Опыты перрена кратко по броуновскому движению
Обновлено: 05.07.2024
Перрену пришлось выполнить поистине ювелирную экспериментальную работу. Например, получить шарики гуммигута строго одинаковые по диаметру. Для этого он воспользовался микроцентрифугой.
Со временем центрифуги стали широко использоваться в медицине для разделения крови на ее составляющие или на молочных фермах, где они помогают быстро извлечь сливки из молока. Но тогда, в самом начале XX века, в 1908 году, с центрифугами только-только начинали работать… Центрифуга Перрена вращала пробирки, установленные перпендикулярно к оси мотора, со скоростью 2500 оборотов в минуту! В пробирках содержалась взвесь шариков гуммигута в воде,и первыми при вращении прижимались к дну пробирок самые тяжелые шарики.
Перрен настойчиво, в течение нескольких месяцев отделял одни шарики гуммигута от других и измерял их под микроскопом, пока не получил несколько порций взвеси с шариками строго определенных диаметров: 0,5, 0,46, 0,37, 0,21 и 0,14 микрона (вспомним, что микрон — тысячная доля миллиметра!).
Затем Перрен стал экспериментировать, воспроизводя броуновское движение с помощью этих шариков, заменявших частички пыльцы растений, размеры которых были Броуну неизвестны.
В одном из опытов Перрен, зажав каплю взвеси между двумя стеклами (расстояние между ними составляло всего 100 микрон), поставил стекла вертикально и наблюдал, как частички медленно опускались вниз. Когда частички постепенно разделились по высоте, то Перрен увидел, что полученное распределение частиц очень напоминает строение… воздушной атмосферы Земли. У нижнего края стекол скопилось много частиц, и количество их уменьшалось с высотой в соответствии с законом изменения плотности газов, составляющих атмосферу Земли. Ко времени опытов Перрена ученые уже знали, что плотность кислорода в одном кубическом сантиметре воздуха убывает вдвое с подъемом на каждые 5 км; плотность углекислого газа падает в два раза при подъеме на высоту всего 3,6 км, а для такого же уменьшения плотности гелия надо подняться в атмосфере на высоту 40 км!
Поэтичен мир гор, воспетый таким замечательным художником, как И. Рерих! Горы прекрасны и как физическая лаборатория, в которой удобно изучать прозрачность атмосферы, уменьшение плотности воздуха в зависимости от высоты, исследовать тепловой баланс Земли.
Ученые понимали, что подобная закономерность связана с различием в массе отдельных молекул: молекула гелия, видимо, в восемь раз легче молекулы кислорода, а молекула углекислого газа в 1,37 раза тяжелее. Но только опыты Перрена подтвердили этот вывод точными цифрами.
Когда Перрен заканчивал свои опыты, Альберт Эйнштейн опубликовал формулу, позволяющую рассчитать число молекул в единице объема, если известен радиус крохотного шарика и его среднее смещение в сторону под ударами молекул.
Перрену был известен радиус шариков гуммигута, а с помощью микроскопа и целой серии кропотливых рисунков он определил среднее смещение шариков определенного размера.
Расчеты по формуле Эйнштейна удивительно точно совпали с выводами, сделанными Перреном из сравнения поведения шариков в воде с распределением плотности воздушной атмосферы Земли по высоте. Оба пути привели к одному и тому же числу: 6 • 10 23 атомов водорода в одном грамме при массе каждого атома водорода 1,7 • 10 -24 грамма. Молекула водорода, состоящая из двух атомов, следовательно, весит в два раза больше.
До конца XIX в. реальность существования атомов и молекул не могла быть подтверждена из-за невозможности непосредственно их измерить и взвесить. Считалось, что атомно-молекулярное учение не отражает объективной реальности, а введено в науку для облегчения понимания химических процессов. Этим сомнениям был положен конец классическими опытами французского физика Перрена.
Он изготовил из смолистого вещества очень маленькие шарики, которые в его опытах играли роль моделей молекул газа. Шарики были приблизительно одинакового объема, и их массу можно было вычислить. Взболтав эти шарики в воде, Перрен наблюдал в микроскоп их распределение в сосуде. Вычислив количество шариков в единице объема на различных уровнях, ученый установил, что оно точно соответствует закону уменьшения концентрации газов с высотой. А этот закон был выведен из кинетической теории газов, в основе которой лежало атомно-молекулярное учение.
