Teorija J. Daltona

Prva zaista naučna potpora atomističke teorije, koja je uvjerljivo pokazala racionalnost i jednostavnost hipoteze da se svaki kemijski element sastoji od najmanjih čestica, djelo je engleskog školskog nastavnika matematike J. Daltona (1766-1844), čiji je članak posvećeni ovom problemu pojavili su se 1803. Daltonovi atomski postulati imali su prednost u odnosu na apstraktno razmišljanje starogrčkih atomista da su njegovi zakoni omogućavali objašnjenje i korelaciju rezultata stvarnih eksperimenata, kao i predviđanje rezultata novih eksperimenata. On je pretpostavio da su: 1) svi atomi istog elementa identični u svim aspektima, posebno njihove mase su iste; 2) atomi različitih elemenata imaju različita svojstva, posebno njihove mase nisu iste; 3) jedinjenje, za razliku od elementa, uključuje određeni cijeli broj atoma svakog od njegovih sastavnih elemenata; 4) u hemijskim reakcijama može doći do preraspodjele atoma, ali niti jedan atom nije uništen ili ponovo stvoren. (Zapravo, kako se pokazalo početkom 20. stoljeća, ovi postulati nisu sasvim striktno ispunjeni, budući da atomi istog elementa mogu imati različite mase, na primjer, vodik ima tri takve varijante, koje se nazivaju izotopi; osim toga, atomi mogu biti podvrgnuti radioaktivnim transformacijama, pa čak i potpuno uništeni, ali ne u hemijskim reakcijama koje razmatra Dalton.) Na osnovu ova četiri postulata, Daltonova atomska teorija dala je najjednostavnije objašnjenje zakona konstantnih i višestrukih omjera. Međutim, to nije dalo nikakvu ideju o strukturi samog atoma.

Brownovo kretanje

Škotski botaničar Robert Brown je 1827. godine sproveo istraživanje polena biljaka. Njega je posebno zanimalo kako polen učestvuje u procesu oplodnje. Jednom je pod mikroskopom pregledao izdužena citoplazmatska zrna izolirana iz polenovih stanica suspendiranih u vodi. Odjednom je Braun vidio da najmanja tvrda zrna, koja se jedva mogu vidjeti u kapi vode, neprestano drhte i kreću se s mjesta na mjesto. Otkrio je da ova kretanja, prema njegovim riječima, "nisu povezana ni s tokovima u tekućini niti s njenim postepenim isparavanjem, već su inherentna samim česticama". Fenomen koji je Braun primetio nazvan je "Brownovsko kretanje". Objašnjenje Brownovog kretanja kretanjem nevidljivih molekula dato je tek u poslednjoj četvrtini 19. veka, ali ga nisu odmah prihvatili svi naučnici. Godine 1863., učitelj deskriptivne geometrije, Ludwig Christian Wiener (1826-1896), sugerirao je da je ovaj fenomen posljedica oscilatornog kretanja nevidljivih čestica.

Otkriće elektrona

Pravo postojanje molekula konačno je potvrđeno 1906. godine eksperimentima francuskog fizičara Jeana Perrina na proučavanju zakona Brownovog kretanja.

U periodu kada je Perrin provodio svoja istraživanja o katodi i rendgenskim zracima, još uvijek nije postojao konsenzus o prirodi katodnih zraka koje emituje negativna elektroda (katoda) u vakuumskoj cijevi tokom električnog pražnjenja. Neki naučnici su vjerovali da su ovi zraci oblik svjetlosnog zračenja, ali Perrinovo istraživanje 1895. godine pokazalo je da su to struja negativno nabijenih čestica. Atomska teorija je smatrala da se elementi sastoje od diskretnih čestica zvanih atomi, a da su hemijska jedinjenja sastavljena od molekula, većih čestica koje sadrže dva ili više atoma. Do kraja XIX veka. atomska teorija je stekla široko prihvaćenost među naučnicima, posebno među hemičarima. Međutim, neki su fizičari vjerovali da atomi i molekuli nisu ništa drugo do fiktivni objekti koji se uvode iz praktičnih razloga i korisni su u numeričkoj obradi rezultata kemijskih reakcija.

Joseph John Thomson, modificirajući Perrinov eksperiment, potvrdio je njegove zaključke i 1897. odredio najvažniju karakteristiku ovih čestica mjerenjem omjera njihovog naboja i mase skretanjem u električnom i magnetskom polju. Ispostavilo se da je masa oko 2 hiljade puta manja od mase atoma vodika, najlakšeg od svih atoma. Ubrzo se počelo širiti mišljenje da su te negativne čestice, zvane elektroni, sastavni dio atoma.

Rice. 8. Braunovo kretanje

Atomska i molekularna nauka bila je od velikog značaja za hemiju, koja se zahvaljujući njoj počela ubrzano razvijati i za kratko vreme postigla briljantne uspehe.

Međutim, krajem 19. stoljeća, kada je ova doktrina već dala toliko vrijednih rezultata, pojavio se reakcionarni trend koji je u osnovi poricao samo postojanje atoma i molekula. Pod uticajem idealističke filozofije, u Nemačkoj se pojavila takozvana "energetska" škola hemičara, na čijem je čelu bio čuveni naučnik Ostwald, čiji su teorijski stavovi bili zasnovani na apstraktnom konceptu energije nepovezane sa materijom. Pristalice ove škole su vjerovale da se sve vanjske pojave mogu objasniti kao procesi između energija i kategorički su odbacivali postojanje atoma i molekula kao čestica nedostupnih direktnoj osjetilnoj percepciji.

Energetska doktrina Ostwalda bila je jedna od varijanti idealističkih filozofskih strujanja usmjerenih na protiv materijalizma u nauci. Odvajajući energiju, odnosno kretanje od materije, pretpostavljajući postojanje nematerijalnog kretanja, Ostwaldovi sljedbenici su prešutno priznavali da naša svijest, misao, osjećaji postoje samostalno, kao nešto primarno, što nije povezano s materijom. Hemijski elementi nisu smatrani određenim, već različitim oblicima hemijske energije.

Reakcionarnu suštinu Ostvaldovog učenja sjajno je otkrio V. I. Lenjin u svom djelu Materijalizam i empirijska kritika. U pogl. U ovom djelu, govoreći o povezanosti filozofskog idealizma s određenim novim trendovima u fizici, Lenjin se zadržava i na Ostwaldovoj "filozofiji", dokazujući njenu potpunu nedosljednost i neizbježnost njenog poraza u borbi protiv materijalizma.

"…pokušaj razmisli kretanje bez materije, piše Lenjin, vuče mislio, odvojen od materije, a to je filozofski idealizam.

Lenjin ne samo da je u potpunosti otkrio idealističku osnovu Ostvaldovog razmišljanja, već je pokazao i unutrašnje kontradiktornosti sadržane u njima. Iznoseći filozofsku ideju o postojanju kretanja bez materije, Ostwald odbacuje objektivno postojanje materije, ali istovremeno, kao fizikalni hemičar, materijalistički tumači energiju na svakom koraku, oslanjajući se na zakon održanja i transformacije. energije. „Transformaciju energije“, navodi Lenjin, „prirodna nauka posmatra kao objektivan proces, nezavisan od ljudske svesti i iskustva čovečanstva, odnosno materijalistički. A kod samog Ostwalda, u masi slučajeva, čak vjerovatno u velikoj većini slučajeva, pod energijom se misli materijal kretanje".

Ubrzo su nova zapanjujuća otkrića koja su obilježila početak 20. stoljeća tako nepobitno dokazala stvarnost atoma i molekula da je na kraju čak i Ostwald bio primoran da prizna njihovo postojanje.

Od eksperimentalnih studija posvećenih pitanju postojanja atoma i molekula, od posebnog interesa su radovi francuskog fizičara Perina o proučavanju raspodjele i kretanja čestica u takozvanim suspenzijama.

Nakon što je pripremio suspenziju koja sadrži čestice iste veličine vidljive pod mikroskopom, Perrin je proučavao distribucijučestice u njemu. Kao rezultat brojnih eksperimenata sprovedenih sa izuzetnom pažnjom, dokazao je da raspodela čestica suspenzije po visini tačno odgovara zakonu smanjenja koncentracije gasova sa visinom, izvedenom iz kinetičke teorije gasova. Na ovaj način, Perrin je pokazao da su suspenzije pravi modeli gasova; shodno tome, pojedinačni molekuli postoje i u plinovima, samo što su nevidljivi zbog svoje male veličine.

Još uvjerljiviji su bili rezultati do kojih je Perrin došao kada je promatrao kretanje čestica suspenzije.

Kada se pod jakim mikroskopom ispita kap tečnosti u kojoj su suspendovane čestice, može se videti da čestice ne miruju, već brzo se kreću u svim pravcima. Kretanje čestica je izuzetno nasumično. Ako pratite putanju jedne čestice pod mikroskopom, dobićete veoma složenu cik-cak liniju, koja ukazuje na odsustvo bilo kakve pravilnosti u kretanju čestica (slika 8). Ovaj pokret se može nastaviti koliko god želite, bez slabljenja ili promjene njegovog karaktera.

