxdı. Ən yaxın fənərə gedən l yolu keçib, dincəldi və getdi... ya daha uzağa, növbəti fənərə, ya da geriyə, meyxanaya – axır ki, haradan gəldiyini xatırlamır. Sual budur ki, o, nə vaxtsa balqabağı tərk edəcək, yoxsa sadəcə onun ətrafında dolaşacaq, indi uzaqlaşacaq, indi ona yaxınlaşacaq? (Problemin başqa bir variantında isə küçənin hər iki başında küçə işıqlarının bitdiyi yerdə çirkli arxlar olduğu bildirilir və dənizçinin onlardan birinə düşməkdən yayına bilməyəcəyi soruşulur). İntuitiv olaraq ikinci cavabın düzgün olduğu görünür. Ancaq bu düzgün deyil: belə çıxır ki, dənizçi yalnız bir istiqamətdə getdiyindən daha yavaş olsa da, tədricən sıfır nöqtəsindən daha da uzaqlaşacaq. Bunu necə sübut etmək olar.
İlk dəfə ən yaxın lampaya (sağa və ya sola) keçən dənizçi bir məsafədə olacaq. s 1 = ± l başlanğıc nöqtəsindən. Bizi yalnız onun bu nöqtədən uzaqlığı maraqlandırır, istiqaməti yox, bu ifadəni kvadrata çəkərək işarələrdən xilas olacağıq: s 1 2 = l 2. Bir müddət sonra dənizçi artıq tamamladı N"gəzən", məsafədə olacaq
s N= əvvəldən. Və yenidən (bir istiqamətə) ən yaxın fənərə qədər məsafədə getdi s N+1 = s N± l və ya yerdəyişmə kvadratından istifadə edərək, s 2 N+1 = s 2 N± 2 s N l + l 2. Dənizçi bu hərəkəti dəfələrlə təkrar edərsə (dan Nəvvəl N+ 1), sonra orta hesablama nəticəsində (bərabər ehtimalla keçir N sağa və ya sola doğru addım), müddət ± 2 s N Mən ləğv edəcəyəm, buna görə də 2 N+1 = s2 N+ l 2> (bucaqlı mötərizələr orta dəyəri göstərir) L = 3600 m = 3,6 km, eyni zamanda sıfır nöqtəsindən yerdəyişmə yalnız bərabər olacaq s= = 190 m.Üç saatdan sonra keçəcək L= 10,8 km və sürüşəcək s= 330 m və s.
iş u Nəticədə düsturdakı l diffuziya əmsalı ilə müqayisə edilə bilər, İrlandiyalı fiziki və riyaziyyatçı Corc Qabriel Stokes (1819-1903) tərəfindən göstərildiyi kimi, hissəcik ölçüsündən və mühitin özlülüyündən asılıdır. Bənzər mülahizələrə əsaslanaraq, Eynşteyn öz tənliyini əldə etdi.
Real həyatda Brown hərəkəti nəzəriyyəsi.
Təsadüfi gedişlər nəzəriyyəsi mühüm praktik tətbiqlərə malikdir. Deyirlər ki, görməli yerlər (günəş, ulduzlar, magistral və ya dəmir yolunun səs-küyü və s.) olmadıqda, insan meşədə, qar fırtınası zamanı və ya qalın dumanda bir tarlada gəzir, həmişə öz yerinə qayıdır. orijinal yer. Əslində, o, dairələrdə deyil, molekulların və ya Brown hissəciklərinin təxminən eyni şəkildə hərəkət edir. O, orijinal yerinə qayıda bilər, ancaq təsadüfən. Amma onun yolunu dəfələrlə kəsir. Onlar həmçinin deyirlər ki, qar fırtınası zamanı donmuş insanlar ən yaxın yaşayış yerindən və ya yoldan “bir neçə kilometr” məsafədə tapılıb, amma əslində insanın bu kilometri qət etmək şansı yox idi və bunun səbəbi budur.
