İskoç botanikçi Robert Brown (bazen soyadı Brown olarak yazılır) yaşamı boyunca en iyi bitki uzmanı olarak “Botanikçilerin Prensi” unvanını aldı. Birçok harika keşif yaptı. 1805 yılında, Avustralya'ya yaptığı dört yıllık bir keşif gezisinden sonra, bilim adamlarının bilmediği yaklaşık 4.000 Avustralya bitki türünü İngiltere'ye getirdi ve bunları incelemek için uzun yıllar harcadı. Endonezya'dan getirilen açıklanan bitkiler ve Orta Afrika. Bitki fizyolojisini inceledi ve ilk kez bir bitki hücresinin çekirdeğini ayrıntılı olarak tanımladı. St. Petersburg Bilimler Akademisi onu fahri üye yaptı. Ancak bilim adamının adı artık bu çalışmalardan dolayı yaygın olarak biliniyor.
1827'de Brown bitki poleni üzerine araştırma yaptı. Özellikle polenin döllenme sürecine nasıl katıldığıyla ilgileniyordu. Bir defasında Kuzey Amerika bitkisindeki polen hücrelerine mikroskop altında baktı. Clarkia pulchella(güzel clarkia) suda asılı duran uzun sitoplazmik taneler. Aniden Brown, bir su damlasında zar zor görülebilen en küçük katı taneciklerin sürekli titrediğini ve bir yerden bir yere hareket ettiğini gördü. Kendi sözleriyle bu hareketlerin "sıvıdaki akışlarla ya da sıvının kademeli buharlaşmasıyla ilişkili olmadığını, parçacıkların doğasında var olduğunu" buldu.
Brown'ın gözlemi diğer bilim adamları tarafından da doğrulandı. En küçük parçacıklar sanki canlıymış gibi davrandı ve parçacıkların "dansı" artan sıcaklıkla ve parçacık boyutunun küçülmesiyle hızlandı ve suyun daha viskoz bir ortamla değiştirilmesiyle açıkça yavaşladı. Bu şaşırtıcı olay hiç durmadı; istenildiği kadar gözlemlenebilirdi. Brown ilk başta canlıların aslında mikroskobun alanına düştüğünü bile düşündü, özellikle de polen bitkilerin erkek üreme hücreleri olduğundan, ancak ölü bitkilerden, hatta yüz yıl önce herbaryumlarda kurutulmuş olanlardan bile parçacıklar vardı. Daha sonra Brown, bunların "canlıların temel molekülleri" olup olmadığını düşündü ve 36 ciltlik bir kitabın yazarı olan ünlü Fransız doğa bilimci Georges Buffon'un (1707-1788) bahsettiği şey buydu. Doğal Tarih. Brown görünüşte cansız nesneleri incelemeye başladığında bu varsayım ortadan kalktı; ilk başta çok küçük kömür parçacıklarının yanı sıra Londra havasından gelen kurum ve tozdan oluşuyordu, sonra ince bir şekilde öğütüldü inorganik maddeler: cam, birçok farklı mineral. "Aktif moleküller" her yerdeydi: "Bir süre suda asılı kalabilecek kadar toz haline getirmeyi başardığım her mineralde" diye yazdı Brown, az ya da çok miktarlarda bu molekülleri buldum. "
Brown'un en son mikroskoplardan hiçbirine sahip olmadığı söylenmelidir. Makalesinde, birkaç yıldır kullandığı sıradan bikonveks merceklere sahip olduğunu özellikle vurguluyor. Ve şöyle devam ediyor: "İfadelerime daha fazla inandırıcılık kazandırmak ve onları sıradan gözlemler için mümkün olduğunca erişilebilir kılmak amacıyla, tüm çalışma boyunca çalışmaya başladığım mercekleri kullanmaya devam ettim."
Şimdi, Brown'un gözlemini tekrarlamak gerekirse, çok güçlü olmayan bir mikroskoba sahip olmak ve onu, yan taraftaki bir delikten yoğun bir ışık huzmesi ile aydınlatılan karartılmış bir kutudaki dumanı incelemek için kullanmak yeterlidir. Bu olay gazda, sıvıya göre çok daha net bir şekilde kendini gösterir: küçük kül veya is parçacıkları (dumanın kaynağına bağlı olarak) görülebilir, ışık saçar ve sürekli olarak ileri geri sıçrar.
Bilimde sık sık olduğu gibi, yıllar sonra tarihçiler, 1670 yılında mikroskobun mucidi Hollandalı Antonie Leeuwenhoek'un benzer bir olguyu gözlemlediğini ancak mikroskopların nadirliği ve kusurlu olmasının henüz emekleme aşamasında olduğunu keşfettiler. moleküler bilim Leeuwenhoek'in gözlemi o sırada fark edilmemişti, bu nedenle keşif, haklı olarak, onu ilk kez inceleyen ve ayrıntılı olarak tanımlayan Brown'a atfediliyor.
Brown hareketi ve atomik-moleküler teori.
Brown'un gözlemlediği olay kısa sürede geniş çapta tanındı. Kendisi deneylerini çok sayıda meslektaşına gösterdi (Brown iki düzine isim listeliyor). Ancak ne Brown ne de diğer birçok bilim insanı uzun yıllar boyunca “Brown hareketi” olarak adlandırılan bu gizemli olguyu açıklayamadı. Parçacıkların hareketleri tamamen rastgeleydi: Zamanın farklı noktalarında (örneğin her dakika) konumlarının çizimleri, ilk bakışta bu hareketlerde herhangi bir desen bulmayı mümkün kılmıyordu.
Brown hareketinin (bu fenomene böyle adlandırılıyordu) görünmez moleküllerin hareketiyle açıklanması ancak 19. yüzyılın son çeyreğinde yapıldı, ancak tüm bilim adamları tarafından hemen kabul edilmedi. 1863 yılında, Karlsruhe'den (Almanya) tanımlayıcı geometri öğretmeni Ludwig Christian Wiener (1826-1896), bu fenomenin görünmez atomların salınım hareketleriyle ilişkili olduğunu öne sürdü. Bu, Brown hareketinin modern olmaktan çok uzak olmasına rağmen atomların ve moleküllerin özellikleriyle açıklandığı ilk açıklamaydı. Wiener'in bu fenomeni maddenin yapısının sırlarına nüfuz etmek için kullanma fırsatını görmesi önemlidir. Brown parçacıklarının hareket hızını ve bunun boyutlarına bağlılığını ölçmeye çalışan ilk kişi oydu. İlginçtir ki 1921'de ABD Ulusal Bilimler Akademisi Raporları Sibernetiğin ünlü kurucusu başka bir Wiener - Norbert'in Brown hareketi üzerine bir çalışma yayınlandı.
L.K. Wiener'in fikirleri bir dizi bilim adamı tarafından kabul edildi ve geliştirildi - Avusturya'da Sigmund Exner (ve 33 yıl sonra - oğlu Felix), İtalya'da Giovanni Cantoni, Almanya'da Karl Wilhelm Negeli, Fransa'da Louis Georges Gouy, üç Belçikalı rahip. - Cizvitler Carbonelli, Delso ve Tirion ve diğerleri. Bu bilim adamları arasında daha sonra ünlü İngiliz fizikçi ve kimyager William Ramsay da vardı. Yavaş yavaş, en küçük madde taneciklerinin, artık mikroskopla görülemeyen daha da küçük parçacıklar tarafından her yönden vurulduğu açıklığa kavuştu; tıpkı uzaktaki bir tekneyi sallayan dalgaların kıyıdan görülememesi ve teknenin hareketleri gibi. kendisi oldukça net bir şekilde görülüyor. 1877 tarihli makalelerden birinde yazdıkları gibi, “... kanun büyük sayılar Artık çarpışmaların etkisini ortalama tekdüze bir basınca indirmiyor, sonuçları artık sıfıra eşit olmayacak, ancak yönünü ve büyüklüğünü sürekli olarak değiştirecek.”
Niteliksel olarak, resim oldukça makul ve hatta görseldi. Küçük bir dal veya böceğin içeri itildiğinde (veya çekildiğinde) yaklaşık olarak aynı şekilde hareket etmesi gerekir. farklı taraflar bir sürü karınca. Bu daha küçük parçacıklar aslında bilim adamlarının sözlüğündeydi ama onları daha önce kimse görmemişti. Onlara molekül deniyordu; Latince'den tercüme edilen bu kelime "küçük kütle" anlamına gelir. Şaşırtıcı bir şekilde bu, Romalı filozof Titus Lucretius Carus'un (M.Ö. 99-55) ünlü şiirinde benzer bir olguya verdiği açıklamanın aynısıdır. Şeylerin doğası hakkında. İçinde gözle görülmeyen en küçük parçacıklara, şeylerin "ilkel ilkeleri" adını veriyor.
Şeylerin ilkeleri önce kendilerini hareket ettirir,
Onları en küçük bileşimlerinden oluşan bedenler takip ediyor.
Bir bakıma temel ilkelere yakın,
Onlardan saklanarak, şoklara maruz kalarak çabalamaya başlarlar,
Daha sonra kendilerini daha büyük bedenlere hareket ettirmeye teşvik ediyorlar.
Yani en baştan başlayarak hareket yavaş yavaş
Duygularımıza dokunuyor ve görünür oluyor
Bize ve güneş ışığında hareket eden toz zerrelerine,
Her ne kadar meydana gelen sarsıntılar algılanamaz olsa da...
Daha sonra Lucretius'un yanıldığı ortaya çıktı: Brownian hareketini çıplak gözle gözlemlemek imkansızdır ve toz parçacıkları güneş ışını Karanlık bir odaya giren, havanın girdap hareketleri nedeniyle “dans ediyor”. Ancak dışarıdan bakıldığında her iki olgunun da bazı benzerlikleri var. Ve sadece 19. yüzyılda. Brown parçacıklarının hareketinin, ortamdaki moleküllerin rastgele etkilerinden kaynaklandığı birçok bilim adamı için açık hale geldi. Hareket eden moleküller sudaki toz parçacıkları ve diğer katı parçacıklarla çarpışır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa hareket o kadar hızlı olur. Örneğin bir toz zerresi büyükse, örneğin 0,1 mm boyutundaysa (çap, bir su molekülününkinden milyon kat daha büyükse), o zaman her taraftan gelen eşzamanlı birçok etki karşılıklı olarak dengelenir ve pratikte onları "hissedin" - yaklaşık olarak plaka büyüklüğündeki bir tahta parçasının, onu farklı yönlere çekecek veya itecek birçok karıncanın çabalarını "hissetmeyeceği" gibi. Toz parçacığı nispeten küçükse, çevredeki moleküllerden gelen darbelerin etkisi altında bir yönde veya diğer yönde hareket edecektir.
Brown parçacıklarının boyutu 0,1–1 μm civarındadır, yani. Milimetrenin binde birinden on binde birine kadar, bu yüzden Brown onların hareketini ayırt edebildi çünkü polenin kendisine değil (ki bu genellikle yanlışlıkla hakkında yazılır) küçük sitoplazmik tanelere bakıyordu. Sorun polen hücrelerinin çok büyük olmasıdır. Böylece çayır otlarının rüzgârla taşınan polenleri, alerjik hastalıklar insanlarda (saman nezlesi) hücre boyutu genellikle 20 - 50 mikron aralığındadır; Brown hareketini gözlemleyemeyecek kadar büyükler. Bir Brown parçacığının bireysel hareketlerinin çok sık ve çok kısa mesafelerde meydana geldiğini, bu nedenle onları görmenin imkansız olduğunu, ancak belirli bir süre boyunca meydana gelen hareketlerin mikroskop altında görülebildiğini belirtmek de önemlidir.
Görünüşe göre Brown hareketinin varlığı gerçeği açıkça kanıtlanmıştır. moleküler yapı Ancak 20. yüzyılın başında bile bu sorun vardı. Moleküllerin varlığına inanmayan fizikçiler ve kimyagerler de dahil olmak üzere bilim adamları vardı. Atomik-moleküler teori ancak yavaş yavaş ve güçlükle tanındı. Bu nedenle, önde gelen Fransız organik kimyager Marcelin Berthelot (1827–1907) şunları yazdı: "Bilgilerimiz açısından molekül kavramı belirsizdir, oysa başka bir kavram - atom - tamamen varsayımsaldır." Ünlü Fransız kimyager A. Saint-Clair Deville (1818–1881) daha da net bir şekilde konuştu: “Avogadro yasasını, atomu veya molekülü kabul etmiyorum çünkü göremediğim ve gözlemleyemediğim şeye inanmayı reddediyorum. ” Ve Alman fiziksel kimyager Wilhelm Ostwald (1853–1932), ödüllü Nobel Ödülü 20. yüzyılın başlarında fiziksel kimyanın kurucularından biri. atomun varlığını kesin bir dille reddetti. İçinde “atom” kelimesinin hiç geçmediği üç ciltlik bir kimya ders kitabı yazmayı başardı. 19 Nisan 1904'te Kraliyet Enstitüsü'nde İngiliz Kimya Derneği üyelerine sunduğu geniş bir raporla konuşan Ostwald, atomların var olmadığını ve "madde dediğimiz şeyin yalnızca belirli bir ortamda bir araya toplanmış enerjilerin toplamı olduğunu" kanıtlamaya çalıştı. yer."
Ancak moleküler teoriyi kabul eden fizikçiler bile böyle bir şeye inanamadılar. basit bir şekilde Atom-moleküler teorinin geçerliliği kanıtlandı ve bu nedenle bu olguyu açıklamak için çeşitli alternatif nedenler öne sürüldü. Ve bu tamamen bilimin ruhuna uygundur: Bir olgunun nedeni kesin olarak tanımlanana kadar, mümkünse deneysel veya teorik olarak test edilmesi gereken çeşitli hipotezleri varsaymak mümkündür (ve hatta gereklidir). Yani, 1905'te Ansiklopedik Sözlük Brockhaus ve Efron, ünlü akademisyen A.F. Ioffe'nin öğretmeni St. Petersburg fizik profesörü N.A. Gezehus'un kısa bir makalesini yayınladı. Gesehus, bazı bilim adamlarına göre Brown hareketinin "bir sıvının içinden geçen ışık veya ısı ışınlarının" neden olduğunu ve "bir sıvı içindeki, moleküllerin hareketleriyle hiçbir ilgisi olmayan basit akışlara" indirgendiğini ve bu akışların "bir sıvının içinden geçen ışık veya ısı ışınlarından" kaynaklandığını yazdı. “buharlaşma, difüzyon ve diğer sebeplerden” kaynaklanabilir. Sonuçta, havadaki toz parçacıklarının çok benzer bir hareketinin tam olarak girdap akışlarından kaynaklandığı zaten biliniyordu. Ancak Gesehus'un yaptığı açıklama deneysel olarak kolayca çürütülebilir: Birbirine çok yakın bulunan iki Brown parçacığına güçlü bir mikroskopla bakarsanız, hareketlerinin tamamen bağımsız olduğu ortaya çıkacaktır. Eğer bu hareketler sıvıdaki herhangi bir akıştan kaynaklanıyorsa, o zaman komşu parçacıklar uyum içinde hareket edeceklerdir.