Opisani fenomen je 1827. godine otkrio engleski botaničar Brown i nazvan je Brownovo kretanje. Međutim, objašnjenje mu je dato tek 60-ih godina na osnovu molekularno-kinetičkih koncepata. Prema ovom objašnjenju, uzrok vidljivog kretanja čestica suspenzije je nevidljivo toplotno kretanje molekula tečnosti koji ih okružuju. Udarci koje primaju čestice suspenzije sa svih strana od molekula tečnosti ne mogu se, naravno, tačno međusobno uravnotežiti; u svakom trenutku se poremeti ravnoteža u korist jednog ili drugog pravca, usled čega čestice prave svoju bizarnu putanju.

Dakle, sama činjenica postojanja Brownovog kretanja svedoči o realnosti molekula i daje sliku o njihovom nasumičnom kretanju, budući da suspendovane čestice generalno ponavljaju ista kretanja kao i molekuli tečnosti. Ali Perrin u svojim istraživanjima otišao je još dalje: dugogodišnjim posmatranjem kretanja čestica pod mikroskopom mogao je odrediti prosječnu brzinu kretanja čestica. Odavde, znajući masu čestica pripremljene suspenzije, Perrin je izračunao njihovu prosječnu kinetičku energiju. Rezultat je neverovatan. Pokazalo se da kinetička energija čestica upravo odgovara kinetičkoj energiji molekula gasa, izračunatoj za istu temperaturu na osnovu kinetičke teorije. Perinove čestice bile su oko 10 12 puta teže od molekula vodonika, dok je kinetička energija oba bila ista. Nakon što su ove činjenice utvrđene, više nije bilo moguće poricati objektivnu realnost molekula.

Trenutno se Braunovo kretanje posmatra i kao posledica toplotnog kretanja molekula tečnosti i kao nezavisno toplotno kretanje čestica suspenzije. Potonji su, takoreći, džinovski molekuli koji učestvuju u toplotnom kretanju zajedno sa nevidljivim molekulima tečnosti. Ne postoji fundamentalna razlika između njih.

Perinovi eksperimenti ne samo da su dokazali da molekuli zaista postoje, već su omogućili i izračunavanje broja molekula u jednom gramu molekula gasa. Ovaj broj, koji, kao što znamo, ima univerzalno značenje, nazvan je Avogadrov broj. Prema Perrinovim proračunima, ispostavilo se da je otprilike 6,5 10 23, što je bilo vrlo blizu vrijednosti ove količine pronađene ranije drugim metodama. Nakon toga je Avogadro broj određen mnogo puta potpuno različitim fizičkim metodama, a rezultati su uvijek bili vrlo bliski. Takva podudarnost rezultata ukazuje na ispravnost pronađenog broja i služi kao neosporan dokaz stvarnog postojanja molekula.

Avogadrov broj se trenutno smatra

6,02 10 23

Kolosalna veličina Avogadrovog broja je izvan naše mašte. Neka predstava o tome može se stvoriti samo poređenjem.

Pretpostavimo, na primjer, da je 1 mol, tj. 18 G, voda je ravnomjerno raspoređena po cijeloj površini zemaljske kugle. Jednostavna računica pokazuje da će na svaki kvadratni centimetar površine biti oko 100.000 molekula.

Hajde da napravimo još jedno poređenje. Recimo da smo uspjeli nekako označiti sve molekule sadržane u 18 g vode. Ako onda izlijete ovu vodu u more i sačekate da se ravnomjerno pomiješa sa svim vodama zemlje kuglu, zahvativši čašu vode bilo gde, naći ćemo u njoj oko 100 molekula koje smo obeležili.

Rice. 9. Čestice dima cinkovog oksida na 20.000 puta uvećanju

Pošto gram molekula bilo kog gasa u normalnim uslovima zauzima zapreminu od 22,4 litara, zatim u 1 ml gasa sadrži pod ovim uslovima 2,7 10 19 molekula. Ako razrjeđivanje plina u bilo kojoj posudi dovedemo čak i do krajnje granice koju najbolje pumpe mogu postići (na otprilike deset milijarditi dio atmosfere), tj. da dobijemo ono što praktično smatramo "prostorom bez zraka", tada će sve isti u 1 cm 3 ovog prostora molekula ostaje značajno više od svih ljudi na svijetu. Iz ovoga se može suditi koliko beznačajne moraju biti dimenzije molekula i atoma ako ih tako ogroman broj stane u 1 cm 3. Pa ipak, fizičari su ove dimenzije izračunavali na različite načine. Ispada da ako zamislimo molekule kao male kuglice, onda će se njihov prečnik mjeriti u stomilionitim dijelovima centimetra. Na primjer, prečnik molekule kiseonika je približno 3,2 10 -8 cm, prečnik molekule vodonika 2,6 10 -8 cm a prečnik atoma vodika 1 10 -8 cm.

Da biste izrazili tako male količine, vrlo je zgodno uzeti stomilioniti dio centimetra (10 -8 cm). Ovu jedinicu je predložio švedski fizičar Angström za mjerenje dužine svjetlosnih valova i po njemu je nazvan angström. Označava se simbolom A ili A. Linearne dimenzije atoma i molekula obično se izražavaju u nekoliko angstroma.

Znajući broj molekula u jednom gramu molekula, a samim tim i broj atoma u jednom gramatomu, može se izračunati težina atoma bilo kojeg elementa u gramima. Na primjer, ako podijelimo gram vodika s Avogadrovim brojem, dobivamo težinu atoma vodika u gramima:

Planine, zvijezde, ljudi - sve što vidimo oko sebe sastoji se od sićušnih atoma. Atomi su mali. Veoma, veoma. Od djetinjstva znamo da se sva materija sastoji od nakupina ovih sitnih stvari. Takođe znamo da se ne mogu videti golim okom. Primorani smo slijepo vjerovati ovim izjavama, a da nismo u mogućnosti to provjeriti. Atomi međusobno djeluju i ciglu po ciglu čine naš svijet. Kako to znamo? Mnogi ljudi ne vole da tvrdnje naučnika uzimaju zdravo za lice. Zajedno sa naukom, idemo od razumijevanja atoma do direktnog dokazivanja njihovog postojanja.

Možda se čini da postoji jednostavan način da se dokaže postojanje atoma: stavite ih pod mikroskop. Ali ovaj pristup neće raditi. Čak i najmoćniji mikroskopi koji fokusiraju svjetlost ne mogu vizualizirati niti jedan atom. Predmet postaje vidljiv jer odbija svjetlosne valove. Atomi su toliko manji od talasne dužine vidljive svetlosti da uopšte ne stupaju u interakciju. Drugim riječima, atomi su nevidljivi čak i svjetlosti. Međutim, atomi imaju vidljive efekte na neke stvari koje možemo vidjeti.

Pedeset godina kasnije, 1827., škotski botaničar Robert Brown opisao je nešto izuzetno slično. Ispitujući polenova zrna pod mikroskopom, Brown je otkrio da neka od zrna emitiraju sitne čestice - koje su se zatim udaljile od polena u nasumičnom nervnom plesu.

U početku je Brown mislio da su čestice neki nepoznati organizam. Ponovio je eksperiment s drugim supstancama, poput kamene prašine, koja je očito bila neživa, i ponovo vidio čudno kretanje.

Nauci je trebalo skoro sto godina da pronađe objašnjenje. Ajnštajn je došao i razvio matematičku formulu koja je predvidela tu određenu vrstu kretanja - tada nazvano Brownovo kretanje, po Robertu Braunu. Ajnštajnova teorija je bila da su se čestice granula polena neprestano kretale dok su se milioni sićušnih molekula vode, molekula napravljenih od atoma, sudarali sa njima.

“Objasnio je da je ovaj nervozni pokret koji vidite zapravo uzrokovan udarom pojedinačnih molekula vode na čestice prašine ili šta god tamo imate”, objašnjava Harry Cliff sa Univerziteta Cambridge, također kustos Muzeja nauke u Londonu.

Do 1908. opservacije potkrijepljene proračunima su pokazale da su atomi stvarni. Za deset godina, fizičari su napravili značajan napredak. Protežući pojedinačne atome, počeli su da shvataju njihovu unutrašnju strukturu.

Iznenađenje je bilo da se atomi mogu podijeliti - posebno u svjetlu činjenice da je sam naziv "atom" došao od grčkog "atomos", što znači "nedjeljiv". Ali fizičari sada znaju da su atomi daleko od osnovnih građevnih blokova. Sastoje se od tri glavna dijela: protona, neutrona i elektrona. Zamislite da protoni i neutroni zajedno formiraju "sunce", ili jezgro, u centru sistema. Elektroni kruže oko ovog jezgra, poput planeta.

Ali kako znamo da su te čestice tamo? Odgovor je da iako su mali, imaju veliki uticaj. Britanski fizičar Thomson, koji je otkrio elektrone, koristio je odličnu metodu da dokaže njihovo postojanje 1897. godine.

Imao je Crookesovu cijev, komad stakla smiješnog oblika iz kojeg je mašina usisala većinu zraka. Negativni električni naboj je primijenjen na jedan kraj cijevi. Ovaj naboj je bio dovoljan da izbaci dio elektrona iz molekula plina koji je ostao u cijevi. Elektroni su negativno nabijeni, pa su odletjeli na drugi kraj cijevi. Zahvaljujući djelomičnom vakuumu, elektroni su letjeli kroz cijev ne nailazeći na velike atome na svom putu.

Električni naboj je uzrokovao da se elektroni kreću vrlo brzo - reda veličine 59.500 kilometara u sekundi - sve dok se nisu srušili u staklo na drugom kraju, izbacivši još elektrona koji su se skrivali u njegovim atomima. Iznenađujuće, sudar između ovih zapanjujuće sitnih čestica proizveo je toliko energije da je proizveo fantastičan zeleno-žuti sjaj.

„Bio je to, na neki način, jedan od prvih akceleratora čestica“, kaže Cliff. "Ubrzava elektrone s jednog kraja cijevi na drugi, a oni se zabijaju u ekran na drugom kraju, proizvodeći fosforescentni sjaj."

Budući da je Thomson otkrio da može kontrolirati snopove elektrona pomoću magneta i električnih polja, znao je da to nisu samo čudni snopovi svjetlosti, već nabijene čestice.

A ako se pitate kako ovi elektroni mogu letjeti neovisno o svojim atomima, to je zbog procesa ionizacije, u kojem - u ovom slučaju - električni naboj mijenja strukturu atoma, kucajući elektrone u svemir u blizini.

Konkretno, zbog toga što je elektronima tako lako manipulirati i pomicati, električni krugovi su postali mogući. Elektroni u bakrenoj žici kreću se poput vlaka od jednog do drugog atoma bakra – zato se žica prenosi kroz žicu. Atomi, kao što smo već rekli, nisu čvrsti komadi materije, već sistemi koji se mogu modifikovati ili rastaviti na strukturne elemente.

Početkom 20. stoljeća otkrile su ove pozitivno nabijene čestice i istovremeno otkrile unutrašnju strukturu atoma – slično Sunčevom sistemu.

Ernest Rutherford i njegove kolege uzeli su vrlo tanku metalnu foliju i izložili je snopu pozitivno nabijenog zračenja - mlazu sićušnih čestica. Većina moćnog zračenja je prošla, kako je Rutherford vjerovao, s obzirom na debljinu folije. Ali, na iznenađenje naučnika, dio se vratio.

Rutherford je sugerirao da atomi u metalnoj foliji moraju sadržavati male guste regije s pozitivnim nabojem - ništa drugo ne bi imalo dovoljan potencijal da reflektira tako snažno zračenje. Otkrio je pozitivne naboje u atomu - i istovremeno dokazao da su svi povezani u gustu masu, za razliku od elektrona. Drugim riječima, pokazao je postojanje gustog jezgra u atomu.

Došlo je do problema. Do tada je masa atoma već mogla biti izračunata. Ali s obzirom na podatke o tome koliko su čestice jezgra morale biti teške, ideja da su sve pozitivno nabijene nije imala smisla.

"Ugljenik ima šest elektrona i šest protona u jezgru - šest pozitivnih i šest negativnih naboja", objašnjava Cliff. "Ali jezgro ugljenika nije teško šest protona, ono je teško ekvivalentno 12 protona."

U početku se pretpostavljalo da se u jezgri nalazi šest drugih nuklearnih čestica mase protona, ali negativno nabijenih: neutrona. Ali niko to nije uspeo da dokaže. U stvari, neutroni nisu mogli biti pronađeni sve do 1930-ih.

Nekoliko godina ranije, drugi fizičari su eksperimentisali sa zračenjem. Ispalili su pozitivno nabijeno zračenje - tip koji je Rutherford koristio u potrazi za jezgrom - u atome berilijuma. Berilijum je emitirao vlastito zračenje: zračenje koje nije bilo pozitivno ili negativno nabijeno i moglo je prodrijeti duboko u materijal.

U to vrijeme, drugi su shvatili da je gama zračenje neutralno i da prodire duboko, pa su fizičari vjerovali da ga emituju atomi berilijuma. Ali Chadwick nije tako mislio.

On je samostalno proizveo novo zračenje i usmjerio ga na materiju koja je, kao što je znao, bogata protonima. Neočekivano, ispostavilo se da su protoni izbačeni iz materijala kao da su čestice identične mase – poput bilijarskih kuglica od drugih kuglica.

Gama zraci ne mogu reflektirati protone na ovaj način, pa je Chadwick odlučio da čestice koje je tražio trebaju imati masu protona, ali drugačiji električni naboj: a to su neutroni.

Sve osnovne čestice atoma su pronađene, ali priča se tu ne završava.

Iako smo naučili mnogo više o atomima nego što smo znali prije, bilo ih je teško vizualizirati. Tridesetih godina prošlog veka niko nije imao njihove slike - i mnogi su ljudi želeli da ih vide kako bi prihvatili njihovo postojanje.

Međutim, važno je napomenuti da su metode koje su koristili naučnici poput Thomsona, Rutherforda i Chadwicka otvorili put za novu opremu koja nam je na kraju pomogla da napravimo ove slike. Elektronski snopovi koje je Thomson generirao u svom eksperimentu s Crookesovom cijevi pokazali su se posebno korisnim.

Danas takve zrake stvaraju elektronski mikroskopi, a najmoćniji od ovih mikroskopa zapravo može snimiti slike pojedinačnih atoma. To je zato što elektronski snop ima talasnu dužinu hiljadama puta kraću od snopa svetlosti – toliko kratak, u stvari, da se elektronski talasi mogu odbiti od sićušnih atoma i proizvesti sliku koju svetlosni snopovi ne mogu.

Neil Skipper sa University College London kaže da su slike korisne za ljude koji žele proučavati atomsku strukturu posebnih supstanci poput onih koje se koriste u baterijama električnih automobila, na primjer. Što više znamo o njihovoj atomskoj strukturi, to bolje možemo dizajnirati baterije kako bismo ih učinili efikasnim i pouzdanim.

Također možete dobiti predstavu o tome kako atomi izgledaju samo tako što ih pirkate. Ovo je u suštini način na koji radi mikroskopija atomske sile.

Skipper dodaje da mnogi atomski naučnici istražuju kako se struktura stvari mijenja kada su podvrgnute visokom pritisku ili temperaturi. Većina ljudi zna da kada se supstanca zagreje, ona se često širi. Sada je moguće otkriti atomske promjene koje se dešavaju s ovim, što je često korisno.

„Kada zagrejete tečnost, možete videti kako njeni atomi poprimaju neuređenu konfiguraciju“, kaže Skiper. "Možete to vidjeti direktno sa strukturne karte."

Skipper i drugi fizičari također mogu raditi s atomima koristeći neutronske zrake, koje je prvi otkrio Chadwick 1930-ih.

„Mi ispaljujemo mnogo neutronskih snopova u uzorke materijala, a iz rezultujućeg obrasca raspršenja možete shvatiti da raspršujete neutrone u jezgrima“, kaže on. "Možete grubo procijeniti masu i veličinu objekta koji je bio proziran."

Ali atomi nisu uvijek samo tamo, u stabilnom stanju, čekaju da budu proučavani. Ponekad se raspadaju – to jest, radioaktivni su.

Postoji mnogo prirodnih radioaktivnih elemenata. Ovaj proces stvara energiju koja je bila osnova nuklearne energije - i nuklearne bombe. Nuklearni fizičari pokušavaju bolje razumjeti reakcije u kojima jezgro prolazi kroz fundamentalne promjene poput ovih.

„Vrste detektora koje biste trebali koristiti su detektori koji će vam omogućiti da izmjerite i prisustvo radijacije i energiju zračenja koja je taložena“, kaže ona. "To je zato što sva jezgra imaju poseban otisak prsta."

Budući da sve vrste atoma mogu biti prisutne u području gdje je otkriveno zračenje, posebno nakon velike nuklearne reakcije, važno je znati koji su radioaktivni izotopi prisutni. Takva detekcija se obično provodi na nuklearnim stanicama ili u područjima gdje se dogodila nuklearna katastrofa.

Harkness-Brennan i njene kolege sada rade na sistemima za detekciju koji se mogu postaviti na takva mjesta da u tri dimenzije pokažu gdje bi radijacija mogla biti prisutna u određenoj prostoriji. "Potrebne su vam tehnike i alati koji će vam omogućiti da kreirate trodimenzionalnu mapu prostora i reći vam gdje je radijacija u ovoj prostoriji, u ovoj cijevi", kaže ona.

Također je moguće vizualizirati zračenje u komori oblaka. Kao dio ovog specijalnog eksperimenta, alkoholna para ohlađena na -40 stepeni Celzijusa raspršuje se u oblaku preko radioaktivnog izvora. Nabijene čestice radijacije koje lete iz izvora zračenja izbijaju elektrone iz molekula alkohola. Alkohol se kondenzuje u tečnost pored putanje emitovanih čestica. Rezultati ove vrste otkrića su impresivni.

Nismo mnogo radili direktno s atomima, osim što smo shvatili da su to prekrasne složene strukture koje mogu proći nevjerovatne promjene, od kojih se mnoge događaju u prirodi. Proučavajući atome na ovaj način, poboljšavamo vlastitu tehnologiju, izvlačimo energiju iz nuklearnih reakcija i bolje razumijemo prirodni svijet oko nas. Također smo bili u mogućnosti da se zaštitimo od radijacije i proučavamo kako se tvari mijenjaju u ekstremnim uvjetima.

„S obzirom na to koliko je atom mali, nevjerovatno je koliko fizike možemo izvući iz njega“, prikladno ističe Harkness-Brennan. Sve što vidimo oko sebe sastoji se od ovih sićušnih čestica. I dobro je znati da su tu, jer je zahvaljujući njima sve okolo postalo moguće.

Kako prenosi BBC

Rice. 8. Braunovo kretanje

Atomska i molekularna nauka bila je od velikog značaja za hemiju, koja se zahvaljujući njoj počela ubrzano razvijati i za kratko vreme postigla briljantne uspehe.

Međutim, krajem 19. stoljeća, kada je ova doktrina već dala toliko vrijednih rezultata, pojavio se reakcionarni trend koji je u osnovi poricao samo postojanje atoma i molekula. Pod uticajem idealističke filozofije, u Nemačkoj se pojavila takozvana "energetska" škola hemičara, na čijem je čelu bio čuveni naučnik Ostwald, čiji su teorijski stavovi bili zasnovani na apstraktnom konceptu energije nepovezane sa materijom. Pristalice ove škole su vjerovale da se sve vanjske pojave mogu objasniti kao procesi između energija i kategorički su odbacivali postojanje atoma i molekula kao čestica nedostupnih direktnoj osjetilnoj percepciji.

Energetska doktrina Ostwalda bila je jedna od varijanti idealističkih filozofskih strujanja usmjerenih na protiv materijalizma u nauci. Odvajajući energiju, odnosno kretanje od materije, pretpostavljajući postojanje nematerijalnog kretanja, Ostwaldovi sljedbenici su prešutno priznavali da naša svijest, misao, osjećaji postoje samostalno, kao nešto primarno, što nije povezano s materijom. Hemijski elementi nisu smatrani određenim, već različitim oblicima hemijske energije.

Reakcionarnu suštinu Ostvaldovog učenja sjajno je otkrio V. I. Lenjin u svom djelu Materijalizam i empirijska kritika. U pogl. U ovom djelu, govoreći o povezanosti filozofskog idealizma s određenim novim trendovima u fizici, Lenjin se zadržava i na Ostwaldovoj "filozofiji", dokazujući njenu potpunu nedosljednost i neizbježnost njenog poraza u borbi protiv materijalizma.

"…pokušaj razmisli kretanje bez materije, piše Lenjin, vuče mislio, odvojen od materije, a to je filozofski idealizam.

Lenjin ne samo da je u potpunosti otkrio idealističku osnovu Ostvaldovog razmišljanja, već je pokazao i unutrašnje kontradiktornosti sadržane u njima. Iznoseći filozofsku ideju o postojanju kretanja bez materije, Ostwald odbacuje objektivno postojanje materije, ali istovremeno, kao fizikalni hemičar, materijalistički tumači energiju na svakom koraku, oslanjajući se na zakon održanja i transformacije. energije. „Transformaciju energije“, navodi Lenjin, „prirodna nauka posmatra kao objektivan proces, nezavisan od ljudske svesti i iskustva čovečanstva, odnosno materijalistički. A kod samog Ostwalda, u masi slučajeva, čak vjerovatno u velikoj većini slučajeva, pod energijom se misli materijal kretanje".

Ubrzo su nova zapanjujuća otkrića koja su obilježila početak 20. stoljeća tako nepobitno dokazala stvarnost atoma i molekula da je na kraju čak i Ostwald bio primoran da prizna njihovo postojanje.

Od eksperimentalnih studija posvećenih pitanju postojanja atoma i molekula, od posebnog interesa su radovi francuskog fizičara Perina o proučavanju raspodjele i kretanja čestica u takozvanim suspenzijama.

Nakon što je pripremio suspenziju koja sadrži čestice iste veličine vidljive pod mikroskopom, Perrin je proučavao distribucijučestice u njemu. Kao rezultat brojnih eksperimenata sprovedenih sa izuzetnom pažnjom, dokazao je da raspodela čestica suspenzije po visini tačno odgovara zakonu smanjenja koncentracije gasova sa visinom, izvedenom iz kinetičke teorije gasova. Na ovaj način, Perrin je pokazao da su suspenzije pravi modeli gasova; shodno tome, pojedinačni molekuli postoje i u plinovima, samo što su nevidljivi zbog svoje male veličine.

Još uvjerljiviji su bili rezultati do kojih je Perrin došao kada je promatrao kretanje čestica suspenzije.

Kada se pod jakim mikroskopom ispita kap tečnosti u kojoj su suspendovane čestice, može se videti da čestice ne miruju, već brzo se kreću u svim pravcima. Kretanje čestica je izuzetno nasumično. Ako pratite putanju jedne čestice pod mikroskopom, dobićete veoma složenu cik-cak liniju, koja ukazuje na odsustvo bilo kakve pravilnosti u kretanju čestica (slika 8). Ovaj pokret se može nastaviti koliko god želite, bez slabljenja ili promjene njegovog karaktera.

Opisani fenomen je 1827. godine otkrio engleski botaničar Brown i nazvan je Brownovo kretanje. Međutim, objašnjenje mu je dato tek 60-ih godina na osnovu molekularno-kinetičkih koncepata. Prema ovom objašnjenju, uzrok vidljivog kretanja čestica suspenzije je nevidljivo toplotno kretanje molekula tečnosti koji ih okružuju. Udarci koje primaju čestice suspenzije sa svih strana od molekula tečnosti ne mogu se, naravno, tačno međusobno uravnotežiti; u svakom trenutku se poremeti ravnoteža u korist jednog ili drugog pravca, usled čega čestice prave svoju bizarnu putanju.

Dakle, sama činjenica postojanja Brownovog kretanja svedoči o realnosti molekula i daje sliku o njihovom nasumičnom kretanju, budući da suspendovane čestice generalno ponavljaju ista kretanja kao i molekuli tečnosti. Ali Perrin u svojim istraživanjima otišao je još dalje: dugogodišnjim posmatranjem kretanja čestica pod mikroskopom mogao je odrediti prosječnu brzinu kretanja čestica. Odavde, znajući masu čestica pripremljene suspenzije, Perrin je izračunao njihovu prosječnu kinetičku energiju. Rezultat je neverovatan. Pokazalo se da kinetička energija čestica upravo odgovara kinetičkoj energiji molekula gasa, izračunatoj za istu temperaturu na osnovu kinetičke teorije. Perinove čestice bile su oko 10 12 puta teže od molekula vodonika, dok je kinetička energija oba bila ista. Nakon što su ove činjenice utvrđene, više nije bilo moguće poricati objektivnu realnost molekula.

Trenutno se Braunovo kretanje posmatra i kao posledica toplotnog kretanja molekula tečnosti i kao nezavisno toplotno kretanje čestica suspenzije. Potonji su, takoreći, džinovski molekuli koji učestvuju u toplotnom kretanju zajedno sa nevidljivim molekulima tečnosti. Ne postoji fundamentalna razlika između njih.

Perinovi eksperimenti ne samo da su dokazali da molekuli zaista postoje, već su omogućili i izračunavanje broja molekula u jednom gramu molekula gasa. Ovaj broj, koji, kao što znamo, ima univerzalno značenje, nazvan je Avogadrov broj. Prema Perrinovim proračunima, ispostavilo se da je otprilike 6,5 10 23, što je bilo vrlo blizu vrijednosti ove količine pronađene ranije drugim metodama. Nakon toga je Avogadro broj određen mnogo puta potpuno različitim fizičkim metodama, a rezultati su uvijek bili vrlo bliski. Takva podudarnost rezultata ukazuje na ispravnost pronađenog broja i služi kao neosporan dokaz stvarnog postojanja molekula.

Avogadrov broj se trenutno smatra

6,02 10 23

Kolosalna veličina Avogadrovog broja je izvan naše mašte. Neka predstava o tome može se stvoriti samo poređenjem.

Pretpostavimo, na primjer, da je 1 mol, tj. 18 G, voda je ravnomjerno raspoređena po cijeloj površini zemaljske kugle. Jednostavna računica pokazuje da će na svaki kvadratni centimetar površine biti oko 100.000 molekula.

Hajde da napravimo još jedno poređenje. Recimo da smo uspjeli nekako označiti sve molekule sadržane u 18 g vode. Ako onda izlijete ovu vodu u more i sačekate da se ravnomjerno pomiješa sa svim vodama zemlje kuglu, zahvativši čašu vode bilo gde, naći ćemo u njoj oko 100 molekula koje smo obeležili.

Rice. 9. Čestice dima cinkovog oksida na 20.000 puta uvećanju

Pošto gram molekula bilo kog gasa u normalnim uslovima zauzima zapreminu od 22,4 litara, zatim u 1 ml gasa sadrži pod ovim uslovima 2,7 10 19 molekula. Ako razrjeđivanje plina u bilo kojoj posudi dovedemo čak i do krajnje granice koju najbolje pumpe mogu postići (na otprilike deset milijarditi dio atmosfere), tj. da dobijemo ono što praktično smatramo "prostorom bez zraka", tada će sve isti u 1 cm 3 ovog prostora molekula ostaje značajno više od svih ljudi na svijetu. Iz ovoga se može suditi koliko beznačajne moraju biti dimenzije molekula i atoma ako ih tako ogroman broj stane u 1 cm 3. Pa ipak, fizičari su ove dimenzije izračunavali na različite načine. Ispada da ako zamislimo molekule kao male kuglice, onda će se njihov prečnik mjeriti u stomilionitim dijelovima centimetra. Na primjer, prečnik molekule kiseonika je približno 3,2 10 -8 cm, prečnik molekule vodonika 2,6 10 -8 cm a prečnik atoma vodika 1 10 -8 cm.

Da biste izrazili tako male količine, vrlo je zgodno uzeti stomilioniti dio centimetra (10 -8 cm). Ovu jedinicu je predložio švedski fizičar Angström za mjerenje dužine svjetlosnih valova i po njemu je nazvan angström. Označava se simbolom A ili A. Linearne dimenzije atoma i molekula obično se izražavaju u nekoliko angstroma.

Znajući broj molekula u jednom gramu molekula, a samim tim i broj atoma u jednom gramatomu, može se izračunati težina atoma bilo kojeg elementa u gramima. Na primjer, ako podijelimo gram vodika s Avogadrovim brojem, dobivamo težinu atoma vodika u gramima:

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE

RUSKA FEDERACIJA

DRŽAVNI UNIVERZITET VORONJEŽ

KATEDRA ZA ONTOLOGIJU I TEORIJU ZNANJA

Teorija Brownovog kretanja i eksperimentalni dokaz stvarnog postojanja atoma i molekula

Završio: doktorand

Fakultet fizike

Krisilov A.V.

Voronjež 2010

Atomska struktura materije

Otkriće Roberta Brauna

Brownova teorija kretanja

1Albert Einschnein - prva teorija Brownovog kretanja

2Marianne Smoluchowski - porijeklo zakona vjerovatnoće u fizici

Dokazi za stvarno postojanje atoma i molekula

1Jean Baptiste Perrin - odlučujući eksperimenti

2Theodor Svedberg - određivanje veličine proteinske molekule

Moderna nauka i Brownovo kretanje

Književnost

1.Atomska struktura materije

materija brownian molekula atom

Suštinski znak onoga što u svakodnevnom životu i nauci označavamo kao slučajnost može se ukratko definisati na sledeći način: mali uzroci - veliki efekti.

M. Smolukhovsky

Dobro je poznato da su antički mislioci u više navrata sugerisali diskretnu prirodu materije. Do toga su došli na osnovu filozofske ideje da je nemoguće ostvariti beskonačnu djeljivost materije, a kada se razmatraju sve manje količine, potrebno je negdje stati. Za njih je atom bio posljednji nedjeljivi dio materije, nakon čega se nije imalo šta tražiti. Moderna fizika također polazi od koncepta atomske strukture materije, ali s njene tačke gledišta, atom je nešto sasvim drugačije od onoga što su drevni mislioci shvatili pod ovom riječi. Prema modernim konceptima, atom, kao sastavni dio materije, ima vrlo složenu strukturu. Pravi atomi u smislu drevnih ljudi su, sa stanovišta moderne fizike, elementarne čestice, poput elektrona, koji se danas (možda privremeno) smatraju posljednjim nedjeljivim sastojcima atoma i, posljedično, materije.

Koncept atoma su u modernu nauku uveli hemičari. Proučavanje hemijskih svojstava različitih tela dovelo je hemičare do ideje da se sve supstance dele u dve klase: jedna od njih uključuje složene ili složene supstance koje se odgovarajućim operacijama mogu razložiti na jednostavnije supstance, druga - jednostavnije supstance. koji se više ne može razložiti na sastavne dijelove. Ove jednostavne supstance se često nazivaju i elementima. Prema ovoj teoriji, razlaganje složenih supstanci na sastavne elemente sastoji se u razaranju veza koje ujedinjuju različite atome u molekule i razdvajanju tvari na sastavne dijelove.

Atomska hipoteza se pokazala vrlo plodnom ne samo za objašnjenje osnovnih kemijskih fenomena, već i za izgradnju novih fizičkih teorija. Zaista, ako su sve tvari zaista sastavljene od atoma, onda se mnoga njihova fizička svojstva mogu predvidjeti iz ideje njihove atomske strukture. Na primjer, dobro poznata svojstva plina treba objasniti predstavljanjem plina kao agregata izuzetno velikog broja atoma ili molekula u stanju brzog kontinuiranog kretanja. Pritisak plina na stijenke posude u kojoj se nalazi mora biti uzrokovan udarima atoma ili molekula na stijenke, njegova temperatura mora biti povezana sa prosječnom brzinom čestica, koja raste s povećanjem temperature plina. Na temelju takvih ideja, teorija, nazvana kinetička teorija plinova, omogućila je da se teorijski izvedu osnovni zakoni kojima se plinovi povinuju i koji su već ranije dobijeni eksperimentalno. Štoviše, ako je pretpostavka o atomskoj strukturi tvari istinita, onda slijedi da je za objašnjenje svojstava čvrstih tijela i tekućina potrebno pretpostaviti da u tim fizičkim stanjima atomi ili molekuli koji čine supstancu moraju biti na mnogo manjim udaljenostima jedna od druge.jedni druge i biti mnogo jače međusobno povezani nego u gasovitom stanju. Velika vrijednost sila interakcije između izuzetno blisko raspoređenih atoma ili molekula, koja se mora dozvoliti, treba da objasni elastičnost, nestišljivost i neka druga svojstva koja karakterišu čvrsta i tečna tijela. Teorije koje su nastale i razvile se na ovoj osnovi naišle su na niz poteškoća (od kojih je većina eliminisana dolaskom kvantne teorije). Međutim, rezultati dobijeni u ovoj teoriji bili su dovoljno zadovoljavajući da se smatra da se ona razvija na pravom putu.

Unatoč činjenici da se hipoteza o atomskoj strukturi materije za neke fizičke teorije pokazala vrlo plodnom, za njezinu konačnu potvrdu bilo je potrebno provesti manje-više neposredan eksperiment koji potvrđuje atomsku strukturu materije.

Prvi korak ka ovom eksperimentu bilo je iskustvo botaničara Roberta Brauna, koji je otkrio nasumično kretanje čestica polena suspendovanih u tečnosti. Ali prepoznavanje značaja ovog otkrića za nauku došlo je više od pola veka kasnije.

Da bi se dokazala realnost molekula, bilo je potrebno odrediti njihovu veličinu ili masu. Godine 1865. Loschmidt je dobio prvu procjenu veličine molekula zraka i broja molekula plina u 1 kubnom metru na plinsko-kinetičkoj osnovi. cm pod normalnim uslovima, i izložio rezultate dobijene u poznatom radu „Zur Gr ö sse der Luftmolek ü le" .

Sedam godina kasnije, 1872. Van der Waals je izračunao Avogadrovu konstantu NA (broj molekula u uzorku, broj grama supstance u kojoj je jednak njenoj molekulskoj težini). Van der Waals je za broj N pronašao približnu vrijednost 6,2 1023. Teorija gasa pri visokim pritiscima i posledice toga

rezultati su bili naširoko cijenjeni, ali zbog velikog broja pretpostavki na kojima se temelji i teorija i izračunavanje broja NA, rezultujućoj vrijednosti Avogadrovog broja nije se posebno vjerovalo.

2.Otkriće Roberta Brauna

Škotski botaničar Robert Brown je za života, kao najbolji poznavalac biljaka, dobio titulu "princa botaničara". Napravio je mnoga divna otkrića. Godine 1805., nakon četverogodišnje ekspedicije u Australiju, donio je u Englesku oko 4.000 vrsta australskih biljaka nepoznatih naučnicima i proveo mnogo godina proučavajući ih. Opisane biljke donesene iz Indonezije i Centralne Afrike. Proučavao je fiziologiju biljaka, prvo detaljno opisao jezgro biljne ćelije. Ali ime naučnika sada je nadaleko poznato ne zbog ovih radova.

Godine 1827. Brown je sproveo istraživanje polena biljaka. Njega je posebno zanimalo kako polen učestvuje u procesu oplodnje. Jednom je pod mikroskopom pregledao izdužena citoplazmatska zrna suspendirana u vodi izoliranoj iz polenovih stanica sjevernoameričke biljke Clarkia pulchella (lijepa clarkia). Odjednom je Braun vidio da najmanja tvrda zrna, koja se jedva mogu vidjeti u kapi vode, neprestano drhte i kreću se s mjesta na mjesto. Otkrio je da ova kretanja, prema njegovim riječima, "nisu povezana ni s tokovima u tekućini niti s njenim postepenim isparavanjem, već su inherentna samim česticama".

Braunovo zapažanje potvrdili su i drugi naučnici. Najmanje čestice ponašale su se kao da su žive, a "ples" čestica se ubrzavao s povećanjem temperature i smanjenjem veličine čestica i jasno se usporavao kada je voda zamijenjena viskoznijim medijem. Ovaj neverovatan fenomen nikada nije prestao: mogao se posmatrati proizvoljno dugo. Braun je isprva čak pomislio da su živa bića zaista ušla u polje mikroskopa, pogotovo što su polen muške polne ćelije biljaka, ali su vodile i čestice mrtvih biljaka, čak i onih stotinu godina ranije osušenih u herbarijumima. Zatim se Braun zapitao da li su to "elementarni molekuli živih bića", o kojima je govorio poznati francuski prirodnjak Georges Buffon (1707-1788), autor Prirodnjačke istorije od 36 tomova. Ova pretpostavka je nestala kada je Brown počeo da istražuje naizgled nežive objekte; isprva su to bile vrlo male čestice uglja, kao i čađ i prašina iz londonskog zraka, zatim fino mljevene neorganske tvari: staklo, mnogo različitih minerala. “Aktivni molekuli” su bili posvuda: “U svakom mineralu”, napisao je Brown, “koji sam uspio samljeti u prašinu do te mjere da je mogao biti suspendiran u vodi neko vrijeme, pronašao sam, u većim ili manjim količinama, ove molekule .

Oko 30 godina Braunovo otkriće nije privuklo interesovanje fizičara. Novoj pojavi se pridavao mali značaj, smatrajući da je to zbog drhtanja preparata, ili analogno kretanju čestica prašine, koje se u atmosferi uočava kada na njih padne zraka svjetlosti, a koja, kako je bilo poznato, uzrokovano je kretanjem zraka. Ali ako bi kretanje Brownovih čestica bilo uzrokovano nekim strujanjima u tekućini, tada bi se takve susjedne čestice kretale zajedno, što je u suprotnosti sa podacima opservacije.

Objašnjenje Braunovskog kretanja (kako je nazvana ova pojava) kretanjem nevidljivih molekula dato je tek u poslednjoj četvrtini 19. veka, ali ga nisu odmah prihvatili svi naučnici. Godine 1863. Ludwig Christian Wiener (1826-1896), nastavnik deskriptivne geometrije iz Karlsruhea (Njemačka), sugerirao je da je ovaj fenomen povezan s oscilatornim kretanjima nevidljivih atoma. Važno je da je Wiener vidio priliku da uz pomoć ovog fenomena pronikne u tajne strukture materije. Prvo je pokušao izmjeriti brzinu kretanja Brownovih čestica i njenu ovisnost o njihovoj veličini. Ali Wienerovi zaključci bili su komplikovani uvođenjem koncepta "eterskih atoma" pored atoma materije. Godine 1876. William Ramsay, a 1877. godine belgijski jezuitski svećenici Carbonel, Delso i Tirion, i konačno, 1888. godine, Hui, jasno su pokazali toplinsku prirodu Brownovog kretanja [5].

„Sa velikom površinom“, pisali su Delso i Carbonel, „udari molekula koji izazivaju pritisak ne izazivaju nikakvo podrhtavanje lebdećeg tela, jer zajedno stvaraju ujednačen pritisak na telo u svim pravcima. Ali ako površina nije dovoljna da nadoknadi neravnine, potrebno je uzeti u obzir nejednakost pritisaka i njihovu kontinuiranu promjenu od tačke do tačke. Zakon velikih brojeva sada ne svodi učinak sudara na prosječni ravnomjerni pritisak, njihova rezultanta više neće biti jednaka nuli, već će kontinuirano mijenjati smjer i svoju veličinu.

Ako se ovo objašnjenje prihvati, onda se za fenomen toplotnog kretanja tečnosti, koji se postulira kinetičkom teorijom, može reći da je dokazano ad oculos (vidljivo). Kao što je moguće, bez razlikovanja valova u morskoj daljini, ljuljanje čamca na horizontu objasniti valovima, na isti način, ne videći kretanje molekula, može se suditi po kretanju čestica suspendovan u tečnosti.

Ovo objašnjenje Brownovog kretanja nije važno samo kao potvrda kinetičke teorije, već ima i važne teorijske posljedice. Prema zakonu održanja energije, promjena brzine suspendirane čestice mora biti praćena promjenom temperature u neposrednoj blizini ove čestice: ova temperatura raste ako se brzina čestice smanjuje, a smanjuje ako se brzina čestice smanjuje. čestica se povećava. Dakle, termička ravnoteža tečnosti je statistička ravnoteža.

Još značajnije zapažanje dao je 1888. godine Huy: Braunovo kretanje, striktno govoreći, ne poštuje drugi zakon termodinamike. Zaista, kada se suspendovana čestica spontano diže u tečnosti, deo toplote njenog okruženja spontano se pretvara u mehanički rad, što je zabranjeno drugim zakonom termodinamike. Zapažanja su, međutim, pokazala da se čestica rjeđe diže, što je čestica teža. Za čestice materije uobičajenih veličina, ova vjerovatnoća takvog podizanja je praktički nula.

Tako drugi zakon termodinamike postaje zakon vjerovatnoće, a ne zakon nužnosti. Ranije nijedno iskustvo nije podržalo ovu statističku interpretaciju. Bilo je dovoljno poreći postojanje molekula, kao što je to, na primjer, učinila škola energetike, koja je cvjetala pod vodstvom Macha i Ostwalda, da bi drugi zakon termodinamike postao zakon nužnosti. Ali nakon otkrića Brownovog kretanja, striktno tumačenje drugog zakona postalo je već nemoguće: postojalo je stvarno iskustvo koje je pokazalo da se drugi zakon termodinamike stalno krši u prirodi, da perpetualni motor druge vrste nije samo nije isključeno, ali se stalno ostvaruje pred našim očima.

Stoga je krajem prošlog stoljeća proučavanje Brownovog kretanja dobilo veliki teorijski značaj i privuklo pažnju mnogih teorijskih fizičara, a posebno Ajnštajna.

3.Brownova teorija kretanja

Od najranijih fizičkih studija Brownovog kretanja, pokušavali su se odrediti prosječna brzina suspendiranih čestica. Međutim, dobijene procjene su sadržavale velike greške, budući da je putanja čestice toliko složena da se ne može pratiti: prosječna brzina varira u velikoj mjeri po veličini i smjeru, bez tendencije ka nekoj određenoj granici s povećanjem vremena promatranja. Nemoguće je odrediti tangentu na putanju u bilo kojoj tački, jer putanja čestice ne liči na glatku krivu, već na graf neke funkcije koja nema izvod.

Horizontalna projekcija (uvećana) uzastopnih pozicija koje svakih 30 sekundi zauzimaju tri čestice gume promjera nešto više od 1 mikrona. (Les Atomes - Priroda, svezak 91, broj 2280, str. 473 (1913)).

3.1Einschnein - prva teorija Brownovog kretanja

Godine 1902., nakon što je diplomirao na Federalnom institutu u Cirihu, Ajnštajn je postao ispitivač u Švajcarskom zavodu za patente u Bernu, gde je radio sedam godina. Bile su to za njega sretne i produktivne godine. Iako je plata bila jedva dovoljna, rad u patentnom uredu nije bio posebno opterećujući i ostavljao je Einsteinu dovoljno energije i vremena za teorijska istraživanja. Njegov prvi rad bio je o silama interakcije između molekula i primjeni statističke termodinamike. Jedna od njih - "Nova definicija veličine molekula" prihvaćena je kao doktorska disertacija na Univerzitetu u Cirihu. Iste godine, Ajnštajn je objavio mali niz radova koji ne samo da su pokazali njegovu snagu teorijskog fizičara, već su promenili i lice cele fizike.

Jedan od ovih radova bio je posvećen objašnjenju Brownovog kretanja čestica suspendovanih u tečnosti. Ajnštajn je povezivao kretanje čestica posmatrano kroz mikroskop sa sudarima ovih čestica sa molekulima; osim toga, on je predvidio da posmatranje Brownovog kretanja omogućava da se izračuna masa i broj molekula u datom volumenu. Nekoliko godina kasnije, to je potvrdio i Jean Perrin. Ovaj Ajnštajnov rad bio je od posebne važnosti jer se u to vreme još uvek dovodilo u pitanje postojanje molekula, koje se smatralo samo zgodnom apstrakcijom.

3.2Smoluchowski - porijeklo zakona vjerovatnoće u fizici

Ajnštajn, koji je i sam sproveo briljantno istraživanje Brownovog kretanja otprilike u isto vreme, napisao je u svojoj nekrologu Smoluhovskom (1917): Kinetička teorija toplote je dobila opšte priznanje tek 1905-1906, kada je dokazano da može kvantitativno objasniti davno otkriveno haotično kretanje suspendovanih mikroskopskih čestica, odnosno Brownovo kretanje. Smoluchowski je stvorio posebno elegantnu i ilustrativnu teoriju ovog fenomena, zasnovanu na kinetičkom zakonu ravnomerne raspodele energije... Poznavanje suštine Braunovskog kretanja dovelo je do naglog nestanka svake sumnje u pouzdanost Bolcmanovog razumevanja termodinamičkih zakona. [ 9].

Najvažnija stvar u radu Einsteina i Smoluchowskog o Brownovom kretanju je uspostavljanje veze između zakona kretanja vidljivih i direktno mjerljivih Brownovih čestica suspendiranih u tekućini i zakona kretanja nevidljivih molekula. Ispostavilo se da se zakoni o plinu primjenjuju na suspendirane Brownove čestice; njihova distribucija u gravitacionom polju (barometrijska formula) je ista kao i raspodela gasova; njihova prosječna kinetička energija jednaka je prosječnoj kinetičkoj energiji molekula tečnosti u kojoj su suspendovani. To znači da u Brownovom kretanju posmatranih čestica imamo jasnu i mjerljivu sliku kinetičkog kretanja molekula. Sve ovo je otvorilo najbogatije mogućnosti za različite metode eksperimentalne verifikacije veličina koje karakterišu molekularne sisteme, a koje su ranije izgledale samo kao hipotetičke. Tako su rezultati proučavanja Brownovog kretanja dali mnogo načina za mjerenje broja čestica u gram-molekuli (Avogadrov broj) - mjerenjem viskoziteta plinova, distribucijom čestica difuzije rastvorljivih tijela, fenomenom opalescencije, fenomena plavetnila neba, itd. U svim slučajevima, rezultati su se pokazali iznenađujuće konzistentnim, unutar eksperimentalne greške. Jean Perrin, u radu o Brownovom kretanju i molekulima objavljenom u Francuskom fizičkom društvu 15. aprila 1909., rekao je: Čini mi se nemogućim da um oslobođen predrasuda ne bi bio snažno impresioniran mišlju o izuzetnoj raznolikosti pojava koje imaju tendenciju da daju isti broj sa takvom tačnošću, kada je za svaki od ovih fenomena, a da se ne vodi molekularnom teorijom, može se očekivati ​​bilo koja vrijednost između nule i beskonačnosti. Od sada će biti teško razumnim argumentima braniti neprijateljstvo prema molekularnim hipotezama. . Smoluchowski je također bio vrlo svjestan značaja proučavanja Brownovog kretanja, koji je na kongresu u Münsteru 1912. rekao: ... Ovdje se po prvi put ozbiljno uzima u obzir Maxwellov zakon raspodjele brzina i, općenito, ideja topline kao procesa kretanja, dok se ranije sve to obično smatralo svojevrsnom poetskom poređenje .

Proučavanje Brownovog kretanja i fluktuacija neizbježno postavlja pred naučnike metodološke probleme o ulozi slučajnosti u fizici, o čemu je Smoluchowski pisao u članku objavljenom nakon njegove smrti. O konceptu slučajnosti i porijeklu zakona vjerovatnoće u fizici .

4.Dokazi za stvarno postojanje atoma i molekula

1Jean Baptiste Perrin - odlučujući eksperimenti.

U toku proučavanja katodnih zraka koje emituje negativna elektroda (katoda) u vakuumskoj cijevi tokom električnog pražnjenja, Jean Baptiste Perrin je 1895. godine pokazao da su to struja negativno nabijenih čestica. Ubrzo se počelo širiti mišljenje da su te negativne čestice, zvane elektroni, sastavni dio atoma.

Atomska teorija je smatrala da se elementi sastoje od diskretnih čestica zvanih atomi, a da su hemijska jedinjenja sastavljena od molekula, većih čestica koje sadrže dva ili više atoma. Do kraja XIX veka. atomska teorija je stekla široko prihvaćenost među naučnicima, posebno među hemičarima. Međutim, neki su fizičari vjerovali da atomi i molekuli nisu ništa drugo do fiktivni objekti koji se uvode iz praktičnih razloga i korisni su u numeričkoj obradi rezultata kemijskih reakcija. Austrijski fizičar i filozof Ernst Mach smatrao je da je pitanje primarne strukture materije suštinski nerešivo i da ne bi trebalo da bude predmet istraživanja naučnika. Za pristalice atomizma, potvrda diskretnosti materije bila je jedno od osnovnih pitanja koja su ostala neriješena u fizici.

Nastavljajući da razvija atomsku teoriju, Perrin je 1901. iznio hipotezu da je atom minijaturni solarni sistem, ali to nije mogao dokazati.

Godine 1905. Albert Einstein je objavio rad o Brownovom kretanju, u kojem su date teorijske osnove molekularne hipoteze. Napravio je određena kvantitativna predviđanja, ali su eksperimenti potrebni za njihovo testiranje zahtijevali tako veliku preciznost da je Ajnštajn sumnjao u njihovu izvodljivost. Od 1908. do 1913. Perrin (isprva nije bio svjestan Ajnštajnovog rada) napravio je suptilna zapažanja o Brownovom kretanju koja su potvrdila Ajnštajnova predviđanja.

Perrin je shvatio da ako je kretanje suspendiranih čestica uzrokovano sudarima s molekulima, onda se, na osnovu dobro poznatih zakona o plinu, može predvidjeti njihova prosječna pomaka u određenom vremenskom periodu ako se zna njihova veličina, gustina i neke karakteristike tečnost (na primjer, temperatura i gustina). Sve što je bilo potrebno je da se ta predviđanja ispravno uporede sa merenjima, i tada bi postojala snažna potvrda postojanja molekula. Međutim, dobijanje čestica željene veličine i uniformnosti nije bilo tako lako. Nakon mnogo mjeseci mukotrpnog centrifugiranja, Perrin je uspio izolirati nekoliko desetina grama homogenih čestica gumiguta (žućkaste tvari dobivene iz mliječnog soka biljaka). Nakon mjerenja karakteristika Brownovog kretanja ovih čestica, pokazalo se da su rezultati prilično u skladu s molekularnom teorijom.

Raspodjela krajnjih tačaka horizontalnih pomaka čestice gume, prenijetih paralelno sa sobom, tako da su ishodišta svih pomaka u centru kruga, objavljeno u Perrinovom radu Brownovo kretanje i stvarnost molekula .

Perrin je takođe proučavao sedimentaciju, odnosno taloženje, najmanjih suspendovanih čestica. Ako je molekularna teorija tačna, zaključio je on, čestice manje od određene veličine uopće neće potonuti na dno posude: komponenta momenta koji se dobije kao rezultat sudara s molekulama neprestano će se suprotstavljati sili gravitacije prema dolje. . Ako se suspenzija ne poremeti, na kraju će se uspostaviti sedimentaciona ravnoteža, nakon čega se koncentracija čestica na različitim dubinama neće mijenjati. Ako su svojstva suspenzije poznata, tada se može predvidjeti ravnotežna vertikalna raspodjela.

Perrin je napravio nekoliko hiljada zapažanja, koristeći vrlo sofisticirane i genijalne mikroskopske tehnike i brojeći broj čestica na različitim dubinama u jednoj kapi tečnosti sa korakom u dubini od samo dvanaest stotinki milimetra. Otkrio je da koncentracija čestica u tekućini opada eksponencijalno sa smanjenjem dubine, a numeričke karakteristike su se tako dobro slagale s predviđanjima molekularne teorije da su rezultati njegovih eksperimenata bili široko prihvaćeni kao odlučujući dokaz za postojanje molekula. Kasnije je smislio načine da izmjeri ne samo linearne pomake čestica u Brownovom kretanju, već i njihovu rotaciju. Perrinova istraživanja su mu omogućila da izračuna veličinu molekula i Avogadrov broj, tj. broj molekula u jednom molu (količina supstance čija je masa, izražena u gramima, brojčano jednaka molekulskoj težini ove supstance). Testirao je svoj Avogadro broj sa pet različitih vrsta zapažanja i otkrio da on zadovoljava sve, uzimajući u obzir minimalnu eksperimentalnu grešku. (Trenutno prihvaćena vrijednost za ovaj broj je otprilike 6,02 1023; Perrin je dobio vrijednost za 6% veću.) Do 1913. godine, kada je sažeo već brojne dokaze o diskretnoj prirodi materije u svojoj knjizi Les Atomes - "Atomi" Realnost postojanja i atoma i molekula je prepoznata gotovo univerzalno.

Godine 1926. Perrin je dobio Nobelovu nagradu za fiziku "za svoj rad na diskretnoj prirodi materije, a posebno za otkriće sedimentne ravnoteže."

4.2 Theodore Svedberg - određivanje veličine proteinskog molekula

Švedski hemičar Theodor Svedberg, samo 3 godine nakon upisa na Univerzitet u Upsali, doktorira na tezi o koloidnim sistemima.

Koloidni sistemi su mješavine u kojima su najsitnije čestice jedne tvari raspršene u drugoj tvari. Koloidne čestice su veće od čestica pravih rastvora, ali ne toliko da se mogu posmatrati pod mikroskopom ili da se talože pod uticajem gravitacije. Njihove veličine se kreću od 5 nanometara do 200 nanometara. Primeri koloidnih sistema su "indijsko mastilo" (čestice uglja u vodi), dim (čestice u vazduhu) i mlečna mast (sićušne kuglice masti u vodenom rastvoru). Svedberg je u svojoj doktorskoj disertaciji opisao novu metodu primjene oscilatornih električnih pražnjenja između metalnih elektroda smještenih u tekućini kako bi se dobili relativno čisti koloidni rastvori metala. Ranije usvojena metoda jednosmjerne struje karakterizirala je visok stepen kontaminacije.

Godine 1912. Svedberg je postao prvi nastavnik fizičke hemije na Univerzitetu u Upsali i ostao na ovoj poziciji 36 godina. Njegovo pažljivo proučavanje difuzije i Brownovog kretanja koloidnih čestica (nasumično kretanje najmanjih čestica suspendiranih u tekućini) bilo je još jedan dokaz u prilog eksperimentalne potvrde koju je 1908. godine izveo Jean Perrin o teorijskom radu Alberta Einsteina i Mariana Smoluchowskog. , koji je ustanovio prisustvo molekula u rastvoru. Perrin je dokazao da se veličina velikih koloidnih čestica može odrediti mjerenjem brzine njihovog taloženja. Većina koloidnih čestica se, međutim, taloži u svom okruženju tako sporo da ova metoda nije bila praktična.

Za određivanje veličine čestica u koloidnim otopinama, Svedberg je koristio ultramikroskop koji je dizajnirao Richard Zsigmondy. Vjerovao je da će se taloženje koloidnih čestica ubrzati u uvjetima jačeg gravitacijskog polja koje stvara centrifuga velike brzine. Tokom svog boravka na Univerzitetu u Viskonsinu 1923. godine, gdje je bio gostujući profesor 8 mjeseci, Svedberg je krenuo u izgradnju optičke centrifuge u kojoj će se taloženje čestica snimati fotografijom. Budući da su se čestice kretale ne samo taloženjem, već i djelovanjem konvencionalnih struja, Svedberg nije mogao odrediti veličinu čestica ovom metodom. Znao je da visoka toplotna provodljivost vodika može pomoći u uklanjanju temperaturnih razlika, a time i konvekcijskih struja. Konstruiranjem kivete u obliku klina i postavljanjem rotirajuće kivete u atmosferu vodika, Svedberg je 1924. godine, nakon što se već vratio u Švedsku, zajedno sa svojim kolegom Hermannom Rindeom, postigao taloženje bez konvekcije. U januaru 1926. naučnik je testirao novi model ultracentrifuge sa uljnim rotorima, u kojoj je postigao 40.100 okretaja u minuti. Pri ovoj brzini, sila 50 000 puta veća od gravitacije djelovala je na taložni sistem.

Svedberg je 1926. godine dobio Nobelovu nagradu za hemiju "za svoj rad u oblasti disperznih sistema". U svom uvodnom govoru u ime Kraljevske švedske akademije nauka, H.G. škola naučnika je proglasila ove materijalne čestice plodom mašte.”

5.Moderna nauka o Brownovom kretanju

Osnovni problem odnosa između reverzibilnosti jednadžbi klasične i kvantne mehanike i ireverzibilnosti termodinamičkih procesa usko je vezan za koncept haosa i primenljivosti verovatnog opisa. Od mnogih rješenja jednadžbi dinamike realizuju se samo ona koja su otporna na interakciju sa okruženjem fizičkog sistema, pa je ireverzibilnost svojstvo otvorenih sistema. Svaki sistem se može smatrati zatvorenim samo približno (jer uvijek postoje vanjski šumovi), stoga ireverzibilnost ima univerzalni karakter.

Trenutno termin Brownovo kretanje ima veoma široko značenje i teorija Brownovog kretanja je grana fizike otvorenih sistema povezana sa stohastičkim procesima, procesima samoorganizacije i dinamičkim haosom.

U statističkoj teoriji neravnotežnih procesa atomi , kao mikroskopske strukturne jedinice, koriste se samo u fazi konstruisanja modela razmatranog makroskopskog sistema. Nadalje, primjenjuju se disipativne nelinearne jednačine mehanika kontinuuma za determinističke funkcije. Postoje tri nivoa opisa - kinetička, hidrodinamička i hemijska kinetika. Zasebno se mogu izdvojiti stohastičke jednadžbe (na primjer, jednadžbe teorije turbulencije) za slučajne funkcije. Rafiniranje teorije moguće je uzimajući u obzir fluktuacije, što je prvi učinio Langevin kada je razmatrao linearnu disipativno dinamičku jednačinu kretanja Brownove čestice. U raznim sistemima, uloga brownian čestice može igrati funkcije distribucije, hidrodinamičke funkcije i koncentracije.

Uzimanje u obzir fluktuacija je neophodno u proučavanju molekularnog raspršenja svjetlosti, neravnotežnih faznih prijelaza, čiji nizovi formiraju procese samoorganizacije. Primene nelinearne teorije Brownovog kretanja su izuzetno opsežne: od ekologije i finansija do metoda kontrolisanog kretanja nanočestica - brownian motori . Brownian motori povezana sa disipativnom dinamikom u neravnotežnim kvantnim sistemima.

Razvoj matematičkog opisa stohastičkih procesa potaknuo je napredak u različitim oblastima, doveo do pojave moderne formulacije kvantne mehanike zasnovane na integralima putanje i novih područja istraživanja, kao što su kvantni haos i kvantni Brownov šum. Eksperimentalni napredak u oblasti fizike visokih energija i astrofizike podstakao je interesovanje za procese relativističke difuzije i konstrukciju relativističke statističke mehanike, a mnoga pitanja i dalje ostaju otvorena.

Od svog otkrića, Brownovo kretanje je evoluiralo od predmeta privatne znanstvene radoznalosti do ključnog koncepta moderne nauke.

Književnost

1.Louis de Broglie. Revolucija u fizici (nova fizika i kvanti). M: Atomizdat, 1965.

2.J. J. Loschmidt. Zur Grösse der Luftmoleküle. Sitzungsberichte der

kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien, B. 52, Abt. II, S. 395-413 (1866).

3.M. Gliozzi. Istorija fizike - M: Mir, 1970.

4.Peter W. van der Pas. Otkriće Brownovog kretanja. Scientiarum Historia. V. 13, str. 27-35 (1971)

5.J. Clark. Ilustrovana hronika otkrića i pronalazaka od antičkih vremena do danas: Nauka i tehnologija: Ljudi, datumi, događaji (prevod s engleskog) M: Astrel, 2002.

6.A. Einstein. Eine neue Bestimmun g der Moleküldimensionen. Annalen der Physik (ser. 4), V. 19, str. 289-306 (1906.)

.A. Einstein. Zur Theorie der Brownschen Bewegung. Annalen der Physik (ser. 4), V. 19, P. 371-381 (1906.)

8.Dobitnici Nobelove nagrade: Enciklopedija: Per. sa engleskog - M.: Progres, 1992.

9.A. Einstein. Zbornik naučnih radova, tom IV, Marian Smoluchowski. M: Nauka, 1937.

10.S. G. Suvorov. Povodom 50. godišnjice smrti Marianne Smoluchowski. UFN T. 93, S. 719-723 (1976.)

11.M. Smolukhovsky. O konceptu slučajnosti i porijeklu zakona vjerovatnoće u fizici. UFN Issue. 5, str. 329-349 (1927)

.J. Perrin. Brownov pokret i molekularna stvarnost, Taylor & Francis, London, 1910.

.J. Perrin. Les Atomes. Nature, V. 91, Is. 2280, str. 473 (1913.)

14.A. B. Kadomcev. Dinamika i informacije. M: Uredništvo časopisa UFN, 1997.

15.A. Yu. Loskutov. dinamički haos. Sistemi klasične mehanike. UFN tom 172, str. 989-1115 (2007)

.S. N. Gordienko. Ireverzibilnost i probabilistički opis dinamike klasičnih čestica. UFN tom 169, str. 653-672 (1999)

17.M. M. Robert. Brownovo kretanje: fluktuacije, dinamika i primjene. Međunarodna serija monografija o fizici, vol. 112 (Oxford University Press, 2002.)

18.Yu. L. Klimontovich. Turbulentno kretanje i struktura haosa. M: Nauka, 1990.

19.Yu. L. Klimontovich. Nelinearno Brownovo kretanje. UFN T. 164, br. 8. str. 812-845. (1994.)

20.J. A. Freund, Th. Poschel. Stohastički procesi u fizici, hemiji i biologiji. Bilješke s predavanja iz fizike, V. 557 (2000)

21.C. Godreche1, S. N. Majumdar, G. Schehr. Longe st Ekskurzija stohastičkih procesa u neravnotežnim sistemima. Phys. Rev. Lett. v.102, str.240602 (2009.)

.M. Lax. Fluktuacije i fenomeni koherencije u klasičnoj i kvantnoj optici. Njujork: Gordon, 1968.

.H. Haken. Advanced Synergy. Heidelberg: Springer-Verlag, 1983.

.J. Dunkel, P. Hanggi. Relativističko Brownovo kretanje. Physics Reports, V. 471, Is. 1, str. 1-73.(2009)

25.P. Hanggi, F. Marchesoni. Umjetni Brownov motori: Kontrola transporta na na skala. Prikazi moderne fizike, V. 81, Is. 1, str. 387-442 (2009)

.P. Reimann. Brownian motori: bučan transport daleko od ravnoteže. Physics Reports, V. 361, Is. 2-4, str. 57-265 (2002)

27.P. Hanggi, G.-L. Ingold. Fundamentalni aspekti kvantnog Brownija pokret. Haos, V. 15, Is. 2, str. 026105-026105 (2005.)

.E. Frey, K. Kroy. Brownovo kretanje: paradigma meke materije i biološke fizike. Annalen der Physik. V. 14, str. 20 - 50 (2005)

Slični radovi - Teorija Brownovog kretanja i eksperimentalni dokaz stvarnog postojanja atoma i molekula