Bir insanın təsadüfi gəzintilər nəticəsində nə qədər dəyişəcəyini hesablamaq üçün l dəyərini bilmək lazımdır, yəni. bir insanın heç bir işarəsi olmayan düz bir xəttdə gedə biləcəyi məsafə. Bu dəyəri tələbə könüllülərinin köməyi ilə geologiya-mineralogiya elmləri doktoru B.S.Qorobets ölçmüşdür. O, əlbəttə ki, onları sıx meşədə və ya qarla örtülmüş meydançada qoymadı, hər şey daha sadə idi - tələbəni boş bir stadionun mərkəzinə yerləşdirdilər, gözlərini bağladılar və futbol meydançasının sonuna qədər getməyi xahiş etdilər. tam sükut (səslərlə oriyentasiyanı istisna etmək üçün). Məlum olub ki, şagird orta hesabla düz xətt üzrə cəmi 20 metrə yaxın yeriyib (ideal düz xəttdən kənara çıxma 5°-dən çox deyildi), sonra isə ilkin istiqamətdən getdikcə daha çox kənara çıxmağa başlayıb. Axırda kənara çatmaqdan uzaq dayandı.
İndi bir adam meşədə saatda 2 kilometr sürətlə getsin (daha doğrusu, gəzsin) (yol üçün bu çox yavaş, lakin sıx meşə üçün çox sürətli), onda l dəyəri 20 olarsa. metr, sonra bir saatda 2 km qət edəcək, lakin cəmi 200 m, iki saatda - təxminən 280 m, üç saatda - 350 m, 4 saatda - 400 m və s. və s. belə bir sürətdə bir adam 4 saatda 8 kilometr məsafəni qət edərdi, buna görə də çöl işləri üçün təhlükəsizlik təlimatlarında belə bir qayda var: əlamətlər itirildikdə, yerində qalmalı, sığınacaq qurmalı və sonunu gözləməlisiniz. pis hava (günəş çıxa bilər) və ya kömək üçün. Meşədə görməli yerlər - ağaclar və ya kollar - düz bir xəttdə hərəkət etməyə kömək edəcək və hər dəfə iki belə əlamətdardan yapışmaq lazımdır - biri qabaqda, digəri arxada. Ancaq təbii ki, ən yaxşısı özünüzlə kompas götürməkdir...
İlya Leenson
Ədəbiyyat:
Mario Liozzi. Fizika tarixi. M., Mir, 1970
Kerker M. Brown Hərəkatları və 1900-cü Əvvəlki Molekulyar Reallıq. Kimya Təhsili Jurnalı, 1974, cild. 51, № 12
Leenson I.A. Kimyəvi reaksiyalar. M., Astrel, 2002
- Molekullar arasında qarşılıqlı təsir qüvvələri……………………4
- Giordano Bruno niyə yandırıldı?...................................... 7
- Qalileo Qaliley öz elmi baxışlarından imtina etdimi? ......................................................... .. .....9
- Biblioqrafiya……………………………………………………………….. .13
Brown hərəkəti
Brownian hərəkəti, ətraf mühitin molekullarından gələn zərbələrin təsiri altında meydana gələn maye və ya qazda asılı olan kiçik hissəciklərin təsadüfi hərəkəti. Robert tərəfindən açılmışdır Qəhvəyi 1827-ci ildə. Yalnız mikroskop altında görünən asılı hissəciklər bir-birindən asılı olmayaraq hərəkət edir və mürəkkəb ziqzaq trayektoriyalarını təsvir edir. Brownian hərəkəti zaman keçdikcə zəifləmir və mühitin kimyəvi xüsusiyyətlərindən asılı deyildir. Brown hərəkətinin intensivliyi mühitin temperaturu artdıqca və onun özlülüyünün və hissəcik ölçüsünün azalması ilə artır.
Brownian hərəkətini müşahidə edərkən, hissəciyin mövqeyi müntəzəm fasilələrlə qeyd olunur. Əlbəttə ki, müşahidələr arasında hissəcik düzxətli hərəkət etmir, lakin ardıcıl mövqeləri düz xətlərlə birləşdirərək hərəkətin şərti mənzərəsini verir.
Broun hərəkəti nəzəriyyəsi hissəciyin təsadüfi hərəkətlərini molekullardan gələn təsadüfi qüvvələrin və sürtünmə qüvvələrinin təsiri ilə izah edir. Qüvvənin təsadüfi təbiəti o deməkdir ki, t 1 zaman intervalında onun hərəkəti, əgər bu intervallar üst-üstə düşmürsə, t 2 intervalı zamanı təsirindən tamamilə müstəqildir. Kifayət qədər uzun müddət ərzində orta qüvvə sıfırdır və Brown hissəciyinin orta yerdəyişməsi də sıfıra bərabər olur.