Brown hareketi teorisi.
20. yüzyılın başında. çoğu bilim adamı Brown hareketinin moleküler doğasını anladı. Ancak tüm açıklamalar tamamen niteliksel olarak kaldı, hayır miktar teorisi deneysel testlere dayanamadı. Buna ek olarak, deney sonuçları da belirsizdi: Durmaksızın koşan parçacıkların fantastik görüntüsü, deneycileri hipnotize etti ve onlar, olgunun hangi özelliklerinin ölçülmesi gerektiğini tam olarak bilmiyorlardı.
Görünen tam düzensizliğe rağmen Brown parçacıklarının rastgele hareketlerini matematiksel bir ilişkiyle tanımlamak hâlâ mümkündü. Brown hareketinin ayrıntılı bir açıklaması ilk kez 1904 yılında, o yıllarda Lviv Üniversitesi'nde çalışan Polonyalı fizikçi Marian Smoluchowski (1872–1917) tarafından yapılmıştır. Aynı zamanda, bu fenomenin teorisi, İsviçre'nin Bern şehrinin Patent Ofisinde o zamanlar az tanınan 2. sınıf bir uzman olan Albert Einstein (1879–1955) tarafından geliştirildi. Mayıs 1905'te Alman Annalen der Physik dergisinde yayınlanan makalesi şu başlığı taşıyordu: Moleküler kinetik ısı teorisinin gerektirdiği, hareketsiz bir sıvı içinde asılı duran parçacıkların hareketi hakkında. Bu isimle Einstein, maddenin yapısına ilişkin moleküler kinetik teorisinin, sıvılardaki en küçük katı parçacıkların rastgele hareketinin varlığını zorunlu olarak ima ettiğini göstermek istiyordu.
Einstein'ın bu makalenin en başında yüzeysel de olsa bu fenomene aşina olduğunu yazması ilginçtir: "Söz konusu hareketlerin sözde Brown moleküler hareketi ile aynı olması mümkündür, ancak mevcut veriler Bana göre ikincisi o kadar yanlış ki, bu kesin bir görüş formüle edemedim. Ve onlarca yıl sonra, zaten ileri yaşlarında, Einstein anılarında farklı bir şey yazdı - Brown hareketi hakkında hiçbir şey bilmediğini ve aslında onu tamamen teorik olarak "yeniden keşfettiğini": "'Brown hareketi' gözlemlerinin uzun süredir araştırıldığını bilmemek" Bildiğim kadarıyla, atom teorisinin mikroskobik asılı parçacıkların gözlemlenebilir hareketinin varlığına yol açtığını keşfettim." Ne olursa olsun, Einstein'ın teorik makalesi, deneycilere sonuçlarını deneysel olarak test etmeleri için doğrudan bir çağrıyla sona erdi: "Eğer herhangi bir araştırmacı yakın zamanda cevap verebilirse burada ortaya çıkan sorular sorular!" – makalesini alışılmadık bir ünlemle bitiriyor.
Einstein'ın tutkulu çağrısına yanıt çok uzun sürmedi.
Smoluchowski-Einstein teorisine göre, bir Brown parçacığının kare yer değiştirmesinin ortalama değeri ( S 2) zaman için T sıcaklıkla doğru orantılı T ve sıvının viskozitesi h, parçacık boyutu ile ters orantılıdır R ve Avogadro sabiti
N A: S 2 = 2RT/6saat rN A,
Nerede R- Gaz sabiti. Yani, 1 μm çapındaki bir parçacık 1 dakikada 10 μm hareket ederse, o zaman 9 dakikada - 10 = 30 μm, 25 dakikada - 10 = 50 μm vb. Benzer koşullar altında, çapı 0,25 μm olan bir parçacık, aynı sürelerde (1, 9 ve 25 dakika) = 2 olduğundan sırasıyla 20, 60 ve 100 μm hareket edecektir. Yukarıdaki formülün aşağıdakileri içermesi önemlidir: Avogadro sabiti, Fransız fizikçi Jean Baptiste Perrin (1870–1942) tarafından Brownian parçacığının hareketinin niceliksel ölçümleriyle belirlenebilir.
1908'de Perrin, Brown parçacıklarının hareketinin mikroskop altında niceliksel gözlemlerine başladı. 1902'de icat edilen ve güçlü bir yan aydınlatıcıdan üzerlerine ışık saçarak en küçük parçacıkları tespit etmeyi mümkün kılan bir ultramikroskop kullandı. Perrin, bazı tropik ağaçların yoğunlaştırılmış özsuyu olan sakızdan neredeyse küresel şekilli ve yaklaşık olarak aynı büyüklükte küçük toplar elde etti (aynı zamanda sarı sulu boya boyası olarak da kullanılır). Bu minik boncuklar %12 su içeren gliserol içinde süspanse edildi; viskoz sıvı, içinde resmi bulanıklaştıracak iç akışların ortaya çıkmasını engelledi. Elinde bir kronometre olan Perrin, parçacıkların konumunu düzenli aralıklarla, örneğin her yarım dakikada bir, kaydetti ve ardından grafikli bir kağıt üzerine (tabii ki çok büyütülmüş bir ölçekte) çizdi. Ortaya çıkan noktaları düz çizgilerle birleştirerek karmaşık yörüngeler elde etti; bunlardan bazıları şekilde gösterilmiştir (bunlar Perrin'in kitabından alınmıştır). Atomlar 1920'de Paris'te yayınlandı). Parçacıkların böylesine kaotik, düzensiz hareketi, uzayda oldukça yavaş hareket etmelerine yol açar: bölümlerin toplamı, parçacığın ilk noktadan son noktaya kadar yer değiştirmesinden çok daha fazladır.
Üç Brownian parçacığının (yaklaşık 1 mikron boyutunda sakız topları) her 30 saniyede bir ardışık konumları. Bir hücre 3 µm'lik bir mesafeye karşılık gelir. Perrin Brown parçacıklarının konumunu 30 saniye sonra değil de 3 saniye sonra belirleyebilseydi, her bir komşu nokta arasındaki düz çizgiler aynı karmaşık zikzak kesikli çizgiye, ancak daha küçük ölçekte dönüşecekti.
Perrin, teorik formülü ve sonuçlarını kullanarak Avogadro sayısı için o dönem için oldukça doğru olan bir değer elde etti: 6,8 . 10 23 . Perrin ayrıca Brown parçacıklarının dikey dağılımını incelemek için bir mikroskop kullandı ( santimetre. AVOGADRO YASASI) ve yerçekiminin etkisine rağmen bunların çözelti içinde askıda kaldıklarını gösterdi. Perrin'in başka önemli eserleri de var. 1895'te katot ışınlarının negatif elektrik yükleri (elektronlar) olduğunu kanıtladı ve 1901'de ilk kez atomun gezegensel modelini önerdi. 1926'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
Perrin'in elde ettiği sonuçlar Einstein'ın teorik sonuçlarını doğruladı. Güçlü bir izlenim bıraktı. Amerikalı fizikçi A. Pais'in yıllar sonra yazdığı gibi, “Bu kadar basit bir şekilde elde edilen bu sonuca şaşırmaktan asla vazgeçemezsiniz: boyutu, boyutuna göre büyük olan bir top süspansiyonu hazırlamak yeterlidir. Basit moleküllerden oluşan bir kronometre ve mikroskop alın ve Avogadro sabitini belirleyebilirsiniz! İnsan başka bir şeye şaşırabilir: hâlâ bilimsel dergiler(Doğa, Bilim, Kimya Eğitimi Dergisi) Brown hareketi üzerine yeni deneylerin açıklamaları zaman zaman ortaya çıkıyor! Perrin'in sonuçlarının yayınlanmasının ardından, atomculuğun eski bir muhalifi olan Ostwald şunu itiraf etti: "Brown hareketinin kinetik hipotezin gereklilikleri ile örtüşmesi... artık en ihtiyatlı bilim adamına atom teorisinin deneysel kanıtı hakkında konuşma hakkı veriyor." maddenin. Böylece atom teorisi bilimsel, sağlam temellere dayanan bir teori mertebesine yükseltildi.” Fransız matematikçi ve fizikçi Henri Poincaré de aynı fikirde: "Perrin'in atom sayısını parlak bir şekilde belirlemesi atomculuğun zaferini tamamladı... Kimyagerlerin atomu artık bir gerçek haline geldi."
Brown hareketi ve difüzyon.
Brownian parçacıklarının hareketi, görünüş olarak bireysel moleküllerin termal hareketlerinin bir sonucu olarak hareketine çok benzer. Bu harekete difüzyon denir. Smoluchowski ve Einstein'ın çalışmalarından önce bile, moleküler hareket yasaları, maddenin gaz halindeki en basit durumunda oluşturulmuştu. Gazlardaki moleküllerin bir mermi hızında çok hızlı hareket ettiği, ancak diğer moleküllerle sıklıkla çarpıştıkları için uzağa uçamadıkları ortaya çıktı. Örneğin, ortalama 500 m/s hızla hareket eden havadaki oksijen ve nitrojen molekülleri, her saniyede bir milyardan fazla çarpışmaya maruz kalır. Dolayısıyla molekülün yolu, eğer onu takip etmek mümkün olsaydı, karmaşık, kesikli bir çizgi olurdu. Brownian parçacıkları da eğer konumları belirli zaman aralıklarında kaydedilirse benzer bir yörüngeyi tanımlar. Hem difüzyon hem de Brown hareketi, moleküllerin kaotik termal hareketinin bir sonucudur ve bu nedenle benzer matematiksel ilişkilerle tanımlanır. Aradaki fark, gazlardaki moleküllerin diğer moleküllerle çarpışıncaya kadar düz bir çizgide hareket etmeleri ve daha sonra yön değiştirmeleridir. Brownian parçacığı, bir molekülden farklı olarak herhangi bir "serbest uçuş" gerçekleştirmez, ancak çok sık küçük ve düzensiz "titreşimler" yaşar, bunun sonucunda kaotik bir şekilde bir yöne veya diğerine doğru kayar. Hesaplamalar, 0,1 µm büyüklüğündeki bir parçacık için, yalnızca 0,5 nm'lik (1 nm = 0,001 µm) bir mesafe boyunca saniyenin üç milyarda birinde bir hareketin meydana geldiğini göstermiştir. Bir yazarın yerinde bir şekilde ifade ettiği gibi, bu hareket etmeyi anımsatıyor boş tenekeler Kalabalığın toplandığı meydanda bira altından.
Difüzyonu gözlemlemek Brown hareketinden çok daha kolaydır, çünkü mikroskop gerektirmez: hareketler tek tek parçacıkların değil, büyük kütlelerinin gözlenir; sadece difüzyonun konveksiyonla üst üste gelmediğinden emin olmanız gerekir - maddenin bir karışım olarak karıştırılması. girdap akışlarının sonucu (bu tür akışların fark edilmesi kolaydır, mürekkep gibi renkli bir çözeltinin bir damlasının bir bardak sıcak suya damlatılması).
Difüzyonun kalın jellerde gözlemlenmesi uygundur. Böyle bir jel, örneğin bir penisilin kavanozunda, içinde% 4-5'lik bir jelatin çözeltisi hazırlanarak hazırlanabilir. Jelatin önce birkaç saat şişmeli, ardından kavanozun içine indirilerek karıştırılarak tamamen eritilmelidir. sıcak su. Soğutulduktan sonra şeffaf, hafif bulanık bir kütle şeklinde akmayan bir jel elde edilir. Keskin bir cımbız kullanarak, bu kütlenin merkezine küçük bir potasyum permanganat kristali ("potasyum permanganat") dikkatlice yerleştirirseniz, jel düşmesini engellediği için kristal kaldığı yerde asılı kalacaktır. Birkaç dakika içinde kristalin çevresinde renkli bir kristal büyümeye başlayacak. mor Top, zamanla kavanozun duvarları şeklini bozana kadar büyür ve büyür. Aynı sonuç bir bakır sülfat kristali kullanılarak elde edilebilir, ancak bu durumda top mor değil mavi olur.
Topun neden ortaya çıktığı açık: MnO 4 - kristal çözündüğünde oluşan iyonlar çözeltiye girer (jel esas olarak sudur) ve difüzyonun bir sonucu olarak her yöne eşit şekilde hareket eder, yerçekiminin topun üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur. difüzyon hızı. Sıvıdaki difüzyon çok yavaştır: Topun birkaç santimetre büyümesi saatler alacaktır. Gazlarda difüzyon çok daha hızlı gerçekleşir, ancak yine de hava karıştırılmamışsa parfüm kokusu veya amonyak saatlerce odaya yayıldı.
Brownian hareket teorisi: rastgele yürüyüşler.
Smoluchowski-Einstein teorisi hem difüzyon hem de Brown hareketinin yasalarını açıklar. Bu modelleri difüzyon örneğini kullanarak düşünebiliriz. Molekülün hızı ise sen, sonra zamanda düz bir çizgide hareket ederek T mesafeye gidecek L = dışarı ancak diğer moleküllerle çarpışması nedeniyle bu molekül düz bir çizgide hareket etmez, sürekli olarak hareketinin yönünü değiştirir. Eğer bir molekülün yolunun taslağını çizmek mümkün olsaydı, Perrin'in elde ettiği çizimlerden temelde hiçbir farkı olmazdı. Bu rakamlardan, kaotik hareket nedeniyle molekülün belirli bir mesafe kadar yer değiştirdiği açıktır. S, önemli ölçüde daha az L. Bu miktarlar ilişkiyle ilişkilidir S= , burada l bir molekülün bir çarpışmadan diğerine uçtuğu mesafedir, ortalama serbest yol. Ölçümler, normal atmosferik basınçtaki hava molekülleri için l ~ 0,1 μm olduğunu göstermiştir; bu, 500 m/s hızla bir nitrojen veya oksijen molekülünün bu mesafeyi 10.000 saniyede (üç saatten az) kat edeceği anlamına gelir. L= 5000 km ve orijinal konumundan yalnızca S= 0,7 m (70 cm), bu nedenle maddeler gazlarda bile difüzyon nedeniyle çok yavaş hareket eder.
Bir molekülün difüzyon sonucu izlediği yola (veya Brownian parçacığının yoluna) rastgele yürüyüş adı verilir. Esprili fizikçiler bu ifadeyi bir sarhoşun yürüyüşü - "sarhoşun yolu" olarak yeniden yorumladılar. Aslında bir parçacığın bir konumdan diğerine hareketi (ya da birçok çarpışmaya uğrayan bir molekülün yolu) sarhoş bir insanın hareketine benzer. Üstelik, bu benzetme aynı zamanda böyle bir sürecin temel denkleminin, üç boyutluya genelleştirilmesi kolay olan tek boyutlu hareket örneğine dayalı olduğu sonucuna varılmasına da olanak tanır.
Sarhoş bir denizcinin gece geç saatlerde bir meyhaneden çıkıp caddeye doğru ilerlediğini varsayalım. En yakın fenere giden yolu yürüdükten sonra dinlendi ve gitti... ya daha ileri, bir sonraki fenere ya da meyhaneye geri döndü - sonuçta nereden geldiğini hatırlamıyor. Sorun şu ki, kabaktan ayrılacak mı, yoksa onun etrafında dolaşıp kâh uzaklaşıp kâh ona yaklaşacak mı? (Sorunun bir başka versiyonu, sokak lambalarının bittiği sokağın her iki ucunda da kirli hendeklerin bulunduğunu belirtir ve denizcinin bunlardan birine düşmekten kurtulup kurtulamayacağını sorar.) Sezgisel olarak ikinci cevabın doğru olduğu görülüyor. Ancak bu yanlıştır: Görünüşe göre denizci, yalnızca tek yönde yürümesinden çok daha yavaş olsa da, yavaş yavaş sıfır noktasından giderek uzaklaşacaktır. İşte bunu nasıl kanıtlayacağınız.
İlk kez en yakın lambaya (sağa veya sola) geçtikten sonra denizci belli bir mesafede olacaktır. S 1 = ± l başlangıç noktasından itibaren. Yönüyle değil, sadece bu noktaya olan uzaklığıyla ilgilendiğimiz için şu ifadenin karesini alarak işaretlerden kurtulacağız: S 1 2 = l 2. Bir süre sonra denizci, çoktan tamamlamış N"gezinmek", uzakta olacak
N= başından beri. Ve yine (tek yönde) uzaktaki en yakın fenere doğru yürüdükten sonra N+1 = N± l veya yer değiştirmenin karesi kullanılarak, S 2 N+1 = S 2 N± 2 N l + l 2. Eğer denizci bu hareketi birçok kez tekrarlıyorsa (başlangıçtan itibaren) Nönce N+1), daha sonra ortalama alma sonucunda (eşit olasılıkla geçer) N sağa veya sola doğru adım), terim ± 2 Nİptal edeceğim, yani s 2 N+1 = s2 N+ l 2> (köşeli parantez ortalama değeri gösterir.) L = 3600 m = 3,6 km iken, aynı süre için sıfır noktasından itibaren yer değiştirme sadece S= = 190 m Üç saat içinde geçecek L= 10,8 km ve kayacak S= 330 m, vb.
İş sen Ortaya çıkan formüldeki l, İrlandalı fizikçi ve matematikçi George Gabriel Stokes (1819–1903) tarafından gösterildiği gibi, ortamın parçacık boyutuna ve viskozitesine bağlı olan difüzyon katsayısı ile karşılaştırılabilir. Benzer düşüncelere dayanarak Einstein denklemini türetti.
Gerçek hayatta Brown hareketi teorisi.
Rastgele yürüyüşler teorisinin önemli pratik uygulamaları vardır. Yer işaretlerinin yokluğunda (güneş, yıldızlar, otoyol gürültüsü veya demiryolu vb.) bir kişi ormanda, kar fırtınasında bir tarlada veya yoğun siste daireler çizerek dolaşır ve her zaman geri döner. eski yer. Aslında daireler çizerek yürümez, ancak moleküllerin veya Brown parçacıklarının hareketiyle yaklaşık olarak aynı şekilde hareket eder. Orijinal yerine dönebilir, ancak yalnızca şans eseri. Ama yolu birçok kez kesişiyor. Ayrıca kar fırtınasında donmuş insanların en yakın konut veya yoldan "birkaç kilometre" uzakta bulunduğunu, ancak gerçekte kişinin bu kilometreyi yürüme şansının olmadığını söylüyorlar ve işte nedeni bu.
Bir kişinin rastgele yürüyüşler sonucunda ne kadar kayacağını hesaplamak için l'nin değerini bilmeniz gerekir; Bir kişinin herhangi bir yer işareti olmadan düz bir çizgide yürüyebileceği mesafe. Bu değer, Jeoloji ve Mineraloji Bilimleri Doktoru B.S. Gorobets tarafından gönüllü öğrenci yardımıyla ölçülmüştür. Elbette onları yoğun bir ormanda veya karla kaplı bir sahada bırakmadı, her şey daha basitti - öğrenci boş bir stadyumun ortasına yerleştirildi, gözleri bağlandı ve futbol sahasının sonuna kadar yürümesi istendi. tam sessizlik (seslere göre yönlendirmeyi hariç tutmak için). Öğrencinin ortalama olarak yalnızca 20 metre kadar düz bir çizgide yürüdüğü (ideal düz çizgiden sapma 5°'yi geçmiyordu) ve daha sonra orijinal yönden giderek daha fazla sapmaya başladığı ortaya çıktı. Sonunda kenara ulaşmaktan çok uzakta durdu.
Şimdi bir kişinin ormanda saatte 2 kilometre hızla yürümesine (veya daha doğrusu dolaşmasına) izin verin (bir yol için bu çok yavaştır, ancak yoğun bir orman için çok hızlıdır), o zaman l'nin değeri 20 ise metre, sonra bir saat içinde 2 km kat edecek, ancak yalnızca 200 m, iki saatte - yaklaşık 280 m, üç saatte - 350 m, 4 saatte - 400 m vb. Hareket edecek. Ve düz bir çizgide hareket edecek Böyle bir hız, bir kişi 4 saatte 8 kilometre yürür, bu nedenle saha çalışmasına yönelik güvenlik talimatlarında şu kural vardır: Yer işaretleri kaybolursa, yerinde kalmanız, bir barınak kurmanız ve sonunu beklemeniz gerekir. kötü hava koşulları (güneş çıkabilir) veya yardım için. Ormanda, yer işaretleri - ağaçlar veya çalılar - düz bir çizgide hareket etmenize yardımcı olacaktır ve her seferinde biri önde, diğeri arkada olmak üzere bu tür iki yer işaretine bağlı kalmanız gerekir. Ama tabii ki yanınıza pusula almak en iyisi...
Ilya Leenson
Edebiyat:
Mario Liozzi. Fizik tarihi. M., Mir, 1970
Kerker M. Brown Hareketleri ve 1900 Öncesi Moleküler Gerçeklik. Kimya Eğitimi Dergisi, 1974, cilt. 51, Sayı 12
Leenson I.A. Kimyasal reaksiyonlar
. M., Astrel, 2002
İskoç botanikçi Robert Brown (bazen soyadı Brown olarak yazılır) yaşamı boyunca en iyi bitki uzmanı olarak “Botanikçilerin Prensi” unvanını aldı. Birçok harika keşif yaptı. 1805 yılında, Avustralya'ya yaptığı dört yıllık bir keşif gezisinden sonra, bilim adamlarının bilmediği yaklaşık 4.000 Avustralya bitki türünü İngiltere'ye getirdi ve bunları incelemek için uzun yıllar harcadı. Endonezya ve Orta Afrika'dan getirilen açıklanan bitkiler. Bitki fizyolojisini inceledi ve ilk kez bir bitki hücresinin çekirdeğini ayrıntılı olarak tanımladı. St. Petersburg Bilimler Akademisi onu fahri üye yaptı. Ancak bilim adamının adı artık bu çalışmalardan dolayı yaygın olarak biliniyor.
1827'de Brown bitki poleni üzerine araştırma yaptı. Özellikle polenin döllenme sürecine nasıl katıldığıyla ilgileniyordu. Bir defasında Kuzey Amerika bitkisindeki polen hücrelerine mikroskop altında baktı. Clarkia pulchella(güzel clarkia) suda asılı duran uzun sitoplazmik taneler. Aniden Brown, bir su damlasında zar zor görülebilen en küçük katı taneciklerin sürekli titrediğini ve bir yerden bir yere hareket ettiğini gördü. Kendi sözleriyle bu hareketlerin "sıvıdaki akışlarla ya da sıvının kademeli buharlaşmasıyla ilişkili olmadığını, parçacıkların doğasında var olduğunu" buldu.
Brown'ın gözlemi diğer bilim adamları tarafından da doğrulandı. En küçük parçacıklar sanki canlıymış gibi davrandı ve parçacıkların "dansı" artan sıcaklıkla ve parçacık boyutunun küçülmesiyle hızlandı ve suyun daha viskoz bir ortamla değiştirilmesiyle açıkça yavaşladı. Bu şaşırtıcı olay hiç durmadı; istenildiği kadar gözlemlenebilirdi. Brown ilk başta canlıların aslında mikroskobun alanına düştüğünü bile düşündü, özellikle de polen bitkilerin erkek üreme hücreleri olduğundan, ancak ölü bitkilerden, hatta yüz yıl önce herbaryumlarda kurutulmuş olanlardan bile parçacıklar vardı. Daha sonra Brown, bunların "canlıların temel molekülleri" olup olmadığını düşündü ve 36 ciltlik bir kitabın yazarı olan ünlü Fransız doğa bilimci Georges Buffon'un (1707-1788) bahsettiği şey buydu. Doğal Tarih. Brown görünüşte cansız nesneleri incelemeye başladığında bu varsayım ortadan kalktı; ilk başta bunlar çok küçük kömür parçacıklarının yanı sıra Londra havasından gelen kurum ve tozdu, sonra ince öğütülmüş inorganik maddelerdi: cam, birçok farklı mineral. "Aktif moleküller" her yerdeydi: "Bir süre suda asılı kalabilecek kadar toz haline getirmeyi başardığım her mineralde" diye yazdı Brown, az ya da çok miktarlarda bu molekülleri buldum. "
Brown'un en son mikroskoplardan hiçbirine sahip olmadığı söylenmelidir. Makalesinde, birkaç yıldır kullandığı sıradan bikonveks merceklere sahip olduğunu özellikle vurguluyor. Ve şöyle devam ediyor: "İfadelerime daha fazla inandırıcılık kazandırmak ve onları sıradan gözlemler için mümkün olduğunca erişilebilir kılmak amacıyla, tüm çalışma boyunca çalışmaya başladığım mercekleri kullanmaya devam ettim."
Şimdi, Brown'un gözlemini tekrarlamak gerekirse, çok güçlü olmayan bir mikroskoba sahip olmak ve onu, yan taraftaki bir delikten yoğun bir ışık huzmesi ile aydınlatılan karartılmış bir kutudaki dumanı incelemek için kullanmak yeterlidir. Bu olay gazda, sıvıya göre çok daha net bir şekilde kendini gösterir: küçük kül veya is parçacıkları (dumanın kaynağına bağlı olarak) görülebilir, ışık saçar ve sürekli olarak ileri geri sıçrar.
Bilimde sık sık olduğu gibi, yıllar sonra tarihçiler, mikroskobun mucidi Hollandalı Antonie Leeuwenhoek'in 1670 yılında benzer bir olguyu gözlemlediğini ancak mikroskopların nadirliği ve kusurluluğu, o dönemde moleküler bilimin embriyonik durumu olduğunu keşfettiler. Leeuwenhoek'in gözlemi dikkat çekmedi, bu nedenle keşif haklı olarak onu ilk kez inceleyen ve ayrıntılı olarak açıklayan Brown'a atfediliyor.
Brown hareketi ve atomik-moleküler teori.
Brown'un gözlemlediği olay kısa sürede geniş çapta tanındı. Kendisi deneylerini çok sayıda meslektaşına gösterdi (Brown iki düzine isim listeliyor). Ancak ne Brown ne de diğer birçok bilim insanı uzun yıllar boyunca “Brown hareketi” olarak adlandırılan bu gizemli olguyu açıklayamadı. Parçacıkların hareketleri tamamen rastgeleydi: Zamanın farklı noktalarında (örneğin her dakika) konumlarının çizimleri, ilk bakışta bu hareketlerde herhangi bir desen bulmayı mümkün kılmıyordu.
Brown hareketinin (bu fenomene böyle adlandırılıyordu) görünmez moleküllerin hareketiyle açıklanması ancak 19. yüzyılın son çeyreğinde yapıldı, ancak tüm bilim adamları tarafından hemen kabul edilmedi. 1863 yılında, Karlsruhe'den (Almanya) tanımlayıcı geometri öğretmeni Ludwig Christian Wiener (1826-1896), bu fenomenin görünmez atomların salınım hareketleriyle ilişkili olduğunu öne sürdü. Bu, Brown hareketinin modern olmaktan çok uzak olmasına rağmen atomların ve moleküllerin özellikleriyle açıklandığı ilk açıklamaydı. Wiener'in bu fenomeni maddenin yapısının sırlarına nüfuz etmek için kullanma fırsatını görmesi önemlidir. Brown parçacıklarının hareket hızını ve bunun boyutlarına bağlılığını ölçmeye çalışan ilk kişi oydu. İlginçtir ki 1921'de ABD Ulusal Bilimler Akademisi Raporları Sibernetiğin ünlü kurucusu başka bir Wiener - Norbert'in Brown hareketi üzerine bir çalışma yayınlandı.
L.K. Wiener'in fikirleri bir dizi bilim adamı tarafından kabul edildi ve geliştirildi - Avusturya'da Sigmund Exner (ve 33 yıl sonra - oğlu Felix), İtalya'da Giovanni Cantoni, Almanya'da Karl Wilhelm Negeli, Fransa'da Louis Georges Gouy, üç Belçikalı rahip. - Cizvitler Carbonelli, Delso ve Tirion ve diğerleri. Bu bilim adamları arasında daha sonra ünlü İngiliz fizikçi ve kimyager William Ramsay da vardı. Yavaş yavaş, en küçük madde taneciklerinin, artık mikroskopla görülemeyen daha da küçük parçacıklar tarafından her yönden vurulduğu açıklığa kavuştu; tıpkı uzaktaki bir tekneyi sallayan dalgaların kıyıdan görülememesi ve teknenin hareketleri gibi. kendisi oldukça net bir şekilde görülüyor. 1877'deki makalelerden birinde yazdıkları gibi, "...büyük sayılar yasası artık çarpışmaların etkisini ortalama tekdüze basınca indirmiyor; sonuçları artık sıfıra eşit olmayacak, sürekli olarak yönünü ve yönünü değiştirecek" büyüklük."
Niteliksel olarak, resim oldukça makul ve hatta görseldi. Birçok karınca tarafından farklı yönlere itilen (veya çekilen) küçük bir dal veya böcek yaklaşık olarak aynı şekilde hareket etmelidir. Bu daha küçük parçacıklar aslında bilim adamlarının sözlüğündeydi ama onları daha önce kimse görmemişti. Onlara molekül deniyordu; Latince'den tercüme edilen bu kelime "küçük kütle" anlamına gelir. Şaşırtıcı bir şekilde bu, Romalı filozof Titus Lucretius Carus'un (M.Ö. 99-55) ünlü şiirinde benzer bir olguya verdiği açıklamanın aynısıdır. Şeylerin doğası hakkında. İçinde gözle görülmeyen en küçük parçacıklara, şeylerin "ilkel ilkeleri" adını veriyor.
Şeylerin ilkeleri önce kendilerini hareket ettirir,
Onları en küçük bileşimlerinden oluşan bedenler takip ediyor.
Bir bakıma temel ilkelere yakın,
Onlardan saklanarak, şoklara maruz kalarak çabalamaya başlarlar,
Daha sonra kendilerini daha büyük bedenlere hareket ettirmeye teşvik ediyorlar.
Yani en baştan başlayarak hareket yavaş yavaş
Duygularımıza dokunuyor ve görünür oluyor
Bize ve güneş ışığında hareket eden toz zerrelerine,
Her ne kadar meydana gelen sarsıntılar algılanamaz olsa da...
Daha sonra Lucretius'un yanıldığı ortaya çıktı: Brownian hareketini çıplak gözle gözlemlemek imkansızdır ve karanlık bir odaya giren güneş ışınındaki toz parçacıkları, havanın girdap hareketleri nedeniyle "dans eder". Ancak dışarıdan bakıldığında her iki olgunun da bazı benzerlikleri var. Ve sadece 19. yüzyılda. Brown parçacıklarının hareketinin, ortamdaki moleküllerin rastgele etkilerinden kaynaklandığı birçok bilim adamı için açık hale geldi. Hareket eden moleküller sudaki toz parçacıkları ve diğer katı parçacıklarla çarpışır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa hareket o kadar hızlı olur. Örneğin bir toz zerresi büyükse, örneğin 0,1 mm boyutundaysa (çap, bir su molekülününkinden milyon kat daha büyükse), o zaman her taraftan gelen eşzamanlı birçok etki karşılıklı olarak dengelenir ve pratikte onları "hissedin" - yaklaşık olarak plaka büyüklüğündeki bir tahta parçasının, onu farklı yönlere çekecek veya itecek birçok karıncanın çabalarını "hissetmeyeceği" gibi. Toz parçacığı nispeten küçükse, çevredeki moleküllerden gelen darbelerin etkisi altında bir yönde veya diğer yönde hareket edecektir.
Brown parçacıklarının boyutu 0,1–1 μm civarındadır, yani. Milimetrenin binde birinden on binde birine kadar, bu yüzden Brown onların hareketini ayırt edebildi çünkü polenin kendisine değil (ki bu genellikle yanlışlıkla hakkında yazılır) küçük sitoplazmik tanelere bakıyordu. Sorun polen hücrelerinin çok büyük olmasıdır. Böylece rüzgarla taşınan ve insanlarda alerjik hastalıklara (saman nezlesi) neden olan çayır otu poleninde hücre boyutu genellikle 20 – 50 mikron aralığında yani. Brown hareketini gözlemleyemeyecek kadar büyükler. Bir Brown parçacığının bireysel hareketlerinin çok sık ve çok kısa mesafelerde meydana geldiğini, bu nedenle onları görmenin imkansız olduğunu, ancak belirli bir süre boyunca meydana gelen hareketlerin mikroskop altında görülebildiğini belirtmek de önemlidir.
Görünüşe göre Brown hareketinin varlığı, maddenin moleküler yapısını açıkça kanıtladı, ancak 20. yüzyılın başında bile. Moleküllerin varlığına inanmayan fizikçiler ve kimyagerler de dahil olmak üzere bilim adamları vardı. Atomik-moleküler teori ancak yavaş yavaş ve zorlukla kabul görmeye başladı. Bu nedenle, önde gelen Fransız organik kimyager Marcelin Berthelot (1827–1907) şunları yazdı: "Bilgilerimiz açısından molekül kavramı belirsizdir, oysa başka bir kavram - atom - tamamen varsayımsaldır." Ünlü Fransız kimyager A. Saint-Clair Deville (1818–1881) daha da net bir şekilde konuştu: “Avogadro yasasını, atomu veya molekülü kabul etmiyorum çünkü göremediğim ve gözlemleyemediğim şeye inanmayı reddediyorum. ” Ve Alman fiziksel kimyager Wilhelm Ostwald (1853–1932), Nobel Ödülü sahibi, fiziksel kimyanın kurucularından biri, 20. yüzyılın başlarında. atomun varlığını kesin bir dille reddetti. İçinde “atom” kelimesinin hiç geçmediği üç ciltlik bir kimya ders kitabı yazmayı başardı. 19 Nisan 1904'te Kraliyet Enstitüsü'nde İngiliz Kimya Derneği üyelerine sunduğu geniş bir raporla konuşan Ostwald, atomların var olmadığını ve "madde dediğimiz şeyin yalnızca belirli bir ortamda bir araya toplanmış enerjilerin toplamı olduğunu" kanıtlamaya çalıştı. yer."
Ancak moleküler teoriyi kabul eden fizikçiler bile atom-moleküler teorinin geçerliliğinin bu kadar basit bir şekilde kanıtlandığına inanamadılar ve bu olayı açıklamak için çeşitli alternatif nedenler öne sürüldü. Ve bu tamamen bilimin ruhuna uygundur: Bir olgunun nedeni kesin olarak tanımlanana kadar, mümkünse deneysel veya teorik olarak test edilmesi gereken çeşitli hipotezleri varsaymak mümkündür (ve hatta gereklidir). Böylece, 1905 yılında, ünlü akademisyen A.F. Ioffe'nin öğretmeni St. Petersburg fizik profesörü N.A. Gezekhus'un kısa bir makalesi Brockhaus ve Efron Ansiklopedik Sözlüğü'nde yayınlandı. Gesehus, bazı bilim adamlarına göre Brown hareketinin "bir sıvının içinden geçen ışık veya ısı ışınlarının" neden olduğunu ve "bir sıvı içindeki, moleküllerin hareketleriyle hiçbir ilgisi olmayan basit akışlara" indirgendiğini ve bu akışların "bir sıvının içinden geçen ışık veya ısı ışınlarından" kaynaklandığını yazdı. “buharlaşma, difüzyon ve diğer sebeplerden” kaynaklanabilir. Sonuçta, havadaki toz parçacıklarının çok benzer bir hareketinin tam olarak girdap akışlarından kaynaklandığı zaten biliniyordu. Ancak Gesehus'un yaptığı açıklama deneysel olarak kolayca çürütülebilir: Birbirine çok yakın bulunan iki Brown parçacığına güçlü bir mikroskopla bakarsanız, hareketlerinin tamamen bağımsız olduğu ortaya çıkacaktır. Eğer bu hareketler sıvıdaki herhangi bir akıştan kaynaklanıyorsa, o zaman komşu parçacıklar uyum içinde hareket edeceklerdir.
Brown hareketi teorisi.
20. yüzyılın başında. çoğu bilim adamı Brown hareketinin moleküler doğasını anladı. Ancak tüm açıklamalar tamamen niteliksel olarak kaldı; hiçbir niceliksel teori deneysel testlere dayanamadı. Buna ek olarak, deney sonuçları da belirsizdi: Durmaksızın koşan parçacıkların fantastik görüntüsü, deneycileri hipnotize etti ve onlar, olgunun hangi özelliklerinin ölçülmesi gerektiğini tam olarak bilmiyorlardı.
Görünen tam düzensizliğe rağmen Brown parçacıklarının rastgele hareketlerini matematiksel bir ilişkiyle tanımlamak hâlâ mümkündü. Brown hareketinin ayrıntılı bir açıklaması ilk kez 1904 yılında, o yıllarda Lviv Üniversitesi'nde çalışan Polonyalı fizikçi Marian Smoluchowski (1872–1917) tarafından yapılmıştır. Aynı zamanda, bu fenomenin teorisi, İsviçre'nin Bern şehrinin Patent Ofisinde o zamanlar az tanınan 2. sınıf bir uzman olan Albert Einstein (1879–1955) tarafından geliştirildi. Mayıs 1905'te Alman Annalen der Physik dergisinde yayınlanan makalesi şu başlığı taşıyordu: Moleküler kinetik ısı teorisinin gerektirdiği, hareketsiz bir sıvı içinde asılı duran parçacıkların hareketi hakkında. Bu isimle Einstein, maddenin yapısına ilişkin moleküler kinetik teorisinin, sıvılardaki en küçük katı parçacıkların rastgele hareketinin varlığını zorunlu olarak ima ettiğini göstermek istiyordu.
Einstein'ın bu makalenin en başında yüzeysel de olsa bu fenomene aşina olduğunu yazması ilginçtir: "Söz konusu hareketlerin sözde Brown moleküler hareketi ile aynı olması mümkündür, ancak mevcut veriler Bana göre ikincisi o kadar yanlış ki, bu kesin bir görüş formüle edemedim. Ve onlarca yıl sonra, zaten ileri yaşlarında, Einstein anılarında farklı bir şey yazdı - Brown hareketi hakkında hiçbir şey bilmediğini ve aslında onu tamamen teorik olarak "yeniden keşfettiğini": "'Brown hareketi' gözlemlerinin uzun süredir araştırıldığını bilmemek" Bildiğim kadarıyla, atom teorisinin mikroskobik asılı parçacıkların gözlemlenebilir hareketinin varlığına yol açtığını keşfettim." Ne olursa olsun, Einstein'ın teorik makalesi, deneycilere sonuçlarını deneysel olarak test etmeleri için doğrudan bir çağrıyla sona erdi: "Eğer herhangi bir araştırmacı yakın zamanda cevap verebilirse burada ortaya çıkan sorular sorular!" – makalesini alışılmadık bir ünlemle bitiriyor.
Einstein'ın tutkulu çağrısına yanıt çok uzun sürmedi.
Smoluchowski-Einstein teorisine göre, bir Brown parçacığının kare yer değiştirmesinin ortalama değeri ( S 2) zaman için T sıcaklıkla doğru orantılı T ve sıvının viskozitesi h, parçacık boyutu ile ters orantılıdır R ve Avogadro sabiti
N A: S 2 = 2RT/6saat rN A,
Nerede R- Gaz sabiti. Yani, 1 μm çapındaki bir parçacık 1 dakikada 10 μm hareket ederse, o zaman 9 dakikada - 10 = 30 μm, 25 dakikada - 10 = 50 μm vb. Benzer koşullar altında, çapı 0,25 μm olan bir parçacık, aynı sürelerde (1, 9 ve 25 dakika) = 2 olduğundan sırasıyla 20, 60 ve 100 μm hareket edecektir. Yukarıdaki formülün aşağıdakileri içermesi önemlidir: Avogadro sabiti, Fransız fizikçi Jean Baptiste Perrin (1870–1942) tarafından Brownian parçacığının hareketinin niceliksel ölçümleriyle belirlenebilir.
1908'de Perrin, Brown parçacıklarının hareketinin mikroskop altında niceliksel gözlemlerine başladı. 1902'de icat edilen ve güçlü bir yan aydınlatıcıdan üzerlerine ışık saçarak en küçük parçacıkları tespit etmeyi mümkün kılan bir ultramikroskop kullandı. Perrin, bazı tropik ağaçların yoğunlaştırılmış özsuyu olan sakızdan neredeyse küresel şekilli ve yaklaşık olarak aynı büyüklükte küçük toplar elde etti (aynı zamanda sarı sulu boya boyası olarak da kullanılır). Bu minik boncuklar %12 su içeren gliserol içinde süspanse edildi; viskoz sıvı, içinde resmi bulanıklaştıracak iç akışların ortaya çıkmasını engelledi. Elinde bir kronometre olan Perrin, parçacıkların konumunu düzenli aralıklarla, örneğin her yarım dakikada bir, kaydetti ve ardından grafikli bir kağıt üzerine (tabii ki çok büyütülmüş bir ölçekte) çizdi. Ortaya çıkan noktaları düz çizgilerle birleştirerek karmaşık yörüngeler elde etti; bunlardan bazıları şekilde gösterilmiştir (bunlar Perrin'in kitabından alınmıştır). Atomlar 1920'de Paris'te yayınlandı). Parçacıkların böylesine kaotik, düzensiz hareketi, uzayda oldukça yavaş hareket etmelerine yol açar: bölümlerin toplamı, parçacığın ilk noktadan son noktaya kadar yer değiştirmesinden çok daha fazladır.
Üç Brownian parçacığının (yaklaşık 1 mikron boyutunda sakız topları) her 30 saniyede bir ardışık konumları. Bir hücre 3 µm'lik bir mesafeye karşılık gelir. Perrin Brown parçacıklarının konumunu 30 saniye sonra değil de 3 saniye sonra belirleyebilseydi, her bir komşu nokta arasındaki düz çizgiler aynı karmaşık zikzak kesikli çizgiye, ancak daha küçük ölçekte dönüşecekti.
Perrin, teorik formülü ve sonuçlarını kullanarak Avogadro sayısı için o dönem için oldukça doğru olan bir değer elde etti: 6,8 . 10 23 . Perrin ayrıca Brown parçacıklarının dikey dağılımını incelemek için bir mikroskop kullandı ( santimetre. AVOGADRO YASASI) ve yerçekiminin etkisine rağmen bunların çözelti içinde askıda kaldıklarını gösterdi. Perrin'in başka önemli eserleri de var. 1895'te katot ışınlarının negatif elektrik yükleri (elektronlar) olduğunu kanıtladı ve 1901'de ilk kez atomun gezegensel modelini önerdi. 1926'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
Perrin'in elde ettiği sonuçlar Einstein'ın teorik sonuçlarını doğruladı. Güçlü bir izlenim bıraktı. Amerikalı fizikçi A. Pais'in yıllar sonra yazdığı gibi, “Bu kadar basit bir şekilde elde edilen bu sonuca şaşırmaktan asla vazgeçemezsiniz: boyutu, boyutuna göre büyük olan bir top süspansiyonu hazırlamak yeterlidir. Basit moleküllerden oluşan bir kronometre ve mikroskop alın ve Avogadro sabitini belirleyebilirsiniz! Ayrıca şaşırabilirsiniz: Brown hareketi üzerine yeni deneylerin açıklamaları hala zaman zaman bilimsel dergilerde (Nature, Science, Journal of Chemical Education) yer alıyor! Perrin'in sonuçlarının yayınlanmasının ardından, atomculuğun eski bir muhalifi olan Ostwald şunu itiraf etti: "Brown hareketinin kinetik hipotezin gereklilikleri ile örtüşmesi... artık en ihtiyatlı bilim adamına atom teorisinin deneysel kanıtı hakkında konuşma hakkı veriyor." maddenin. Böylece atom teorisi bilimsel, sağlam temellere dayanan bir teori mertebesine yükseltildi.” Fransız matematikçi ve fizikçi Henri Poincaré de aynı fikirde: "Perrin'in atom sayısını parlak bir şekilde belirlemesi atomculuğun zaferini tamamladı... Kimyagerlerin atomu artık bir gerçek haline geldi."
Brown hareketi ve difüzyon.
Brownian parçacıklarının hareketi, görünüş olarak bireysel moleküllerin termal hareketlerinin bir sonucu olarak hareketine çok benzer. Bu harekete difüzyon denir. Smoluchowski ve Einstein'ın çalışmalarından önce bile, moleküler hareket yasaları, maddenin gaz halindeki en basit durumunda oluşturulmuştu. Gazlardaki moleküllerin bir mermi hızında çok hızlı hareket ettiği, ancak diğer moleküllerle sıklıkla çarpıştıkları için uzağa uçamadıkları ortaya çıktı. Örneğin, ortalama 500 m/s hızla hareket eden havadaki oksijen ve nitrojen molekülleri, her saniyede bir milyardan fazla çarpışmaya maruz kalır. Dolayısıyla molekülün yolu, eğer onu takip etmek mümkün olsaydı, karmaşık, kesikli bir çizgi olurdu. Brownian parçacıkları da eğer konumları belirli zaman aralıklarında kaydedilirse benzer bir yörüngeyi tanımlar. Hem difüzyon hem de Brown hareketi, moleküllerin kaotik termal hareketinin bir sonucudur ve bu nedenle benzer matematiksel ilişkilerle tanımlanır. Aradaki fark, gazlardaki moleküllerin diğer moleküllerle çarpışıncaya kadar düz bir çizgide hareket etmeleri ve daha sonra yön değiştirmeleridir. Brownian parçacığı, bir molekülden farklı olarak herhangi bir "serbest uçuş" gerçekleştirmez, ancak çok sık küçük ve düzensiz "titreşimler" yaşar, bunun sonucunda kaotik bir şekilde bir yöne veya diğerine doğru kayar. Hesaplamalar, 0,1 µm büyüklüğündeki bir parçacık için, yalnızca 0,5 nm'lik (1 nm = 0,001 µm) bir mesafe boyunca saniyenin üç milyarda birinde bir hareketin meydana geldiğini göstermiştir. Bir yazarın çok yerinde ifade ettiği gibi bu, boş bir bira kutusunun, kalabalık insanların toplandığı bir meydanda hareket ettirilmesine benziyor.
Difüzyonu gözlemlemek Brown hareketinden çok daha kolaydır, çünkü mikroskop gerektirmez: hareketler tek tek parçacıkların değil, büyük kütlelerinin gözlenir; sadece difüzyonun konveksiyonla üst üste gelmediğinden emin olmanız gerekir - maddenin bir karışım olarak karıştırılması. girdap akışlarının sonucu (bu tür akışların fark edilmesi kolaydır, mürekkep gibi renkli bir çözeltinin bir damlasının bir bardak sıcak suya damlatılması).
Difüzyonun kalın jellerde gözlemlenmesi uygundur. Böyle bir jel, örneğin bir penisilin kavanozunda, içinde% 4-5'lik bir jelatin çözeltisi hazırlanarak hazırlanabilir. Jelatin önce birkaç saat şişmeli, ardından kavanoz sıcak suya indirilerek karıştırılarak tamamen eritilmelidir. Soğutulduktan sonra şeffaf, hafif bulanık bir kütle şeklinde akmayan bir jel elde edilir. Keskin bir cımbız kullanarak, bu kütlenin merkezine küçük bir potasyum permanganat kristali ("potasyum permanganat") dikkatlice yerleştirirseniz, jel düşmesini engellediği için kristal kaldığı yerde asılı kalacaktır. Birkaç dakika içinde kristalin etrafında mor renkli bir top büyümeye başlayacak; zamanla kavanozun duvarları şeklini bozana kadar giderek büyüyecek. Aynı sonuç bir bakır sülfat kristali kullanılarak elde edilebilir, ancak bu durumda top mor değil mavi olur.
Topun neden ortaya çıktığı açık: MnO 4 - kristal çözündüğünde oluşan iyonlar çözeltiye girer (jel esas olarak sudur) ve difüzyonun bir sonucu olarak her yöne eşit şekilde hareket eder, yerçekiminin topun üzerinde neredeyse hiçbir etkisi yoktur. difüzyon hızı. Sıvıdaki difüzyon çok yavaştır: Topun birkaç santimetre büyümesi saatler alacaktır. Gazlarda difüzyon çok daha hızlıdır ancak yine de hava karıştırılmasaydı parfüm veya amonyak kokusu saatlerce odaya yayılırdı.
Brownian hareket teorisi: rastgele yürüyüşler.
Smoluchowski-Einstein teorisi hem difüzyon hem de Brown hareketinin yasalarını açıklar. Bu modelleri difüzyon örneğini kullanarak düşünebiliriz. Molekülün hızı ise sen, sonra zamanda düz bir çizgide hareket ederek T mesafeye gidecek L = dışarı ancak diğer moleküllerle çarpışması nedeniyle bu molekül düz bir çizgide hareket etmez, sürekli olarak hareketinin yönünü değiştirir. Eğer bir molekülün yolunun taslağını çizmek mümkün olsaydı, Perrin'in elde ettiği çizimlerden temelde hiçbir farkı olmazdı. Bu rakamlardan, kaotik hareket nedeniyle molekülün belirli bir mesafe kadar yer değiştirdiği açıktır. S, önemli ölçüde daha az L. Bu miktarlar ilişkiyle ilişkilidir S= , burada l bir molekülün bir çarpışmadan diğerine uçtuğu mesafedir, ortalama serbest yol. Ölçümler, normal atmosferik basınçtaki hava molekülleri için l ~ 0,1 μm olduğunu göstermiştir; bu, 500 m/s hızla bir nitrojen veya oksijen molekülünün bu mesafeyi 10.000 saniyede (üç saatten az) kat edeceği anlamına gelir. L= 5000 km ve orijinal konumundan yalnızca S= 0,7 m (70 cm), bu nedenle maddeler gazlarda bile difüzyon nedeniyle çok yavaş hareket eder.
Bir molekülün difüzyon sonucu izlediği yola (veya Brownian parçacığının yoluna) rastgele yürüyüş adı verilir. Esprili fizikçiler bu ifadeyi bir sarhoşun yürüyüşü - "sarhoşun yolu" olarak yeniden yorumladılar. Aslında bir parçacığın bir konumdan diğerine hareketi (ya da birçok çarpışmaya uğrayan bir molekülün yolu) sarhoş bir insanın hareketine benzer. Üstelik, bu benzetme aynı zamanda böyle bir sürecin temel denkleminin, üç boyutluya genelleştirilmesi kolay olan tek boyutlu hareket örneğine dayalı olduğu sonucuna varılmasına da olanak tanır.
Sarhoş bir denizcinin gece geç saatlerde bir meyhaneden çıkıp caddeye doğru ilerlediğini varsayalım. En yakın fenere giden yolu yürüdükten sonra dinlendi ve gitti... ya daha ileri, bir sonraki fenere ya da meyhaneye geri döndü - sonuçta nereden geldiğini hatırlamıyor. Sorun şu ki, kabaktan ayrılacak mı, yoksa onun etrafında dolaşıp kâh uzaklaşıp kâh ona yaklaşacak mı? (Sorunun bir başka versiyonu, sokak lambalarının bittiği sokağın her iki ucunda da kirli hendeklerin bulunduğunu belirtir ve denizcinin bunlardan birine düşmekten kurtulup kurtulamayacağını sorar.) Sezgisel olarak ikinci cevabın doğru olduğu görülüyor. Ancak bu yanlıştır: Görünüşe göre denizci, yalnızca tek yönde yürümesinden çok daha yavaş olsa da, yavaş yavaş sıfır noktasından giderek uzaklaşacaktır. İşte bunu nasıl kanıtlayacağınız.
İlk kez en yakın lambaya (sağa veya sola) geçtikten sonra denizci belli bir mesafede olacaktır. S 1 = ± l başlangıç noktasından itibaren. Yönüyle değil, sadece bu noktaya olan uzaklığıyla ilgilendiğimiz için şu ifadenin karesini alarak işaretlerden kurtulacağız: S 1 2 = l 2. Bir süre sonra denizci, çoktan tamamlamış N"gezinmek", uzakta olacak
N= başından beri. Ve yine (tek yönde) uzaktaki en yakın fenere doğru yürüdükten sonra N+1 = N± l veya yer değiştirmenin karesi kullanılarak, S 2 N+1 = S 2 N± 2 N l + l 2. Eğer denizci bu hareketi birçok kez tekrarlıyorsa (başlangıçtan itibaren) Nönce N+1), daha sonra ortalama alma sonucunda (eşit olasılıkla geçer) N sağa veya sola doğru adım), terim ± 2 Nİptal edeceğim, yani s 2 N+1 = s2 N+ l 2> (köşeli parantez ortalama değeri gösterir.) L = 3600 m = 3,6 km iken, aynı süre için sıfır noktasından itibaren yer değiştirme sadece S= = 190 m Üç saat içinde geçecek L= 10,8 km ve kayacak S= 330 m, vb.
İş sen Ortaya çıkan formüldeki l, İrlandalı fizikçi ve matematikçi George Gabriel Stokes (1819–1903) tarafından gösterildiği gibi, ortamın parçacık boyutuna ve viskozitesine bağlı olan difüzyon katsayısı ile karşılaştırılabilir. Benzer düşüncelere dayanarak Einstein denklemini türetti.
Gerçek hayatta Brown hareketi teorisi.
Rastgele yürüyüşler teorisinin önemli pratik uygulamaları vardır. Yer işaretlerinin (güneş, yıldızlar, otoyol veya demiryolu gürültüsü vb.) yokluğunda, bir kişinin ormanda, kar fırtınasında bir tarlada veya yoğun siste daireler çizerek dolaştığını ve her zaman eski yerine geri döndüğünü söylüyorlar. orijinal yer. Aslında daireler çizerek yürümez, ancak moleküllerin veya Brown parçacıklarının hareketiyle yaklaşık olarak aynı şekilde hareket eder. Orijinal yerine dönebilir, ancak yalnızca şans eseri. Ama yolu birçok kez kesişiyor. Ayrıca kar fırtınasında donmuş insanların en yakın konut veya yoldan "birkaç kilometre" uzakta bulunduğunu, ancak gerçekte kişinin bu kilometreyi yürüme şansının olmadığını söylüyorlar ve işte nedeni bu.
Bir kişinin rastgele yürüyüşler sonucunda ne kadar kayacağını hesaplamak için l'nin değerini bilmeniz gerekir; Bir kişinin herhangi bir yer işareti olmadan düz bir çizgide yürüyebileceği mesafe. Bu değer, Jeoloji ve Mineraloji Bilimleri Doktoru B.S. Gorobets tarafından gönüllü öğrenci yardımıyla ölçülmüştür. Elbette onları yoğun bir ormanda veya karla kaplı bir sahada bırakmadı, her şey daha basitti - öğrenci boş bir stadyumun ortasına yerleştirildi, gözleri bağlandı ve futbol sahasının sonuna kadar yürümesi istendi. tam sessizlik (seslere göre yönlendirmeyi hariç tutmak için). Öğrencinin ortalama olarak yalnızca 20 metre kadar düz bir çizgide yürüdüğü (ideal düz çizgiden sapma 5°'yi geçmiyordu) ve daha sonra orijinal yönden giderek daha fazla sapmaya başladığı ortaya çıktı. Sonunda kenara ulaşmaktan çok uzakta durdu.
Şimdi bir kişinin ormanda saatte 2 kilometre hızla yürümesine (veya daha doğrusu dolaşmasına) izin verin (bir yol için bu çok yavaştır, ancak yoğun bir orman için çok hızlıdır), o zaman l'nin değeri 20 ise metre, sonra bir saat içinde 2 km kat edecek, ancak yalnızca 200 m, iki saatte - yaklaşık 280 m, üç saatte - 350 m, 4 saatte - 400 m vb. Hareket edecek. Ve düz bir çizgide hareket edecek Böyle bir hız, bir kişi 4 saatte 8 kilometre yürür, bu nedenle saha çalışmasına yönelik güvenlik talimatlarında şu kural vardır: Yer işaretleri kaybolursa, yerinde kalmanız, bir barınak kurmanız ve sonunu beklemeniz gerekir. kötü hava koşulları (güneş çıkabilir) veya yardım için. Ormanda, yer işaretleri - ağaçlar veya çalılar - düz bir çizgide hareket etmenize yardımcı olacaktır ve her seferinde biri önde, diğeri arkada olmak üzere bu tür iki yer işaretine bağlı kalmanız gerekir. Ama tabii ki yanınıza pusula almak en iyisi...
Ilya Leenson
Edebiyat:
Mario Liozzi. Fizik tarihi. M., Mir, 1970
Kerker M. Brown Hareketleri ve 1900 Öncesi Moleküler Gerçeklik. Kimya Eğitimi Dergisi, 1974, cilt. 51, Sayı 12
Leenson I.A. Kimyasal reaksiyonlar. M., Astrel, 2002
Ünlü bir İngiliz botanikçi olan Robert Brown, 21 Aralık 1773'te İskoçya'nın Montrose şehrinde doğdu, Aberdeen'de okudu ve 1789-1795'te Edinburgh Üniversitesi'nde tıp ve botanik okudu. 
Sıkı çalışma sayesinde Doğa Bilimleri Botanikçi Joseph Banks'le dostluğu nedeniyle, 1801'de Avustralya kıyılarını keşfetmek üzere gönderilen bir keşif gezisine botanikçi olarak atandı. Brown 1805'te İngiltere'ye döndü ve yanında yaklaşık 4.000 tür Avustralya bitkisi, birçok kuş ve mineral getirdi ve ardından bitkiler dünyası üzerine çalışmalarını yayınladı. 
Londra Kraliyet Cemiyeti üyesi (1810'dan beri). 1810'dan 1820'ye kadar Robert Brown, Linnean Kütüphanesi'nden sorumluydu. 1820'de British Museum'un botanik bölümünün kütüphanecisi ve küratörü oldu; burada Banks'in ölümünden sonra Banks'in koleksiyonları transfer edildi. Bu koleksiyonlar, kütüphane ve her zaman etrafını saran çeşitli ülkelerden gelen bitki yığınları sayesinde Brown, bitkiler konusunda en iyi uzmandı. 
Brown hareketi
1827 yılında R. Brown tarafından bitki poleni üzerinde araştırma yaparken keşfedilen bu olay, mikroskobik parçacıkların (Brownian parçacıkları) rastgele hareketidir. sağlam(toz parçacıkları, bitki poleni parçacıkları vb.) sıvı (veya gaz) parçacıklarının termal hareketinden kaynaklanır. Brown hareketi termal hareketin varlığının bir sonucu ve kanıtıdır. 
Bir keresinde, bir Kuzey Amerika bitkisinin polen hücrelerinden izole edilmiş, suda asılı duran uzun sitoplazmik taneciklere mikroskop altında baktı. Aniden Brown, bir su damlasında zar zor görülebilen en küçük katı taneciklerin sürekli titrediğini ve bir yerden bir yere hareket ettiğini gördü. Kendi sözleriyle bu hareketlerin "sıvıdaki akışlarla ya da sıvının kademeli buharlaşmasıyla ilişkili olmadığını, parçacıkların doğasında var olduğunu" buldu. 
Bitki hücre çekirdekleri
Brown, bitki hücresindeki çekirdeği tanımlayan ilk kişiydi ve bu bilgiyi 1831'de yayınladı. Ona "Nucleus" veya "Areola" adını verdi. İlk terim genel kabul görmüş ve günümüze kadar korunmuş, ancak ikincisi yaygın olarak kullanılmamış ve unutulmuştur. Brown'un tüm canlı hücrelerde bir çekirdeğin sürekli varlığı konusunda ısrar etmesi çok önemlidir.
Brown'ın keşfi.
İskoç botanikçi Robert Brown (bazen soyadı Brown olarak yazılır) yaşamı boyunca en iyi bitki uzmanı olarak “Botanikçilerin Prensi” unvanını aldı. Birçok harika keşif yaptı. 1805 yılında, Avustralya'ya yaptığı dört yıllık bir keşif gezisinden sonra, bilim adamlarının bilmediği yaklaşık 4.000 Avustralya bitki türünü İngiltere'ye getirdi ve bunları incelemek için uzun yıllar harcadı. Endonezya ve Orta Afrika'dan getirilen açıklanan bitkiler. Bitki fizyolojisini inceledi ve ilk kez bir bitki hücresinin çekirdeğini ayrıntılı olarak tanımladı. St. Petersburg Bilimler Akademisi onu fahri üye yaptı. Ancak bilim adamının adı artık bu çalışmalardan dolayı yaygın olarak biliniyor.
1827'de Brown bitki poleni üzerine araştırma yaptı. Özellikle polenin döllenme sürecine nasıl katıldığıyla ilgileniyordu. Bir keresinde mikroskop altında, Kuzey Amerika bitkisi Clarkia pulchella'nın polen hücrelerinden suda asılı duran uzun sitoplazmik taneleri inceledi. Aniden Brown, bir su damlasında zar zor görülebilen en küçük katı taneciklerin sürekli titrediğini ve bir yerden bir yere hareket ettiğini gördü. Kendi sözleriyle bu hareketlerin "sıvıdaki akışlarla ya da sıvının kademeli buharlaşmasıyla ilişkili olmadığını, parçacıkların doğasında var olduğunu" buldu.
Brown'ın gözlemi diğer bilim adamları tarafından da doğrulandı. En küçük parçacıklar sanki canlıymış gibi davrandı ve parçacıkların "dansı" artan sıcaklıkla ve parçacık boyutunun küçülmesiyle hızlandı ve suyun daha viskoz bir ortamla değiştirilmesiyle açıkça yavaşladı. Bu şaşırtıcı olay hiç durmadı; istenildiği kadar gözlemlenebilirdi. Brown ilk başta canlıların aslında mikroskobun alanına düştüğünü bile düşündü, özellikle de polen bitkilerin erkek üreme hücreleri olduğundan, ancak ölü bitkilerden, hatta yüz yıl önce herbaryumlarda kurutulmuş olanlardan bile parçacıklar vardı. Brown daha sonra bunların, 36 ciltlik Doğa Tarihi kitabının yazarı ünlü Fransız doğa bilimci Georges Buffon'un (1707-1788) bahsettiği "canlıların temel molekülleri" olup olmadığını merak etti. Brown görünüşte cansız nesneleri incelemeye başladığında bu varsayım ortadan kalktı; ilk başta bunlar çok küçük kömür parçacıklarının yanı sıra Londra havasından gelen kurum ve tozdu, sonra ince öğütülmüş inorganik maddelerdi: cam, birçok farklı mineral. "Aktif moleküller" her yerdeydi: "Bir süre suda asılı kalabilecek kadar toz haline getirmeyi başardığım her mineralde" diye yazdı Brown, az ya da çok miktarlarda bu molekülleri buldum. "
Brown'un en son mikroskoplardan hiçbirine sahip olmadığı söylenmelidir. Makalesinde, birkaç yıldır kullandığı sıradan bikonveks merceklere sahip olduğunu özellikle vurguluyor. Ve şöyle devam ediyor: "İfadelerime daha fazla inandırıcılık kazandırmak ve onları sıradan gözlemler için mümkün olduğunca erişilebilir kılmak amacıyla, tüm çalışma boyunca çalışmaya başladığım mercekleri kullanmaya devam ettim."
Şimdi, Brown'un gözlemini tekrarlamak gerekirse, çok güçlü olmayan bir mikroskoba sahip olmak ve onu, yan taraftaki bir delikten yoğun bir ışık huzmesi ile aydınlatılan karartılmış bir kutudaki dumanı incelemek için kullanmak yeterlidir. Bu olay gazda, sıvıya göre çok daha net bir şekilde kendini gösterir: küçük kül veya is parçacıkları (dumanın kaynağına bağlı olarak) görülebilir, ışık saçar ve sürekli olarak ileri geri sıçrar.
Bilimde sık sık olduğu gibi, yıllar sonra tarihçiler, mikroskobun mucidi Hollandalı Antonie Leeuwenhoek'in 1670 yılında benzer bir olguyu gözlemlediğini ancak mikroskopların nadirliği ve kusurluluğu, o dönemde moleküler bilimin embriyonik durumu olduğunu keşfettiler. Leeuwenhoek'in gözlemi dikkat çekmedi, bu nedenle keşif haklı olarak onu ilk kez inceleyen ve ayrıntılı olarak açıklayan Brown'a atfediliyor.
Brown hareketi ve atomik-moleküler teori.
Brown'un gözlemlediği olay kısa sürede geniş çapta tanındı. Kendisi deneylerini çok sayıda meslektaşına gösterdi (Brown iki düzine isim listeliyor). Ancak ne Brown ne de diğer birçok bilim insanı uzun yıllar boyunca “Brown hareketi” olarak adlandırılan bu gizemli olguyu açıklayamadı. Parçacıkların hareketleri tamamen rastgeleydi: Zamanın farklı noktalarında (örneğin her dakika) konumlarının çizimleri, ilk bakışta bu hareketlerde herhangi bir desen bulmayı mümkün kılmıyordu.
Brown hareketinin (bu fenomene böyle adlandırılıyordu) görünmez moleküllerin hareketiyle açıklanması ancak 19. yüzyılın son çeyreğinde yapıldı, ancak tüm bilim adamları tarafından hemen kabul edilmedi. 1863 yılında, Karlsruhe'den (Almanya) tanımlayıcı geometri öğretmeni Ludwig Christian Wiener (1826-1896), bu fenomenin görünmez atomların salınım hareketleriyle ilişkili olduğunu öne sürdü. Bu, Brown hareketinin modern olmaktan çok uzak olmasına rağmen atomların ve moleküllerin özellikleriyle açıklandığı ilk açıklamaydı. Wiener'in bu fenomeni maddenin yapısının sırlarına nüfuz etmek için kullanma fırsatını görmesi önemlidir. Brown parçacıklarının hareket hızını ve bunun boyutlarına bağlılığını ölçmeye çalışan ilk kişi oydu. 1921'de ABD Ulusal Bilimler Akademisi Bildirilerinde, sibernetiğin ünlü kurucusu başka bir Wiener Norbert'in Brown hareketi üzerine bir çalışmanın yayınlanması ilginçtir.
L.K. Wiener'in fikirleri bir dizi bilim adamı tarafından kabul edildi ve geliştirildi - Avusturya'da Sigmund Exner (ve 33 yıl sonra - oğlu Felix), İtalya'da Giovanni Cantoni, Almanya'da Karl Wilhelm Negeli, Fransa'da Louis Georges Gouy, üç Belçikalı rahip. - Cizvitler Carbonelli, Delso ve Tirion ve diğerleri. Bu bilim adamları arasında daha sonra ünlü İngiliz fizikçi ve kimyager William Ramsay da vardı. Yavaş yavaş, en küçük madde taneciklerinin, artık mikroskopla görülemeyen daha da küçük parçacıklar tarafından her yönden vurulduğu açıklığa kavuştu; tıpkı uzaktaki bir tekneyi sallayan dalgaların kıyıdan görülememesi ve teknenin hareketleri gibi. kendisi oldukça net bir şekilde görülüyor. 1877'deki makalelerden birinde yazdıkları gibi, "...büyük sayılar yasası artık çarpışmaların etkisini ortalama tekdüze basınca indirmiyor; sonuçları artık sıfıra eşit olmayacak, sürekli olarak yönünü ve yönünü değiştirecek" büyüklük."
Niteliksel olarak, resim oldukça makul ve hatta görseldi. Birçok karınca tarafından farklı yönlere itilen (veya çekilen) küçük bir dal veya böcek yaklaşık olarak aynı şekilde hareket etmelidir. Bu daha küçük parçacıklar aslında bilim adamlarının sözlüğündeydi ama onları daha önce kimse görmemişti. Onlara molekül deniyordu; Latince'den tercüme edilen bu kelime "küçük kütle" anlamına gelir. Şaşırtıcı bir şekilde bu, Romalı filozof Titus Lucretius Carus'un (M.Ö. 99-55) ünlü şiiri On the Nature of Things'de benzer bir olguya yaptığı açıklamanın tam olarak aynısıdır. İçinde gözle görülmeyen en küçük parçacıklara, şeylerin "ilkel ilkeleri" adını veriyor.
Şeylerin ilkeleri önce kendilerini hareket ettirir,
Onları en küçük bileşimlerinden oluşan bedenler takip ediyor.
Bir bakıma temel ilkelere yakın,
Onlardan saklanarak, şoklara maruz kalarak çabalamaya başlarlar,
Daha sonra kendilerini daha büyük bedenlere hareket ettirmeye teşvik ediyorlar.
Yani en baştan başlayarak hareket yavaş yavaş
Duygularımıza dokunuyor ve görünür oluyor
Bize ve güneş ışığında hareket eden toz zerrelerine,
Her ne kadar meydana gelen sarsıntılar algılanamaz olsa da...
Daha sonra Lucretius'un yanıldığı ortaya çıktı: Brownian hareketini çıplak gözle gözlemlemek imkansızdır ve karanlık bir odaya giren güneş ışınındaki toz parçacıkları, havanın girdap hareketleri nedeniyle "dans eder". Ancak dışarıdan bakıldığında her iki olgunun da bazı benzerlikleri var. Ve sadece 19. yüzyılda. Brown parçacıklarının hareketinin, ortamdaki moleküllerin rastgele etkilerinden kaynaklandığı birçok bilim adamı için açık hale geldi. Hareket eden moleküller sudaki toz parçacıkları ve diğer katı parçacıklarla çarpışır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa hareket o kadar hızlı olur. Örneğin bir toz zerresi büyükse, örneğin 0,1 mm boyutundaysa (çap, bir su molekülününkinden milyon kat daha büyükse), o zaman her taraftan gelen eşzamanlı birçok etki karşılıklı olarak dengelenir ve pratikte onları "hissedin" - yaklaşık olarak plaka büyüklüğündeki bir tahta parçasının, onu farklı yönlere çekecek veya itecek birçok karıncanın çabalarını "hissetmeyeceği" gibi. Toz parçacığı nispeten küçükse, çevredeki moleküllerden gelen darbelerin etkisi altında bir yönde veya diğer yönde hareket edecektir.
