พลังงานของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน: คำจำกัดความ การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน - มันคืออะไร? ความเสถียรทางจลน์ของระบบกระจาย

อนุภาคแขวนลอยขนาดเล็กเคลื่อนที่อย่างโกลาหลภายใต้อิทธิพลของการกระแทกจากโมเลกุลของเหลว

ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 มีการถกเถียงกันอย่างจริงจังเกี่ยวกับธรรมชาติของอะตอมในแวดวงวิทยาศาสตร์ ด้านหนึ่งมีเจ้าหน้าที่ที่ไม่อาจหักล้างได้เช่น Ernst Mach ( ซม.คลื่นกระแทก) ซึ่งแย้งว่าอะตอมเป็นเพียงฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สังเกตได้สำเร็จและไม่มีพื้นฐานในความเป็นจริง พื้นฐานทางกายภาพ- ในทางกลับกัน นักวิทยาศาสตร์คลื่นลูกใหม่ โดยเฉพาะ ลุดวิก โบลต์ซมันน์ ( ซม.ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์)—ยืนยันว่าอะตอมคือความเป็นจริงทางกายภาพ และทั้งสองฝ่ายต่างตระหนักดีว่าหลายทศวรรษก่อนการโต้แย้งจะเริ่มต้นขึ้น ผลการทดลองได้รับมาว่าได้แก้ไขปัญหานี้ครั้งแล้วครั้งเล่าเพื่อสนับสนุนการมีอยู่ของอะตอมในฐานะความเป็นจริงทางกายภาพ - อย่างไรก็ตาม พวกมันได้รับมาในระเบียบวินัย ของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่อยู่ติดกับฟิสิกส์ โดยนักพฤกษศาสตร์ โรเบิร์ต บราวน์

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

มันเป็นเพียงในปี 1905 เท่านั้นที่ไม่มีใครอื่นนอกจาก Albert Einstein ตระหนักเป็นครั้งแรกว่าปรากฏการณ์ลึกลับนี้ทำหน้าที่เป็นการยืนยันการทดลองที่ดีที่สุดเกี่ยวกับความถูกต้องของทฤษฎีอะตอมของโครงสร้างของสสาร เขาอธิบายประมาณนี้ สปอร์ที่แขวนอยู่ในน้ำจะถูก "ทิ้งระเบิด" อย่างต่อเนื่องโดยการเคลื่อนย้ายโมเลกุลของน้ำอย่างวุ่นวาย โดยเฉลี่ยแล้ว โมเลกุลจะกระทำกับมันจากทุกด้านด้วยความเข้มเท่ากันและในช่วงเวลาที่เท่ากัน อย่างไรก็ตามไม่ว่าสปอร์จะเล็กแค่ไหนเนื่องจากการเบี่ยงเบนแบบสุ่มล้วนๆ ก่อนอื่นมันจะได้รับแรงกระตุ้นจากโมเลกุลที่กระทบกับด้านหนึ่ง จากนั้นจากด้านข้างของโมเลกุลที่กระทบกับอีกด้านหนึ่ง เป็นต้น ผลที่ตามมาก็คือ จากการหาค่าเฉลี่ยของการชนดังกล่าว ปรากฎว่าในบางครั้งอนุภาคจะ "กระตุก" ไปในทิศทางเดียว จากนั้นหากอีกด้านหนึ่งถูก "ผลัก" ด้วยโมเลกุลมากขึ้น ในอีกด้านหนึ่ง เป็นต้น การใช้กฎของสถิติทางคณิตศาสตร์ และทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลของก๊าซ ไอน์สไตน์ได้สมการที่อธิบายการพึ่งพาการกระจัดของราก-ค่าเฉลี่ย-กำลังสองของอนุภาคบราวเนียนบนพารามิเตอร์ขนาดมหภาค - ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ: ในหนังสือเล่มหนึ่งของวารสารเยอรมัน “Annals of Physics” ( อันนาเลน เดอร์ ฟิสิค) ในปี พ.ศ. 2448 มีการตีพิมพ์บทความของไอน์สไตน์ 3 บทความ ได้แก่ บทความที่มีคำอธิบายทางทฤษฎีเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน บทความเกี่ยวกับรากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และสุดท้ายคือบทความที่อธิบายทฤษฎีของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2464 (ค.ศ. 1921)

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

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนคืออะไร

การเคลื่อนไหวนี้มีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

ดำเนินต่อไปอย่างไม่มีกำหนดโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่มองเห็นได้
ความเข้มของการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนขึ้นอยู่กับขนาด แต่ไม่ขึ้นอยู่กับลักษณะของพวกมัน
ความเข้มเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น
ความเข้มจะเพิ่มขึ้นตามความหนืดของของเหลวหรือก๊าซที่ลดลง

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนไม่ใช่การเคลื่อนที่ของโมเลกุล แต่ทำหน้าที่เป็นหลักฐานโดยตรงของการมีอยู่ของโมเลกุลและธรรมชาติที่วุ่นวายของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน

แก่นแท้ของการเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน

สาระสำคัญของการเคลื่อนไหวนี้มีดังนี้ อนุภาคร่วมกับโมเลกุลของของเหลวหรือก๊าซจะก่อให้เกิดระบบทางสถิติระบบเดียว ตามทฤษฎีบทเรื่องการกระจายพลังงานสม่ำเสมอเหนือระดับความอิสระ ระดับความอิสระแต่ละระดับคิดเป็น 1/2kT ของพลังงาน พลังงาน 2/3kT ต่อสามองศาการแปลความอิสระของอนุภาคนำไปสู่การเคลื่อนที่ของจุดศูนย์กลางมวล ซึ่งสังเกตได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ในรูปของอนุภาคที่สั่น หากอนุภาคบราวเนียนมีความแข็งเพียงพอ พลังงานอีก 3/2kT จะตกอยู่ที่ระดับความอิสระในการหมุนของมัน ดังนั้นเมื่อมันสั่นสะเทือน มันก็จะมีการเปลี่ยนแปลงการวางแนวในอวกาศอย่างต่อเนื่อง

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนสามารถอธิบายได้ด้วยวิธีนี้ สาเหตุของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนคือความผันผวนของแรงดันที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของอนุภาคขนาดเล็กโดยโมเลกุลของตัวกลาง แรงและความดันเปลี่ยนแปลงขนาดและทิศทาง ส่งผลให้อนุภาคเคลื่อนที่แบบสุ่ม

การเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนเป็นกระบวนการสุ่ม ความน่าจะเป็น (dw) ที่อนุภาคบราวเนียนซึ่งอยู่ในตัวกลางไอโซโทรปิกที่เป็นเนื้อเดียวกัน ณ เวลาเริ่มต้น (t=0) ที่จุดกำเนิดของพิกัด จะเคลื่อนที่ไปตามแกน Ox ที่มีทิศทางตามอำเภอใจ (ที่ t$>$0) พิกัดของมันจะอยู่ในช่วงจาก x ถึง x+dx เท่ากับ:

โดยที่ $\triangle x$ คือการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในพิกัดของอนุภาคเนื่องจากความผันผวน

ให้เราพิจารณาตำแหน่งของอนุภาคบราวเนียนในช่วงเวลาที่กำหนด ลองวางจุดกำเนิดของพิกัด ณ จุดที่อนุภาคอยู่ที่ t=0 ลองแสดงว่า $\overrightarrow(q_i)$ - เวกเตอร์ที่แสดงลักษณะการเคลื่อนที่ของอนุภาคระหว่างการสังเกต (i-1) และ i หลังจากการสังเกต n ครั้ง อนุภาคจะเคลื่อนที่จากตำแหน่งศูนย์ไปยังจุดที่มีเวกเตอร์รัศมี $\overrightarrow(r_n)$ ในกรณีนี้:

\[\overrightarrow(r_n)=\sum\limits^n_(i=1)(\overrightarrow(q_i))\left(2\right).\]

อนุภาคเคลื่อนที่ไปตามเส้นแบ่งที่ซับซ้อนตลอดระยะเวลาการสังเกต

เรามาค้นหากำลังสองเฉลี่ยของระยะห่างของอนุภาคจากจุดเริ่มต้นหลังจาก n ขั้นตอนในการทดลองชุดใหญ่กัน:

\[\left\langle r^2_n\right\rangle =\left\langle \sum\limits^n_(i,j=1)(q_iq_j)\right\rangle =\sum\limits^n_(i=1) (\left\langle (q_i)^2\right\rangle )+\sum\limits^n_(i\ne j)(\left\langle q_iq_j\right\rangle )\left(3\right)\]

โดยที่ $\left\langle q^2_i\right\rangle $ คือกำลังสองเฉลี่ยของการกระจัดของอนุภาคที่ขั้นตอนที่ i ในชุดการทดลอง (ค่าเดียวกันสำหรับทุกขั้นตอนและเท่ากับค่าบวก a2) , $\left\langle q_iq_j\ right\rangle $- คือค่าเฉลี่ยของผลิตภัณฑ์สเกลาร์ที่ ขั้นตอนที่ฉันที่จะย้ายเมื่อ ขั้นตอนที่ jในการทดลองต่างๆ ปริมาณเหล่านี้เป็นอิสระจากกัน ทั้งค่าบวกและค่าลบของผลิตภัณฑ์สเกลาร์มีค่าเท่ากัน ดังนั้นเราจึงถือว่า $\left\langle q_iq_j\right\rangle $=0 สำหรับ $\ i\ne j$ จากนั้นเราได้จาก (3):

\[\left\langle r^2_n\right\rangle =a^2n=\frac(a^2)(\triangle t)t=\alpha t=\left\langle r^2\right\rangle \left( 4\ขวา),\]

โดยที่ $\triangle t$ คือช่วงเวลาระหว่างการสังเกต t=$\triangle tn$ - เวลาที่ค่าเฉลี่ยกำลังสองของการกำจัดอนุภาคเท่ากับ $\left\langle r^2\right\rangle .$ เราทราบได้ว่าอนุภาคกำลังเคลื่อนออกจากจุดเริ่มต้น สิ่งสำคัญคือกำลังสองเฉลี่ยของระยะทางจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของยกกำลังแรก $\alpha \ $- สามารถพบได้โดยการทดลองหรือในทางทฤษฎี ดังจะแสดงในตัวอย่างที่ 1

อนุภาคบราวเนียนไม่เพียงเคลื่อนที่ในเชิงแปลเท่านั้น แต่ยังหมุนแบบหมุนด้วย ค่าเฉลี่ยของมุมการหมุน $\triangle \varphi $ ของอนุภาคบราวเนียนในช่วงเวลา t เท่ากับ:

\[(\triangle \varphi )^2=2D_(vr)t(5),\]

โดยที่ $D_(vr)$ คือสัมประสิทธิ์การแพร่ของการหมุน สำหรับอนุภาคบราวเนียนทรงกลมที่มีรัศมี - และ $D_(vr)\ $ เท่ากับ:

โดยที่ $\eta $ คือสัมประสิทธิ์ความหนืดของตัวกลาง

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนจำกัดความแม่นยำ เครื่องมือวัด- ขีดจำกัดความแม่นยำของมิเรอร์กัลวาโนมิเตอร์ถูกกำหนดโดยการสั่นของกระจก เช่น อนุภาคบราวเนียนที่ได้รับผลกระทบจากโมเลกุลอากาศ การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอิเล็กตรอนทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในโครงข่ายไฟฟ้า

ตัวอย่างที่ 1

ภารกิจ: เพื่อที่จะอธิบายลักษณะการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนได้อย่างสมบูรณ์ทางคณิตศาสตร์ จำเป็นต้องหา $\alpha $ ในสูตร $\left\langle r^2_n\right\rangle =\alpha t$ สมมติว่าค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดของของเหลวเป็นที่รู้จักและเท่ากับ b และอุณหภูมิของของเหลวคือ T

ให้เราเขียนสมการการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียนในการฉายภาพลงบนแกน Ox:

โดยที่ m คือมวลของอนุภาค $F_x$ คือแรงสุ่มที่กระทำต่ออนุภาค $b\dot(x)$ คือเทอมของสมการที่แสดงลักษณะของแรงเสียดทานที่กระทำต่ออนุภาคในของเหลว

สมการของปริมาณที่เกี่ยวข้องกับแกนพิกัดอื่นจะมีรูปแบบคล้ายกัน

ให้เราคูณสมการทั้งสองข้าง (1.1) ด้วย x และแปลงพจน์ $\ddot(x)x\ และ\ \dot(x)x$:

\[\ddot(x)x=\ddot(\left(\frac(x^2)(2)\right))-(\dot(x))^2,\dot(x)x=(\frac (x^2)(2)\)(1.2)\]

จากนั้นเราลดสมการ (1.1) ให้อยู่ในรูปแบบ:

\[\frac(m)(2)(\ddot(x^2))-m(\dot(x))^2=-\frac(b)(2)\left(\dot(x^2) \right)+F_xx\ (1.3)\]

ขอให้เราหาค่าเฉลี่ยทั้งสองด้านของสมการนี้กับชุดอนุภาคบราวเนียน โดยคำนึงว่าค่าเฉลี่ยของอนุพันธ์เทียบกับเวลาเท่ากับอนุพันธ์ของค่าเฉลี่ย เนื่องจากนี่เป็นค่าเฉลี่ยเหนือชุดอนุภาค และ ดังนั้นเราจะจัดเรียงใหม่โดยใช้การดำเนินการสร้างความแตกต่างตามเวลา จากผลลัพธ์ของค่าเฉลี่ย (1.3) เราได้รับ:

\[\frac(m)(2)\left(\left\langle \ddot(x^2)\right\rangle \right)-\left\langle m(\dot(x))^2\right\rangle =-\frac(b)(2)\left(\dot(\left\langle x^2\right\rangle )\right)+\left\langle F_xx\right\rangle \ \left(1.4\right) \]

เนื่องจากการเบี่ยงเบนของอนุภาคบราวเนียนในทิศทางใดๆ ก็มีความเป็นไปได้ที่เท่าเทียมกัน ดังนั้น:

\[\left\langle x^2\right\rangle =\left\langle y^2\right\rangle =\left\langle z^2\right\rangle =\frac(\left\langle r^2\right \rangle )(3)\left(1.5\right)\]

เราใช้ $\left\langle r^2_n\right\rangle =a^2n=\frac(a^2)(\triangle t)t=\alpha t=\left\langle r^2\right\rangle $, เราได้ $\left\langle x^2\right\rangle =\frac(\alpha t)(3)$ ดังนั้น: $\dot(\left\langle x^2\right\rangle )=\frac(\ อัลฟา ) (3)$, $\left\langle \ddot(x^2)\right\rangle =0$

เนื่องจากลักษณะสุ่มของแรง $F_x$ และพิกัดของอนุภาค x และความเป็นอิสระจากกัน ความเท่าเทียมกัน $\left\langle F_xx\right\rangle =0$ จะต้องเป็นไปตามนั้น จากนั้น (1.5) จึงลดลงสู่ความเท่าเทียมกัน : :

\[\left\langle m(\dot(\left(x\right)))^2\right\rangle =\frac(\alpha b)(6)\left(1.6\right).\]

ตามทฤษฎีบทเกี่ยวกับการกระจายพลังงานสม่ำเสมอเหนือระดับความเป็นอิสระ:

\[\left\langle m(\dot(\left(x\right)))^2\right\rangle =kT\left(1.7\right).\] \[\frac(\alpha b)(6) =kT\ถึง \alpha =\frac(6kT)(b).\]

ดังนั้นเราจึงได้สูตรสำหรับการแก้ปัญหาการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน:

\[\ซ้าย\langle r^2\right\rangle =\frac(6kT)(b)t\]

คำตอบ: สูตร $\left\langle r^2\right\rangle =\frac(6kT)(b)t$ แก้ปัญหาการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอนุภาคแขวนลอย

ตัวอย่างที่ 2

ภารกิจ: อนุภาคกัมทรงกลมที่มีรัศมี r มีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนในก๊าซ ความหนาแน่นของกัมมิกัต $\rho$ ค้นหาความเร็วราก-เฉลี่ย-กำลังสองของอนุภาคกัมมิกัตที่อุณหภูมิ T

ความเร็วรากเฉลี่ยกำลังสองของโมเลกุลคือ:

\[\left\langle v^2\right\rangle =\sqrt(\frac(3kT)(m_0))\left(2.1\right)\]

อนุภาคบราวเนียนอยู่ในสมดุลกับสสารที่อนุภาคนั้นตั้งอยู่ และเราสามารถคำนวณความเร็วเฉลี่ยกำลังสองของรากของมันได้โดยใช้สูตรสำหรับความเร็วของโมเลกุลก๊าซ ซึ่งในทางกลับกัน จะเคลื่อนที่ ส่งผลให้อนุภาคบราวเนียนเคลื่อนที่ ก่อนอื่น เรามาค้นหามวลของอนุภาคกันก่อน:

\[\left\langle v^2\right\rangle =\sqrt(\frac(9kT)(4\pi R^3\rho ))\]

คำตอบ: ความเร็วของอนุภาคหมากฝรั่งที่แขวนอยู่ในแก๊สสามารถหาได้จาก $\left\langle v^2\right\rangle =\sqrt(\frac(9kT)(4\pi R^3\rho ))$ .

สาย UMK A.V. Grachev ฟิสิกส์ (7-9)

สาย UMK A.V. Grachev ฟิสิกส์ (10-11) (ขั้นพื้นฐาน ขั้นสูง)

การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน

เรามาดูกันว่ามันคืออะไร การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน.

เรามีรูปแบบใหม่! ตอนนี้คุณสามารถฟังบทความได้แล้ว

1. อนุภาค

เรารู้ว่าสสารทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กมากจำนวนมากซึ่งเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องและสุ่ม เรารู้เรื่องนี้ได้อย่างไร? นักวิทยาศาสตร์สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับการมีอยู่ของอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงได้อย่างไร และยิ่งกว่านั้น พวกเขาค้นพบได้อย่างไรว่าอนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องและสุ่ม? ปรากฏการณ์สองประการช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจสิ่งนี้ - การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียนและ การแพร่กระจาย- เราจะพูดถึงปรากฏการณ์เหล่านี้โดยละเอียด

2. การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน

นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Robert Brown ไม่ใช่นักฟิสิกส์หรือนักเคมี เขาเป็นคนเนิร์ด และเขาไม่ได้คาดหวังเลยว่าจะค้นพบปรากฏการณ์ที่สำคัญเช่นนี้สำหรับนักฟิสิกส์และนักเคมี และเขาไม่อาจสงสัยได้เลยว่าในการทดลองที่ค่อนข้างเรียบง่ายของเขา เขาจะสังเกตเห็นผลลัพธ์ของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวาย และนั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้น

การทดลองเหล่านี้คืออะไร? พวกเขาเกือบจะเหมือนกับสิ่งที่นักเรียนทำในบทเรียนชีววิทยาเมื่อพวกเขาพยายามตรวจดู เช่น เซลล์พืชโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ Robert Brown ต้องการดูละอองเกสรพืชผ่านกล้องจุลทรรศน์ เมื่อตรวจสอบละอองเรณูในน้ำหยดหนึ่ง เขาสังเกตเห็นว่าเมล็ดนั้นไม่ได้นิ่งอยู่ แต่จะกระตุกอยู่ตลอดเวลาราวกับว่าพวกมันยังมีชีวิตอยู่ ในตอนแรกเขาอาจจะคิดอย่างนั้น แต่ในฐานะนักวิทยาศาสตร์ แน่นอนว่าเขาปฏิเสธความคิดนี้ เขาไม่เข้าใจว่าทำไมละอองเรณูเหล่านี้จึงมีพฤติกรรมแปลก ๆ เช่นนี้ แต่เขาอธิบายทุกสิ่งที่เขาเห็น และคำอธิบายนี้ตกไปอยู่ในมือของนักฟิสิกส์ ผู้รู้ทันทีว่าพวกเขาเห็นหลักฐานที่ชัดเจนของการเคลื่อนที่ของอนุภาคอย่างต่อเนื่องและสุ่ม .

การเคลื่อนไหวนี้ซึ่งอธิบายโดยบราวน์ อธิบายไว้ดังนี้ เม็ดละอองเกสรมีขนาดใหญ่พอที่จะเรามองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ธรรมดา แต่เราไม่เห็นโมเลกุลของน้ำ แต่ในขณะเดียวกัน เม็ดละอองเกสรก็มีขนาดเล็กพอที่จะทำให้ เนื่องจากผลกระทบที่เกิดขึ้น โมเลกุลของน้ำที่อยู่ล้อมรอบพวกมันทุกด้าน พวกมันจึงขยับไปในทิศทางหนึ่งก่อน จากนั้นจึงไปอีกทิศทางหนึ่ง นั่นคือการ “เต้น” ละอองเกสรที่วุ่นวายในหยดน้ำแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลของน้ำมีความต่อเนื่องและสุ่ม ด้านที่แตกต่างกันกระทบละอองเกสรดอกไม้และขับออกไป ตั้งแต่นั้นมา การเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องและวุ่นวายของอนุภาคของแข็งขนาดเล็กในของเหลวหรือก๊าซจึงถูกเรียกว่า การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน- คุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของการเคลื่อนไหวนี้คือมีความต่อเนื่อง กล่าวคือ มันไม่เคยหยุดนิ่ง

3. การแพร่กระจาย

การแพร่กระจายเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของหลักฐานที่มองเห็นได้ของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลอย่างต่อเนื่องและสุ่ม และความจริงที่ว่าสสารที่เป็นก๊าซของเหลวและแม้แต่ของแข็งแม้จะช้ากว่ามากก็สามารถผสมกันเองได้ ตัวอย่างเช่น กลิ่นของสารต่างๆ แพร่กระจายในอากาศแม้ไม่มีลม เนื่องจากการผสมตัวเองนี้ หรือนี่คืออีกตัวอย่างหนึ่ง - หากคุณโยนโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตหลายผลึกลงในแก้วน้ำแล้วรอประมาณหนึ่งวันโดยไม่กวนน้ำ เราจะเห็นว่าน้ำทั้งหมดในแก้วจะมีสีเท่ากัน สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องของโมเลกุลที่เปลี่ยนสถานที่และสารจะค่อยๆผสมกันอย่างอิสระโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอก

หนังสือเล่มนี้เขียนถึงนักเรียนมัธยมปลาย นักเรียน ครู และครูฟิสิกส์ รวมถึงผู้ที่ต้องการทำความเข้าใจกับสิ่งที่เกิดขึ้นในโลกรอบตัวเรา และพัฒนามุมมองทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความหลากหลายของปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ ที่จริงแล้วแต่ละส่วนของหนังสือคือชุดของปัญหาทางกายภาพ โดยการแก้ปัญหาซึ่งผู้อ่านจะเสริมสร้างความเข้าใจของเขาเกี่ยวกับกฎทางกายภาพและเรียนรู้ที่จะนำไปใช้ในกรณีที่น่าสนใจในทางปฏิบัติ

4. คุณสมบัติการเคลื่อนที่และการแพร่ของบราวเนียน

เมื่อนักฟิสิกส์เริ่มพิจารณาปรากฏการณ์ที่โรเบิร์ต บราวน์อธิบายอย่างใกล้ชิด พวกเขาสังเกตเห็นว่ากระบวนการนี้สามารถเร่งได้ด้วยการเพิ่มอุณหภูมิ เช่นเดียวกับการแพร่กระจาย นั่นก็คือใน น้ำร้อนและการย้อมสีด้วยโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตจะเกิดขึ้นเร็วขึ้น และการเคลื่อนที่ของอนุภาคของแข็งขนาดเล็ก เช่น กราไฟท์ชิปหรือละอองเกสรเดียวกันก็เกิดขึ้นด้วยความเข้มข้นที่มากขึ้น สิ่งนี้ยืนยันความจริงที่ว่าความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวายนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยตรง เราจะแสดงรายการสิ่งที่สามารถกำหนดทั้งความเข้มของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและอัตราการแพร่โดยไม่ต้องลงรายละเอียด:

1) อุณหภูมิ;

2) ประเภทของสารที่กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้น

3) จากสถานะของการรวมตัว

นั่นคือที่อุณหภูมิเดียวกัน การแพร่กระจายของสารที่เป็นก๊าซจะเกิดขึ้นเร็วกว่าของเหลวมาก ไม่ต้องพูดถึงการแพร่กระจายของของแข็งซึ่งเกิดขึ้นช้ามากจนสามารถสังเกตเห็นผลลัพธ์ของมันได้ แม้ว่าจะไม่มีนัยสำคัญมากก็ตามก็ตาม อุณหภูมิสูงหรือเป็นเวลานานมาก - หลายปีหรือหลายสิบปี

5. การนำไปปฏิบัติจริง

การแพร่กระจายและไม่มี การประยุกต์ใช้จริงมีความสำคัญอย่างยิ่งไม่เพียงแต่สำหรับมนุษย์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงทุกชีวิตบนโลกด้วย ต้องขอบคุณการแพร่กระจายที่ออกซิเจนเข้าสู่เลือดของเราผ่านปอด พืชจึงสกัดน้ำจากดินและดูดซับผ่านการแพร่กระจาย คาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศและปล่อยออกซิเจนออกมา และปลาก็หายใจออกซิเจนในน้ำ ซึ่งเข้าสู่น้ำจากบรรยากาศผ่านการแพร่กระจาย

ปรากฏการณ์การแพร่กระจายยังใช้ในหลายสาขาของเทคโนโลยี โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแพร่กระจายในของแข็ง ตัวอย่างเช่นมีกระบวนการดังกล่าว - การเชื่อมแบบแพร่กระจาย ในกระบวนการนี้ ชิ้นส่วนต่างๆ จะถูกกดให้ชิดกันแน่นมาก โดยให้ความร้อนถึง 800 °C และเชื่อมต่อกันโดยการแพร่กระจาย ต้องขอบคุณการแพร่กระจายที่ทำให้ชั้นบรรยากาศของโลกซึ่งประกอบด้วยก๊าซต่างๆ จำนวนมาก ไม่ได้ถูกแบ่งออกเป็นชั้นๆ ในองค์ประกอบ แต่เป็นเนื้อเดียวกันทุกแห่งโดยประมาณ - และหากเป็นอย่างอื่น เราแทบจะหายใจไม่ออก

มีตัวอย่างมากมายเกี่ยวกับอิทธิพลของการแพร่กระจายที่มีต่อชีวิตของเราและต่อธรรมชาติทั้งหมด ซึ่งพวกคุณคนใดสามารถหาเจอได้หากต้องการ แต่ไม่ค่อยมีใครพูดถึงการประยุกต์ใช้การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนได้ ยกเว้นว่าทฤษฎีที่อธิบายการเคลื่อนที่นี้สามารถนำไปใช้ในปรากฏการณ์อื่นที่ดูเหมือนไม่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์โดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น ทฤษฎีนี้ใช้เพื่ออธิบายกระบวนการสุ่มโดยใช้ข้อมูลและสถิติจำนวนมาก เช่น การเปลี่ยนแปลงของราคา ทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนใช้เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์กราฟิกที่สมจริง เป็นที่น่าสนใจที่บุคคลที่หลงทางอยู่ในป่าเคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกับอนุภาคบราวเนียน - เดินจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งข้ามวิถีของมันซ้ำแล้วซ้ำเล่า

1) เมื่อบอกชั้นเรียนเกี่ยวกับการเคลื่อนที่และการแพร่กระจายของบราวเนียน จำเป็นต้องเน้นว่าปรากฏการณ์เหล่านี้ไม่ได้พิสูจน์ความจริงของการมีอยู่ของโมเลกุล แต่พิสูจน์ความจริงของการเคลื่อนไหวและความจริงที่ว่ามันไม่เป็นระเบียบ - วุ่นวาย

2) ต้องแน่ใจว่าได้ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับความจริงที่ว่านี่คือการเคลื่อนไหวต่อเนื่องโดยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ นั่นคือ การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่ไม่สามารถหยุดได้

3) สาธิตการแพร่กระจายโดยใช้น้ำและโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตโดยแนะนำให้เด็ก ๆ ที่อยากรู้อยากเห็นมากที่สุดทำการทดลองที่คล้ายกันที่บ้าน และถ่ายรูปน้ำที่มีโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตทุก ๆ ชั่วโมงหรือสองชั่วโมงในระหว่างวัน (ในช่วงสุดสัปดาห์ เด็กๆ จะยินดีที่จะทำเช่นนี้ และ ส่งภาพให้คุณ) จะดีกว่าถ้าในการทดลองดังกล่าวมีภาชนะสองใบที่มีน้ำ - เย็นและร้อนเพื่อให้สามารถแสดงให้เห็นการพึ่งพาอัตราการแพร่ของอุณหภูมิได้อย่างชัดเจน

4) พยายามวัดอัตราการแพร่ในห้องเรียนโดยใช้ผลิตภัณฑ์ระงับกลิ่นกาย เช่น สเปรย์ฉีดสเปรย์ที่ปลายด้านหนึ่งของห้องเรียน และห่างจากสถานที่นี้ 3-5 เมตร นักเรียนที่มีนาฬิกาจับเวลาจะบันทึกเวลาหลังจากนั้น เขาได้กลิ่นมัน เรื่องนี้สนุก น่าสนใจ และเด็กๆ จะจดจำมันไปอีกนาน!

5) พูดคุยกับเด็ก ๆ เกี่ยวกับแนวคิดเรื่องความโกลาหลและข้อเท็จจริงที่ว่าแม้แต่ในกระบวนการที่วุ่นวายนักวิทยาศาสตร์ก็ยังพบรูปแบบบางอย่าง

การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน

จาก การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน (องค์ประกอบสารานุกรม)

ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 มีการถกเถียงกันอย่างจริงจังเกี่ยวกับธรรมชาติของอะตอมในแวดวงวิทยาศาสตร์ ด้านหนึ่งเป็นเจ้าหน้าที่ที่ไม่อาจโต้แย้งได้ เช่น Ernst Mach (ซม.คลื่นกระแทก) ซึ่งแย้งว่าอะตอมเป็นเพียงฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สังเกตได้สำเร็จและไม่มีพื้นฐานทางกายภาพที่แท้จริง ในทางกลับกัน นักวิทยาศาสตร์คลื่นลูกใหม่ โดยเฉพาะ ลุดวิก โบลต์ซมันน์ ( ซม.ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์)—ยืนยันว่าอะตอมคือความเป็นจริงทางกายภาพ และทั้งสองฝ่ายต่างตระหนักดีว่าหลายทศวรรษก่อนการโต้แย้งจะเริ่มต้นขึ้น ผลการทดลองได้รับมาว่าได้แก้ไขปัญหานี้ครั้งแล้วครั้งเล่าเพื่อสนับสนุนการมีอยู่ของอะตอมในฐานะความเป็นจริงทางกายภาพ - อย่างไรก็ตาม พวกมันได้รับมาในระเบียบวินัย ของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่อยู่ติดกับฟิสิกส์ โดยนักพฤกษศาสตร์ โรเบิร์ต บราวน์

มันเป็นเพียงในปี 1905 เท่านั้นที่ไม่มีใครอื่นนอกจาก Albert Einstein ตระหนักเป็นครั้งแรกว่าปรากฏการณ์ที่ดูเหมือนลึกลับนี้ทำหน้าที่เป็นการยืนยันการทดลองที่ดีที่สุดเกี่ยวกับความถูกต้องของทฤษฎีอะตอมของโครงสร้างของสสาร เขาอธิบายประมาณนี้ สปอร์ที่แขวนอยู่ในน้ำจะถูก "ทิ้งระเบิด" อย่างต่อเนื่องโดยการเคลื่อนย้ายโมเลกุลของน้ำอย่างวุ่นวาย โดยเฉลี่ยแล้ว โมเลกุลจะกระทำกับมันจากทุกด้านด้วยความเข้มเท่ากันและในช่วงเวลาที่เท่ากัน อย่างไรก็ตามไม่ว่าสปอร์จะเล็กแค่ไหนเนื่องจากการเบี่ยงเบนแบบสุ่มล้วนๆ ก่อนอื่นมันจะได้รับแรงกระตุ้นจากโมเลกุลที่กระทบกับด้านหนึ่ง จากนั้นจากด้านข้างของโมเลกุลที่กระทบกับอีกด้านหนึ่ง เป็นต้น ผลที่ตามมาก็คือ จากการหาค่าเฉลี่ยของการชนดังกล่าว ปรากฎว่าในบางครั้งอนุภาคจะ "กระตุก" ไปในทิศทางเดียว จากนั้นหากอีกด้านหนึ่งถูก "ผลัก" ด้วยโมเลกุลมากขึ้น ในอีกด้านหนึ่ง เป็นต้น การใช้กฎของสถิติทางคณิตศาสตร์ และทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลของก๊าซ ไอน์สไตน์ได้สมการนี้มา โดยอธิบายการพึ่งพาของการกระจัดของราก-ค่าเฉลี่ย-กำลังสองของอนุภาคบราวเนียนบนพารามิเตอร์ขนาดมหภาค (ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ: ในหนังสือเล่มหนึ่งของวารสารเยอรมัน “Annals of Physics” ( อันนาเลน เดอร์ ฟิสิค) ในปี พ.ศ. 2448 มีการตีพิมพ์บทความของไอน์สไตน์ 3 บทความ ได้แก่ บทความที่มีคำอธิบายทางทฤษฎีเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน บทความเกี่ยวกับรากฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และสุดท้ายคือบทความที่อธิบายทฤษฎีของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2464 (ค.ศ. 1921)

จาก การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน ในสภาพแวดล้อมใด ๆ มีความผันผวนของแรงดันระดับจุลภาคอย่างต่อเนื่อง พวกมันกระทำต่ออนุภาคที่อยู่ในสิ่งแวดล้อมทำให้เกิดการเคลื่อนไหวแบบสุ่ม การเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายของอนุภาคเล็กๆ ในของเหลวหรือก๊าซนี้เรียกว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน และตัวอนุภาคเองเรียกว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

« ฟิสิกส์ - ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10"

จำปรากฏการณ์การแพร่กระจายจากหลักสูตรฟิสิกส์พื้นฐานของโรงเรียน
ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้อย่างไร?

ก่อนหน้านี้คุณได้เรียนรู้ว่ามันคืออะไร การแพร่กระจายกล่าวคือ การแทรกซึมของโมเลกุลของสารหนึ่งเข้าไปในช่องว่างระหว่างโมเลกุลของสารอีกชนิดหนึ่ง ปรากฏการณ์นี้ถูกกำหนดโดยการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุล สิ่งนี้สามารถอธิบายได้ เช่น ข้อเท็จจริงที่ว่าปริมาตรของส่วนผสมของน้ำและแอลกอฮอล์น้อยกว่าปริมาตรของส่วนประกอบที่เป็นส่วนประกอบ

แต่หลักฐานที่ชัดเจนที่สุดเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลสามารถหาได้จากการสังเกตอนุภาคที่เล็กที่สุดของสารของแข็งที่แขวนอยู่ในน้ำผ่านกล้องจุลทรรศน์ อนุภาคเหล่านี้เกิดการเคลื่อนที่แบบสุ่มซึ่งเรียกว่า บราวเนียน.

การเคลื่อนไหวแบบบราวเนียนคือการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลว (หรือก๊าซ)

การสังเกตการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

อาร์. บราวน์ นักพฤกษศาสตร์ชาวอังกฤษ (พ.ศ. 2316-2401) สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้ครั้งแรกในปี พ.ศ. 2370 โดยตรวจดูสปอร์ของมอสที่แขวนลอยอยู่ในน้ำผ่านกล้องจุลทรรศน์

ต่อมาเขาตรวจดูอนุภาคเล็กๆ อื่นๆ รวมถึงเศษหินจากปิรามิดของอียิปต์ด้วย ในปัจจุบันเพื่อสังเกตการเคลื่อนที่ของบราวเนียน พวกเขาใช้อนุภาคของสีเหงือกซึ่งไม่ละลายในน้ำ อนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่แบบสุ่ม สิ่งที่น่าทึ่งและแปลกประหลาดที่สุดสำหรับเราก็คือการเคลื่อนไหวนี้ไม่เคยหยุดนิ่ง เราคุ้นเคยกับความจริงที่ว่าร่างกายที่เคลื่อนไหวใด ๆ หยุดไม่ช้าก็เร็ว ในตอนแรกบราวน์คิดว่าสปอร์ของมอสกำลังแสดงสัญญาณของสิ่งมีชีวิต

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนคือการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน และไม่สามารถหยุดได้ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความเข้มของมันจะเพิ่มขึ้น

รูปที่ 8.3 แสดงวิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาคบราวเนียน ตําแหนจงของอนุภาคที่มีเครื่องหมายจุดจะถูกกําหนดที่ชจวงเวลาปกติ 30 วินาที จุดเหล่านี้เชื่อมต่อกันด้วยเส้นตรง ในความเป็นจริง วิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาคมีความซับซ้อนมากกว่ามาก

คำอธิบายการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนสามารถอธิบายได้บนพื้นฐานของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุลเท่านั้น

“มีปรากฏการณ์เพียงไม่กี่อย่างที่สามารถดึงดูดผู้สังเกตการณ์ได้มากเท่ากับการเคลื่อนไหวแบบบราวเนียน ที่นี่ผู้สังเกตการณ์ได้รับอนุญาตให้มองดูเบื้องหลังของสิ่งที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ มันเปิดต่อหน้าเขา โลกใหม่- ความพลุกพล่านของอนุภาคจำนวนมากอย่างไม่หยุดยั้ง อนุภาคที่เล็กที่สุดบินผ่านมุมมองของกล้องจุลทรรศน์อย่างรวดเร็ว ซึ่งเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่แทบจะในทันที อนุภาคขนาดใหญ่เคลื่อนที่ได้ช้ากว่า แต่ก็เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา อนุภาคขนาดใหญ่ถูกบดขยี้อยู่กับที่ ส่วนที่ยื่นออกมาแสดงให้เห็นการหมุนของอนุภาครอบแกนของมันอย่างชัดเจน ซึ่งเปลี่ยนทิศทางในอวกาศอยู่ตลอดเวลา ไม่มีร่องรอยของระบบหรือการสั่งซื้อใดๆ การครอบงำของโอกาสตาบอด นั่นคือความประทับใจที่แข็งแกร่งและท่วมท้นที่ภาพนี้สร้างต่อผู้สังเกตการณ์” อาร์. พอล (2427-2519)

สาเหตุของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอนุภาคก็คือผลกระทบของโมเลกุลของเหลวบนอนุภาคนั้นไม่ได้หักล้างซึ่งกันและกัน

รูปที่ 8.4 แผนผังแสดงตำแหน่งของอนุภาคบราวเนียนหนึ่งอนุภาคและโมเลกุลที่อยู่ใกล้ที่สุด

เมื่อโมเลกุลเคลื่อนที่แบบสุ่ม แรงกระตุ้นที่พวกมันส่งไปยังอนุภาคบราวเนียน เช่น จากด้านซ้ายและด้านขวา จะไม่เหมือนกัน ดังนั้นแรงดันที่เกิดขึ้นของโมเลกุลของเหลวบนอนุภาคบราวเนียนจึงไม่เป็นศูนย์ แรงนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่ของอนุภาค

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลของการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนถูกสร้างขึ้นในปี 1905 โดย A. Einstein (1879-1955) การสร้างทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและการยืนยันการทดลองโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เจ. เพอร์ริน ในที่สุดก็บรรลุชัยชนะของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล ในปี 1926 เจ. เพอร์รินได้รับรางวัลโนเบลจากการศึกษาโครงสร้างของสสาร

การทดลองของเพอร์ริน

แนวคิดการทดลองของเพอร์รินมีดังนี้ เป็นที่ทราบกันว่าความเข้มข้นของโมเลกุลก๊าซในบรรยากาศลดลงตามระดับความสูง หากไม่มีการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน โมเลกุลทั้งหมดก็จะตกลงสู่พื้นโลกและชั้นบรรยากาศก็จะหายไป อย่างไรก็ตาม หากไม่มีแรงดึงดูดต่อโลก เนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน โมเลกุลก็จะออกจากโลก เนื่องจากก๊าซมีความสามารถในการขยายตัวไม่จำกัด อันเป็นผลมาจากการกระทำของปัจจัยที่ตรงกันข้ามเหล่านี้ทำให้เกิดการกระจายตัวของโมเลกุลเหนือความสูงบางอย่าง กล่าวคือ ความเข้มข้นของโมเลกุลจะลดลงอย่างรวดเร็วตามความสูง ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งมวลของโมเลกุลมากเท่าใด ความเข้มข้นของโมเลกุลก็จะยิ่งลดลงตามความสูงเร็วขึ้นเท่านั้น

อนุภาคบราวเนียนมีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของพวกมันมีขนาดเล็กมาก การสะสมของอนุภาคเหล่านี้ในก๊าซหรือของเหลวจึงถือได้ว่าเป็นก๊าซในอุดมคติที่มีโมเลกุลที่หนักมาก ดังนั้นความเข้มข้นของอนุภาคบราวเนียนในก๊าซหรือของเหลวในสนามโน้มถ่วงของโลกควรลดลงตามกฎเดียวกันกับความเข้มข้นของโมเลกุลก๊าซ กฎหมายนี้ทราบแล้ว

เพอร์รินใช้กล้องจุลทรรศน์กำลังขยายสูงซึ่งมีระยะชัดตื้น (ระยะชัดลึกตื้น) สังเกตอนุภาคบราวเนียนในชั้นของเหลวบางมาก โดยการคำนวณความเข้มข้นของอนุภาคที่ความสูงต่างๆ เขาพบว่าความเข้มข้นนี้ลดลงตามความสูงตามกฎเดียวกันกับความเข้มข้นของโมเลกุลก๊าซ ความแตกต่างก็คือเนื่องจากอนุภาคบราวเนียนมีมวลมาก การลดลงจึงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว

ข้อเท็จจริงทั้งหมดนี้บ่งชี้ถึงความถูกต้องของทฤษฎีการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและอนุภาคของบราวเนียนมีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล

การนับอนุภาคบราวเนียนที่ระดับความสูงต่างกันทำให้เพอร์รินสามารถหาค่าคงที่ของอโวกาโดรโดยใช้วิธีการใหม่โดยสิ้นเชิง ค่าของค่าคงที่นี้ใกล้เคียงกับค่าที่ทราบก่อนหน้านี้