Одним из косвенных доказательств того, что все вещества состоят из атомов и молекул, движущихся беспорядочно, является броуновское движение.
Это непрерывное хаотическое движение частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости или газе.
Причиной такого движения являются удары молекул о частицу, которые не компенсируют друг друга.
Если посмотреть через бутылочное стекло на свет, то можно увидеть, как частицы пыли совершают хаотичное движение в воздухе.
Наблюдения Роберта Броуна
В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун сообщил о своих наблюдениях научному сообществу. Он добавил в воду мелкие зёрна цветочной пыльцы, осветил их интенсивным светом и наблюдал под микроскопом.
Броун обнаружил сильное, непрерывное и зигзагообразное движение этих частиц в воде, хотя поверхность жидкости была совершенно неподвижна.
На тот момент он не мог объяснить, что стало источником этого движения. Причиной явления называли перепад температур внутри воды, дрожание стола, на котором проводили эксперимент.
До конца столетия учёные скептически относились к броуновскому движению. Лишь некоторые считали его подтверждением молекулярно-кинетической теории строения вещества.
Другие физики настаивали на том, что атомы и молекулы фактически не существуют как реальные объекты, а представляют собой математические понятия, полезные для расчета результатов химических реакций.
Теория Эйнштейна и опыт Перрена
В 1905 году Альберт Эйнштейн, не зная о наблюдениях Броуна, опубликовал статью, в которой с помощью математических вычислений рассуждал о том, что если небольшую частицу вещества поместить в воду, то она начнёт перемещаться в разных направлениях. Движение частицы будет результатом бомбардировки её со всех сторон молекулами воды. В определённый момент времени молекулы воды ударяют частицу больше по одной стороне, чем по другой, что приводит к, казалось бы, случайному характеру движения. Работа Эйнштейна стала первым теоретическим аргументом существования молекул и атомов.
В 1909 эксперимент французского учёного Жана Батиста Перрена подтвердил формулу Эйнштейна, опубликованную в 1905 году, и помог доказать существование атомов и молекул. Это доказательство принесло ему в 1926 году Нобелевскую премию по физике.
Согласно уравнениям Эйнштейна, статистически описывающим броуновское движение, часть частиц, взвешенных в воде, должна двигаться в противоположную сторону к действующей силе тяжести. Так как молекулы воды сообщают им импульс и меняют направление их движения.
Перрен начал свои кропотливые наблюдения поведения частиц экстракта жевательной смолы (гуммигута) в 1908 году, чтобы определить приблизительный размер молекул воды.
Он провел несколько месяцев изоляции, наблюдая кусочки гуммигута массой 0,1 грамма. Согласно молекулярной теории Эйнштейна, не все частицы будут опускаться на дно суспензии. Жан Перрен подсчитывал количество частиц на различных глубинах в одной капле жидкости глубиной 0,12 мм. Концентрация частиц экспоненциально уменьшалась с высотой, в соответствии с математическими предсказаниями теории Эйнштейна.
Эйнштейн связал с броуновским движением понятие числа Авогадро (6,023 * 10 23 ). Перрен получил это значение, выполнив расчёты на основании данных, полученных в лаборатории.
Вспомните из курса физики основной школы явление диффузии.
Чем может быть объяснено это явление?
Ранее вы узнали, что такое диффузия, т. е. проникновение молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого вещества. Это явление определяется беспорядочным движением молекул. Этим можно объяснить, например, тот факт, что объём смеси воды и спирта меньше объёма составляющих её компонентов.
Но самое очевидное доказательство движения молекул можно получить, наблюдая в микроскоп мельчайшие, взвешенные в воде частицы какого-либо твёрдого вещества. Эти частицы совершают беспорядочное движение, которое называют броуновским.
Броуновское движение — это тепловое движение взвешенных в жидкости (или газе) частиц.
Наблюдение броуновского движения.
Английский ботаник Р. Броун (1773—1858) впервые наблюдал это явление в 1827 г., рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна.