Brown parçacıklarının boyutu 0,1–1 μm civarındadır, yani. Milimetrenin binde birinden on binde birine kadar, bu yüzden Brown onların hareketini ayırt edebildi çünkü polenin kendisine değil (ki bu genellikle yanlışlıkla hakkında yazılır) küçük sitoplazmik tanelere bakıyordu. Sorun polen hücrelerinin çok büyük olmasıdır. Böylece rüzgarla taşınan ve insanlarda alerjik hastalıklara (saman nezlesi) neden olan çayır otu poleninde hücre boyutu genellikle 20 – 50 mikron aralığında yani. Brown hareketini gözlemleyemeyecek kadar büyükler. Bir Brown parçacığının bireysel hareketlerinin çok sık ve çok kısa mesafelerde meydana geldiğini, bu nedenle onları görmenin imkansız olduğunu, ancak belirli bir süre boyunca meydana gelen hareketlerin mikroskop altında görülebildiğini belirtmek de önemlidir.
Görünüşe göre Brown hareketinin varlığı, maddenin moleküler yapısını açıkça kanıtladı, ancak 20. yüzyılın başında bile. Moleküllerin varlığına inanmayan fizikçiler ve kimyagerler de dahil olmak üzere bilim adamları vardı. Atomik-moleküler teori ancak yavaş yavaş ve zorlukla kabul görmeye başladı. Bu nedenle, önde gelen Fransız organik kimyager Marcelin Berthelot (1827–1907) şunları yazdı: "Bilgilerimiz açısından molekül kavramı belirsizdir, oysa başka bir kavram - atom - tamamen varsayımsaldır." Ünlü Fransız kimyager A. Saint-Clair Deville (1818–1881) daha da net bir şekilde konuştu: “Avogadro yasasını, atomu veya molekülü kabul etmiyorum çünkü göremediğim ve gözlemleyemediğim şeye inanmayı reddediyorum. ” Ve Alman fiziksel kimyager Wilhelm Ostwald (1853–1932), Nobel Ödülü sahibi, fiziksel kimyanın kurucularından biri, 20. yüzyılın başlarında. atomun varlığını kesin bir dille reddetti. İçinde “atom” kelimesinin hiç geçmediği üç ciltlik bir kimya ders kitabı yazmayı başardı. 19 Nisan 1904'te Kraliyet Enstitüsü'nde İngiliz Kimya Derneği üyelerine sunduğu geniş bir raporla konuşan Ostwald, atomların var olmadığını ve "madde dediğimiz şeyin yalnızca belirli bir ortamda bir araya toplanmış enerjilerin toplamı olduğunu" kanıtlamaya çalıştı. yer."
Ancak moleküler teoriyi kabul eden fizikçiler bile atom-moleküler teorinin geçerliliğinin bu kadar basit bir şekilde kanıtlandığına inanamadılar ve bu olayı açıklamak için çeşitli alternatif nedenler öne sürüldü. Ve bu tamamen bilimin ruhuna uygundur: Bir olgunun nedeni kesin olarak tanımlanana kadar, mümkünse deneysel veya teorik olarak test edilmesi gereken çeşitli hipotezleri varsaymak mümkündür (ve hatta gereklidir). Böylece, 1905 yılında, ünlü akademisyen A.F. Ioffe'nin öğretmeni St. Petersburg fizik profesörü N.A. Gezehus'un kısa bir makalesi Brockhaus ve Efron Ansiklopedik Sözlüğü'nde yayınlandı. Gesehus, bazı bilim adamlarına göre Brown hareketinin "bir sıvının içinden geçen ışık veya ısı ışınlarının" neden olduğunu ve "bir sıvı içindeki, moleküllerin hareketleriyle hiçbir ilgisi olmayan basit akışlara" indirgendiğini ve bu akışların "bir sıvının içinden geçen ışık veya ısı ışınlarından" kaynaklandığını yazdı. “buharlaşma, difüzyon ve diğer sebeplerden” kaynaklanabilir. Sonuçta, havadaki toz parçacıklarının çok benzer bir hareketinin tam olarak girdap akışlarından kaynaklandığı zaten biliniyordu. Ancak Gesehus'un yaptığı açıklama deneysel olarak kolayca çürütülebilir: Birbirine çok yakın bulunan iki Brown parçacığına güçlü bir mikroskopla bakarsanız, hareketlerinin tamamen bağımsız olduğu ortaya çıkacaktır. Eğer bu hareketler sıvıdaki herhangi bir akıştan kaynaklanıyorsa, o zaman komşu parçacıklar uyum içinde hareket edeceklerdir.
Brown hareketi teorisi.
20. yüzyılın başında. çoğu bilim adamı Brown hareketinin moleküler doğasını anladı. Ancak tüm açıklamalar tamamen niteliksel olarak kaldı; hiçbir niceliksel teori deneysel testlere dayanamadı. Buna ek olarak, deney sonuçları da belirsizdi: Durmaksızın koşan parçacıkların fantastik görüntüsü, deneycileri hipnotize etti ve onlar, olgunun hangi özelliklerinin ölçülmesi gerektiğini tam olarak bilmiyorlardı.
Görünen tam düzensizliğe rağmen Brown parçacıklarının rastgele hareketlerini matematiksel bir ilişkiyle tanımlamak hâlâ mümkündü. Brown hareketinin ayrıntılı bir açıklaması ilk kez 1904 yılında, o yıllarda Lviv Üniversitesi'nde çalışan Polonyalı fizikçi Marian Smoluchowski (1872–1917) tarafından yapılmıştır. Aynı zamanda, bu fenomenin teorisi, İsviçre'nin Bern şehrinin Patent Ofisinde o zamanlar az tanınan 2. sınıf bir uzman olan Albert Einstein (1879–1955) tarafından geliştirildi. Mayıs 1905'te Alman Annalen der Physik dergisinde yayınlanan makalesi, ısının moleküler kinetik teorisinin gerektirdiği, hareketsiz bir sıvı içinde asılı duran parçacıkların hareketi üzerine başlığını taşıyordu. Bu isimle Einstein, maddenin yapısına ilişkin moleküler kinetik teorisinin, sıvılardaki en küçük katı parçacıkların rastgele hareketinin varlığını zorunlu olarak ima ettiğini göstermek istiyordu.
Einstein'ın bu makalenin en başında yüzeysel de olsa bu fenomene aşina olduğunu yazması ilginçtir: "Söz konusu hareketlerin sözde Brown moleküler hareketi ile aynı olması mümkündür, ancak mevcut veriler Bana göre ikincisi o kadar yanlış ki, bu kesin bir görüş formüle edemedim. Ve onlarca yıl sonra, zaten ileri yaşlarında, Einstein anılarında farklı bir şey yazdı - Brown hareketi hakkında hiçbir şey bilmediğini ve aslında onu tamamen teorik olarak "yeniden keşfettiğini": "'Brown hareketi' gözlemlerinin uzun süredir araştırıldığını bilmemek" Bildiğim kadarıyla, atom teorisinin mikroskobik asılı parçacıkların gözlemlenebilir hareketinin varlığına yol açtığını keşfettim." Ne olursa olsun, Einstein'ın teorik makalesi, deneycilere sonuçlarını deneysel olarak test etmeleri için doğrudan bir çağrıyla sona erdi: "Eğer herhangi bir araştırmacı yakın zamanda cevap verebilirse burada ortaya çıkan sorular sorular!" – makalesini alışılmadık bir ünlemle bitiriyor.
Einstein'ın tutkulu çağrısına yanıt çok uzun sürmedi.
Smoluchowski-Einstein teorisine göre, bir Brown parçacığının (s2) t süresi boyunca kare yer değiştirmesinin ortalama değeri, T sıcaklığıyla doğru orantılıdır ve sıvının viskozitesi h, parçacık boyutu r ve Avogadro sabiti ile ters orantılıdır.
NA: s2 = 2RTt/6phrNA,
Burada R gaz sabitidir. Yani, 1 μm çapındaki bir parçacık 1 dakikada 10 μm hareket ederse, o zaman 9 dakikada - 10 = 30 μm, 25 dakikada - 10 = 50 μm vb. Benzer koşullar altında, çapı 0,25 μm olan bir parçacık, aynı sürelerde (1, 9 ve 25 dakika) = 2 olduğundan sırasıyla 20, 60 ve 100 μm hareket edecektir. Yukarıdaki formülün aşağıdakileri içermesi önemlidir: Avogadro sabiti, Fransız fizikçi Jean Baptiste Perrin (1870–1942) tarafından Brownian parçacığının hareketinin niceliksel ölçümleriyle belirlenebilir.
1908'de Perrin, Brown parçacıklarının hareketinin mikroskop altında niceliksel gözlemlerine başladı. 1902'de icat edilen ve güçlü bir yan aydınlatıcıdan üzerlerine ışık saçarak en küçük parçacıkları tespit etmeyi mümkün kılan bir ultramikroskop kullandı. Perrin, bazı tropik ağaçların yoğunlaştırılmış özsuyu olan sakızdan neredeyse küresel şekilli ve yaklaşık olarak aynı büyüklükte küçük toplar elde etti (aynı zamanda sarı sulu boya boyası olarak da kullanılır). Bu minik boncuklar %12 su içeren gliserol içinde süspanse edildi; viskoz sıvı, içinde resmi bulanıklaştıracak iç akışların ortaya çıkmasını engelledi. Elinde bir kronometre olan Perrin, parçacıkların konumunu düzenli aralıklarla, örneğin her yarım dakikada bir, kaydetti ve ardından grafikli bir kağıt üzerine (tabii ki çok büyütülmüş bir ölçekte) çizdi. Ortaya çıkan noktaları düz çizgilerle birleştirerek, bazıları şekilde gösterilen karmaşık yörüngeler elde etti (bunlar Perrin'in 1920'de Paris'te yayınlanan Atomy kitabından alınmıştır). Parçacıkların böylesine kaotik, düzensiz hareketi, uzayda oldukça yavaş hareket etmelerine yol açar: bölümlerin toplamı, parçacığın ilk noktadan son noktaya kadar yer değiştirmesinden çok daha fazladır. 
Üç Brownian parçacığının (yaklaşık 1 mikron boyutunda sakız topları) her 30 saniyede bir ardışık konumları. Bir hücre 3 µm'lik bir mesafeye karşılık gelir.
Üç Brownian parçacığının (yaklaşık 1 mikron boyutunda sakız topları) her 30 saniyede bir ardışık konumları. Bir hücre 3 µm'lik bir mesafeye karşılık gelir. Perrin Brown parçacıklarının konumunu 30 saniye sonra değil de 3 saniye sonra belirleyebilseydi, her bir komşu nokta arasındaki düz çizgiler aynı karmaşık zikzak kesikli çizgiye, ancak daha küçük ölçekte dönüşecekti.
Perrin, teorik formülü ve sonuçlarını kullanarak o zaman için Avogadro sayısı için oldukça doğru bir değer elde etti: 6.8.1023. Perrin ayrıca Brown parçacıklarının dikey dağılımını incelemek için bir mikroskop kullandı (bkz. AVOGADRO YASASI) ve yerçekiminin etkisine rağmen bunların çözelti içinde askıda kaldıklarını gösterdi. Perrin'in başka önemli eserleri de var. 1895'te katot ışınlarının negatif elektrik yükleri (elektronlar) olduğunu kanıtladı ve 1901'de ilk kez atomun gezegensel modelini önerdi. 1926'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
Perrin'in elde ettiği sonuçlar Einstein'ın teorik sonuçlarını doğruladı. Güçlü bir izlenim bıraktı. Amerikalı fizikçi A. Pais'in yıllar sonra yazdığı gibi, “Bu kadar basit bir şekilde elde edilen bu sonuca şaşırmaktan asla vazgeçemezsiniz: boyutu, boyutuna göre büyük olan bir top süspansiyonu hazırlamak yeterlidir. Basit moleküllerden oluşan bir kronometre ve mikroskop alın ve Avogadro sabitini belirleyebilirsiniz! Ayrıca şaşırabilirsiniz: Brown hareketi üzerine yeni deneylerin açıklamaları hala zaman zaman bilimsel dergilerde (Nature, Science, Journal of Chemical Education) yer alıyor! Perrin'in sonuçlarının yayınlanmasının ardından, atomculuğun eski bir muhalifi olan Ostwald şunu itiraf etti: "Brown hareketinin kinetik hipotezin gereklilikleri ile örtüşmesi... artık en ihtiyatlı bilim adamına atom teorisinin deneysel kanıtı hakkında konuşma hakkı veriyor." maddenin. Böylece atom teorisi bilimsel, sağlam temellere dayanan bir teori mertebesine yükseltildi.” Fransız matematikçi ve fizikçi Henri Poincaré de aynı fikirde: "Perrin'in atom sayısını parlak bir şekilde belirlemesi atomculuğun zaferini tamamladı... Kimyagerlerin atomu artık bir gerçek haline geldi."
Brown hareketi ve difüzyon.
Brownian parçacıklarının hareketi, görünüş olarak bireysel moleküllerin termal hareketlerinin bir sonucu olarak hareketine çok benzer. Bu harekete difüzyon denir. Smoluchowski ve Einstein'ın çalışmalarından önce bile, moleküler hareket yasaları, maddenin gaz halindeki en basit durumunda oluşturulmuştu. Gazlardaki moleküllerin bir mermi hızında çok hızlı hareket ettiği, ancak diğer moleküllerle sıklıkla çarpıştıkları için uzağa uçamadıkları ortaya çıktı. Örneğin, ortalama 500 m/s hızla hareket eden havadaki oksijen ve nitrojen molekülleri, her saniyede bir milyardan fazla çarpışmaya maruz kalır. Dolayısıyla molekülün yolu, eğer onu takip etmek mümkün olsaydı, karmaşık, kesikli bir çizgi olurdu. Brownian parçacıkları da eğer konumları belirli zaman aralıklarında kaydedilirse benzer bir yörüngeyi tanımlar. Hem difüzyon hem de Brown hareketi, moleküllerin kaotik termal hareketinin bir sonucudur ve bu nedenle benzer matematiksel ilişkilerle tanımlanır. Aradaki fark, gazlardaki moleküllerin diğer moleküllerle çarpışıncaya kadar düz bir çizgide hareket etmeleri ve daha sonra yön değiştirmeleridir. Brownian parçacığı, bir molekülden farklı olarak herhangi bir "serbest uçuş" gerçekleştirmez, ancak çok sık küçük ve düzensiz "titreşimler" yaşar, bunun sonucunda kaotik bir şekilde bir yöne veya diğerine doğru kayar. Hesaplamalar, 0,1 µm büyüklüğündeki bir parçacık için, yalnızca 0,5 nm'lik (1 nm = 0,001 µm) bir mesafe boyunca saniyenin üç milyarda birinde bir hareketin meydana geldiğini göstermiştir. Bir yazarın çok yerinde ifade ettiği gibi bu, boş bir bira kutusunun, kalabalık insanların toplandığı bir meydanda hareket ettirilmesine benziyor.