Braun hərəkəti nəzəriyyəsi statistik mexanikanın əsasının qoyulmasında mühüm rol oynamışdır. Bundan əlavə, onun praktiki əhəmiyyəti də var. Əvvəla, Brownian hərəkəti ölçmə vasitələrinin dəqiqliyini məhdudlaşdırır. Məsələn, güzgü qalvanometrinin oxunuşlarının dəqiqlik həddi, hava molekulları tərəfindən bombardman edilən Broun hissəciyi kimi, güzgünün titrəməsi ilə müəyyən edilir. Brownian hərəkət qanunları səbəb olan elektronların təsadüfi hərəkətini təyin edir səslər
elektrik dövrələrində. Dielektrik itkilər dielektriklər dielektrik təşkil edən dipol molekullarının təsadüfi hərəkətləri ilə izah olunur. Elektrolit məhlullarında ionların təsadüfi hərəkəti onların elektrik müqavimətini artırır.
Molekullar arasında qarşılıqlı təsir qüvvələri
Molekullararası qarşılıqlı təsir elektrik neytralları arasındakı qarşılıqlı təsirdir molekullar və ya atomlar . Molekullararası qarşılıqlı təsir qüvvələri ilk dəfə olaraq nəzərə alınmışdırJ. D. van der Waals (1873
) real qazların və mayelərin xassələrini izah etmək.
Orientasiya qüvvələri qütb molekulları, yəni olanlar arasında hərəkət edirelektrik dipol momentləri. İki qütb molekulu arasındakı cazibə qüvvəsi onların dipol momentləri eyni xətt boyunca düzüldükdə ən böyük olur. Bu qüvvə, fərqli yüklər arasındakı məsafələrin oxşar yüklər arasındakı məsafədən bir qədər kiçik olması səbəbindən yaranır. Nəticədə dipolların cazibə qüvvəsi onların itələnməsini üstələyir. Dipolların qarşılıqlı təsiri onların qarşılıqlı oriyentasiyasından asılıdır və buna görə də dipolların qarşılıqlı təsir qüvvələri adlanır. oriyentasiyalı. Xaotik istilik hərəkəti davamlı olaraq qütb molekullarının oriyentasiyasını dəyişir, lakin hesablamaların göstərdiyi kimi, qüvvənin bütün mümkün istiqamətlər üzrə orta dəyəri sıfıra bərabər olmayan müəyyən bir dəyərə malikdir.
İnduktiv (və ya qütbləşmə) qüvvələri qütb və qeyri-qütb molekulları arasında hərəkət edir. Qütb molekulu yaradırelektrik sahəsi, bu, həcm boyunca bərabər paylanmış elektrik yükləri ilə bir molekulu qütbləşdirir. Müsbət yüklər elektrik sahəsi istiqamətində (yəni müsbət qütbdən uzağa), mənfi yüklər isə əksinə (müsbət qütbə doğru) yerdəyişirlər. Nəticədə qeyri-qütblü molekulda dipol momenti yaranır.
Bu enerji deyilir induksiya, səbəb olduğu molekulların qütbləşməsi səbəbindən göründüyü üçünelektrostatik induksiya. induktiv qüvvələr ( F ind ?r? 7) qütb molekulları arasında da hərəkət edir.
Qütb olmayan molekullar arasında hərəkət edir dispersiv molekullararası qarşılıqlı təsir. Bu qarşılıqlı əlaqənin mahiyyəti yalnız yaradıldıqdan sonra tam aydınlaşdırıldıkvant mexanikası. Atomlarda və molekullarda elektronlar nüvələr ətrafında kompleks şəkildə hərəkət edir. Orta hesabla zaman keçdikcə qeyri-qütblü molekulların dipol momentləri sıfıra bərabər olur. Lakin hər an elektronlar müəyyən mövqe tutur. Buna görə də, dipol momentinin ani dəyəri (məsələn, hidrogen atomu üçün) sıfırdan fərqlidir. Ani dipol qonşu molekulları qütbləşdirən elektrik sahəsi yaradır. Nəticə qarşılıqlı əlaqədir ani dipollar. Qütb olmayan molekullar arasındakı qarşılıqlı təsir enerjisi, bütün mümkün ani dipolların induksiya nəticəsində qonşu molekullarda induksiya etdikləri dipol momentləri ilə qarşılıqlı təsirinin orta nəticəsidir.
Bu tip molekullararası qarşılıqlı təsir deyilir dağıtıcıçünki işığın dispersiyası maddədə bu qarşılıqlı təsir kimi molekulların eyni xassələri ilə müəyyən edilir. Dispersiya qüvvələri bütün atomlar və molekullar arasında hərəkət edir, çünki onların meydana çıxma mexanizmi molekulların (atomların) daimi dipol anlarının olub-olmamasından asılı deyildir. Adətən bu qüvvələr həm oriyentasiya, həm də induktiv gücləri üstələyir. Yalnız böyük dipol momentləri olan molekulların, məsələn, su molekullarının qarşılıqlı təsiri zamanı, F və ya
> F disp(su molekulları üçün 3 dəfə). kimi qütb molekulları ilə qarşılıqlı əlaqədə olduqda CO, HI, HBr və başqaları, dispersiya qüvvələri bütün digərlərindən onlarla və yüzlərlə dəfə böyükdür.
Hər üç növ molekullararası qarşılıqlı əlaqənin məsafə ilə eyni şəkildə azalması çox əhəmiyyətlidir:
U = U və ya
+ U ind + U disp ?r
? 6
İtirici qüvvələr doldurulduqda çox qısa məsafələrdə molekullar arasında hərəkət edirelektron qabıqlarmolekulları təşkil edən atomlar. Kvant mexanikasında mövcuddur Pauli prinsipi doldurulmuş elektron qabıqların bir-birinə nüfuz etməsini qadağan edir. Yaranan itələyici qüvvələr, cazibə qüvvələrindən daha çox molekulların fərdiliyindən asılıdır.
Giordano Bruno niyə yandırıldı?
Bruno Giordano Filippe (1548, Nola, - 17.2.1600, Roma), italyan filosofu və şairi, nümayəndəsi panteizm . Fikirlərinə görə ruhanilər tərəfindən təqib olunan o, İtaliyanı tərk edərək Fransa, İngiltərə və Almaniyada yaşayır. İtaliyaya qayıtdıqdan sonra (1592) o, bidətçilikdə və azad düşüncədə günahlandırıldı və səkkiz il həbsdən sonra odda yandırıldı.
Brunonun fəlsəfə ideyalarında Neoplatonizm (xüsusilə də Brunonu bu işə aparan Kainatın hərəkətverici prinsipi kimi vahid başlanğıc və dünya ruhu haqqında fikirlər hilozoizm ) qədim materialistlərin, eləcə də pifaqorçuların fikirlərinin güclü təsiri ilə keçdi. Brunonun sxolastik aristotelçiliyə qarşı yönəlmiş panteist təbiət fəlsəfəsinin formalaşmasına, Brunonun Nikolay Kuza fəlsəfəsi ilə tanışlığı (Bruno da müsbət tərifin qeyri-mümkünlüyünə əsaslanaraq “mənfi teologiya” ideyasını ondan öyrənmişdir) əsas etibarilə kömək etmişdir. Allahın). Bruno bu mənbələrə əsaslanaraq fəlsəfənin məqsədini fövqəltəbii tanrı deyil, “şeylərdə tanrı” olan təbiət haqqında bilik hesab edirdi. Heliosentrik nəzəriyyəni inkişaf etdirən N. Kopernik ,
ona böyük təsir göstərən Bruno təbiətin sonsuzluğu və sonsuz sayda dünyalar haqqında fikirlərini ifadə etdi, dünyanın fiziki bircinsliyini (bütün cisimləri təşkil edən 5 elementin - torpaq, su, od, hava haqqında doktrina) təsdiq etdi. və efir). Bruno çox şeyin yarandığı tək sonsuz sadə substansiya ideyasını daxili qohumluq və əksliklərin təsadüfü ideyası ilə əlaqələndirdi (“Səbəb, başlanğıc və bir”, 1584). Sonsuzluqda müəyyən olunaraq düz xətt və dairə, mərkəz və periferiya, forma və maddə və s. birləşir. Varlığın əsas vahididir monad , fəaliyyətində fiziki və mənəvi, obyekt və subyektin birləşdiyi. Ali substansiya “monadalar monadası” və ya Tanrıdır; bütövlükdə o, fərdi olaraq hər şeydə - "hər şeydə hər şeydə" özünü göstərir. Bu ideyalar müasir fəlsəfənin inkişafına böyük təsir göstərmişdir: ayrı-ayrı şeylərə münasibətdə vahid substansiya ideyası Bruno Spinoza tərəfindən, monada ideyası Q. Leybniz tərəfindən işlənmişdir. mövcudluğun vəhdəti və “əkslərin təsadüfü” - F.Şellinq və Q.Hegelin dialektikasında. Beləliklə, Brunonun fəlsəfəsi orta əsr fəlsəfi sistemlərindən müasir dövrün fəlsəfi konsepsiyalarına keçid halqası idi.
V.V. Sokolov.
Kosmologiyada Bruno öz dövrünü qabaqlayan və yalnız sonrakı astronomik kəşflərlə əsaslandırılan bir sıra təxminlər söylədi: Günəş sistemimizdə onun dövründə məlum olmayan planetlərin mövcudluğu, Günəşin və ulduzların ox ətrafında fırlanması haqqında (“ Ölçüsüz və Saysız-hesabsız haqqında”, 1591), Kainatda bizim Günəşimizə bənzər saysız-hesabsız cisimlərin olması haqqında və s. başqa dünyaların.
Bruno bir şair kimi klassizmin əleyhdarlarına mənsub idi. Brunonun özünün bədii əsəri: antiklerikal satirik "Nuhun gəmisi" poeması, fəlsəfi sonetlər, "Şamdan" komediyası (1582, rusca tərcüməsi 1940), burada Bruno "öyrənilmiş komediya" qanunlarını pozaraq sərbəst bir əsər yaradır. Neapolitan küçəsinin həyat və adət-ənənələrini real şəkildə təsvir etməyə imkan verən dramatik forma. Bu komediyada Bruno pedantlığı və mövhumatı ələ salır və katolik reaksiyasının özü ilə gətirdiyi axmaq və ikiüzlü əxlaqsızlığa kostik sarkazmla hücum edir.
R.I.Xlodovski
Qalileo Qaliley öz elmi baxışlarından imtina etdimi?
1609-cu ildə Hollandiyada icad edilən teleskop haqqında ona çatan məlumatlara əsaslanaraq Qalileo ilk teleskopunu təqribən 3x böyütməklə düzəltdi. Teleskopun işi Sankt-Peterburq qülləsindən nümayiş etdirilib. Marka Venesiyada idi və böyük təəssürat yaratdı. Qalileo tezliklə 32 dəfə böyüdülən teleskop yaratdı. Onun köməyi ilə aparılan müşahidələr Aristotelin “ideal sferalarını” və səma cisimlərinin mükəmməlliyi doqmasını məhv etdi: Ayın səthi dağlarla örtülmüş və kraterlərlə örtülmüş, ulduzlar görünən ölçülərini itirmiş və onların nəhəng məsafəsi başa düşülmüşdür. ilk dəfə. Yupiter 4 peyk kəşf etdi və səmada çoxlu sayda yeni ulduz görünməyə başladı. Süd Yolu ayrı-ayrı ulduzlara bölündü. Qalileo öz müşahidələrini heyrətamiz təəssürat yaradan “Ulduzlu elçi” (1610-11) əsərində təsvir etmişdir. Eyni zamanda şiddətli bir mübahisə başladı. Qalileyi gördüyü hər şeyin optik illüziya olması ilə ittiham etdilər; onlar da sadəcə olaraq onun müşahidələrinin Aristotellə ziddiyyət təşkil etdiyini və buna görə də səhv olduğunu iddia etdilər.
Astronomik kəşflər Qalileonun həyatında dönüş nöqtəsi oldu: o, müəllimlikdən azad edildi və Duke Cosimo II de' Medicinin dəvəti ilə Florensiyaya köçdü. Burada o, mühazirə öhdəliyi olmadan universitetin məhkəmə "filosofu" və "ilk riyaziyyatçısı" olur.
Teleskopik müşahidələri davam etdirən Qalileo Veneranın fazalarını, günəş ləkələrini və Günəşin fırlanmasını kəşf etdi, Yupiterin peyklərinin hərəkətini öyrəndi və Saturnu müşahidə etdi. 1611-ci ildə Qalileo Romaya getdi, burada papalıq sarayında coşğulu qarşılandı və üzvü olduğu Accademia dei Lincei (“Vaşaq Gözlü Akademiyası”) qurucusu Şahzadə Cesi ilə dostluq münasibəti qurdu. . Hersoqun təkidi ilə Qalileo özünün ilk anti-Aristotel əsəri olan "Suda olan cisimlər və onun içində hərəkət edənlər haqqında söhbət" (1612) nəşr etdi və burada maye cisimlərdə tarazlıq şərtlərinin alınmasında bərabər momentlər prinsipini tətbiq etdi. .
Lakin 1613-cü ildə Qalileonun Abbot Kastelliyə yazdığı məktub məlum oldu və bu məktubda o, Kopernikin fikirlərini müdafiə etdi. Məktub Qalileyi inkvizisiyaya birbaşa danmaq üçün səbəb oldu. 1616-cı ildə yezuit icması Kopernikin təlimlərini bidət elan etdi və Kopernikin kitabı qadağan olunmuş kitablar siyahısına daxil edildi. Fərmanda Qalileonun adı çəkilmədi, lakin ona bu təlimi müdafiə etməkdən imtina etmək əmri verildi. Galileo rəsmi olaraq fərmanı təqdim etdi. Bir neçə il ərzində o, Kopernik sistemi haqqında susmağa və ya eyhamlarla danışmağa məcbur oldu. Galileo 1616-cı ildə Romaya səyahət edir. “İnkvizisiya üçün iş hazırlayanlar” adlanan ilahiyyatçılar Kopernik doktrinasını müzakirə etmək və sınaqdan keçirmək üçün papalıq sarayında toplaşır və sonra Kopernikin fikirlərinin təbliğini qadağan edən fərman verirlər. Bu, ilk rəsmi qadağa idi. Lakin Qalileo öz fikirlərindən əl çəkmədi. Sadəcə daha diqqətli oldum. Kopernik təlimlərini təbliğ etmək hüququndan məhrum olaraq öz tənqidlərini Aristotelin əleyhinə yönəltdi. Qalileonun bu dövrdəki yeganə əsas əsəri 1618-ci ildə ortaya çıxan üç kometa haqqında polemik traktat olan Assayer idi. Ədəbi forma, zəka və üslubun incəliyi baxımından bu, Qalileonun ən diqqətçəkən əsərlərindən biridir.
Kopernik sisteminin etibarlılığına əmin olan Qalileo, "Dünyanın ən mühüm iki sistemi - Ptolemey və Kopernik haqqında dialoq" (1632) adlı böyük bir astronomik traktat üzərində işləməyə başladı. Bu əsər Kopernik təliminin üstünlüklərini o qədər inandırıcı şəkildə sübut edir və Aristotelçi konsepsiyanın tərəfdarı olan sadə düşüncəli uduzmuş Simplicio adı altında təsvir edilən Papa elə axmaq kimi görünür ki, ildırım ləng gəlmirdi. Ata incidi. Qalileonun düşmənləri bundan istifadə etdilər və onu məhkəməyə çağırdılar. Yetmiş yaşlı Qalileonun ruhu qırıldı. Yaşlı alim açıq şəkildə tövbə etməyə məcbur oldu və ömrünün son illərini ev dustağı və inkvizisiyanın nəzarəti altında keçirdi. 1635-ci ildə o, "öz bidətçi təlimindən" imtina etdi. Alim Qaliley qəhrəman deyildi. O, məğlubiyyətini etiraf etdi. Lakin elm tarixində o, böyük bir alim olaraq qaldı və Qalileonun məhkəməsi, hətta katolik dininin tərəfdarlarının sözləri ilə desək, “kilsə rəhbərliyinin elmlə bağlı etdiyi ən ölümcül səhv idi”.
1623-cü ildə Qalileonun dostu Kardinal Maffeo Barberini Urban VIII adı ilə papalıq taxtına çıxdı. Qalileo üçün bu hadisə qadağa (fərman) bağlarından qurtulmağa bərabər görünürdü. 1630-cu ildə o, Kopernik və Kopernik sistemlərinin yer aldığı "Dünyanın iki əsas sistemi üzrə dialoq"un ("Dünyanın iki əsas sistemi üzrə dialoq"un ilk adı) "Dağların axması və axması haqqında dialoq"un hazır əlyazması ilə Romaya gəldi. Ptolemey üç həmsöhbətin söhbətlərində təqdim olunur: Saqredo, Salviati və Simplicio.
və s.................