Позже он рассматривал и другие мелкие частицы, в том числе частички камня из египетских пирамид. Сейчас для наблюдения броуновского движения используют частички краски гуммигут, которая нерастворима в воде. Эти частички совершают беспорядочное движение. Самым поразительным и непривычным для нас является то, что это движение никогда не прекращается. Мы ведь привыкли к тому, что любое движущееся тело рано или поздно останавливается. Броун вначале думал, что споры плауна проявляют признаки жизни.
Броуновское движение — тепловое движение, и оно не может прекратиться. С увеличением температуры интенсивность его растёт.
На рисунке 8.3 приведены траектории движения броуновских частиц. Положения частиц, отмеченные точками, определены через равные промежутки времени — 30 с. Эти точки соединены прямыми линиями. В действительности траектория частиц гораздо сложнее.
Объяснение броуновского движения.
Объяснить броуновское движение можно только на основе молекулярно-кинетической теории.
Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.
На рисунке 8.4 схематически показано положение одной броуновской частицы и ближайших к ней молекул.
При беспорядочном движении молекул передаваемые ими броуновской частице импульсы, например слева и справа, неодинаковы. Поэтому отлична от нуля результирующая сила давления молекул жидкости на броуновскую частицу. Эта сила и вызывает изменение движения частицы.
Молекулярно-кинетическая теория броуновского движения была создана в 1905 г. А. Эйнштейном (1879—1955). Построение теории броуновского движения и её экспериментальное подтверждение французским физиком Ж. Перреном окончательно завершили победу молекулярно-кинетической теории. В 1926 г. Ж. Перрен получил Нобелевскую премию за исследование структуры вещества.
Опыты Перрена.
Идея опытов Перрена состоит в следующем. Известно, что концентрация молекул газа в атмосфере уменьшается с высотой. Если бы не было теплового движения, то все молекулы упали бы на Землю и атмосфера исчезла бы. Однако если бы не было притяжения к Земле, то за счёт теплового движения молекулы покидали бы Землю, так как газ способен к неограниченному расширению. В результате действия этих противоположных факторов устанавливается определённое распределение молекул по высоте, т. е. концентрация молекул довольно быстро уменьшается с высотой. Причём чем больше масса молекул, тем быстрее с высотой убывает их концентрация.
Броуновские частицы участвуют в тепловом движении. Так как их взаимодействие пренебрежимо мало, то совокупность этих частиц в газе или жидкости можно рассматривать как идеальный газ из очень тяжёлых молекул. Следовательно, концентрация броуновских частиц в газе или жидкости в поле тяжести Земли должна убывать по тому же закону, что и концентрация молекул газа. Закон этот известен.
Перрен с помощью микроскопа большого увеличения и малой глубины поля зрения (малой глубины резкости) наблюдал броуновские частицы в очень тонких слоях жидкости. Подсчитывая концентрацию частиц на разных высотах, он нашёл, что эта концентрация убывает с высотой по тому же закону, что и концентрация молекул газа. Отличие в том, что за счёт большой массы броуновских частиц убывание происходит очень быстро.
Все эти факты свидетельствуют о правильности теории броуновского движения и о том, что броуновские частицы участвуют в тепловом движении молекул.
Подсчёт броуновских частиц на разных высотах позволил Перрену определить постоянную Авогадро совершенно новым методом. Значение этой постоянной совпало с ранее известным.
Основные положения МКТ. Тепловые явления - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика
На этом уроке мы изучим явление, которое получило название броуновского движения. Беспорядочное движение частиц внутри тел объясняет многие явления, с которыми нам предстоит познакомиться при дальнейшем изучении физики.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Броуновское движение"
Изучая молекулярную физику, мы познакомились с таким явлением, как беспорядочное движение частиц, которое называется броуновским движением. Оно названо в честь Роберта Броуна, который и открыл данное явление. Роберт Броун исследовал пыльцу растения в воде. Для осуществления своих наблюдений он размешал пыльцу в воде, а потом каплю воды рассмотрел под микроскопом.
По его заключению, перемещения мельчайших крупинок внутри жидкости, которую он рассматривал под микроскопом, были совершенно хаотичными, то есть не подчинялись никаким закономерностям. Впоследствии правота Роберта Броуна была неоднократно подтверждена. На сегодняшний день броуновское движение считается главным доказательством основных положений молекулярно-кинетической теории. Хотя есть и другое, весомое доказательство — это диффузия. Как вы уже знаете, диффузия — это явление проникновения молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого, то есть перемешивание вещества. Тот факт, что вещества перемешиваются, уже свидетельствует о том, что они состоят из частиц.