Difüzyonu gözlemlemek Brown hareketinden çok daha kolaydır, çünkü mikroskop gerektirmez: hareketler tek tek parçacıkların değil, büyük kütlelerinin gözlenir; sadece difüzyonun konveksiyonla üst üste gelmediğinden emin olmanız gerekir - maddenin bir karışım olarak karıştırılması. girdap akışlarının sonucu (bu tür akışların fark edilmesi kolaydır, mürekkep gibi renkli bir çözeltinin bir damlasının bir bardak sıcak suya damlatılması).
Difüzyonun kalın jellerde gözlemlenmesi uygundur. Böyle bir jel, örneğin bir penisilin kavanozunda, içinde% 4-5'lik bir jelatin çözeltisi hazırlanarak hazırlanabilir. Jelatin önce birkaç saat şişmeli, ardından kavanoz sıcak suya indirilerek karıştırılarak tamamen eritilmelidir. Soğutulduktan sonra şeffaf, hafif bulanık bir kütle şeklinde akmayan bir jel elde edilir. Keskin bir cımbız kullanarak, bu kütlenin merkezine küçük bir potasyum permanganat kristali ("potasyum permanganat") dikkatlice yerleştirirseniz, jel düşmesini engellediği için kristal kaldığı yerde asılı kalacaktır. Birkaç dakika içinde kristalin etrafında mor renkli bir top büyümeye başlayacak; zamanla kavanozun duvarları şeklini bozana kadar giderek büyüyecek. Aynı sonuç bir bakır sülfat kristali kullanılarak elde edilebilir, ancak bu durumda top mor değil mavi olur.
Topun neden ortaya çıktığı açıktır: Kristalin çözünmesi sırasında oluşan MnO4- iyonları çözeltiye girer (jel esas olarak sudur) ve difüzyonun bir sonucu olarak her yöne eşit şekilde hareket eder, yerçekiminin pratikte hiçbir etkisi yoktur difüzyon hızı hakkında. Sıvıdaki difüzyon çok yavaştır: Topun birkaç santimetre büyümesi saatler alacaktır. Gazlarda difüzyon çok daha hızlıdır ancak yine de hava karıştırılmasaydı parfüm veya amonyak kokusu saatlerce odaya yayılırdı.
Brownian hareket teorisi: rastgele yürüyüşler.
Smoluchowski-Einstein teorisi hem difüzyon hem de Brown hareketinin yasalarını açıklar. Bu modelleri difüzyon örneğini kullanarak düşünebiliriz. Bir molekülün hızı u ise, o zaman düz bir çizgide hareket ederek t zamanında L = ut mesafesini kat edecektir, ancak diğer moleküllerle çarpışma nedeniyle bu molekül düz bir çizgide hareket etmez, sürekli değişir. hareketinin yönü. Eğer bir molekülün yolunun taslağını çizmek mümkün olsaydı, Perrin'in elde ettiği çizimlerden temelde hiçbir farkı olmazdı. Bu tür rakamlardan, kaotik hareket nedeniyle molekülün, L'den önemli ölçüde daha az bir s mesafesi kadar yer değiştirdiği açıktır. Bu miktarlar, s = ilişkisi ile ilişkilidir; burada l, molekülün bir çarpışmadan diğerine uçtuğu mesafedir. diğeri, ortalama serbest yol. Ölçümler, normal atmosferik basınçtaki hava molekülleri için l ~ 0,1 μm olduğunu göstermiştir; bu, 500 m/s hızla bir nitrojen veya oksijen molekülünün 10.000 saniye (üç saatten az) L = 5000 km mesafeye uçacağı anlamına gelir ve Orijinal konumdan kayma yalnızca s = 0,7 m'dir (70 cm), bu nedenle maddeler gazlarda bile difüzyon nedeniyle çok yavaş hareket eder.
Bir molekülün difüzyon sonucu izlediği yola (veya Brownian parçacığının yoluna) rastgele yürüyüş adı verilir. Esprili fizikçiler bu ifadeyi bir sarhoşun yürüyüşü - "sarhoşun yolu" olarak yeniden yorumladılar. Aslında bir parçacığın bir konumdan diğerine hareketi (ya da birçok çarpışmaya uğrayan bir molekülün yolu) sarhoş bir insanın hareketine benzer. Üstelik, bu benzetme aynı zamanda böyle bir sürecin temel denkleminin, üç boyutluya genelleştirilmesi kolay olan tek boyutlu hareket örneğine dayalı olduğu sonucuna varılmasına da olanak tanır.
Sarhoş bir denizcinin gece geç saatlerde bir meyhaneden çıkıp caddeye doğru ilerlediğini varsayalım. En yakın fenere giden yolu yürüdükten sonra dinlendi ve gitti... ya daha ileri, bir sonraki fenere ya da meyhaneye geri döndü - sonuçta nereden geldiğini hatırlamıyor. Sorun şu ki, kabaktan ayrılacak mı, yoksa onun etrafında dolaşıp kâh uzaklaşıp kâh ona yaklaşacak mı? (Sorunun bir başka versiyonu, sokak lambalarının bittiği sokağın her iki ucunda da kirli hendeklerin bulunduğunu belirtir ve denizcinin bunlardan birine düşmekten kurtulup kurtulamayacağını sorar.) Sezgisel olarak ikinci cevabın doğru olduğu görülüyor. Ancak bu yanlıştır: Görünüşe göre denizci, yalnızca tek yönde yürümesinden çok daha yavaş olsa da, yavaş yavaş sıfır noktasından giderek uzaklaşacaktır. İşte bunu nasıl kanıtlayacağınız.
İlk kez en yakın fenere (sağa veya sola) doğru yürüyen denizci, kendisini başlangıç noktasından s1 = ± l uzaklıkta bulacaktır. Yönüyle değil, sadece bu noktaya olan uzaklığıyla ilgilendiğimiz için şu ifadenin karesini alarak işaretlerden kurtulacağız: s12 = l2. Bir süre sonra, N "gezmeyi" tamamlamış olan denizci uzakta olacak
SN = başlangıçtan itibaren. Ve sN+1 = sN ± l mesafesindeki en yakın lambaya tekrar (tek yönde) geçtikten sonra veya yer değiştirmenin karesi kullanılarak s2N+1 = s2N ±2sN l + l2. Eğer denizci bu hareketi birçok kez tekrarlarsa (N'den N+1'e), ortalama alma sonucunda (N'inci adımı eşit olasılıkla sağa veya sola atarsa) ±2sNl terimi azalacaktır, yani (açılı parantezler ortalama değeri gösterir).
s12 = l2 olduğundan, o zaman
S22 = s12 + l2 = 2l2, s32 = s22 + l2 = 3ll2, vb., yani. s2N = Nl2 veya sN =l. Kat edilen toplam mesafe L, hem denizcinin hızının ve seyahat süresinin çarpımı (L = ut) hem de gezinme sayısı ile fenerler arasındaki mesafenin çarpımı (L = Nl) olarak yazılabilir, dolayısıyla ut = Nl, dolayısıyla N = ut/l ve son olarak sN = . Böylece denizcinin (aynı zamanda molekülün veya Brown parçacığının) yer değiştirmesinin zamana bağımlılığını elde ederiz. Örneğin, fenerler arasında 10 m mesafe varsa ve bir denizci 1 m/s hızla yürüyorsa, bir saat içinde ortak yol L = 3600 m = 3,6 km olacak, aynı zamanda sıfır noktasından itibaren yer değiştirme sadece s = 190 m'ye eşit olacak, üç saat içinde L = 10,8 km kat edecek ve s = 330 m kayacak ve benzeri.
Ortaya çıkan formüldeki ul ürünü, İrlandalı fizikçi ve matematikçi George Gabriel Stokes (1819-1903) tarafından gösterildiği gibi, ortamın parçacık boyutuna ve viskozitesine bağlı olan difüzyon katsayısı ile karşılaştırılabilir. Benzer düşüncelere dayanarak Einstein denklemini türetti.
Gerçek hayatta Brown hareketi teorisi.
Rastgele yürüyüşler teorisinin önemli pratik uygulamaları vardır. Yer işaretlerinin (güneş, yıldızlar, otoyol veya demiryolu gürültüsü vb.) yokluğunda, bir kişinin ormanda, kar fırtınasında bir tarlada veya yoğun siste daireler çizerek dolaştığını ve her zaman eski yerine geri döndüğünü söylüyorlar. orijinal yer. Aslında daireler çizerek yürümez, ancak moleküllerin veya Brown parçacıklarının hareketiyle yaklaşık olarak aynı şekilde hareket eder. Orijinal yerine dönebilir, ancak yalnızca şans eseri. Ama yolu birçok kez kesişiyor. Ayrıca kar fırtınasında donmuş insanların en yakın konut veya yoldan "birkaç kilometre" uzakta bulunduğunu, ancak gerçekte kişinin bu kilometreyi yürüme şansının olmadığını söylüyorlar ve işte nedeni bu.
Bir kişinin rastgele yürüyüşler sonucunda ne kadar kayacağını hesaplamak için l'nin değerini bilmeniz gerekir; Bir kişinin herhangi bir yer işareti olmadan düz bir çizgide yürüyebileceği mesafe. Bu değer, Jeoloji ve Mineraloji Bilimleri Doktoru B.S. Gorobets tarafından gönüllü öğrenci yardımıyla ölçülmüştür. Elbette onları yoğun bir ormanda veya karla kaplı bir sahada bırakmadı, her şey daha basitti - öğrenci boş bir stadyumun ortasına yerleştirildi, gözleri bağlandı ve futbol sahasının sonuna kadar yürümesi istendi. tam sessizlik (seslere göre yönlendirmeyi hariç tutmak için). Öğrencinin ortalama olarak yalnızca 20 metre kadar düz bir çizgide yürüdüğü (ideal düz çizgiden sapma 5°'yi geçmiyordu) ve daha sonra orijinal yönden giderek daha fazla sapmaya başladığı ortaya çıktı. Sonunda kenara ulaşmaktan çok uzakta durdu.
Şimdi bir kişinin ormanda saatte 2 kilometre hızla yürümesine (veya daha doğrusu dolaşmasına) izin verin (bir yol için bu çok yavaştır, ancak yoğun bir orman için çok hızlıdır), o zaman l'nin değeri 20 ise metre, sonra bir saat içinde 2 km kat edecek, ancak yalnızca 200 m, iki saatte - yaklaşık 280 m, üç saatte - 350 m, 4 saatte - 400 m vb. Hareket edecek. Ve düz bir çizgide hareket edecek Böyle bir hız, bir kişi 4 saatte 8 kilometre yürür, bu nedenle saha çalışmasına yönelik güvenlik talimatlarında şu kural vardır: Yer işaretleri kaybolursa, yerinde kalmanız, bir barınak kurmanız ve sonunu beklemeniz gerekir. kötü hava koşulları (güneş çıkabilir) veya yardım için. Ormanda, yer işaretleri - ağaçlar veya çalılar - düz bir çizgide hareket etmenize yardımcı olacaktır ve her seferinde biri önde, diğeri arkada olmak üzere bu tür iki yer işaretine bağlı kalmanız gerekir. Ama tabii ki yanınıza pusula almak en iyisi...
Robert Brown, 21 Aralık 1773'te Protestan bir papazın ailesinde doğdu. Aberdeen Üniversitesi'ndeki Marischal College'da okudu, ardından Edinburgh Üniversitesi'nde tıp ve botanik okudu. 1795'te İrlanda'da birlikte bulunduğu İskoç Milislerinin Kuzey Alayına asistan cerrah olarak katıldı. Brown burada yerel bitkileri topladı ve İngiliz doğa bilimci Joseph Banks (1743-1820) ile tanıştı; onun tavsiyesi üzerine, 1801'de Avustralya kıyılarını keşfetmek üzere Investigator gemisiyle gönderilen bir keşif gezisinde botanikçi olarak atandı. 1805'te Brown İngiltere'ye döndü ve Banks koleksiyonu için yanında yaklaşık 4.000 Avustralya bitki türü, birçok kuş ve mineral getirdi.
1810-1820'de. Brown, Linnean Kütüphanesi'nden ve o zamanlar Londra Kraliyet Cemiyeti'nin başkanı olan Banks'in kapsamlı koleksiyonlarından sorumluydu. 1820'de British Museum'un botanik bölümünün kütüphanecisi ve küratörü oldu; Banks'in ölümünden sonra koleksiyonları buraya nakledildi. Robert Brown, 1849'dan 1853'e kadar Londra'daki Linnean Society'nin başkanıydı.
Bilim insanının morfolojik ve embriyolojik çalışmaları büyük önem doğal bir bitki sistemi oluşturmak. Brown yumurtalıktaki embriyo kesesini keşfetti (1825), kozalaklı ağaçlar ve sikadlardaki yumurtalıkların yumurtalık içinde kapalı olmadığını gösterdi, bu da kapalı tohumlular ve açık tohumlular arasındaki temel farkı oluşturdu; İğne yapraklı bitkilerin yumurtalıklarında archegonia'yı keşfetti. Brown çekirdeği doğru bir şekilde tanımlayan ilk kişiydi. bitki hücreleri (1831).
1827'de bilim adamı bitki poleni üzerinde araştırma yaptı. Özellikle polenin döllenme sürecine nasıl katıldığıyla ilgileniyordu. Bir keresinde, Kuzey Amerika bitkisi Clarkia pulchella'nın suda asılı duran polen hücrelerinden izole edilen uzun sitoplazmik taneciklere mikroskop altında baktı. Aniden Brown, bir su damlasında zar zor görülebilen en küçük katı taneciklerin sürekli titrediğini ve bir yerden bir yere hareket ettiğini gördü. Kendi sözleriyle bu hareketlerin "sıvıdaki akışlarla ya da sıvının kademeli buharlaşmasıyla ilişkili olmadığını, parçacıkların doğasında var olduğunu" buldu. Brown'ın gözlemi diğer bilim adamları tarafından da doğrulandı. Bu keşfe daha sonra onun adı verildi (
