ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน: คำจำกัดความ การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน - มันคืออะไร? แผนที่และพิกัด

วันนี้เราจะมาดูหัวข้อสำคัญให้ละเอียดยิ่งขึ้น - เราจะให้คำจำกัดความการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของสสารชิ้นเล็ก ๆ ในของเหลวหรือก๊าซ

แผนที่และพิกัด

เด็กนักเรียนบางคนถูกทรมานด้วยบทเรียนอันน่าเบื่อ ไม่เข้าใจว่าทำไมต้องเรียนฟิสิกส์ ในขณะเดียวกัน วิทยาศาสตร์นี้เองที่ทำให้สามารถค้นพบอเมริกาได้!

เริ่มจากระยะไกลกันก่อน อารยธรรมโบราณของทะเลเมดิเตอร์เรเนียนในแง่หนึ่งถือว่าโชคดี อารยธรรมเหล่านี้พัฒนาบนชายฝั่งแหล่งน้ำภายในประเทศที่ปิดสนิท ทะเลเมดิเตอร์เรเนียนถูกเรียกเช่นนั้นเพราะถูกล้อมรอบด้วยแผ่นดินทุกด้าน และนักเดินทางในสมัยโบราณสามารถเดินทางได้ค่อนข้างไกลโดยไม่ละสายตาจากชายฝั่ง โครงร่างของแผ่นดินช่วยในการนำทาง และแผนที่แรกๆ ได้รับการจัดทำขึ้นโดยใช้คำอธิบายมากกว่าทางภูมิศาสตร์ ต้องขอบคุณการเดินทางที่ค่อนข้างสั้นเหล่านี้ ชาวกรีก ฟินีเซียน และชาวอียิปต์จึงสามารถต่อเรือได้ดีมาก และที่ใดมีอุปกรณ์ที่ดีที่สุด ที่นั่นย่อมมีความปรารถนาที่จะขยายขอบเขตของโลกของคุณ

ดังนั้นวันหนึ่งมหาอำนาจยุโรปจึงตัดสินใจลงสู่มหาสมุทร ในขณะที่ล่องเรือข้ามพื้นที่อันกว้างใหญ่อันไม่มีที่สิ้นสุดระหว่างทวีป กะลาสีเรือมองเห็นเพียงน้ำเป็นเวลาหลายเดือน และพวกเขาต้องหาทางด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง การประดิษฐ์นาฬิกาที่แม่นยำและเข็มทิศคุณภาพสูงช่วยระบุพิกัดของคนๆ หนึ่ง

นาฬิกาและเข็มทิศ

การประดิษฐ์โครโนมิเตอร์แบบมือถือขนาดเล็กช่วยชาวเรือได้อย่างมาก เพื่อระบุตำแหน่งที่แน่นอน พวกเขาจำเป็นต้องมีเครื่องมือง่ายๆ ที่ใช้วัดความสูงของดวงอาทิตย์เหนือขอบฟ้า และรู้ว่าเวลาเที่ยงคือเวลาใด และต้องขอบคุณเข็มทิศที่ทำให้กัปตันเรือรู้ว่าพวกเขากำลังจะไปที่ไหน ทั้งนาฬิกาและคุณสมบัติของเข็มแม่เหล็กได้รับการศึกษาและสร้างโดยนักฟิสิกส์ ด้วยเหตุนี้ โลกทั้งใบจึงเปิดกว้างให้กับชาวยุโรป

ทวีปใหม่เป็นดินแดนที่ไม่ระบุตัวตน ดินแดนที่ยังไม่ได้สำรวจ มีพืชแปลกๆ งอกขึ้นมา และพบสัตว์แปลกๆ

พืชและฟิสิกส์

นักธรรมชาติวิทยาในโลกอารยะทุกคนรีบเร่งศึกษาระบบนิเวศที่แปลกประหลาดเหล่านี้ และแน่นอนว่าพวกเขาแสวงหาผลประโยชน์จากพวกเขา

Robert Brown เป็นนักพฤกษศาสตร์ชาวอังกฤษ เขาเดินทางไปออสเตรเลียและแทสเมเนียเพื่อรวบรวมพันธุ์พืชที่นั่น เมื่ออยู่ที่บ้านในอังกฤษแล้วเขาทำงานอย่างหนักกับคำอธิบายและการจำแนกประเภทของเนื้อหาที่นำมา และนักวิทยาศาสตร์คนนี้ก็พิถีพิถันมาก วันหนึ่ง ขณะสังเกตการเคลื่อนที่ของละอองเกสรดอกไม้ในน้ำนมพืช เขาสังเกตเห็นว่าอนุภาคขนาดเล็กทำให้เกิดการเคลื่อนไหวซิกแซกที่วุ่นวายอยู่ตลอดเวลา นี่คือคำจำกัดความของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนขององค์ประกอบขนาดเล็กในก๊าซและของเหลว ต้องขอบคุณการค้นพบนี้ นักพฤกษศาสตร์ที่น่าทึ่งจึงได้เขียนชื่อของเขาลงในประวัติศาสตร์ฟิสิกส์!

บราวน์และเหนียวเหนอะหนะ

ในวิทยาศาสตร์ยุโรป เป็นเรื่องปกติที่จะตั้งชื่อปรากฏการณ์หรือปรากฏการณ์ตามชื่อบุคคลที่ค้นพบมัน แต่บ่อยครั้งสิ่งนี้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ แต่บุคคลที่อธิบาย ค้นพบความสำคัญ หรือสำรวจรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกฎทางกายภาพพบว่าตัวเองอยู่ในเงามืด สิ่งนี้เกิดขึ้นกับชาวฝรั่งเศส Louis Georges Gouy เขาเป็นคนให้คำจำกัดความของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (เกรด 7 ไม่ได้ยินเรื่องนี้อย่างแน่นอนเมื่อศึกษาหัวข้อนี้ในวิชาฟิสิกส์)

งานวิจัยของ Gouy และสมบัติของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

นักทดลองชาวฝรั่งเศส Louis Georges Gouy สังเกตการเคลื่อนที่ของอนุภาคประเภทต่างๆ ในของเหลวหลายชนิด รวมถึงสารละลายด้วย วิทยาศาสตร์ในยุคนั้นสามารถระบุขนาดของสสารได้อย่างแม่นยำจนถึงระดับหนึ่งในสิบของไมโครเมตร ในขณะที่สำรวจว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนคืออะไร (Gouy เป็นผู้ให้คำจำกัดความของปรากฏการณ์นี้ในฟิสิกส์) นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักว่า: ความเข้มของการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะเพิ่มขึ้นหากวางไว้ในตัวกลางที่มีความหนืดน้อยกว่า ในฐานะนักทดลองในวงกว้าง เขาได้เปิดเผยสารแขวนลอยกับแสงและสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความเข้มต่างกัน นักวิทยาศาสตร์พบว่าปัจจัยเหล่านี้ไม่ส่งผลกระทบต่อการกระโดดซิกแซกของอนุภาคในทางใดทางหนึ่ง Gouy แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงสิ่งที่การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนพิสูจน์ได้ นั่นคือ การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลของของเหลวหรือก๊าซ

ทีมงานและมวลชน

ทีนี้มาอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกของการซิกแซกกระโดดของสสารชิ้นเล็ก ๆ ในของเหลว

สารใดๆ ประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุล องค์ประกอบของโลกเหล่านี้มีขนาดเล็กมาก กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงไม่สามารถมองเห็นได้ ในของเหลวพวกมันจะสั่นและเคลื่อนไหวตลอดเวลา เมื่ออนุภาคที่มองเห็นเข้าไปในสารละลาย มวลของมันจะมากกว่าอะตอมหนึ่งพันเท่า การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของโมเลกุลของเหลวเกิดขึ้นอย่างวุ่นวาย แต่อย่างไรก็ตาม อะตอมหรือโมเลกุลทั้งหมดเป็นกลุ่มและเชื่อมโยงถึงกันเหมือนคนที่จับมือกัน ดังนั้น บางครั้งจึงเกิดขึ้นที่อะตอมของของเหลวที่อยู่ด้านหนึ่งของอนุภาคเคลื่อนที่ไปในลักษณะที่พวกมัน "กด" ลงไป ในขณะที่อีกด้านหนึ่งของอนุภาคจะสร้างสภาพแวดล้อมที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ดังนั้นอนุภาคฝุ่นจึงเคลื่อนที่ไปในช่องว่างของสารละลาย ในส่วนอื่น การเคลื่อนที่โดยรวมของโมเลกุลของไหลจะสุ่มส่งผลต่ออีกด้านหนึ่งของส่วนประกอบที่มีมวลมากกว่า นี่คือลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคแบบบราวเนียนที่เกิดขึ้น

เวลาและไอน์สไตน์

หากสารมีอุณหภูมิที่ไม่เป็นศูนย์ อะตอมของสารนั้นจะได้รับการสั่นสะเทือนจากความร้อน ดังนั้นแม้ในของเหลวที่เย็นจัดหรือเย็นจัด การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนก็ยังมีอยู่ การกระโดดของอนุภาคแขวนลอยขนาดเล็กอย่างวุ่นวายเหล่านี้ไม่เคยหยุดนิ่ง

Albert Einstein อาจเป็นนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงที่สุดแห่งศตวรรษที่ 20 ใครก็ตามที่สนใจวิชาฟิสิกส์เป็นอย่างน้อยก็รู้สูตร E = mc 2 หลายคนอาจจำเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกซึ่งเขาได้รับรางวัลโนเบลและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษได้ แต่มีเพียงไม่กี่คนที่รู้ว่าไอน์สไตน์พัฒนาสูตรสำหรับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

ตามทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์ได้ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของอนุภาคแขวนลอยในของเหลว และสิ่งนี้เกิดขึ้นในปี 1905 สูตรมีลักษณะดังนี้:

D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ)

โดยที่ D คือสัมประสิทธิ์ที่ต้องการ R คือค่าคงที่ของก๊าซสากล T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ (แสดงเป็นเคลวิน) N A คือค่าคงที่ของอาโวกาโดร (ตรงกับหนึ่งโมลของสารหรือประมาณ 10 23 โมเลกุล) a คือค่าเฉลี่ยโดยประมาณ รัศมีของอนุภาค ξ คือความหนืดไดนามิกของของเหลวหรือสารละลาย

และในปี 1908 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Jean Perrin และนักเรียนของเขาได้ทดลองพิสูจน์ความถูกต้องของการคำนวณของ Einstein

อนุภาคหนึ่งในสนามนักรบ

ข้างต้นเราได้อธิบายอิทธิพลโดยรวมของสิ่งแวดล้อมที่มีต่ออนุภาคหลายชนิด แต่แม้แต่องค์ประกอบแปลกปลอมในของเหลวก็สามารถก่อให้เกิดรูปแบบและการขึ้นต่อกันบางอย่างได้ ตัวอย่างเช่น หากคุณสังเกตอนุภาคบราวเนียนเป็นเวลานาน คุณสามารถบันทึกการเคลื่อนไหวทั้งหมดได้ และจากความสับสนวุ่นวายนี้ ระบบที่กลมกลืนกันก็จะเกิดขึ้น การเคลื่อนที่โดยเฉลี่ยของอนุภาคบราวเนียนในทิศทางใดทิศทางหนึ่งจะเป็นสัดส่วนกับเวลา

ในการทดลองกับอนุภาคในของเหลว ปริมาณต่อไปนี้ได้รับการขัดเกลา:

ค่าคงที่ของ Boltzmann;
เบอร์ของอาโวกาโดร

นอกจากการเคลื่อนที่เชิงเส้นแล้ว การหมุนที่วุ่นวายยังเป็นลักษณะเฉพาะอีกด้วย และการกระจัดเชิงมุมเฉลี่ยก็เป็นสัดส่วนกับเวลาในการสังเกตด้วย

ขนาดและรูปร่าง

หลังจากการให้เหตุผลดังกล่าว อาจมีคำถามเชิงตรรกะเกิดขึ้น: เหตุใดจึงไม่สังเกตผลกระทบนี้สำหรับวัตถุขนาดใหญ่ เพราะเมื่อขอบเขตของวัตถุที่จมอยู่ในของเหลวมากกว่าค่าที่กำหนด การ "ผลัก" ของโมเลกุลแบบสุ่มทั้งหมดนี้จะกลายเป็นความดันคงที่ตามค่าเฉลี่ย และนายพลอาร์คิมิดีสก็ทำหน้าที่เกี่ยวกับร่างกายอยู่แล้ว ดังนั้นอ่างเหล็กชิ้นใหญ่และฝุ่นโลหะจึงลอยอยู่ในน้ำ

ขนาดของอนุภาคเป็นตัวอย่างที่เปิดเผยความผันผวนของโมเลกุลของเหลวไม่ควรเกิน 5 ไมโครเมตร สำหรับวัตถุขนาดใหญ่ เอฟเฟกต์นี้จะไม่สังเกตเห็นได้ชัดเจน

โรเบิร์ต บราวน์ นักพฤกษศาสตร์ชาวสก็อต (บางครั้งนามสกุลของเขาถูกถอดความว่า บราวน์) ในช่วงชีวิตของเขา ในฐานะผู้เชี่ยวชาญด้านพืชที่ดีที่สุด ได้รับตำแหน่ง "เจ้าชายแห่งนักพฤกษศาสตร์" เขาได้ค้นพบสิ่งอัศจรรย์มากมาย ในปี 1805 หลังจากการเดินทางสี่ปีไปยังออสเตรเลีย เขาได้นำพืชออสเตรเลียประมาณ 4,000 สายพันธุ์ที่นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้จักมายังอังกฤษ และใช้เวลาหลายปีศึกษาพืชเหล่านี้ พืชพรรณที่นำมาจากอินโดนีเซียและแอฟริกากลาง เขาศึกษาสรีรวิทยาของพืชและเป็นครั้งแรกที่ได้อธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับนิวเคลียสของเซลล์พืช สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กทำให้เขาเป็นสมาชิกกิตติมศักดิ์ แต่ปัจจุบันชื่อของนักวิทยาศาสตร์คนนี้เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย ไม่ใช่เพราะผลงานเหล่านี้

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

การสังเกตการณ์ของบราวน์ได้รับการยืนยันจากนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ อนุภาคที่เล็กที่สุดมีพฤติกรรมราวกับว่าพวกมันยังมีชีวิตอยู่ และ "การเต้นรำ" ของอนุภาคจะถูกเร่งด้วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและขนาดอนุภาคที่ลดลง และช้าลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อแทนที่น้ำด้วยตัวกลางที่มีความหนืดมากขึ้น ปรากฏการณ์อันน่าอัศจรรย์นี้ไม่เคยหยุดนิ่ง สามารถสังเกตได้นานเท่าที่ต้องการ ในตอนแรก บราวน์ถึงกับคิดว่าสิ่งมีชีวิตจริงๆ ตกลงไปในสนามของกล้องจุลทรรศน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากละอองเกสรดอกไม้เป็นเซลล์สืบพันธุ์ของพืช แต่ก็มีอนุภาคจากพืชที่ตายแล้วด้วย แม้กระทั่งจากพืชที่แห้งเมื่อร้อยปีก่อนในหอพรรณไม้ จากนั้นบราวน์ก็คิดว่าสิ่งเหล่านี้เป็น "โมเลกุลเบื้องต้นของสิ่งมีชีวิต" หรือไม่ ซึ่ง Georges Buffon นักธรรมชาติวิทยาชาวฝรั่งเศสผู้โด่งดัง (1707–1788) ผู้เขียนหนังสือ 36 เล่มพูดถึง ประวัติศาสตร์ธรรมชาติ. ข้อสันนิษฐานนี้ล้มเหลวเมื่อบราวน์เริ่มตรวจสอบวัตถุที่ดูเหมือนไม่มีชีวิต ในตอนแรกมันเป็นอนุภาคถ่านหินขนาดเล็กมาก เช่นเดียวกับเขม่าและฝุ่นจากอากาศในลอนดอน จากนั้นจึงบดสารอนินทรีย์อย่างประณีต เช่น แก้ว แร่ธาตุต่างๆ มากมาย “โมเลกุลที่แอคทีฟ” มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง: “ในแร่ธาตุทุกชนิด” บราวน์เขียน “ซึ่งฉันประสบความสำเร็จในการบดจนสามารถแขวนลอยอยู่ในน้ำได้ระยะหนึ่ง ฉันพบว่าโมเลกุลเหล่านี้ในปริมาณมากหรือน้อยนั้น ”

ต้องบอกว่าบราวน์ไม่มีกล้องจุลทรรศน์รุ่นล่าสุดเลย ในบทความของเขา เขาเน้นย้ำเป็นพิเศษว่าเขามีเลนส์นูนสองด้านธรรมดาซึ่งเขาใช้มาหลายปี และเขากล่าวต่อไปว่า: “ตลอดการศึกษา ผมยังคงใช้เลนส์แบบเดียวกับที่ผมเริ่มงาน เพื่อให้ข้อความของผมมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น และเพื่อให้ผู้สังเกตการณ์ทั่วไปเข้าถึงได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้”

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

ดังที่มักเกิดขึ้นในทางวิทยาศาสตร์ หลายปีต่อมา นักประวัติศาสตร์ได้ค้นพบว่าย้อนกลับไปในปี 1670 ชาวดัตช์ Antonie Leeuwenhoek ผู้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ เห็นได้ชัดว่าสังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่คล้ายกัน แต่ความหายากและความไม่สมบูรณ์ของกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งเป็นสถานะตัวอ่อนของวิทยาศาสตร์โมเลกุลในเวลานั้น ไม่ได้ดึงดูดความสนใจต่อการสังเกตของลีเวนฮุก ดังนั้นการค้นพบนี้จึงถือเป็นสิทธิ์ของบราวน์ซึ่งเป็นคนแรกที่ศึกษาและอธิบายอย่างละเอียด

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและทฤษฎีอะตอม-โมเลกุล

ปรากฏการณ์ที่บราวน์สังเกตพบอย่างรวดเร็วกลายเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวาง เขาเองก็แสดงการทดลองของเขาให้เพื่อนร่วมงานหลายคนเห็น (บราวน์มีชื่อสองโหล) แต่ทั้งตัวบราวน์เองและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ เป็นเวลาหลายปีก็ไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ลึกลับนี้ ซึ่งเรียกว่า "ขบวนการบราวเนียน" ได้ การเคลื่อนไหวของอนุภาคเป็นแบบสุ่มโดยสมบูรณ์: การร่างตำแหน่งที่เกิดขึ้น ณ จุดต่าง ๆ ในเวลา (เช่น ทุกนาที) ไม่ได้มองแวบแรกทำให้สามารถค้นหารูปแบบใด ๆ ในการเคลื่อนไหวเหล่านี้ได้

คำอธิบายการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (ตามที่เรียกว่าปรากฏการณ์นี้) โดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่มองไม่เห็นนั้นมีให้เฉพาะในช่วงไตรมาสสุดท้ายของศตวรรษที่ 19 เท่านั้น แต่นักวิทยาศาสตร์ทุกคนไม่ได้รับการยอมรับในทันที ในปี ค.ศ. 1863 ลุดวิก คริสเตียน วีเนอร์ (ค.ศ. 1826–1896) ครูสอนวิชาเรขาคณิตเชิงพรรณนาจากคาร์ลสรูเฮอ (เยอรมนี) เสนอแนะว่าปรากฏการณ์นี้สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่แบบสั่นของอะตอมที่มองไม่เห็น นี่เป็นครั้งแรก แม้จะห่างไกลจากความทันสมัยมาก แต่คำอธิบายเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนด้วยคุณสมบัติของอะตอมและโมเลกุลเอง เป็นสิ่งสำคัญที่ Wiener มองเห็นโอกาสในการใช้ปรากฏการณ์นี้เพื่อเจาะความลับของโครงสร้างของสสาร เขาเป็นคนแรกที่พยายามวัดความเร็วการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนและการขึ้นอยู่กับขนาดของมัน เป็นที่น่าแปลกใจว่าในปี 1921 รายงานของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐอเมริกามีการตีพิมพ์ผลงานเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของ Brownian ของ Wiener - Norbert ผู้ก่อตั้งไซเบอร์เนติกส์ที่มีชื่อเสียง

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

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

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

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

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

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

แต่แม้แต่นักฟิสิกส์ที่ยอมรับทฤษฎีโมเลกุลก็ไม่เชื่อว่าความถูกต้องของทฤษฎีอะตอม-โมเลกุลได้รับการพิสูจน์ด้วยวิธีง่ายๆ เช่นนี้ ดังนั้นจึงมีการใช้เหตุผลทางเลือกหลายประการเพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ และนี่ค่อนข้างอยู่ในจิตวิญญาณของวิทยาศาสตร์: จนกว่าจะระบุสาเหตุของปรากฏการณ์ได้อย่างไม่คลุมเครือก็เป็นไปได้ (และจำเป็นด้วยซ้ำ) ที่จะสันนิษฐานสมมติฐานต่าง ๆ ซึ่งหากเป็นไปได้ควรได้รับการทดสอบในเชิงทดลองหรือทางทฤษฎี ย้อนกลับไปในปี 1905 บทความสั้น ๆ โดยศาสตราจารย์ฟิสิกส์เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก N.A. Gezekhus อาจารย์ของนักวิชาการชื่อดัง A.F. Ioffe ได้รับการตีพิมพ์ในพจนานุกรมสารานุกรม Brockhaus และ Efron Gesehus เขียนว่าตามที่นักวิทยาศาสตร์บางคนกล่าวไว้ การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเกิดจาก "แสงหรือรังสีความร้อนที่ผ่านของเหลว" และเดือดลงไปที่ "กระแสธรรมดาภายในของเหลวที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุล" และกระแสเหล่านี้ อาจเกิดจาก “การระเหย การแพร่กระจาย และสาเหตุอื่นๆ” ท้ายที่สุดเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาคฝุ่นในอากาศที่คล้ายกันมากนั้นเกิดจากกระแสน้ำวนอย่างแม่นยำ แต่คำอธิบายที่ให้ไว้โดย Gesehus สามารถหักล้างการทดลองได้อย่างง่ายดาย: หากคุณดูอนุภาคบราวเนียนสองตัวที่อยู่ใกล้กันมากผ่านกล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังแรง การเคลื่อนไหวของพวกมันจะกลายเป็นอิสระอย่างสมบูรณ์ หากการเคลื่อนไหวเหล่านี้เกิดจากการไหลของของเหลว อนุภาคที่อยู่ใกล้เคียงก็จะเคลื่อนที่พร้อมกัน

ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

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

เป็นที่สงสัยว่าในตอนต้นของบทความนี้ ไอน์สไตน์เขียนว่าเขาคุ้นเคยกับปรากฏการณ์นี้แล้ว แม้ว่าจะเป็นเพียงผิวเผินก็ตาม: “เป็นไปได้ที่การเคลื่อนไหวที่เป็นปัญหาจะเหมือนกันกับสิ่งที่เรียกว่าการเคลื่อนที่ของโมเลกุลแบบบราวเนียน แต่มีข้อมูลอยู่ สำหรับฉันเกี่ยวกับเรื่องหลังนั้นไม่ถูกต้องมากจนฉันไม่สามารถกำหนดได้นี่เป็นความคิดเห็นที่ชัดเจน” และหลายทศวรรษต่อมาในช่วงบั้นปลายชีวิตของเขา ไอน์สไตน์เขียนบางสิ่งที่แตกต่างออกไปในบันทึกความทรงจำของเขา - โดยที่เขาไม่รู้เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวแบบบราวเนียนเลยและจริงๆ แล้ว "ค้นพบ" มันในทางทฤษฎีล้วนๆ: "ไม่รู้ว่าการสังเกต "การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน" มีมานานแล้ว ฉันค้นพบว่าทฤษฎีอะตอมนำไปสู่การดำรงอยู่ของการเคลื่อนที่ที่สังเกตได้ของอนุภาคแขวนลอยด้วยกล้องจุลทรรศน์" อย่างไรก็ตาม บทความเชิงทฤษฎีของไอน์สไตน์จบลงด้วยการเรียกร้องให้นักทดลองโดยตรงทดสอบข้อสรุปของเขาด้วยการทดลอง: "หากนักวิจัยคนใดสามารถตอบได้ในไม่ช้า คำถามที่ยกขึ้นที่นี่คำถาม!" – เขาจบบทความด้วยเครื่องหมายอัศเจรีย์ที่ไม่ธรรมดาเช่นนี้

คำตอบสำหรับความหลงใหลอันเร่าร้อนของไอน์สไตน์นั้นกำลังจะเกิดขึ้นในไม่ช้า

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

เอ็นตอบ: ส 2 = 2RTt/6พ อาร์เอ็นเอ,

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

วางตำแหน่งต่อเนื่องกันทุกๆ 30 วินาทีของอนุภาคบราวเนียน 3 ชิ้น - ลูกหมากฝรั่งที่มีขนาดประมาณ 1 ไมครอน หนึ่งเซลล์สอดคล้องกับระยะห่าง 3 µm หากเพอร์รินสามารถระบุตำแหน่งของอนุภาคบราวเนียนได้ไม่ใช่หลังจาก 30 แต่หลังจาก 3 วินาที เส้นตรงระหว่างจุดใกล้เคียงแต่ละจุดจะกลายเป็นเส้นหักซิกแซกที่ซับซ้อนแบบเดียวกัน เฉพาะในระดับที่เล็กกว่าเท่านั้น

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

ผลลัพธ์ที่เพอร์รินได้รับยืนยันข้อสรุปทางทฤษฎีของไอน์สไตน์ มันสร้างความประทับใจอย่างมาก ดังที่นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน A. Pais เขียนในอีกหลายปีต่อมา“ คุณไม่เคยหยุดที่จะประหลาดใจกับผลลัพธ์นี้ซึ่งได้มาด้วยวิธีง่ายๆ: ก็เพียงพอแล้วที่จะเตรียมลูกบอลแขวนซึ่งมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับขนาด ของโมเลกุลธรรมดาๆ ให้ใช้นาฬิกาจับเวลาและกล้องจุลทรรศน์ แล้วคุณจะสามารถหาค่าคงที่ของอโวกาโดรได้!” เราอาจแปลกใจเช่นกัน: คำอธิบายการทดลองใหม่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนยังคงปรากฏอยู่ในวารสารวิทยาศาสตร์ (ธรรมชาติ วิทยาศาสตร์ วารสารเคมีศึกษา) เป็นครั้งคราว หลังจากการตีพิมพ์ผลงานของเพอร์ริน Ostwald อดีตฝ่ายตรงข้ามของอะตอมมิกส์ยอมรับว่า "ความบังเอิญของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนกับข้อกำหนดของสมมติฐานทางจลน์... ขณะนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ที่ระมัดระวังที่สุดมีสิทธิ์พูดคุยเกี่ยวกับการพิสูจน์การทดลองของทฤษฎีอะตอม ของเรื่อง ด้วยเหตุนี้ ทฤษฎีอะตอมจึงได้รับการยกระดับให้เป็นทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่มีรากฐานมาอย่างดี” เขาสะท้อนโดยนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Henri Poincaré: "การกำหนดจำนวนอะตอมอันชาญฉลาดของ Perrin ได้ทำให้ชัยชนะของอะตอมมิกส์สำเร็จลง... อะตอมของนักเคมีได้กลายเป็นความจริงแล้ว"

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและการแพร่กระจาย

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

การแพร่กระจายนั้นสังเกตได้ง่ายกว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนมาก เนื่องจากมันไม่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์: การเคลื่อนไหวนั้นไม่ได้สังเกตจากอนุภาคแต่ละตัว แต่เป็นมวลขนาดใหญ่ คุณเพียงแค่ต้องแน่ใจว่าการแพร่กระจายไม่ได้ซ้อนทับด้วยการพาความร้อน - การผสมสสารเป็น ผลจากกระแสน้ำวน (กระแสดังกล่าวสังเกตได้ง่าย โดยหยดสารละลายสี เช่น หมึก ลงในแก้วน้ำร้อน)

การแพร่กระจายจะสังเกตได้สะดวกในเจลหนา ตัวอย่างเช่นสามารถเตรียมเจลดังกล่าวในขวดเพนิซิลลินโดยเตรียมสารละลายเจลาติน 4-5% ลงไป เจลาตินจะต้องพองตัวเป็นเวลาหลายชั่วโมงก่อนจากนั้นจึงละลายโดยคนให้เข้ากันโดยใส่ขวดลงในน้ำร้อน หลังจากเย็นตัวลงจะได้เจลที่ไม่ไหลออกมาในรูปของมวลโปร่งใสและมีเมฆมากเล็กน้อย หากคุณใช้แหนบแหลมคมสอดคริสตัลโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตขนาดเล็ก (“โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต”) เข้าไปในใจกลางของมวลนี้อย่างระมัดระวัง คริสตัลจะยังคงแขวนอยู่ในตำแหน่งที่ทิ้งไว้ เนื่องจากเจลจะป้องกันไม่ให้ตกลงมา ภายในไม่กี่นาที ลูกบอลสีม่วงจะเริ่มเติบโตรอบๆ คริสตัล เมื่อเวลาผ่านไป ลูกบอลก็จะใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งผนังของขวดโหลบิดเบี้ยวรูปร่าง ผลลัพธ์เดียวกันนี้สามารถรับได้โดยใช้คริสตัลคอปเปอร์ซัลเฟตเฉพาะในกรณีนี้ลูกบอลจะไม่กลายเป็นสีม่วง แต่เป็นสีน้ำเงิน

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

ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน: การเดินแบบสุ่ม

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

เส้นทางของโมเลกุลอันเป็นผลมาจากการแพร่กระจาย (หรือเส้นทางของอนุภาคบราวเนียน) เรียกว่าการเดินแบบสุ่ม นักฟิสิกส์ที่มีไหวพริบตีความการแสดงออกนี้ใหม่ว่าเป็นการเดินของคนขี้เมา - "เส้นทางของคนขี้เมา" แท้จริงแล้วการเคลื่อนที่ของอนุภาคจากตำแหน่งหนึ่งไปอีกตำแหน่งหนึ่ง (หรือเส้นทางของโมเลกุลที่มีการชนกันหลายครั้ง) มีลักษณะคล้ายกับการเคลื่อนไหวของคนเมา ยิ่งไปกว่านั้น การเปรียบเทียบนี้ยังช่วยให้สามารถสรุปสมการพื้นฐานของกระบวนการดังกล่าวได้ค่อนข้างง่าย โดยมีพื้นฐานมาจากตัวอย่างของการเคลื่อนที่ในมิติเดียว ซึ่งง่ายต่อการสรุปเป็นสามมิติ

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

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

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

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

ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในชีวิตจริง

ทฤษฎีการเดินสุ่มมีการนำไปประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติที่สำคัญ พวกเขากล่าวว่าหากไม่มีสถานที่สำคัญ (ดวงอาทิตย์, ดวงดาว, เสียงของทางหลวงหรือทางรถไฟ ฯลฯ ) คน ๆ หนึ่งจะเดินทางในป่าข้ามทุ่งท่ามกลางพายุหิมะหรือมีหมอกหนาเป็นวงกลมมักจะกลับมาหาเขาเสมอ สถานที่เดิม ในความเป็นจริง เขาไม่ได้เดินเป็นวงกลม แต่เคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกับที่โมเลกุลหรืออนุภาคบราวเนียนเคลื่อนที่ เขาสามารถกลับไปยังที่เดิมได้ แต่ต้องบังเอิญเท่านั้น แต่เขาข้ามเส้นทางของเขาหลายครั้ง พวกเขายังกล่าวอีกว่ามีคนถูกพบเป็นน้ำแข็งในพายุหิมะ “ประมาณหนึ่งกิโลเมตร” จากที่อยู่อาศัยหรือถนนที่ใกล้ที่สุด แต่ในความเป็นจริงแล้วบุคคลนั้นไม่มีโอกาสเดินในกิโลเมตรนี้ และนี่คือเหตุผล

ในการคำนวณว่าบุคคลจะเปลี่ยนไปมากน้อยเพียงใดอันเป็นผลมาจากการเดินแบบสุ่ม คุณจำเป็นต้องทราบค่าของ l เช่น ระยะทางที่บุคคลสามารถเดินเป็นเส้นตรงได้โดยไม่มีจุดสังเกต ค่านี้วัดโดย Doctor of Geological and Mineralological Sciences B.S. Gorobets ด้วยความช่วยเหลือจากนักศึกษาอาสาสมัคร แน่นอนว่าเขาไม่ได้ทิ้งพวกเขาไว้ในป่าทึบหรือบนสนามที่มีหิมะปกคลุมทุกอย่างง่ายกว่า - นักเรียนถูกวางไว้ตรงกลางสนามกีฬาที่ว่างเปล่าปิดตาและขอให้เดินไปที่จุดสิ้นสุดของสนามฟุตบอลใน ความเงียบสนิท (เพื่อแยกการวางแนวด้วยเสียง) ปรากฎว่าโดยเฉลี่ยแล้วนักเรียนเดินเป็นเส้นตรงเพียงประมาณ 20 เมตร (ค่าเบี่ยงเบนจากเส้นตรงในอุดมคติไม่เกิน 5°) จากนั้นเริ่มเบี่ยงเบนไปจากทิศทางเดิมมากขึ้นเรื่อยๆ ในท้ายที่สุดเขาก็หยุดจนไม่ถึงขอบ

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

อิลยา ลีนสัน

วรรณกรรม:

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

การค้นพบของบราวน์

ในปี ค.ศ. 1827 บราวน์ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับเกสรพืช เขาสนใจเป็นพิเศษว่าละอองเรณูมีส่วนร่วมในกระบวนการปฏิสนธิอย่างไร ครั้งหนึ่ง ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ เขาได้ตรวจดูเมล็ดไซโตพลาสซึมที่ยืดยาวซึ่งลอยอยู่ในน้ำจากเซลล์ละอองเกสรของพืช Clarkia pulchella ในอเมริกาเหนือ ทันใดนั้น บราวน์ก็เห็นว่าเมล็ดแข็งที่เล็กที่สุดซึ่งแทบจะมองไม่เห็นด้วยหยดน้ำนั้น ตัวสั่นอยู่ตลอดเวลาและเคลื่อนตัวจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง เขาพบว่าการเคลื่อนไหวเหล่านี้ "ไม่เกี่ยวข้องกับการไหลของของเหลวหรือการระเหยอย่างค่อยเป็นค่อยไป แต่จะมีอยู่ในตัวอนุภาคเอง"

การสังเกตการณ์ของบราวน์ได้รับการยืนยันจากนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ อนุภาคที่เล็กที่สุดมีพฤติกรรมราวกับว่าพวกมันยังมีชีวิตอยู่ และ "การเต้นรำ" ของอนุภาคจะถูกเร่งด้วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและขนาดอนุภาคที่ลดลง และช้าลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อแทนที่น้ำด้วยตัวกลางที่มีความหนืดมากขึ้น ปรากฏการณ์อันน่าอัศจรรย์นี้ไม่เคยหยุดนิ่ง สามารถสังเกตได้นานเท่าที่ต้องการ ในตอนแรก บราวน์ถึงกับคิดว่าสิ่งมีชีวิตจริงๆ ตกลงไปในสนามของกล้องจุลทรรศน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากละอองเกสรดอกไม้เป็นเซลล์สืบพันธุ์ของพืช แต่ก็มีอนุภาคจากพืชที่ตายแล้วด้วย แม้กระทั่งจากพืชที่แห้งเมื่อร้อยปีก่อนในหอพรรณไม้ จากนั้นบราวน์ก็สงสัยว่าสิ่งเหล่านี้คือ "โมเลกุลเบื้องต้นของสิ่งมีชีวิต" ที่ Georges Buffon นักธรรมชาติวิทยาชื่อดังชาวฝรั่งเศส (1707–1788) ผู้เขียนประวัติศาสตร์ธรรมชาติ 36 เล่มพูดถึงหรือไม่ ข้อสันนิษฐานนี้ล้มเหลวเมื่อบราวน์เริ่มตรวจสอบวัตถุที่ดูเหมือนไม่มีชีวิต ในตอนแรกมันเป็นอนุภาคถ่านหินขนาดเล็กมาก เช่นเดียวกับเขม่าและฝุ่นจากอากาศในลอนดอน จากนั้นจึงบดสารอนินทรีย์อย่างประณีต เช่น แก้ว แร่ธาตุต่างๆ มากมาย “โมเลกุลที่แอคทีฟ” มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง: “ในแร่ธาตุทุกชนิด” บราวน์เขียน “ซึ่งฉันประสบความสำเร็จในการบดจนสามารถแขวนลอยอยู่ในน้ำได้ระยะหนึ่ง ฉันพบว่าโมเลกุลเหล่านี้ในปริมาณมากหรือน้อยนั้น ”

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและทฤษฎีอะตอม-โมเลกุล

คำอธิบายการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (ตามที่เรียกว่าปรากฏการณ์นี้) โดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่มองไม่เห็นนั้นมีให้เฉพาะในช่วงไตรมาสสุดท้ายของศตวรรษที่ 19 เท่านั้น แต่นักวิทยาศาสตร์ทุกคนไม่ได้รับการยอมรับในทันที ในปี ค.ศ. 1863 ลุดวิก คริสเตียน วีเนอร์ (ค.ศ. 1826–1896) ครูสอนวิชาเรขาคณิตเชิงพรรณนาจากคาร์ลสรูเฮอ (เยอรมนี) เสนอแนะว่าปรากฏการณ์นี้สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่แบบสั่นของอะตอมที่มองไม่เห็น นี่เป็นครั้งแรก แม้จะห่างไกลจากความทันสมัยมาก แต่คำอธิบายเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนด้วยคุณสมบัติของอะตอมและโมเลกุลเอง เป็นสิ่งสำคัญที่ Wiener มองเห็นโอกาสในการใช้ปรากฏการณ์นี้เพื่อเจาะความลับของโครงสร้างของสสาร เขาเป็นคนแรกที่พยายามวัดความเร็วการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนและการขึ้นอยู่กับขนาดของมัน เป็นที่น่าสงสัยว่าในปี 1921 ในการตีพิมพ์ของ Proceedings of the US National Academy of Sciences งานเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวแบบบราวเนียนของ Wiener อีกคนหนึ่งคือ Norbert ผู้ก่อตั้งไซเบอร์เนติกส์ที่มีชื่อเสียงได้รับการตีพิมพ์

ในเชิงคุณภาพภาพนั้นค่อนข้างเป็นไปได้และเป็นภาพด้วยซ้ำ กิ่งไม้หรือแมลงเล็กๆ ที่ถูกมดหลายๆ ตัวผลัก (หรือดึง) ไปในทิศทางที่ต่างกัน ควรจะเคลื่อนไหวในลักษณะเดียวกันโดยประมาณ อนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้จริงๆ แล้วอยู่ในคำศัพท์ของนักวิทยาศาสตร์ แต่ไม่มีใครเคยเห็นพวกมันมาก่อน พวกมันถูกเรียกว่าโมเลกุล แปลจากภาษาละตินคำนี้แปลว่า "มวลน้อย" น่าประหลาดใจที่นี่คือคำอธิบายที่มอบให้กับปรากฏการณ์ที่คล้ายกันโดยนักปรัชญาชาวโรมัน Titus Lucretius Carus (ประมาณ 99–55 ปีก่อนคริสตกาล) ในบทกวีชื่อดังของเขาเรื่อง On the Nature of Things ในนั้นเขาเรียกอนุภาคที่เล็กที่สุดที่มองไม่เห็นด้วยตาว่า "หลักการดั้งเดิม" ของสิ่งต่าง ๆ

หลักการของสิ่งต่าง ๆ เคลื่อนไหวเองก่อน

ต่อไปนี้คือร่างกายจากการรวมตัวที่เล็กที่สุด

ใกล้เคียงกับความเข้มแข็งของหลักการเบื้องต้น

ซ่อนตัวจากพวกเขา รับแรงกระแทก พวกเขาเริ่มต่อสู้

ตัวเองจะเคลื่อนไหวแล้วส่งเสริมให้ร่างกายใหญ่ขึ้น

ดังนั้นเริ่มจากจุดเริ่มต้นการเคลื่อนไหวทีละน้อย

มันสัมผัสความรู้สึกของเราและมองเห็นได้เช่นกัน

สำหรับเราและในจุดฝุ่นที่เคลื่อนตัวไปตามแสงแดด

แม้ว่าแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจะมองไม่เห็น...

แต่แม้แต่นักฟิสิกส์ที่ยอมรับทฤษฎีโมเลกุลก็ไม่เชื่อว่าความถูกต้องของทฤษฎีอะตอม-โมเลกุลได้รับการพิสูจน์ด้วยวิธีง่ายๆ เช่นนี้ ดังนั้นจึงมีการใช้เหตุผลทางเลือกหลายประการเพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ และนี่ค่อนข้างอยู่ในจิตวิญญาณของวิทยาศาสตร์: จนกว่าจะระบุสาเหตุของปรากฏการณ์ได้อย่างไม่คลุมเครือก็เป็นไปได้ (และจำเป็นด้วยซ้ำ) ที่จะสันนิษฐานสมมติฐานต่าง ๆ ซึ่งหากเป็นไปได้ควรได้รับการทดสอบในเชิงทดลองหรือทางทฤษฎี ดังนั้นย้อนกลับไปในปี 1905 บทความสั้น ๆ โดยศาสตราจารย์ฟิสิกส์เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก N.A. Gezehus อาจารย์ของนักวิชาการชื่อดัง A.F. Ioffe ได้รับการตีพิมพ์ในพจนานุกรมสารานุกรม Brockhaus และ Efron Gesehus เขียนว่าตามที่นักวิทยาศาสตร์บางคนกล่าวไว้ การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนเกิดจาก "แสงหรือรังสีความร้อนที่ผ่านของเหลว" และเดือดลงไปที่ "กระแสธรรมดาภายในของเหลวที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุล" และกระแสเหล่านี้ อาจเกิดจาก “การระเหย การแพร่กระจาย และสาเหตุอื่นๆ” ท้ายที่สุดเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาคฝุ่นในอากาศที่คล้ายกันมากนั้นเกิดจากกระแสน้ำวนอย่างแม่นยำ แต่คำอธิบายที่ให้ไว้โดย Gesehus สามารถหักล้างการทดลองได้อย่างง่ายดาย: หากคุณดูอนุภาคบราวเนียนสองตัวที่อยู่ใกล้กันมากผ่านกล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังแรง การเคลื่อนไหวของพวกมันจะกลายเป็นอิสระอย่างสมบูรณ์ หากการเคลื่อนไหวเหล่านี้เกิดจากการไหลของของเหลว อนุภาคที่อยู่ใกล้เคียงก็จะเคลื่อนที่พร้อมกัน

ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เข้าใจธรรมชาติของโมเลกุลของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน แต่คำอธิบายทั้งหมดยังคงเป็นเชิงคุณภาพล้วนๆ ไม่มีทฤษฎีเชิงปริมาณใดสามารถทนต่อการทดสอบเชิงทดลองได้ นอกจากนี้ผลการทดลองเองก็ไม่ชัดเจน: ปรากฏการณ์อันน่าอัศจรรย์ของอนุภาคที่พุ่งไม่หยุดนิ่งสะกดจิตผู้ทดลอง และพวกเขาไม่ทราบแน่ชัดว่าต้องวัดลักษณะเฉพาะของปรากฏการณ์ใด
แม้จะมีความผิดปกติโดยสิ้นเชิง แต่ก็ยังสามารถอธิบายการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคบราวเนียนด้วยความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ได้ เป็นครั้งแรกที่นักฟิสิกส์ชาวโปแลนด์ Marian Smoluchowski (พ.ศ. 2415-2460) ให้คำอธิบายที่เข้มงวดเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในปี พ.ศ. 2447 ซึ่งในช่วงหลายปีที่ผ่านมาทำงานที่มหาวิทยาลัยลวิฟ ในเวลาเดียวกัน ทฤษฎีของปรากฏการณ์นี้ได้รับการพัฒนาโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (พ.ศ. 2422-2498) ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญระดับ 2 ที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักในสำนักงานสิทธิบัตรแห่งเมืองเบิร์นของสวิส บทความของเขาซึ่งตีพิมพ์ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2448 ในวารสารเยอรมัน Annalen der Physik มีชื่อว่า "เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวที่อยู่นิ่ง ซึ่งกำหนดโดยทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุลของความร้อน" ด้วยชื่อนี้ ไอน์สไตน์ต้องการแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลของโครงสร้างของสสารจำเป็นต้องบอกเป็นนัยถึงการมีอยู่ของการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคของแข็งที่เล็กที่สุดในของเหลว

ตามทฤษฎีสโมลูโชสกี้-ไอน์สไตน์ ค่าเฉลี่ยของการกระจัดกำลังสองของอนุภาคบราวเนียน (s2) ในช่วงเวลา t จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ T และแปรผกผันกับความหนืดของของเหลว h ขนาดอนุภาค r และค่าคงที่ของอาโวกาโดร

NA: s2 = 2RTt/6phrNA,

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

ในปี 1908 เพอร์รินเริ่มสังเกตการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนในเชิงปริมาณภายใต้กล้องจุลทรรศน์ เขาใช้อัลตราไมโครสโคปซึ่งประดิษฐ์ขึ้นในปี 1902 ซึ่งทำให้สามารถตรวจจับอนุภาคที่เล็กที่สุดได้โดยการกระจายแสงจากไฟส่องสว่างด้านข้างอันทรงพลังไปยังพวกมัน เพอร์รินได้ลูกบอลเล็กๆ ที่มีรูปร่างเกือบเป็นทรงกลมและมีขนาดใกล้เคียงกันจากหมากฝรั่ง ซึ่งเป็นน้ำยางข้นของต้นไม้เขตร้อนบางชนิด (ใช้เป็นสีน้ำสีเหลืองด้วย) เม็ดบีดเล็กๆ เหล่านี้ถูกแขวนลอยอยู่ในกลีเซอรอลที่มีน้ำ 12%; ของเหลวหนืดป้องกันไม่ให้เกิดกระแสภายในซึ่งจะทำให้ภาพเบลอ เพอร์รินมีนาฬิกาจับเวลาติดอาวุธ ตั้งข้อสังเกตแล้วร่าง (แน่นอนว่าในขนาดที่ขยายใหญ่ขึ้นมาก) บนกระดาษกราฟ ตำแหน่งของอนุภาคในช่วงเวลาปกติ เช่น ทุกครึ่งนาที ด้วยการเชื่อมต่อจุดผลลัพธ์ด้วยเส้นตรง เขาได้วิถีโคจรที่ซับซ้อน ซึ่งบางส่วนแสดงอยู่ในภาพ (นำมาจากหนังสือ Atomy ของ Perrin ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1920 ในปารีส) การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่วุ่นวายและไม่เป็นระเบียบดังกล่าวนำไปสู่ความจริงที่ว่าพวกมันเคลื่อนที่ในอวกาศค่อนข้างช้า: ผลรวมของเซ็กเมนต์นั้นมากกว่าการกระจัดของอนุภาคจากจุดแรกไปยังจุดสุดท้ายมาก

วางตำแหน่งต่อเนื่องกันทุกๆ 30 วินาทีของอนุภาคบราวเนียน 3 ชิ้น - ลูกหมากฝรั่งที่มีขนาดประมาณ 1 ไมครอน หนึ่งเซลล์สอดคล้องกับระยะห่าง 3 µm
วางตำแหน่งต่อเนื่องกันทุกๆ 30 วินาทีของอนุภาคบราวเนียน 3 ชิ้น - ลูกหมากฝรั่งที่มีขนาดประมาณ 1 ไมครอน หนึ่งเซลล์สอดคล้องกับระยะห่าง 3 µm หากเพอร์รินสามารถระบุตำแหน่งของอนุภาคบราวเนียนได้ไม่ใช่หลังจาก 30 แต่หลังจาก 3 วินาที เส้นตรงระหว่างจุดใกล้เคียงแต่ละจุดจะกลายเป็นเส้นหักซิกแซกที่ซับซ้อนแบบเดียวกัน เฉพาะในระดับที่เล็กกว่าเท่านั้น

เมื่อใช้สูตรทางทฤษฎีและผลลัพธ์ของเขา เพอร์รินได้ค่าที่แม่นยำพอสมควรสำหรับเลขอาโวกาโดรในขณะนั้น: 6.8.1023 เพอร์รินยังใช้กล้องจุลทรรศน์เพื่อศึกษาการกระจายตัวในแนวดิ่งของอนุภาคบราวเนียน (ดูกฎของ AVOGADRO) และแสดงให้เห็นว่าแม้จะมีการกระทำของแรงโน้มถ่วง พวกมันยังคงแขวนลอยอยู่ในสารละลาย เพอร์รินยังเป็นเจ้าของผลงานสำคัญอื่นๆ อีกด้วย ในปี พ.ศ. 2438 เขาได้พิสูจน์ว่ารังสีแคโทดเป็นประจุไฟฟ้าลบ (อิเล็กตรอน) และในปี พ.ศ. 2444 เขาได้เสนอแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์เป็นครั้งแรก ในปี 1926 เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและการแพร่กระจาย

เป็นที่ชัดเจนว่าทำไมลูกบอลถึงออกมา: MnO4– ไอออนที่เกิดขึ้นระหว่างการละลายของคริสตัลจะเข้าสู่สารละลาย (เจลส่วนใหญ่เป็นน้ำ) และจากการแพร่กระจาย ทำให้เคลื่อนที่อย่างเท่าเทียมกันในทุกทิศทาง ในขณะที่แรงโน้มถ่วงแทบไม่มีผลเลย เกี่ยวกับอัตราการแพร่ การแพร่กระจายในของเหลวช้ามาก: จะใช้เวลาหลายชั่วโมงกว่าลูกบอลจะโตขึ้นหลายเซนติเมตร ในก๊าซการแพร่กระจายจะเร็วกว่ามาก แต่ถึงกระนั้นหากอากาศไม่ปะปน กลิ่นของน้ำหอมหรือแอมโมเนียก็จะกระจายอยู่ในห้องเป็นเวลาหลายชั่วโมง

ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน: การเดินแบบสุ่ม

ทฤษฎีสโมลูโควสกี–ไอน์สไตน์อธิบายกฎของทั้งการแพร่กระจายและการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน เราสามารถพิจารณารูปแบบเหล่านี้ได้โดยใช้ตัวอย่างการแพร่กระจาย ถ้าความเร็วของโมเลกุลคือ u ดังนั้น เมื่อเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง มันจะครอบคลุมระยะทาง L = ut ในเวลา t แต่เนื่องจากการชนกับโมเลกุลอื่น โมเลกุลนี้จึงไม่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง แต่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ทิศทางการเคลื่อนที่ของมัน หากเป็นไปได้ที่จะวาดเส้นทางของโมเลกุล โดยพื้นฐานแล้วมันก็ไม่ต่างจากภาพวาดที่เพอร์รินได้รับ จากตัวเลขดังกล่าว เห็นได้ชัดว่าเนื่องจากการเคลื่อนที่ที่วุ่นวาย โมเลกุลจึงถูกแทนที่ด้วยระยะห่าง s ซึ่งน้อยกว่า L อย่างมีนัยสำคัญ ปริมาณเหล่านี้สัมพันธ์กันด้วยความสัมพันธ์ s = โดยที่ l คือระยะทางที่โมเลกุลลอยจากการชนครั้งหนึ่งไปยัง อีกเส้นทางหนึ่งคือเส้นทางอิสระโดยเฉลี่ย การวัดพบว่าสำหรับโมเลกุลอากาศที่ความดันบรรยากาศปกติ l ~ 0.1 μm ซึ่งหมายความว่าที่ความเร็ว 500 เมตร/วินาที โมเลกุลไนโตรเจนหรือออกซิเจนจะบินใน 10,000 วินาที (น้อยกว่าสามชั่วโมง) ระยะห่าง L = 5,000 กม. และจะ การเคลื่อนตัวจากตำแหน่งเดิมมีเพียง s = 0.7 ม. (70 ซม.) ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้สสารเคลื่อนที่ช้ามากเนื่องจากการแพร่กระจาย แม้จะอยู่ในก๊าซก็ตาม

เมื่อเดินไปที่ตะเกียงที่ใกล้ที่สุดเป็นครั้งแรก (ไปทางขวาหรือทางซ้าย) กะลาสีเรือจะพบว่าตัวเองอยู่ห่างจากจุดเริ่มต้น s1 = ± l เนื่องจากเราสนใจแค่ระยะห่างจากจุดนี้เท่านั้น แต่ไม่สนใจทิศทางของมัน เราจะกำจัดเครื่องหมายนั้นโดยยกกำลังสองนิพจน์นี้: s12 = l2 หลังจากนั้นครู่หนึ่ง กะลาสีเรือที่ได้เสร็จสิ้น N "พเนจร" แล้วจะอยู่ห่างไกลออกไป

SN = ตั้งแต่เริ่มต้น และผ่านไปอีกครั้ง (ในทิศทางเดียว) ไปยังหลอดไฟที่ใกล้ที่สุด ที่ระยะห่าง sN+1 = sN ± l หรือใช้กำลังสองของการกระจัด s2N+1 = s2N ±2sN l + l2 หากกะลาสีทำการเคลื่อนไหวนี้ซ้ำหลายครั้ง (จาก N ถึง N + 1) ดังนั้นผลจากการหาค่าเฉลี่ย (เขาก้าวที่ N ไปทางขวาหรือทางซ้ายด้วยความน่าจะเป็นที่เท่ากัน) คำว่า ±2sNl จะลดลงดังนั้น นั้น (วงเล็บมุมระบุค่าเฉลี่ย)

เนื่องจาก s12 = l2 ดังนั้น

S22 = s12 + l2 = 2l2, s32 = s22 + l2 = 3ll2 เป็นต้น เช่น s2N = Nl2 หรือ sN =l ระยะทางรวมที่เดินทาง L สามารถเขียนเป็นผลคูณของความเร็วของกะลาสีและเวลาเดินทาง (L = ut) และเป็นผลคูณของจำนวนการเดินทางและระยะห่างระหว่างโคมไฟ (L = Nl) ดังนั้น ut = Nl โดยที่ N = ut/l และสุดท้าย sN = ดังนั้นเราจึงได้รับการพึ่งพาการกระจัดของกะลาสีเรือ (เช่นเดียวกับโมเลกุลหรืออนุภาคบราวเนียน) ตรงเวลา ตัวอย่างเช่น หากมีระยะห่างระหว่างโคมไฟ 10 เมตรกับกะลาสีเรือเดินด้วยความเร็ว 1 เมตร/วินาที ดังนั้นในหนึ่งชั่วโมง เส้นทางรวมของเขาจะเป็น L = 3,600 เมตร = 3.6 กิโลเมตร ในขณะที่การกระจัดจากจุดศูนย์ในระหว่าง เวลาเดียวกันจะเหลือเพียง s = = 190 ม. ภายใน 3 ชั่วโมงมันจะเดินทาง L = 10.8 กม. และจะเปลี่ยนไป s = 330 ม. เป็นต้น

ผลิตภัณฑ์ ul ในสูตรผลลัพธ์สามารถนำมาเปรียบเทียบกับค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ ซึ่งดังที่แสดงโดยนักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวไอริช จอร์จ กาเบรียล สโตกส์ (1819–1903) ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคและความหนืดของตัวกลาง จากการพิจารณาที่คล้ายกัน ไอน์สไตน์ได้สมการของเขามา

ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในชีวิตจริง

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและทฤษฎีอะตอม-โมเลกุล

ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

เอ็นตอบ: ส 2 = 2RTt/6พ อาร์เอ็นเอ,

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและการแพร่กระจาย

ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน: การเดินแบบสุ่ม

ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในชีวิตจริง

อิลยา ลีนสัน

วรรณกรรม:

แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล……………………4

เหตุใดจอร์ดาโน บรูโนจึงถูกเผา?................................................ 7

กาลิเลโอ กาลิเลอี ละทิ้งความคิดเห็นทางวิทยาศาสตร์ของเขาหรือไม่ .......... ............................... .. .....9

บรรณานุกรม……………………………......... ........................... .. . .13

การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน
การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวหรือก๊าซ เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงกระแทกจากโมเลกุลของสิ่งแวดล้อม เปิดโดยโรเบิร์ตสีน้ำตาล ในปี พ.ศ. 2370 อนุภาคแขวนลอยซึ่งมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์เท่านั้น เคลื่อนที่อย่างเป็นอิสระจากกัน และอธิบายวิถีซิกแซกที่ซับซ้อน การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนไม่ได้ลดลงเมื่อเวลาผ่านไปและไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีของตัวกลาง ความเข้มของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของตัวกลาง และลดความหนืดและขนาดอนุภาคลง
เมื่อสังเกตการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ตำแหน่งของอนุภาคจะถูกบันทึกเป็นระยะๆ แน่นอนว่าระหว่างการสังเกตการณ์ อนุภาคจะไม่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง แต่การเชื่อมต่อตำแหน่งที่ต่อเนื่องกันด้วยเส้นตรงจะทำให้เห็นภาพการเคลื่อนที่แบบปกติ
ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนอธิบายการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคโดยการกระทำของแรงสุ่มจากโมเลกุลและแรงเสียดทาน ธรรมชาติของแรงแบบสุ่มหมายความว่าการกระทำของมันในช่วงเวลา t 1 จะไม่ขึ้นอยู่กับการกระทำในช่วงเวลา t 2 โดยสิ้นเชิงหากช่วงเวลาเหล่านี้ไม่ทับซ้อนกัน แรงเฉลี่ยในช่วงเวลานานพอสมควรจะเป็นศูนย์ และการกระจัดเฉลี่ยของอนุภาคบราวเนียนก็กลายเป็นศูนย์เช่นกัน
ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนมีบทบาทสำคัญในการวางรากฐานของกลศาสตร์ทางสถิติ นอกจากนี้ยังมีความสำคัญในทางปฏิบัติอีกด้วย ประการแรก การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนจำกัดความแม่นยำของเครื่องมือวัด ตัวอย่างเช่น ขีดจำกัดความแม่นยำของการอ่านค่ากัลวาโนมิเตอร์แบบกระจกถูกกำหนดโดยการสั่นของกระจก เช่นเดียวกับอนุภาคบราวเนียนที่ถูกถล่มด้วยโมเลกุลอากาศ กฎการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนกำหนดการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอิเล็กตรอนเสียง ในวงจรไฟฟ้า การสูญเสียอิเล็กทริกในอิเล็กทริก อธิบายได้จากการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุลไดโพลที่ประกอบเป็นอิเล็กทริก การเคลื่อนที่แบบสุ่มของไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มความต้านทานไฟฟ้า
แรงปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลคือปฏิสัมพันธ์ระหว่างความเป็นกลางทางไฟฟ้าโมเลกุลหรืออะตอม . แรงแห่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลถูกนำมาพิจารณาเป็นครั้งแรกเจ.ดี. ฟาน เดอร์ วาลส์ (1873 ) เพื่ออธิบายคุณสมบัติของก๊าซและของเหลวจริง
กองกำลังปฐมนิเทศทำหน้าที่ระหว่างโมเลกุลที่มีขั้ว นั่นคือ โมเลกุลที่มีโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า. แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลเชิงขั้วทั้งสองจะยิ่งใหญ่ที่สุดเมื่อโมเมนต์ไดโพลของพวกมันอยู่ในแนวเดียวกัน แรงนี้เกิดขึ้นเนื่องจากระยะห่างระหว่างประจุที่ต่างกันนั้นน้อยกว่าระหว่างประจุที่เหมือนกันเล็กน้อย เป็นผลให้แรงดึงดูดของไดโพลมีมากกว่าแรงผลัก ปฏิสัมพันธ์ของไดโพลขึ้นอยู่กับการวางแนวร่วมกันดังนั้นจึงเรียกว่าแรงของปฏิกิริยาไดโพล ตะวันออก. การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอันวุ่นวายจะเปลี่ยนทิศทางของโมเลกุลขั้วโลกอย่างต่อเนื่อง แต่ดังที่การคำนวณแสดงไว้ ค่าเฉลี่ยของแรงในทิศทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดมีค่าที่แน่นอนที่ไม่เท่ากับศูนย์

แรงอุปนัย (หรือโพลาไรเซชัน)ทำหน้าที่ระหว่างโมเลกุลที่มีขั้วและไม่มีขั้ว โมเลกุลขั้วโลกถูกสร้างขึ้นสนามไฟฟ้าซึ่งทำให้โมเลกุลมีประจุไฟฟ้ากระจายสม่ำเสมอตลอดปริมาตร ประจุบวกจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางของสนามไฟฟ้า (นั่นคือ ห่างจากขั้วบวก) และประจุลบจะเลื่อนไปทางขั้วบวก (ไปทางขั้วบวก) เป็นผลให้โมเมนต์ไดโพลถูกเหนี่ยวนำให้เกิดในโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว
พลังงานนี้เรียกว่า การเหนี่ยวนำเนื่องจากปรากฏเนื่องจากการโพลาไรเซชันของโมเลกุลที่เกิดจากการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต. แรงอุปนัย ( เอฟ ดัชนี ?ร? 7) ยังทำหน้าที่ระหว่างโมเลกุลขั้วโลกด้วย
ทำหน้าที่ระหว่างโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลแบบกระจายตัว. ธรรมชาติของการโต้ตอบนี้ได้รับการชี้แจงอย่างสมบูรณ์หลังจากการสร้างเท่านั้นกลศาสตร์ควอนตัม. ในอะตอมและโมเลกุลอิเล็กตรอน เคลื่อนที่ไปรอบๆ นิวเคลียสด้วยวิธีที่ซับซ้อน โดยเฉลี่ยเมื่อเวลาผ่านไป โมเมนต์ไดโพลของโมเลกุลที่ไม่มีขั้วกลายเป็นศูนย์ แต่ทุกช่วงเวลาอิเล็กตรอนจะเข้าครอบครองตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง ดังนั้นค่าชั่วขณะของโมเมนต์ไดโพล (เช่น สำหรับอะตอมไฮโดรเจน) จึงแตกต่างจากศูนย์ ไดโพลที่เกิดขึ้นทันทีจะสร้างสนามไฟฟ้าที่โพลาไรซ์โมเลกุลข้างเคียง ผลลัพธ์คือการมีปฏิสัมพันธ์ ไดโพลทันที. พลังงานของอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลที่ไม่มีขั้วคือผลลัพธ์โดยเฉลี่ยของอันตรกิริยาของไดโพลทันทีที่เป็นไปได้ทั้งหมดกับโมเมนต์ไดโพลที่พวกมันเหนี่ยวนำให้เกิดในโมเลกุลข้างเคียงเนื่องจากการเหนี่ยวนำ
ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลประเภทนี้เรียกว่า กระจายตัวเพราะการกระจายแสง ในสารจะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของโมเลกุลเช่นเดียวกับปฏิกิริยานี้ แรงกระจายกระทำระหว่างอะตอมและโมเลกุลทั้งหมด เนื่องจากกลไกของการปรากฏตัวของพวกมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าโมเลกุล (อะตอม) มีโมเมนต์ไดโพลถาวรหรือไม่ โดยปกติแล้วกองกำลังเหล่านี้จะมีขนาดเกินขนาดทั้งแบบตะวันออกและแบบอุปนัย เฉพาะระหว่างปฏิกิริยาของโมเลกุลกับโมเมนต์ไดโพลขนาดใหญ่ เช่น โมเลกุลของน้ำ เอฟ หรือ > เอฟ แสดง(3 เท่าของโมเลกุลน้ำ) เมื่อทำปฏิกิริยากับโมเลกุลขั้วโลกเช่น CO, HI, HBr และอื่นๆ แรงกระจายมีมากกว่าแรงอื่นๆ หลายสิบหลายร้อยเท่า
เป็นสิ่งสำคัญมากที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลทั้งสามประเภทจะลดลงในลักษณะเดียวกันกับระยะทาง:
ยู = ยู หรือ + ยู ดัชนี + ยู แสดง ?ร ? 6
กองกำลังที่น่ารังเกียจทำหน้าที่ระหว่างโมเลกุลในระยะทางที่สั้นมากเมื่อเติมเข้าไปเปลือกอิเล็กทรอนิกส์อะตอมที่ประกอบเป็นโมเลกุล ที่มีอยู่ในกลศาสตร์ควอนตัมหลักการของเปาลี ห้ามไม่ให้เปลือกอิเล็กตรอนที่เต็มเข้าไปทะลุเข้าหากัน แรงผลักกันที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับความเป็นเอกเทศของโมเลกุลในระดับที่มากกว่าแรงดึงดูด

เหตุใด Giordano Bruno จึงถูกเผา?
Bruno Giordano Filippe (1548, Nola, - 17.2.1600, Rome), นักปรัชญาและกวีชาวอิตาลี, ตัวแทนการนับถือพระเจ้า . เมื่อถูกนักบวชข่มเหงเพราะความคิดเห็นของเขา เขาจึงออกจากอิตาลีและไปอาศัยอยู่ในฝรั่งเศส อังกฤษ และเยอรมนี เมื่อเดินทางกลับอิตาลี (ค.ศ. 1592) เขาถูกกล่าวหาว่าเป็นคนนอกรีตและมีความคิดเสรี และหลังจากถูกจำคุกแปดปี เขาถูกเผาบนเสา
ในแนวคิดทางปรัชญาของบรูโนนีโอพลาโทนิซึม (โดยเฉพาะความคิดเกี่ยวกับจุดเริ่มต้นเดียวและจิตวิญญาณของโลกเป็นหลักขับเคลื่อนของจักรวาลซึ่งนำบรูโนไปสู่ไฮโลโซอิซึม ) ข้ามกับอิทธิพลที่แข็งแกร่งของมุมมองของนักวัตถุนิยมโบราณเช่นเดียวกับชาวพีทาโกรัส การก่อตัวของปรัชญาธรรมชาติแบบแพนธีนิยมของบรูโนซึ่งมุ่งต่อต้านลัทธิอริสโตเติลเชิงวิชาการได้รับการอำนวยความสะดวกส่วนใหญ่จากการที่บรูโนคุ้นเคยกับปรัชญาของนิโคลัสแห่งคูซา (ซึ่งบรูโนได้เรียนรู้แนวคิดของ "เทววิทยาเชิงลบ" ด้วย ความเป็นไปไม่ได้ของคำจำกัดความเชิงบวก ของพระเจ้า) จากแหล่งข้อมูลเหล่านี้ บรูโนถือว่าเป้าหมายของปรัชญาไม่ใช่ความรู้เกี่ยวกับพระเจ้าที่เหนือธรรมชาติ แต่เป็นความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติ ซึ่งก็คือ "พระเจ้าในสิ่งต่างๆ" การพัฒนาทฤษฎีเฮลิโอเซนทริค N.โคเปอร์นิคัส , ซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อเขา บรูโนแสดงความคิดเกี่ยวกับความไม่มีที่สิ้นสุดของธรรมชาติและจำนวนโลกที่ไม่มีที่สิ้นสุด ยืนยันความเป็นเนื้อเดียวกันทางกายภาพของโลก (หลักคำสอนของธาตุทั้ง 5 ที่ประกอบเป็นร่างกายทั้งหมด - ดิน น้ำ ไฟ ลม และอีเทอร์) บรูโนเชื่อมโยงความคิดเกี่ยวกับสสารเรียบง่ายอันไม่มีที่สิ้นสุดซึ่งหลายสิ่งหลายอย่างเกิดขึ้นกับแนวคิดเรื่องเครือญาติภายในและความบังเอิญของสิ่งที่ตรงกันข้าม (“ On Cause, Beginning and One” , 1584) เมื่อระบุในอนันต์ เส้นตรงและวงกลม ศูนย์กลางและรอบนอก รูปทรงและสสาร ฯลฯ รวมกัน หน่วยพื้นฐานของการดำรงอยู่คือโมนาด ในกิจกรรมที่ร่างกายและจิตวิญญาณวัตถุและวัตถุผสานกัน แก่นแท้สูงสุดคือ “พระโมนาด” หรือพระเจ้า โดยรวมแล้วมันแสดงออกมาในทุกสิ่งของแต่ละบุคคล - "ทุกสิ่งในทุกสิ่ง" แนวคิดเหล่านี้มีอิทธิพลอย่างมากต่อการพัฒนาปรัชญาสมัยใหม่: แนวคิดเกี่ยวกับสารเดี่ยวที่เกี่ยวข้องกับสิ่งต่าง ๆ ได้รับการพัฒนาโดย Bruno Spinoza แนวคิดของ Monad - โดย G. Leibniz แนวคิดของ ความสามัคคีของการดำรงอยู่และ "ความบังเอิญของสิ่งที่ตรงกันข้าม" - ในวิภาษวิธีของ F. Schelling และ G. Hegel ดังนั้นปรัชญาของบรูโนจึงเป็นความเชื่อมโยงระหว่างระบบปรัชญายุคกลางกับแนวคิดทางปรัชญาในยุคปัจจุบัน
วี.วี. โซโคลอฟ
ในจักรวาลวิทยา บรูโนแสดงการเดาหลายประการที่อยู่ล้ำหน้ายุคของเขาและพิสูจน์ได้จากการค้นพบทางดาราศาสตร์ที่ตามมาเท่านั้น: เกี่ยวกับการมีอยู่ของดาวเคราะห์ที่ไม่รู้จักในยุคของเขาภายในระบบสุริยะของเรา เกี่ยวกับการหมุนของดวงอาทิตย์และดวงดาวรอบแกน (“ เกี่ยวกับสิ่งที่นับไม่ถ้วนและนับไม่ถ้วน” 1591) เกี่ยวกับเรื่องที่ว่าในจักรวาลมีวัตถุจำนวนนับไม่ถ้วนที่คล้ายกับดวงอาทิตย์ของเรา ฯลฯ บรูโนหักล้างแนวคิดในยุคกลางเกี่ยวกับการต่อต้านระหว่างโลกกับท้องฟ้าและพูดต่อต้านลัทธิมานุษยวิทยาโดยพูดถึงความสามารถในการอยู่อาศัยได้ ของโลกอื่น
ในฐานะกวี บรูโนเป็นฝ่ายตรงข้ามของลัทธิคลาสสิก งานศิลปะของบรูโน: บทกวีเสียดสีต่อต้านพระ "เรือโนอาห์", โคลงเชิงปรัชญา, ตลก "The Candlestick" (1582, แปลภาษารัสเซีย พ.ศ. 2483) ซึ่งบรูโนแตกสลายด้วยหลักการของ "เรียนตลก" และสร้างผลงานอิสระ รูปแบบอันน่าทึ่งที่ให้ภาพชีวิตและประเพณีของถนนเนเปิลส์ที่สมจริง ในภาพยนตร์ตลกเรื่องนี้ บรูโนเยาะเย้ยความอวดดีและความเชื่อโชคลาง และด้วยการเสียดสีที่กัดกร่อนโจมตีการผิดศีลธรรมที่โง่เขลาและหน้าซื่อใจคดซึ่งปฏิกิริยาของคาทอลิกนำมาด้วย
R. I. Khlodovsky

กาลิเลโอ กาลิเลอี ละทิ้งความคิดเห็นทางวิทยาศาสตร์ของเขาหรือไม่?
ในปี 1609 ตามข้อมูลที่เข้าถึงเขาเกี่ยวกับกล้องโทรทรรศน์ที่ประดิษฐ์ขึ้นในฮอลแลนด์ กาลิเลโอได้สร้างกล้องโทรทรรศน์ตัวแรกของเขา โดยให้กำลังขยายประมาณ 3 เท่า สาธิตการทำงานของกล้องโทรทรรศน์จากหอคอยเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก แสตมป์อยู่ในเวนิสและสร้างความประทับใจอย่างมาก ในไม่ช้า กาลิเลโอก็สร้างกล้องโทรทรรศน์ที่มีกำลังขยาย 32 เท่า การสังเกตการณ์ด้วยความช่วยเหลือได้ทำลาย "ทรงกลมในอุดมคติ" ของอริสโตเติลและความเชื่อเกี่ยวกับความสมบูรณ์แบบของเทห์ฟากฟ้า: พื้นผิวของดวงจันทร์ถูกปกคลุมไปด้วยภูเขาและมีหลุมอุกกาบาต ดวงดาวสูญเสียขนาดที่ชัดเจนและเข้าใจระยะห่างมหึมาของพวกมัน สำหรับครั้งแรก. ดาวพฤหัสบดีค้นพบดาวเทียม 4 ดวงและมีดาวดวงใหม่จำนวนมากปรากฏให้เห็นบนท้องฟ้า ทางช้างเผือกแตกออกเป็นดาวแต่ละดวง กาลิเลโอบรรยายถึงข้อสังเกตของเขาในงาน “The Starry Messenger” (1610-11) ซึ่งสร้างความประทับใจอันน่าทึ่ง ในเวลาเดียวกัน ความขัดแย้งอันดุเดือดก็เริ่มขึ้น กาลิเลโอถูกกล่าวหาว่าทุกสิ่งที่เขาเห็นเป็นภาพลวงตา พวกเขายังโต้แย้งเพียงว่าข้อสังเกตของเขาขัดแย้งกับอริสโตเติล และดังนั้นจึงผิดพลาด
การค้นพบทางดาราศาสตร์ถือเป็นจุดเปลี่ยนในชีวิตของกาลิเลโอ เขาเป็นอิสระจากการสอน และตามคำเชิญของดยุคโคซิโมที่ 2 เด เมดิชี เขาจึงย้ายไปฟลอเรนซ์ ที่นี่เขากลายเป็น "ปราชญ์" และ "นักคณิตศาสตร์คนแรก" ของศาลโดยไม่มีภาระผูกพันในการบรรยาย
กาลิเลโอสำรวจระยะของดาวศุกร์ จุดดับดวงอาทิตย์ และการหมุนรอบดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง ศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวเทียมของดาวพฤหัสบดี และสังเกตดาวเสาร์ ในปี ค.ศ. 1611 กาลิเลโอเดินทางไปโรม ซึ่งเขาได้รับการต้อนรับอย่างกระตือรือร้นที่ราชสำนักของสมเด็จพระสันตะปาปา และที่นั่นเขาได้ผูกมิตรกับเจ้าชายเซซี ผู้ก่อตั้ง Accademia dei Lincei (“Lynx-Eyed Academy”) ซึ่งเขามาเป็นสมาชิก . ตามการยืนกรานของดยุค กาลิเลโอได้ตีพิมพ์ผลงานต่อต้านอริสโตเตเลียนเรื่องแรกของเขาเรื่อง “Discourse on Bodies in Water and those that Move in It” (1612) โดยเขาได้ใช้หลักการของโมเมนต์ที่เท่ากันในการได้มาซึ่งสภาวะสมดุลในวัตถุของเหลว .
อย่างไรก็ตาม ในปี 1613 จดหมายจากกาลิเลโอถึงเจ้าอาวาสกัสเตลลีกลายเป็นที่รู้จัก ซึ่งเขาปกป้องทัศนะของโคเปอร์นิคัส จดหมายดังกล่าวเป็นเหตุผลในการประณามกาลิเลโอโดยตรงต่อการสอบสวน ในปี 1616 คณะเยสุอิตได้ประกาศคำสอนของโคเปอร์นิคัสนอกรีต และหนังสือของโคเปอร์นิคัสก็รวมอยู่ในรายการหนังสือต้องห้าม กาลิเลโอไม่มีชื่ออยู่ในกฤษฎีกา แต่เขาได้รับคำสั่งเป็นการส่วนตัวให้ละทิ้งการปกป้องหลักคำสอนนี้ กาลิเลโอยื่นพระราชกฤษฎีกาอย่างเป็นทางการ เป็นเวลาหลายปีที่เขาถูกบังคับให้เงียบเกี่ยวกับระบบโคเปอร์นิกันหรือพูดเป็นนัย ๆ กาลิเลโอเดินทางไปโรมในปี ค.ศ. 1616 นักเทววิทยาหรือที่เรียกว่า “ผู้จัดเตรียมคดีสำหรับการสอบสวน” รวมตัวกันในวังของสมเด็จพระสันตะปาปาเพื่อหารือและทดสอบหลักคำสอนของโคเปอร์นิคัส จากนั้นจึงออกคำสั่งห้ามไม่ให้มีการเทศนาตามทัศนะของโคเปอร์นิคัส นี่เป็นการสั่งห้ามอย่างเป็นทางการครั้งแรก แต่กาลิเลโอก็ไม่ละทิ้งความคิดเห็นของเขา ฉันยิ่งระมัดระวังมากขึ้นเท่านั้น โดยปราศจากสิทธิ์ในการสั่งสอนคำสอนของโคเปอร์นิคัส เขาจึงสั่งการวิพากษ์วิจารณ์อริสโตเติล งานสำคัญเพียงงานเดียวของกาลิเลโอในช่วงเวลานี้คือ The Assayer ซึ่งเป็นบทความโต้เถียงเกี่ยวกับดาวหางสามดวงที่ปรากฏในปี 1618 ในแง่ของรูปแบบวรรณกรรม ความเฉลียวฉลาดและความซับซ้อนของรูปแบบ นี่เป็นหนึ่งในผลงานที่โดดเด่นที่สุดของกาลิเลโอ
ด้วยความเชื่อมั่นในความถูกต้องของระบบโคเปอร์นิคัส กาลิเลโอจึงเริ่มทำงานในบทความทางดาราศาสตร์ขนาดใหญ่เรื่อง "บทสนทนาเกี่ยวกับสองระบบที่สำคัญที่สุดของโลก - ปโตเลมีและโคเปอร์นิกัน" (1632) งานนี้พิสูจน์ให้เห็นถึงข้อดีของคำสอนของโคเปอร์นิกันอย่างน่าเชื่อ และพระสันตปาปาซึ่งแสดงภายใต้หน้ากากของซิมพลิซิโอ ผู้ขี้แพ้ผู้มีจิตใจเรียบง่าย ซึ่งเป็นผู้สนับสนุนแนวคิดของอริสโตเติล ดูเหมือนคนโง่ที่ฟ้าร้องโจมตีอย่างช้าๆ พ่อรู้สึกขุ่นเคือง ศัตรูของกาลิเลโอใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้ และเขาถูกเรียกตัวขึ้นศาล วิญญาณของกาลิเลโอวัยเจ็ดสิบปีแตกสลาย นักวิทยาศาสตร์สูงอายุถูกบังคับให้กลับใจต่อสาธารณะ และในปีสุดท้ายของชีวิตเขาถูกกักบริเวณในบ้านและเฝ้าระวังการสืบสวน ในปี 1635 พระองค์ทรงละทิ้ง “คำสอนนอกรีตของพระองค์” นักวิทยาศาสตร์กาลิเลโอไม่ใช่วีรบุรุษ เขายอมรับความพ่ายแพ้ แต่ในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์เขายังคงเป็นนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ และการพิจารณาคดีของกาลิเลโอ แม้แต่คำพูดของผู้นับถือศาสนาคาทอลิก “ถือเป็นความผิดพลาดร้ายแรงที่สุดที่เจ้าหน้าที่คริสตจักรเคยทำเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์”
ในปี 1623 พระคาร์ดินัล Maffeo Barberini เพื่อนของกาลิเลโอขึ้นครองบัลลังก์ของสมเด็จพระสันตะปาปาภายใต้ชื่อ Urban VIII สำหรับกาลิเลโอ เหตุการณ์นี้ดูเหมือนเป็นการปลดปล่อยจากพันธะแห่งคำสั่งห้าม (กฤษฎีกา) ในปี 1630 เขามาถึงกรุงโรมพร้อมกับต้นฉบับที่เสร็จสมบูรณ์ของ "Dialogue on the Ebb and Flow of the Tides" (ชื่อแรกของ "Dialogue on the Two Major Systems of the World") ซึ่งระบบของ Copernicus และ ปโตเลมีถูกนำเสนอในการสนทนาระหว่างคู่สนทนาสามคน ได้แก่ ซาเกรโด ซัลเวียติ และซิมพลิซิโอ
ฯลฯ................