Проведем простой опыт: возьмем некое вещество и добавим в него краситель. Через какое-то время это вещество поменяет цвет.
Как вы знаете из курса физики девятого класса, цвет тела обусловлен тем, какую часть спектра световых лучей тело поглощает, а какую — отражает. Значит, молекулы красителя перемешиваются с молекулами исходного вещества. Это и означает то, что тела состоят из частиц, и что эти частицы находятся в движении.
Если мы попытаемся проследить за движением одной из частиц, то убедимся, что её траектория совершенно непредсказуема, то есть частица двигается хаотично, беспорядочно.
Давайте попытаемся разобраться, что может служить причиной подобного движения. Вся траектория представляет собой совокупность случайных перемещений. Начнем с того, что если частица меняет скорость, то на неё действуют некие внешние силы, равнодействующая сила которых не равна нулю. Причем, направление равнодействующей силы изменяется практически мгновенно. Вспомним теперь, что равнодействующую силу можно определить, как мгновенное изменение импульса:
Такие изменения могут быть обусловлены тем, что огромное количество малых частиц соударяется с более крупной частицей. Суммарный импульс этих соударений не равен нулю, поэтому частица начинает двигаться в определенном направлении. Но в следующее мгновение, суммарный импульс будет направлен в каком-то другом направлении, поэтому, частица изменит направление движения. Так будет происходить снова и снова, в результате чего, будет наблюдаться хаотичное движение частиц.
Необходимо отметить, что движение частиц становится интенсивнее с повышением температуры. Хотя правильнее будет сказать, что более интенсивное движение частиц — это и есть более высокая температура. Из курса физики восьмого класса вы знаете, что температура — это мера средней кинетической энергии молекул тела. Именно поэтому броуновское движение иногда называют тепловым.
Заметим, что броуновское движение подтверждает все основные положения молекулярно-кинетической теории. Напомним эти три положения:
1) Все тела состоят из частиц — действительно, беспорядочное движение частиц внутри тела подтверждает то, что тело состоит из частиц.
2) Частицы находятся в беспорядочном движении — в этом мы уже убедились, поскольку это подтверждается наблюдениями.
3) Частицы взаимодействуют — мы объяснили, что беспорядочное движение может быть вызвано множеством соударений частиц. А соударение — это один из видов взаимодействия.
Таким образом, броуновское движение является доказательством основных положений молекулярно-кинетической теории. Ещё одно подтверждение справедливости молекулярно-кинетической теории было получено после опытов Перрена.
Перрен основывал свои опыты на том факте, что концентрация молекул газа в атмосфере уменьшается с высотой. Дело в том, что молекулы находятся в тепловом движении, но, вместе с тем, на каждую молекулу действует сила притяжения со стороны Земли. Это приводит к тому, что все молекулы газа не могут упасть на Землю, но и при этом газ не может неограниченно расширяться. В результате этого происходит распределение молекул по высоте, которое подчиняется определенному закону. Этот закон был известен уже на то время. Перрен же провел свои опыты на жидкости, рассматривая очень тонкие слои в микроскоп.
Он предположил, что распределение молекул жидкости должно подчиняться тому же закону, что и распределение молекул газа. Проводя свои опыты, Перрен подсчитывал концентрацию молекул каждого слоя жидкости. Его гипотеза оказалась верна, только концентрация молекул жидкости убывала с высотой значительно быстрее, чем концентрация молекул газа. Это обусловлено значительно большей массой броуновских частиц жидкости.
Напомним, что концентрация — это количество частиц в единице объёма. Поскольку Перрен рассматривал очень тонкие слои жидкости, имеющие одинаковую толщину, справедливо было предположить, что эти слои имели одинаковый объём, содержащий одинаковое количество вещества. Таким образом, Перрен смог измерить число Авогадро абсолютно другим способом. Результаты измерений совпали с уже известным числом Авогадро. Таким образом, опыты Перрена полностью развеяли сомнения о справедливости теории броуновского движения.
Читайте также: