Доказателство за реалното съществуване на атоми и молекули. Доказателство за съществуването на атоми Доказателство за съществуването на атоми и молекули

Основните положения на молекулярно-кинетичната теория.

1). Всяко вещество има дискретна (прекъсната) структура. Състои се от най-малките частици – молекули и атоми, разделени на интервали. Молекулите са най-малките частици, които имат химичните свойства на дадено вещество. Атомите са най-малките частици със свойствата на химичните елементи, които изграждат дадено вещество.

2). Молекулите са в състояние на непрекъснато хаотично движение, наречено топлинно. При нагряване на веществото скоростта на топлинно движение и кинетичната енергия на частиците му се увеличават, а при охлаждане намаляват. Степента на нагряване на тялото се характеризира с неговата температура, която е мярка за средната кинетична енергия на транслационното движение на молекулите на това тяло.

3). В процеса на тяхното взаимодействие между молекулите възникват силите на привличане и отблъскване.

Експериментално обосноваване на молекулярно-кинетична теория

Наличието на пропускливост, свиваемост и разтворимост в веществата показва, че те не са непрекъснати, а се състоят от отделни, разположени на разстояние частици. С помощта на съвременни методи на изследване (електронен и йонен микроскоп) беше възможно да се получат изображения на най-големите молекули.

Наблюденията на Брауновото движение и дифузията на частиците показват, че молекулите са в непрекъснато движение.

Наличието на здравина и еластичност на телата, омокряемост, адхезия, повърхностно напрежение в течности и др. - всичко това доказва съществуването на сили на взаимодействие между молекулите.

Брауново движение.

Дифузиясе нарича феноменът на спонтанно взаимно проникване на молекули от вещества, които се прилепват една към друга, в междумолекулните празнини една на друга. (Дифузията през полупропускливи прегради се нарича осмоза.) Пример за дифузия в газове е дифузията на миризми. В течностите ясно проявление на дифузия е смесване срещу действието на гравитацията на течности с различна плътност (в този случай молекулите на по-тежка течност се издигат нагоре, а по-леката - слизат надолу). Дифузията се среща и в твърдите тела. Това се доказва от този опит: две полирани плоски плочи от злато и олово, положени една върху друга, се съхраняват при стайна температура в продължение на 5 години. През това време плочите са нараснали заедно, образувайки едно цяло, като златните молекули проникват в оловото, а оловните молекули в златото на дълбочина 1 см. 1 Скоростта на дифузия зависи от състоянието на агрегиране на веществото и температурата . С повишаване на температурата скоростта на дифузия се увеличава, а с понижение намалява.

Размери и маса на молекулите

Размерът на молекулата е условна стойност. Оценява се по следния начин. Наред със силите на привличане, между молекулите действат и отблъскващите сили, поради което молекулите могат да се приближават само на определено разстояние. Разстоянието на максималното приближаване на центровете на две молекули се нарича ефективен диаметър на молекулата и се означава с o (условно се счита, че молекулите имат сферична форма). С изключение на молекулите на органични вещества, съдържащи много голям брой атоми, повечето от молекулите от порядъка на величината имат диаметър 10 -10 m и маса 10 -26 kg.

Относително молекулно тегло

Тъй като масите на атомите и молекулите са изключително малки, при изчисленията обикновено се използват не абсолютни, а относителни стойности на масите, получени чрез сравняване на масите на атомите и молекулите с единица за атомна маса, която е 1/12 от масата на въглероден атом (тоест те използват въглеродна скала на атомните маси). Относителна молекулярна(или атомен) маса Г-н(или A r) на вещество се нарича стойност, равна на съотношението на масата на молекула (или атом) от това вещество към 1/12 от масата на въглероден атом 12 C. Относителната молекулна (атомна) маса е величина, която има няма измерение. Относителната атомна маса на всеки химичен елемент е посочена в периодичната таблица. Ако дадено вещество се състои от молекули, образувани от атоми на различни химични елементи, относителното молекулно тегло на това вещество е равно на сумата от относителните атомни маси на елементите, които съставляват това вещество.

Количеството вещество

Количеството вещество, което се съдържа в тялото, се определя от броя на молекулите в това тяло (или броя на атомите). Тъй като броят на молекулите в макроскопичните тела е много голям, за да се определи количеството материя в тялото, броят на молекулите в това тяло се сравнява с броя на атомите в 0,012 kg въглерод. С други думи, количеството вещество vсе нарича стойност, равна на съотношението на броя на молекулите (или атомите) N в дадено тяло към броя на атомите N A в 12 g въглерод, т.е.

v = N / N A.Количеството на веществото се изразява в молове. Един мол е равен на количеството материя в система, съдържаща същия брой структурни елементи (атоми, молекули, йони), както има атоми във въглерод-12 с тегло 0,012 kg.

Константа на Авогадро. Моларна маса

Според дефиницията за мол, 1 мол от всяко вещество съдържа същия брой молекули или атоми. Това число N A, равно на броя на атомите в 0,012 kg (т.е. в 1 mol) въглерод, се нарича константа на Авогадро. Моларната маса M на всяко вещество се нарича маса на 1 mol от това вещество. Моларната маса на веществото се изразява в килограми на мол.

Количеството на веществото може да се намери като

Масата на една молекула може да се намери като или като се има предвид, че относителната молекулна маса е числено равна на масата на една молекула, изразена в amu. (1 amu = 1,66 × 10 -27 kg).

Процесът на познание се развива по такъв начин, че блестящите догадки и великите теории, чиято поява дължим на творческите гении, след известно време се превръщат в почти тривиални факти, които повечето хора приемат на вяра. Колко от нас биха могли самостоятелно, въз основа на наблюдения и разсъждения, да се досетят, че Земята е кръгла или че Земята се върти около Слънцето, а не обратното, и накрая, че има атоми и молекули? От височината на съвременната наука основните положения на атомно-молекулярната теория изглеждат като общи истини. Нека обаче да се отклоним от отдавна известните научни резултати, да се поставим на мястото на учените от миналото и да се опитаме да отговорим на два основни въпроса. Първо, от какво са направени веществата? Второ, защо веществата са различни и защо едни вещества могат да се превърнат в други? Науката вече е прекарала над 2000 години в решаването на тези сложни проблеми. В резултат на това се появи атомно-молекулярната теория, чиито основни положения могат да бъдат формулирани по следния начин.

1. Всички вещества са изградени от молекули. Молекулата е най-малката частица от вещество, което има своите химични свойства.
2. Молекулите са изградени от атоми. Атомът е най-малката частица от елемент в химичните съединения. Различни атоми съответстват на различни елементи.
3. Молекулите и атомите са в непрекъснато движение.
4. При химични реакции молекулите на някои вещества се превръщат в молекули на други вещества. Атомите не се променят по време на химични реакции.

Как учените разбраха съществуването на атоми?

Атомите са изобретени в Гърция през 5 век. пр.н.е NS Философът Левкип (500-440 г. пр. н. е.) се чудеше дали всяка частица материя, колкото и малка да е, може да бъде разделена на още по-малки частици. Левкип вярвал, че в резултат на такова разделяне е възможно да се получи толкова малка частица, че по-нататъшното разделяне ще стане невъзможно.

Ученик на Левкип, философът Демокрит (460-370 г. пр. н. е.) нарича тези малки частици „атоми“ (atomos – неделим). Той вярвал, че атомите на всеки елемент имат специални размери и форми и че това обяснява разликите в свойствата на веществата. Веществата, които виждаме и усещаме, се образуват, когато атомите на различни елементи се комбинират помежду си и чрез промяна на естеството на тази връзка едно вещество може да се превърне в друго.

Демокрит създава атомната теория в почти съвременна форма. Тази теория обаче беше само плод на философски разсъждения, несвързани с природни явления и процеси. Не е потвърдено експериментално, тъй като древните гърци изобщо не са провеждали експерименти, те поставят мисленето над наблюдението.

Първият експеримент, потвърждаващ атомната природа на материята, е проведен едва 2000 години по-късно. През 1662 г. ирландският химик Робърт Бойл (1627-1691), докато компресира въздух в U-образна тръба под налягането на живачен стълб, открива, че обемът на въздуха в тръбата е обратно пропорционален на налягането:

Френският физик Едм Мариот (1620-1684) потвърди тази връзка 14 години след Бойл и отбеляза, че тя се запазва само при постоянна температура.

Резултатите, получени от Бойл и Мариот, могат да бъдат обяснени само ако се признае, че въздухът се състои от атоми, между които има празно пространство. Компресирането на въздуха се причинява от приближаването на атоми и намаляването на обема на празното пространство.

Ако газовете са съставени от атоми, може да се предположи, че твърдите тела и течностите също са съставени от атоми. Например, когато се нагрява, водата кипи и се превръща в пара, която, подобно на въздуха, може да бъде компресирана. Това означава, че водната пара се състои от атоми. Но ако водната пара е съставена от атоми, защо течната вода и ледът не могат да бъдат направени от атоми? И ако това е вярно за водата, може да е вярно и за други вещества.

Така експериментите на Бойл и Мариот потвърдиха съществуването на най-малките частици материя. Оставаше да разберем какви са тези частици.

През следващите 150 години усилията на химиците бяха насочени главно към установяване на състава на различни вещества. Веществата, които се разлагат на по-малко сложни вещества, се наричат съединения (сложни вещества), например вода, въглероден диоксид, желязо. Веществата, които не могат да се разлагат, се наричат елементи (прости вещества), например водород, кислород, мед, злато.

През 1789 г. великият френски химик Антоан Лоран Лавоазие (1743-1794) публикува известната книга „Начален курс по химия“ (Traite elementaire de chimie), в която систематизира натрупаните по това време знания по химия. По-специално той даде списък на всички известни елементи, който съдържа 33 вещества. Две имена в този списък бяха фундаментално погрешни (леки и калорични), а осем по-късно се оказаха сложни вещества (вар, силициев диоксид и други).

Развитието на техники за количествени измервания и методи за химичен анализ направи възможно определянето на съотношението на елементите в химичните съединения. Френският химик Жозеф Луи Пруст (1754-1826) след внимателни експерименти с редица вещества установява закон за постоянство на състава.

I Всички съединения, независимо от начина на получаване, съдържат еле-. ченгета в строго определени пропорции на теглото.

Така, например, серен газ, получен чрез изгаряне на сяра, действието на киселини върху сулфити или по друг начин, винаги съдържа 1 тегловна част (масова част) сяра и 1 тегловна част кислород.

Опонентът на Пруст, френският химик Клод Луи Бертоле (1748-1822), напротив, твърди, че съставът на съединенията зависи от метода на тяхното получаване. Той вярваше, че ако при реакцията на два елемента един от тях се вземе в излишък, тогава в полученото съединение тегловната част на този елемент също ще бъде по-голяма. Пруст обаче доказва, че Бертолет получава грешни резултати поради неточен анализ и използване на недостатъчно чисти вещества.

Изненадващо, идеята на Бертолет, погрешна за времето си, сега е в основата на голямо научно направление в химията - химически материалознание.Основната задача на специалистите по материали е да получат материали с определени свойства, а основният метод е да използват зависимостта на състава, структурата и свойствата на материала от производствения метод.

Законът за постоянството на композицията, открит от Пруст, е от основно значение. Той доведе до идеята за съществуването на молекули и потвърди неделимостта на атомите. Всъщност защо тегловното (масовото) съотношение на сярата към кислорода винаги е 1:1, а не 1,1:0,9 или 0,95:1,05 в серен диоксид S0 2? Може да се предположи, че по време на образуването на частица серен диоксид (по-късно тази частица е наречена молекула), серен атом се комбинира с определен брой кислородни атоми, а масата на серните атоми е равна на масата на кислородните атоми .

Но какво се случва, ако два елемента могат да образуват няколко химични съединения един с друг? На този въпрос отговори великият английски химик Джон Далтън (1766-1844), който от експеримента формулира закон на множествените отношения (законът на Далтън).

I Ако два елемента образуват няколко връзки помежду си, тогава. в тези съединения масите на един елемент на единица маса на другия елемент се наричат малки цели числа.

И така, в три железни оксида, на единица тегло (маса) кислород, има съответно 3,5, 2,625 и 2,333 тегловни части (масови фракции) желязо. Съотношенията на тези числа са както следва: 3,5: 2,625 = = 4: 3; 3,5: 2,333 = 3:2.

От закона за множеството съотношения следва, че атомите на елементите са комбинирани в молекули, а молекулите съдържат малък брой атоми. Измерването на масовото съдържание на елементите позволява, от една страна, да се определят молекулните формули на съединенията, а от друга, да се намерят относителните маси на атомите.

Например, когато се образува вода, една тегловна част водород се комбинира с 8 тегловни части кислород. Ако приемем, че водната молекула се състои от един водороден атом и един кислороден атом, се оказва, че кислородният атом е 8 пъти по-тежък от водороден атом.

Помислете за обратната задача. Знаем, че атомът на желязото е 3,5 пъти по-тежък от кислородния атом. От съотношението

от това следва, че в това съединение има три кислородни атома на два железни атома, тоест формулата на съединението е Fe 2 0 3.

Разсъждавайки по този начин, Далтън състави първата в историята таблица на атомните тегла на елементите. За съжаление се оказа неправилно в много отношения, тъй като Далтън често изхождаше от неправилни молекулярни формули при определяне на атомните тегла. Той вярвал, че атомите на елементите почти винаги (с редки изключения) се комбинират по двойки. Формула за вода Dalton - НЕ. Освен това той беше сигурен, че молекулите на всички прости вещества съдържат по един атом.

Правилните формули за вода и много други вещества бяха определени чрез изследване на химичните реакции в газовата фаза. Френският химик Жозеф Луи Гей-Люсак (1778-1850) открива, че един обем водород реагира с един обем хлор, за да произведе два обема хлороводород; по време на електролитното разлагане на водата се образуват един обем кислород и два обема водород и т.н. Това правило е публикувано през 1808 г. и получава името законът на обемните отношения.

I Обемите на реагиращите газове се отнасят един към друг и към обемите на газа. оформени реакционни продукти като малки цели числа.

Значението на закона за обемните отношения става ясно след голямото откритие на италианския химик Амедео Авогадро (1776-1856), който формулира хипотеза (предположение), която по-късно е наречена Законът на Авогадро.

| В равни обеми от всякакви газове при постоянна температура и налягане? lelen съдържа същия брой молекули.

Това означава, че всички газове се държат в определен смисъл по един и същи начин и че обемът на газа при дадени условия не зависи от естеството (състава) на газа, а се определя само от броя на частиците в даден обем . Чрез измерване на обема можем да определим броя на частиците (атоми и молекули) в газовата фаза. Голямата заслуга на Авогадро е, че той успя да установи проста връзка между наблюдаваното макроскопско количество (обем) и микроскопичните свойства на газообразните вещества (броя на частиците).

Анализирайки обемните съотношения, намерени от Гей-Люсак, и използвайки неговата хипотеза (която по-късно беше наречена закон на Авогадро),ученият установил, че молекулите на газообразните прости вещества (кислород, азот, водород, хлор) са двуатомни. Всъщност, когато водородът реагира с хлор, обемът не се променя; следователно, броят на частиците също не се променя. Ако приемем, че водородът и хлорът са едноатомни, първоначалният обем трябва да бъде намален наполовина в резултат на реакцията на добавяне. Но след реакцията обемът не се променя, което означава, че молекулите на водорода и хлора съдържат по два атома и реакцията протича според уравнението

По същия начин можете да установите молекулярните формули на сложни вещества - вода, амоняк, въглероден диоксид и други вещества.

Колкото и да е странно, но съвременниците не оцениха и не признаха заключенията, направени от Авогадро. Водещите химици от онова време Дж. Далтън и Йенс Джейкъб Берцелиус (1779-1848) се противопоставят на предположението, че молекулите на простите вещества могат да бъдат двуатомни, тъй като смятат, че молекулите се образуват само от различни атоми (положително и отрицателно заредени). Под натиска на такива власти хипотезата на Авогадро е отхвърлена и постепенно забравена.

Само почти 50 години по-късно, през 1858 г., италианският химик Станислао Каницаро (1826-1910) случайно открива работата на Авогадро и осъзнава, че тя прави ясно разграничение между понятията "атом" и "молекула" за газообразни вещества. Именно Каницаро предложи дефинициите на атома и молекулата, които са дадени в началото на този параграф, и направи напълно ясни понятията „атомно тегло“ и „молекулно тегло“. През 1860 г. в Карлсруе (Германия) се провежда Първият международен химически конгрес, на който след дълги дискусии основните положения на атомно-молекулярната теория са всеобщо признати.

Нека обобщим. Могат да се разграничат три основни етапа в развитието на атомно-молекулярната наука.

1. Раждането на атомната доктрина, появата на идея (хипотеза) за съществуването на атоми (Левкип и Демокрит).
2. Първото експериментално потвърждение на атомната теория в опити със сгъстен въздух (закон на Бойл-Мариот).
3. Откриването на важна закономерност, че атомите на различни елементи присъстват в молекула в определени тегловни съотношения (законът на Далтън за множествените съотношения), и установяване на формули за газообразни прости вещества (хипотеза на Авогадро).

Интересното е, че когато беше направено предположението за съществуването на атоми, теорията изпревари експеримента (първите атоми бяха изобретени, а след 2000 години това беше доказано). В случая с молекулите експериментът изпреварва теорията: идеята за съществуването на молекули беше предложена, за да се обясни експерименталният закон на множеството съотношения. В този смисъл историята на атомно-молекулярната теория е типичен пример, който отразява различни пътища на научни открития.

1. Основни положения на ИКТ. Доказателство за съществуването на молекули. Размери и маса на молекулите.

Основните положения на молекулярно-кинетичната теория.

3). В процеса на тяхното взаимодействие между молекулите възникват силите на привличане и отблъскване.

^ Експериментално обосноваване на молекулярно-кинетична теория

^ Брауново движение.

През 1827 г. английският ботаник Браун, наблюдавайки суспензия на цветен прашец във вода през микроскоп, открива, че зърната на цветния прашец се движат непрекъснато хаотично. Безпорядъчното движение на много малки частици от твърдо вещество, суспендирано в течност, се нарича Брауново движение. Установено е, че Брауновото движение отнема неограничено време. Интензивността на движение на частиците, суспендирани в течност, не зависи от веществото на тези частици, а зависи от техния размер. Големите частици остават неподвижни. Интензивността на Брауновото движение се увеличава с повишаване на температурата на течността и намалява с понижаване на температурата. Частиците, суспендирани в течност, се движат под въздействието на течни молекули, които се сблъскват с тях. Молекулите се движат хаотично, така че силите, с които те действат върху суспендирани частици, непрекъснато се променят по големина и посока. Това води до неправилно движение на суспендираните частици. По този начин Брауновото движение ясно потвърждава съществуването на молекули и хаотичния характер на тяхното топлинно движение. (Количествената теория на Брауновското движение е разработена през 1905 г. от Айнщайн.)
Дифузиясе нарича феноменът на спонтанно взаимно проникване на молекули от вещества, които се прилепват една към друга, в междумолекулните празнини една на друга. (Дифузията през полупропускливи прегради се нарича осмоза.) Пример за дифузия в газове е дифузията на миризми. В течностите ясно проявление на дифузия е смесване срещу действието на гравитацията на течности с различна плътност (в този случай молекулите на по-тежка течност се издигат нагоре, а по-леката - слизат надолу). Дифузията се среща и в твърдите тела. Това се доказва от този опит: две полирани плоски плочи от злато и олово, положени една върху друга, се съхраняват при стайна температура в продължение на 5 години. През това време плочите са нараснали заедно, образувайки едно цяло, като златните молекули проникват в оловото, а оловните молекули в златото на дълбочина 1 см. 1 Скоростта на дифузия зависи от състоянието на агрегиране на веществото и температурата . С повишаване на температурата скоростта на дифузия се увеличава, а с понижение намалява.

^ Размери и маса на молекулите

^ Относително молекулно тегло

Тъй като масите на атомите и молекулите са изключително малки, при изчисленията обикновено се използват не абсолютни, а относителни стойности на масите, получени чрез сравняване на масите на атомите и молекулите с единица за атомна маса, която е 1/12 от масата на въглероден атом (тоест те използват въглеродна скала на атомните маси). Относителна молекулярна(или атомен) маса М r(или А r) на вещество се нарича стойност, равна на съотношението на масата на молекула (или атом) от това вещество към 1/12 от масата на въглероден атом 12 C. Относителната молекулна (атомна) маса е величина, която има няма измерение. Относителната атомна маса на всеки химичен елемент е посочена в периодичната таблица. Ако дадено вещество се състои от молекули, образувани от атоми на различни химични елементи, относителното молекулно тегло на това вещество е равно на сумата от относителните атомни маси на елементите, които съставляват това вещество.

^ Количеството вещество

v = N / N А . Количеството на веществото се изразява в молове. Един мол е равен на количеството материя в система, съдържаща същия брой структурни елементи (атоми, молекули, йони), както има атоми във въглерод-12 с тегло 0,012 kg.

^ Константа на Авогадро. Моларна маса

Количеството на веществото може да се намери като

Масата на една молекула може да се намери като
или като се има предвид, че относителното молекулно тегло е числено равно на масата на една молекула, изразена в amu. (1 amu = 1,6610 -27 kg).

^ 2. Структурата на газообразни, течни и твърди тела

Има четири агрегатни състояния на материята - твърдо, течно, газообразно и плазмено.

Ако минималната потенциална енергия W P на молекулите на веществото е много по-малка от средната кинетична енергия на тяхното топлинно движение W K (т.е. W P > W K, тогава веществото е в твърдо състояние.

В газове при ниско налягане и ниска температура молекулите са разположени една от друга на разстояния, многократно по-големи от техния размер. При такива условия молекулите на газа не са свързани с междумолекулни сили на привличане. Те се движат хаотично по целия обем, зает от газа. Взаимодействието на газовите молекули възниква само когато те се сблъскват една с друга и със стените на съда, в който се намира газът. Преносът на импулса при тези сблъсъци определя налягането, произведено от газа. Разстоянието, което една молекула изминава между два последователни сблъсъка, се нарича среден свободен път на молекулата. Ако газовите молекули се състоят от два или повече атома, тогава при сблъсък те придобиват въртеливо движение. Така в газовете молекулите извършват главно транслационно и въртеливо движение.

В течностите разстоянието между молекулите е сравнимо с техния ефективен диаметър. Силите на взаимодействие на молекулите една с друга са доста големи. Течните молекули осцилират около временни равновесни позиции. Въпреки това, в течности, W P ~ W K, следователно, след като са получили излишък от кинетична енергия в резултат на хаотични сблъсъци, отделните молекули преодоляват привличането на съседни молекули и се придвижват до нови равновесни позиции, около които отново извършват осцилаторно движение. Времето на вибрация на течните молекули в близост до равновесни позиции е много кратко (около 10 -10 - 10 -12 s), след което молекулите извършват преход към нови позиции. Следователно молекулите на течността извършват осцилаторно движение около временните центрове на равновесие и рязко се движат от едно положение на равновесие в друго (поради такива движения течността има течливост и приема формата на съда, в който се намира) . Течността се състои от много микроскопични области, в които има определен ред в подреждането на близките молекули, които не се повтарят в целия обем на течността и се променят във времето. Този тип подреждане на частиците се нарича ред на къси разстояния.

В твърдите тела разстоянието между молекулите е дори по-малко, отколкото в течностите. Силите на взаимодействие на молекулите на твърдите тела помежду си са толкова големи, че молекулите се държат една спрямо друга в определени позиции и вибрират около постоянни центрове на равновесие. Твърдите вещества се разделят на кристални и аморфни. Кристалните тела се характеризират с така наречените кристални решетки – подредено и периодично повтарящо се подреждане на молекули, атоми или йони в пространството. Ако се прокара права линия през произволен възел на кристалната решетка във всяка посока, тогава по тази права линия на еднакво разстояние ще има други възли на тази решетка, т.е. тази структура се повтаря в целия обем на кристалното тяло . Този тип подреждане на частиците се нарича ред на далечни разстояния. В аморфните тела (стъкло, смола и редица други вещества) няма далечен ред и кристална решетка, което прави аморфните тела подобни по свойства на течностите. Въпреки това, в аморфните тела, молекулите вибрират около временни равновесни позиции много по-дълго, отколкото в течности. В твърдите тела молекулите извършват предимно осцилаторно движение (въпреки че има и отделни молекули, движещи се транслационно, както се вижда от явлението дифузия).

^ 3. Опитът на Стърн. Разпределение на скоростта на молекулите

Газовите молекули се движат с висока скорост по права линия, преди да се сблъскат. При стайна температура скоростта на въздушните молекули достига няколкостотин метра в секунда. Разстоянието, което молекулите изминават средно от един сблъсък до друг, се нарича среден свободен път на молекулите. При стайна температура молекулите на въздуха имат среден свободен път от порядъка на 10 -7 м. Поради случайността на движението молекулите имат много различни скорости. Но при дадена температура можете да определите скоростта, близка до която има най-големият брой молекули.

Скоростта  in, близо до която има най-голям брой молекули, се нарича най-вероятна скорост.

Само много малък брой молекули имат скорост близка до нула или близка до безкрайно висока стойност, много пъти по-висока от най-вероятната скорост. И, разбира се, няма молекули, чиято скорост е нула или безкрайно висока. Но повечето от молекулите имат скорост, близка до най-вероятната.

С повишаване на температурата скоростите на молекулите се увеличават. Но броят на молекулите със скорост, близка до най-вероятната, намалява, тъй като разпространението на скоростите се увеличава и броят на молекулите, чиито скорости се различават значително от най-вероятната, се увеличава. Броят на молекулите, движещи се с висока скорост, се увеличава, а при по-ниски - намалява. И поради огромния брой молекули във всеки обем газ, посоките им на движение по която и да е координатна ос са еднакво вероятни, ако газът е в състояние на равновесие, тоест в него няма потоци. Това означава, че всяко насочено движение на една молекула съответства на противопосоченото движение на друга молекула със същата скорост, т.е. ако една молекула се движи, например, напред, тогава със сигурност ще има друга молекула, която се движи назад със същата скорост. Следователно, скоростта на движение на молекулите, като се вземе предвид тяхната посока, не може да се характеризира със средната скорост на всички молекули, тя винаги ще бъде нула, тъй като положителна скорост, ко-посочена с една от координатните оси, ще се сумира с отрицателна скорост, която е противопосочена към тази ос. Ако стойностите на скоростите на всички молекули са на квадрат, тогава всички минуси ще изчезнат. Ако тогава съберем квадратите на скоростите на всички молекули и след това разделим на броя на молекулите N, тоест определим средната стойност на квадратите на скоростите на всички молекули и след това извлечем квадратния корен от това стойност, то вече няма да е равна на нула и те могат да характеризират скоростта на движение на молекулите. Квадратният корен от средната на квадратите на скоростите на всички молекули се нарича тяхната средна квадратна скорост
... От уравненията на молекулярната физика следва, че
.

^ Опитът на Стърн.

Първото експериментално определяне на скоростта на молекулите е направено през 1920 г. от немския физик О. Щерн. Той определя средната скорост на атомите. Схемата на експеримента е показана на фиг.

На плоска хоризонтална основа са фиксирани две коаксиални цилиндрични повърхности 1 и 2, които заедно с основата могат да се въртят около вертикалната ос на OO 1. Повърхността 1 е твърда, а n
Повърхност 2 има тесен процеп 4, успореден на оста OO 1. Тази ос е платинена сребърна жица 3, през която преминава електрически ток. Цялата система е разположена в камера, от която въздухът се евакуира (т.е. във вакуум). Жицата се нагрява до висока температура. Сребърните атоми, изпарявайки се от повърхността му, запълват вътрешния цилиндър 2. Тесен лъч от тези атоми, преминавайки през процеп 4 в стената на цилиндър 2, достига вътрешната повърхност на цилиндър 1. Ако цилиндрите са неподвижни, сребърните атоми се отлагат върху тази повърхност под формата на тясна ивица, успоредна на процепите (точка B), (сечение на цилиндрите с хоризонтална равнина).

Когато цилиндрите се въртят с постоянна ъглова скорост  около оста OO 1 за времето t, през което атомите летят от прореза до повърхността на външния цилиндър (т.е. изминават разстоянието AB, равно на разлика
радиусите на тези цилиндри), цилиндрите се завъртат на ъгъл , а атомите се отлагат под формата на ивица на друго място (точка С, фиг. б). Разстоянието между местата на отлагане на атоми в първия и втория случай е равно на s.

Ние обозначаваме е средната скорост на движение на атома, а v = R е линейната скорост на външния цилиндър. Тогава
... Познавайки параметрите на инсталацията и измервайки експериментално s, е възможно да се определи средната скорост на движение на атомите. В експеримента на Стърн е установено, че средната скорост на сребърните атоми е 650 m / s.

ФЕДЕРАЛНА АГЕНЦИЯ ЗА ОБРАЗОВАНИЕ

РУСКА ФЕДЕРАЦИЯ

ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ ВОРОНЕЖ

КАТЕДРА ПО ОНТОЛОГИЯ И ТЕОРИЯ НА познанието

Теория на Брауновото движение и експериментално доказателство за реалното съществуване на атоми и молекули

Завършен: аспирант

Физически факултет

Крисилов A.V.

Воронеж 2010г

Атомна структура на материята

Откритие от Робърт Браун

Теория на Брауновото движение

1Алберт Айншнайн - първата теория на Брауновото движение

2Мариан Смолуховски - произходът на законите на вероятността във физиката

Доказателство за реалното съществуване на атоми и молекули

1 Жан Батист Перен - Решаващи експерименти

2Теодор Сведберг - определяне на размера на протеинова молекула

Съвременната наука и брауновското движение

литература

1.Атомна структура на материята

материя браунов молекула атом

Съществен признак, който в ежедневието и в науката обозначаваме като злополука, може накратко да се определи по следния начин: малки причини - големи последици.

М. Смолуховски

Добре известно е, че древните мислители многократно са предполагали дискретната природа на материята. Те стигнаха до това, изхождайки от философската идея, че е невъзможно да се осъзнае безкрайната делимост на материята и при разглеждането на все по-малки количества е необходимо да се спре някъде. За тях атомът беше последната неделима част от материята, след която нямаше какво да се търси. Съвременната физика също изхожда от концепцията за атомната структура на материята, но от нейна гледна точка атомът е нещо съвсем различно от това, което древните мислители са разбирали под тази дума. Според съвременните схващания, атомът, като съставна част от материята, има много сложна структура. Истинските атоми в смисъла на древните са, от гледна точка на съвременната физика, елементарни частици, като електроните, които днес (може би временно) се считат за последни неделими съставни части на атомите и следователно на материята.

Концепцията за атома е въведена в съвременната наука от химици. Изследването на химичните свойства на различни тела довежда учените химици до идеята, че всички вещества са разделени на два класа: единият от тях включва сложни или съставни вещества, които могат да бъдат разложени на по-прости вещества чрез подходящи операции, а другият - по-прости вещества, които вече не е възможно да се разложи на съставните му части. Тези прости вещества също често се наричат елементи. В съответствие с тази теория разлагането на сложните вещества на съставните им елементи се състои в разрушаване на връзките, които обединяват различни атоми в молекули, и разделянето на веществата на съставните им части.

Атомната хипотеза се оказва много плодотворна не само за обяснение на основни химически явления, но и за изграждане на нови физични теории. Всъщност, ако всички вещества наистина се състоят от атоми, тогава много от техните физически свойства могат да бъдат предвидени въз основа на идеята за тяхната атомна структура. Например, добре познатите свойства на газа трябва да се обяснят чрез представяне на газ като съвкупност от изключително голям брой атоми или молекули в състояние на бързо непрекъснато движение. Налягането на газа върху стените на съда, който го съдържа, трябва да бъде причинено от въздействието на атоми или молекули върху стените, температурата му трябва да е свързана със средната скорост на частиците, която се увеличава с повишаване на температурата на газа. Теорията, базирана на такива концепции, наречена кинетична теория на газовете, направи възможно теоретично да се изведат основните закони, управляващи газовете и които вече са получени преди това експериментално. Освен това, ако предположението за атомната структура на веществата съответства на реалността, тогава от това следва, че за да се обяснят свойствата на твърдите тела и течностите, е необходимо да се приеме, че в тези физични състояния атомите или молекулите, които съставляват веществото трябва да бъде на много по-малки разстояния от всеки един приятел и да бъде много по-силно свързани помежду си, отколкото в газообразно състояние. Големият размер на силите на взаимодействие между изключително близко разположени атоми или молекули, което трябва да се признае, трябва да обясни еластичността, несвиваемостта и някои други свойства, които характеризират твърдите вещества и течностите. Теориите, които се появиха и развиха на тази основа, срещнаха редица трудности по пътя си (повечето от които бяха премахнати с появата на квантовата теория). Въпреки това резултатите, получени в тази теория, бяха достатъчно задоволителни, за да се смята, че тя се развива по правилния път.

Въпреки факта, че хипотезата за атомната структура на материята за някои физически теории се оказа много плодотворна, за нейното окончателно потвърждение беше необходимо да се проведе повече или по-малко пряк експеримент, потвърждаващ атомната структура на материята.

Първата стъпка към този експеримент беше опитът на ботаника Робърт Браун, който открива произволното движение на частиците на цветен прашец, суспендирани в течност. Но признаването на значението на това откритие за науката дойде повече от половин век по-късно.

За да се докаже реалността на молекулите, беше необходимо да се определи техният размер или маса. През 1865 г. Лошмид получава, на газокинетична основа, първата оценка на размера на въздушните молекули и броя на молекулите на газа в 1 кубичен метър. cm при нормални условия, и представи резултатите, получени в добре познатия труд „Zur Gr ö sse der Luftmolek ü ле ".

Седем години по-късно, през 1872 г., Ван дер Ваалс изчислява константата на Авогадро NA (броя на молекулите в пробата, броят на грамовете на веществото, в който е равен на молекулното му тегло). Ван дер Ваалс открива приблизителна стойност от 6,2 за числото N 1023. Теория на газа при високо налягане и произтичащите от него

разследването предизвика всеобщо възхищение, но поради големия брой предположения, залегнали в основата както на теорията, така и на изчисляването на числото NA, получената стойност на числото на Авогадро не се вярваше особено.

2.Откритие от Робърт Браун

Шотландският ботаник Робърт Браун, приживе, като най-добър познавач на растенията, получава титлата "Принц на ботаниците". Той направи много прекрасни открития. През 1805 г., след четиригодишна експедиция в Австралия, той донася в Англия около 4000 вида неизвестни на учените австралийски растения и прекарва много години в изучаването им. Описани растения, донесени от Индонезия и Централна Африка. Той изучава физиология на растенията, за първи път описва подробно ядрото на растителната клетка. Но името на учения сега е широко известно изобщо не заради тези произведения.

През 1827 г. Браун провежда изследвания върху растителния прашец. По-специално той се интересуваше как цветният прашец участва в процеса на оплождане. Веднъж той изследва под микроскоп удължените цитоплазмени зърна, суспендирани във вода, изолирани от клетките на прашеца на северноамериканското растение Clarkia pulchella (Clarkia pretty). Внезапно Браун видя, че най-малките твърди зърна, които трудно се виждат в капка вода, непрекъснато треперят и се местят от място на място. Той откри, че тези движения, по думите му, „не са свързани нито с потоци в течността, нито с постепенното й изпаряване, а са присъщи на самите частици“.

Наблюдението на Браун беше потвърдено от други учени. Най-малките частици се държаха сякаш са живи и „танцът“ на частиците се ускоряваше с повишаване на температурата и намаляване на размера на частиците и очевидно се забавяше, когато водата беше заменена с по-вискозна среда. Това невероятно явление никога не спираше: можеше да се наблюдава толкова дълго, колкото желае. Първоначално Браун дори си помисли, че живите същества наистина са влезли в полето на микроскопа, особено след като прашецът е мъжките репродуктивни клетки на растенията, но частици от мъртви растения, дори от тези, изсъхнали сто години по-рано в хербариите, също са били внесени. Тогава Браун се зачуди дали това са "елементарните молекули на живите същества", за които говори известният френски натуралист Жорж Бюфон (1707-1788), автор на 36-томната Естествена история. Това предположение отпадна, когато Браун започна да изследва очевидно неодушевени предмети; отначало бяха много малки частици въглища, както и сажди и прах от лондонския въздух, след това фино смлени неорганични вещества: стъкло, много различни минерали. „Активни молекули“ бяха навсякъде: „Във всеки минерал“, пише Браун, „който успях да смеля на прах до такава степен, че да може да бъде суспендиран във вода за известно време, открих, в по-големи или по-малки количества, тези молекули ."

В продължение на около 30 години откритието на Браун не привлича интереса на физиците. Те не придават голямо значение на новото явление, смятайки, че то се дължи на треперенето на лекарството или подобно на движението на праховите частици, което се наблюдава в атмосферата при падане на лъч светлина върху тях и което, т.к. е известно, се причинява от движението на въздуха. Но ако движението на брауновските частици е причинено от каквито и да е потоци в течността, тогава такива съседни частици биха се движили съвместно, което противоречи на данните от наблюденията.

Обяснението на Брауновското движение (както беше наречено това явление) чрез движението на невидими молекули е дадено едва през последната четвърт на 19 век, но далеч не е прието веднага от всички учени. През 1863 г. учителят по описателна геометрия от Карлсруе (Германия) Лудвиг Кристиан Винер (1826-1896) предполага, че явлението е свързано с вибрационните движения на невидимите атоми. Важно е, че Винер е видял възможност с помощта на това явление да проникне в тайните на структурата на материята. Той първо се опитал да измери скоростта на движение на брауновските частици и нейната зависимост от техния размер. Но заключенията на Винер бяха сложни поради въвеждането на понятието „етерни атоми“ в допълнение към атомите на материята. През 1876 г. Уилям Рамзи и през 1877 г. белгийските йезуитски свещеници Карбонел, Делсо и Тирион и накрая през 1888 г. Ги ясно показват топлинната природа на Брауновското движение [5].

„При голяма площ“, пишат Делсо и Карбонел, „ударите на молекулите, които предизвикват налягането, не предизвикват никакво разклащане на окачено тяло, тъй като заедно създават равномерен натиск върху тялото във всички посоки. Но ако площта е недостатъчна, за да компенсира неравностите, е необходимо да се вземе предвид неравенството на наляганията и непрекъснатата им промяна от точка до точка. Законът за големите числа сега не свежда ефекта от сблъсъците до средно равномерно налягане, техният резултат вече няма да е равен на нула, а непрекъснато ще променя посоката и величината си.

Ако приемем това обяснение, тогава може да се каже, че явлението термично движение на течности, постулирано от кинетичната теория, е доказано ad oculos (визуално). Точно както е възможно, без да разграничаваме вълните в далечината на морето, това ще обясни люлеенето на лодката на хоризонта с вълни, по същия начин, без да виждаме движението на молекулите, може да се съди за това по движението на частици, суспендирани в течност.

Това обяснение на Брауновото движение е важно не само като потвърждение на кинетичната теория, но също така води до важни теоретични последици. Съгласно закона за запазване на енергията, промяната в скоростта на суспендирана частица трябва да бъде придружена от промяна на температурата в непосредствена близост до тази частица: тази температура се увеличава, ако скоростта на частицата намалява, и намалява, ако скоростта на частицата се увеличава . По този начин термичното равновесие на течността е статистическо равновесие.

Още по-значимо наблюдение е направено през 1888 г. от Гай: Брауновското движение, строго погледнато, не се подчинява на втория закон на термодинамиката. Всъщност, когато суспендирана частица спонтанно се издигне в течност, тогава част от топлината на нейната среда спонтанно се превръща в механична работа, което е забранено от втория закон на термодинамиката. Наблюденията обаче показват, че повдигането на частицата става по-рядко, колкото по-тежка е частицата. За частици от материя с обикновени размери тази вероятност за такова покачване е практически нула.

Така вторият закон на термодинамиката се превръща в закон на вероятността, а не в закон на необходимостта. Никой предишен опит не е подкрепил тази статистическа интерпретация. Достатъчно беше да се отрече съществуването на молекули, както направи, например, школата на енергетиките, която процъфтява под ръководството на Мах и Оствалд, за да се превърне вторият закон на термодинамиката в закон на необходимостта. Но след откриването на Брауновото движение стриктното тълкуване на втория принцип вече стана невъзможно: имаше истински експеримент, който показа, че вторият закон на термодинамиката постоянно се нарушава в природата, че вечен двигател от втория вид не е само не е изключено, но постоянно се прилага точно пред очите ни.

Ето защо в края на миналия век изучаването на брауновското движение придоби огромно теоретично значение и привлече вниманието на много физици-теоретици, и по-специално на Айнщайн.

3.Теория на Брауновото движение

Още от първите физически изследвания на Брауновото движение се правят опити да се определи средната скорост на суспендираните частици. Получените оценки обаче съдържаха груби грешки, тъй като траекторията на частицата е толкова сложна, че е невъзможно да се проследи: средната скорост варира значително по големина и посока, без да се стреми към някаква определена граница с увеличаване на продължителността на време за наблюдение. Невъзможно е да се определи допирателната към траекторията във всяка точка, тъй като траекторията на частицата не прилича на гладка крива, а на графика на някаква функция, която няма производна.

Хоризонтална проекция (увеличена) на последователни позиции, заемани на всеки 30 секунди от три частици дъвка с диаметър малко повече от 1 микрон. (Les Atomes - Nature, том 91, брой 2280, стр. 473 (1913)).

3.1Айнщайн - първата теория на Брауновото движение

През 1902 г., след като завършва Федералния институт в Цюрих, Айнщайн става проверяващ за Швейцарското патентно ведомство в Берн, където работи в продължение на седем години. Това бяха щастливи и продуктивни години за него. Въпреки че заплатата едва стигаше, работата в патентното ведомство не беше особено натоварваща и остави на Айнщайн достатъчно енергия и време за теоретични изследвания. Първата му работа е посветена на силите на взаимодействие между молекулите и приложенията на статистическата термодинамика. Една от тях, "Предефиниране на молекулярните размери", беше приета като докторска дисертация от Университета в Цюрих. През същата година Айнщайн публикува малка поредица от произведения, които не само показаха силата му като теоретичен физик, но и промениха лицето на цялата физика.

Една от тези произведения беше посветена на обяснението на Брауновото движение на частици, суспендирани в течност. Айнщайн свързва движението на частиците, наблюдавани през микроскоп, със сблъсъците на тези частици с молекули; освен това той прогнозира, че наблюдението на Брауновото движение прави възможно изчисляването на масата и броя на молекулите в даден обем. Няколко години по-късно това беше потвърдено от Жан Перин. Тази работа на Айнщайн беше от особено значение, тъй като съществуването на молекули, считани за нищо повече от удобна абстракция, по това време все още беше под съмнение.

3.2Смолуховски - произходът на законите на вероятността във физиката

Айнщайн, който през приблизително същите години самият извършва брилянтни изследвания на Брауновското движение, пише в некролог в памет на Смолуховски (1917): Кинетичната теория на топлината успява да постигне общо приемане едва през 1905-1906 г., когато е доказано, че може количествено да обясни отдавна откритото хаотично движение на суспендирани микроскопични частици, т.е. Брауновото движение. Смолуховски създава особено елегантна и визуална теория на това явление, изхождайки от кинетичния закон за равномерно разпределение на енергията... Познаването на същността на Брауновското движение доведе до внезапното изчезване на всички съмнения относно надеждността на разбирането на Болцман за термодинамичните закони [ 9].

Най-важното в работите на Айнщайн и Смолуховски върху Брауновското движение е да се установи връзка между законите за движение на видимите и директно измерими браунови частици, суспендирани в течност, и законите за движение на невидимите молекули. Оказа се, че газовите закони са приложими за суспендираните Браунови частици; тяхното разпределение в гравитационното поле (барометрична формула) е същото като разпределението на газовете; тяхната средна кинетична енергия е равна на средната кинетична енергия на течните молекули, в които са суспендирани. Това означава, че при Брауновото движение на наблюдаваните частици имаме визуална и измерима картина на кинетичното движение на молекулите. Всичко това разкрива най-богатите възможности за различни методи за експериментална проверка на величините, характеризиращи молекулярните системи, които преди изглеждаха само хипотетични. Така резултатите от изследването на Брауновото движение дават много начини за измерване на броя на частиците в грам-молекула (числото на Авогадро) - чрез измерване на вискозитета на газовете, разпределението на частиците на дифузия на разтворими тела, феномена на опалесценция , феномена синьо небе и т.н.. Във всички случаи резултатите се оказаха изненадващо еднакви.в рамките на експерименталната грешка. Жан Перин, в доклад за Брауново движение и молекули, прочетен във Френското физическо общество на 15 април 1909 г., казва: Струва ми се невъзможно един ум, свободен от предразсъдъци, да не бъде завладян от мисълта за изключително разнообразие от явления, които се стремят с такава прецизност да дадат едно и също число, докато за всяко от тези явления, без да се ръководи от молекулярната теория, един може да очаква всяка стойност между нула и безкрайност. Оттук нататък ще бъде трудно да се защити с разумни аргументи враждебността към молекулярните хипотези ... Смолуховски също е добре наясно със значението на изследванията върху Брауновското движение, който каза на конгрес в Мюнстер през 1912 г.: ... Тук за първи път се взема предвид законът на Максуел за разпределение на скоростите и изобщо концепцията за топлината като процес на движение, докато по-рано всичко това обикновено се разглеждаше като вид поетични сравнения .

Изследванията на Брауновското движение и флуктуациите неизбежно повдигат методологични проблеми пред учения за ролята на случайността във физиката, за което Смолуховски пише в статия, публикувана след смъртта му. За концепцията за случайността и за произхода на законите на вероятността във физиката .

4.Доказателство за реалното съществуване на атоми и молекули

1Жан Батист Перен - Решаващи експерименти.

В хода на изследванията на катодните лъчи, излъчвани от отрицателен електрод (катод) във вакуумна тръба по време на електрически разряд, Жан Батист Перин показа през 1895 г., че те са поток от отрицателно заредени частици. Скоро стана широко разпространеното мнение, че тези отрицателни частици, наречени електрони, са съставна част от атомите.

Атомната теория твърди, че елементите са съставени от дискретни частици, наречени атоми, и че химическите съединения са съставени от молекули, по-големи частици, съдържащи два или повече атома. До края на XIX век. атомната теория е получила широко признание сред учените, особено сред химиците. Някои физици обаче вярваха, че атомите и молекулите не са нищо повече от фиктивни обекти, които са въведени от съображения за удобство и са полезни при числената обработка на резултатите от химичните реакции. Австрийският физик и философ Ернст Мах смята, че въпросът за първичната структура на материята е принципно неразрешим и не трябва да бъде обект на изследване на учените. За привържениците на атомизма потвърждаването на дискретността на материята е един от основните въпроси, които остават неразрешени във физиката.

Продължавайки да развива атомната теория, Перин излага през 1901 г. хипотезата, че атомът е миниатюрна слънчева система, но не може да го докаже.

През 1905 г. Алберт Айнщайн публикува статия за Брауновското движение, в която са дадени теоретичните основи на молекулярната хипотеза. Той направи определени количествени прогнози, но експериментите, необходими за тестването им, изискваха толкова голяма прецизност, че Айнщайн се усъмни в тяхната осъществимост. От 1908 до 1913 г. Перин (първоначално не знаейки за работата на Айнщайн) прави фини наблюдения на Брауновското движение, което потвърждава предсказанията на Айнщайн.

Перин разбра, че ако движението на суспендирани частици е причинено от сблъсъци с молекули, тогава, въз основа на добре известни газови закони, е възможно да се предвидят средните им измествания за определен период от време, ако знаете техния размер, плътност и някои характеристики на течността (например температура и плътност). Всичко, което се изискваше, беше правилното съгласуване на тези прогнози с измерванията и тогава щеше да има силно потвърждение за съществуването на молекули. Въпреки това, не беше толкова лесно да се получат частици с желания размер и еднородност. След много месеци на старателно центрофугиране, Перин успява да изолира няколко десети от грама хомогенни частици гумигут (жълтеникаво вещество, получено от млечния сок на растенията). След измерване на характеристиките на Брауновото движение на тези частици, резултатите се оказаха доста съвместими с молекулярната теория.

Разпределението на крайните точки на хоризонталните премествания на частица дъвка, прехвърлени успоредно на себе си, така че началото на всички премествания да са в центъра на окръжността, публикувано в работата на Perrin Брауново движение и реалността на молекулите .

Перин също изследва седиментацията или утаяването на най-малките суспендирани частици. Ако молекулярната теория е вярна, разсъждава той, частици, по-малки от определен размер, изобщо няма да потънат на дъното на съда: възходящият компонент на инерцията в резултат на сблъсъци с молекули ще се противопоставя постоянно на гравитацията надолу. Ако суспензията не бъде нарушена, тогава в крайна сметка ще се установи равновесие на утаяване, след което концентрацията на частици на различни дълбочини няма да се промени. Ако свойствата на суспензията са известни, тогава може да се предвиди равновесното вертикално разпределение.

Перин направи няколко хиляди наблюдения, използвайки много сложни и гениални микроскопски техники и броейки броя на частиците на различни дълбочини в една капка течност със стъпка на дълбочина само дванадесет стотни от милиметъра. Той открива, че концентрацията на частици в течност намалява експоненциално с намаляване на дълбочината, а числените характеристики са в толкова добро съответствие с прогнозите на молекулярната теория, че резултатите от неговите експерименти са широко приети като решаващо потвърждение за съществуването на молекули. По-късно той измисли начини за измерване не само на линейните премествания на частиците при броуново движение, но и на тяхното въртене. Изследванията на Перин му позволяват да изчисли размера на молекулите и числото на Авогадро, т.е. броят на молекулите в един мол (количеството на вещество, чиято маса, изразена в грамове, е числено равна на молекулното тегло на това вещество). Той тества получената си стойност за числото на Авогадро, използвайки пет различни типа наблюдения и установи, че то удовлетворява всички тях, като вземе предвид минималната експериментална грешка. (Приетата понастоящем стойност на това число е около 6,02 × 1023; Перин получава стойност с 6% по-висока.) До 1913 г., когато той обобщава многобройните дотогава доказателства за дискретната природа на материята в своята книга Les Atomes „Атоми“ реалността на съществуването както на атоми, така и на молекули е призната почти универсално.

През 1926 г. Перин получава Нобелова награда по физика „за работата си върху дискретната природа на материята и особено за откриването на седиментационното равновесие“.

4.2Теодор Сведберг - Определяне на размера на протеинова молекула

Шведският химик Теодор Сведберг, само 3 години след като постъпва в университета в Упсала, получава докторска степен за дисертацията си върху колоидни системи.

Колоидните системи са смес, в която най-малките частици от едно вещество са диспергирани в друго вещество. Колоидните частици са по-големи от частиците на истинските разтвори, но не толкова, че да могат да се видят под микроскоп или че се утаяват от гравитацията. Размерите им варират от 5 нанометра до 200 нанометра. Примери за колоидни системи са индийско мастило (частици въглища във вода), дим (прахови частици във въздуха) и млечна мазнина (малки топчета мазнини във воден разтвор). В докторската си дисертация Сведберг описва нов метод за прилагане на осцилаторни електрически разряди между метални електроди, разположени в течност, за да се получат относително чисти колоидни разтвори на метали. Възприетият по-рано DC метод се характеризира с висока степен на замърсяване.

През 1912 г. Сведберг става първият учител по физическа химия в университета в Упсала и остава на тази работа в продължение на 36 години. Неговото внимателно изследване на дифузията и Брауновото движение на колоидни частици (неустроеното движение на най-малките частици, суспендирани в течност) стана допълнително доказателство в полза на експерименталното потвърждение на теоретичната работа на Алберт Айнщайн и Мариан Смолуховски, извършена през 1908 г. Жан Перин, който установи наличието на молекули в разтвора. Перин доказа, че размерът на големите колоидни частици може да се определи чрез измерване на скоростта на тяхното утаяване. Повечето колоидни частици обаче се утаяват в околната среда толкова бавно, че този метод изглежда непрактичен.

За да определи размера на частиците в колоидни разтвори, Сведберг използва ултрамикроскоп, проектиран от Ричард Сигмонди. Той вярвал, че отлагането на колоидни частици ще се ускори при условията на по-силно гравитационно поле, създадено от високоскоростна центрофуга. По време на престоя си в Университета на Уисконсин през 1923 г., където е гост-професор в продължение на 8 месеца, Сведберг се заема със създаването на оптична центрофуга, в която отлагането на частици ще се улавя чрез фотографиране. Тъй като частиците се движеха, не само се утаяват, но и под действието на конвенционални токове, Сведберг, използвайки този метод, не може да установи размера на частиците. Той знаеше, че високата топлопроводимост на водорода може да помогне за премахване на температурните разлики и следователно на конвекционните токове. След като конструира клиновидна кювета и постави въртящата се кювета във водородна атмосфера, Сведберг, който вече се е върнал в Швеция през 1924 г., заедно със своя колега Херман Ринде постига отлагане без конвекция. През януари 1926 г. ученият тества нов модел ултрацентрофуга с маслени ротори, при който постига 40 100 оборота в минута. При тази скорост върху системата за утаяване е действала сила, 50 000 пъти по-голяма от силата на гравитацията.

През 1926 г. Сведберг е удостоен с Нобелова награда по химия „за работата си в областта на дисперсните системи“. В своята встъпителна реч от името на Кралската шведска академия на науките Х. Г. Содербаум каза: „Движението на частици, суспендирани в течност... ясно показва реалното съществуване на молекули и затова училището на учените обяви тези материални частици за плод на въображението."

5.Съвременната наука за Брауновото движение

Основният проблем за връзката между обратимостта на уравненията на класическата и квантовата механика с необратимостта на термодинамичните процеси е тясно свързан с концепцията за хаоса и приложимостта на вероятностното описание. От множеството решения на уравненията на динамиката се реализират само тези, които са устойчиви на взаимодействие с околната среда на физическа система, така че необратимостта е свойство на отворените системи. Всяка система може да се счита за затворена само приблизително (тъй като винаги има външни шумове), следователно необратимостта има универсален характер.

В момента терминът Брауново движение има много широко значение и теорията на Брауновото движение е клон от физиката на отворените системи, свързани със случайни процеси, процеси на самоорганизация и динамичен хаос.

В статистическата теория на неравновесните процеси атоми , като микроскопични структурни единици, се използват само на етапа на изграждане на модел на разглежданата макроскопска система. След това се прилагат дисипативни нелинейни уравнения механика на континуума за детерминирани функции. Има три нива на описание – кинетична, хидродинамична и химическа кинетика. Стохастичните уравнения (например уравнения на теорията на турбулентността) за случайни функции могат да бъдат отделени отделно. Теорията може да бъде прецизирана, като се вземат предвид флуктуациите, което за първи път е направено от Ланжевен, когато разглежда линейното дисипативно динамично уравнение на движението на браунова частица. В различни системи ролята Браунови частици функции на разпределение, хидродинамични функции и концентрации могат да играят.

Отчитането на флуктуациите е необходимо при изследването на молекулярното разсейване на светлината, неравновесните фазови преходи, чиито последователности образуват процесите на самоорганизация. Приложенията на нелинейната теория на Брауновото движение са изключително обширни: от екология и финанси до методи за контролирано движение на наночастици - Браунови двигатели . Браунови двигатели свързани с дисипативната динамика в неравновесни квантови системи.

Развитието на математическото описание на стохастичните процеси стимулира прогреса в различни области, доведе до появата на съвременна формулировка на квантовата механика, базирана на интеграли по пътя и нови посоки на изследване, като квантовия хаос и квантовия броунов шум. Експерименталният напредък в областта на физиката на високите енергии и астрофизика стимулира интереса към процесите на релативистична дифузия и изграждането на релативистката статистическа механика; в момента много въпроси остават отворени.

След откриването си, Брауновското движение се е развило от обект на частно научно любопитство до ключова концепция в съвременната наука.

литература

1.Луи дьо Бройл. Революция във физиката (Нова физика и кванти). М: Атомиздат, 1965.

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

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

3.М. Лоци. История на физиката - М: Мир, 1970.

4.Питър В. ван дер Пас. Откриване на Брауновото движение. Scientiarum Historia. Т. 13, стр. 27-35 (1971)

5.Дж. Кларк. Илюстрирана хроника на открития и изобретения от древни времена до наши дни: Наука и технологии: Хора, дати, събития (превод от английски) М: Астрел, 2002.

6.А. Айнщайн. Eine neue Bestimmun g der Moleküldimensionen. Annalen der Physik (сер. 4), V. 19, P. 289-306 (1906)

.А. Айнщайн. Zur Theorie der Brownschen Bewegung. Annalen der Physik (сер. 4), V. 19, P. 371-381 (1906)

8.Нобелови лауреати: Енциклопедия: Пер. от английски - М .: Прогрес, 1992.

9.А. Айнщайн. Сборник с научни трудове, т. IV, Мариан Смолуховски. М: Наука, 1937.

10.С.Г.Суворов. По случай 50-годишнината от смъртта на Мариан Смолуховски. UFN T. 93, S. 719-723 (1976)

11.М. Смолуховски. За концепцията за случайността и произхода на законите на вероятността във физиката. UFN, не. 5, стр. 329-349 (1927)

.J. Perrin. Брауновско движение и молекулярна реалност, Тейлър и Франсис, Лондон, 1910 г.

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

14.А. Б. Кадомцев. Динамика и информация. М: Редакция на списание UFN, 1997.

15.А. Ю. Лоскутов. Динамичен хаос. Системи на класическата механика. UFN т. 172, с. 989-1115 (2007)

.С. Н. Гордиенко. Необратимост и вероятностно описание на динамиката на класическите частици. UFN т. 169, стр. 653-672 (1999)

17.М. М. Робърт. Брауново движение: колебания, динамика и приложения. Международна поредица от монографии по физика, кн. 112 (Oxford University Press, 2002)

18.Ю. Л. Климонтович. Турбулентно движение и структура на хаоса. М: Наука, 1990.

19.Ю. Л. Климонтович. Нелинейно Брауново движение. UFN том 164, бр. 8. в. 812-845. (1994)

20.J. A. Freund, Th. Pöschel. Стохастични процеси във физиката, химията и биологията. Бележки от лекции по физика, V. 557 (2000)

21.C. Godrèche1, S. N. Majumdar, G. Schehr. Longe st Екскурзия на случайни процеси в неравновесни системи. физ. Rev. Lett. v.102, стр.240602 (2009)

.М. Лакс. Флуктуации и явления на кохерентност в класическата и квантовата оптика. Ню Йорк: Гордън, 1968 г.

.Х. Хакен. Разширена синергетика. Хайделберг: Springer-Verlag, 1983.

.Дж. Дънкел, П. Ханги. Релативистично броуново движение. Доклади по физика, V. 471, Is. 1, С. 1-73 (2009)

25.П. Ханги, Ф. Маркезони. Изкуствени браунови двигатели: Контрол на транспорта по на noscale. Рецензии на съвременната физика, V. 81, Is. 1, стр. 387-442 (2009)

.П. Райман. Браунови двигатели: шумен транспорт далеч от равновесие. Доклади по физика, V. 361, Is. 2-4, стр. 57-265 (2002)

27.P. Hänggi, G.-L. Ingold. Основни аспекти на квантовия Брауни движение. Хаос, V. 15, Ис. 2, стр. 026105-026105 (2005)

.Е. Фрей, К. Крой. Брауново движение: парадигма на меката материя и биологичната физика. Annalen der Physik. Т. 14, С. 20 - 50 (2005)

Подобни произведения на - Теорията на Брауновото движение и експериментално доказателство за реалното съществуване на атоми и молекули

Ориз. 8. Брауново движение

Атомно-молекулярната теория е от голямо значение за химията, която благодарение на нея започва да се развива бързо и за кратко време постига блестящ успех.

Но в края на 19-ти век, когато тази доктрина вече е дала толкова много ценни резултати, възниква реакционно течение, което фундаментално отрича самото съществуване на атоми и молекули. Под влияние на идеалистическата философия в Германия се появява така наречената „енергийна” школа на химиците, оглавявана от известния учен Оствалд, чиито теоретични възгледи се основават на абстрактното понятие за енергия, несвързана с материята. Привържениците на тази школа вярваха, че всички външни явления могат да се обяснят като процеси между енергии, и категорично отхвърляха съществуването на атоми и молекули като недостъпни за пряко сетивно възприятие на частици.

Енергийната доктрина на Оствалд беше една от разновидностите на идеалистичните философски тенденции, насоченисрещу материализма в науката. Откъсвайки енергията, тоест движението от материята, допускайки съществуването на нематериално движение, последователите на Оствалд мълчаливо признаха, че нашето съзнание, мисъл, усещания съществуват самостоятелно, като нещо първично, не свързано с материята. Те разглеждат химичните елементи не като определени, а като различни форми на химическа енергия.

Реакционната същност на учението на Оствалд е разкрита блестящо от В. И. Ленин в неговия труд „Материализъм и емпириокритицизъм”. В гл. В този труд, говорейки за връзката на философския идеализъм с някои нови течения във физиката, Ленин се спира и на „философията“ на Оствалд, доказва цялата й непоследователност и неизбежността на нейното поражение в борбата срещу материализма.

„...опит мислядвижение без материя, пише Ленин, мисъл,отделен от материята и това е философски идеализъм."

Ленин не само разкри напълно идеалистичната основа на разсъжденията на Оствалд, но и показа вътрешните противоречия, съдържащи се в тях. Излагайки философската идея за съществуването на движение без материя, Оствалд отхвърля обективното съществуване на материята, но в същото време самият физик-химик на всяка стъпка интерпретира енергията материалистично, разчитайки на закона за запазване и преобразуване на енергия. „Преобразуването на енергията – казва Ленин – се разглежда от естествената наука като обективен процес, независим от човешкото съзнание и опита на човечеството, тоест разглежда се материалистично. А в самия Оствалд в много случаи, дори вероятно в по-голямата част от случаите, енергията се разбира като материалтрафик" .

Скоро поразителните нови открития, които бележат началото на 20-ти век, доказват толкова неопровержимо реалността на атомите и молекулите, че в крайна сметка дори Оствалд е принуден да признае тяхното съществуване.

От експерименталните изследвания, посветени на въпроса за съществуването на атоми и молекули, особен интерес представляват трудовете на френския физик Перен за изследване на разпределението и движението на частиците в така наречените суспензии.

След като приготви суспензия, съдържаща частици със същия размер, видими през микроскоп, Перин изследва разпределениеточастици в него. В резултат на многобройни експерименти, проведени с изключително внимание, той доказа, че разпределението на частиците на суспензията по височина точно отговаря на закона за намаляване на концентрацията на газовете с височина, извлечен от кинетичната теория на газовете. Така Перин показа, че суспензиите са истински модели на газове; следователно отделни молекули съществуват и в газове, само че те са невидими поради малкия си размер.

Резултатите, получени от Перин при наблюдение на движението на частиците на суспензията, се оказват още по-убедителни.

При изследване на капчица течност със суспендирани в нея частици под силен микроскоп се вижда, че частиците не остават в покой, а са непрекъснати.рязко се движат във всякакви посоки. Движението на частиците е изключително хаотично. Ако проследите пътя на отделна частица под микроскоп, ще получите много сложна зигзагообразна линия, показваща липсата на каквато и да е закономерност в движението на частиците (фиг. 8). Това движение може да продължи толкова дълго, колкото желаете, без да отслабва или променя характера му.

Описаното явление е открито през 1827 г. от английския ботаник Браун и получава името Брауново движение. Обяснение за него обаче е дадено едва през 60-те години на базата на молекулярно-кинетични концепции. Според това обяснение причината за видимото движение на частиците в суспензията е невидимото топлинно движение на околните течни молекули. Ударите, получавани от частиците на суспензията от всички страни на течните молекули, разбира се, не могат да се балансират точно един друг; във всеки момент балансът се нарушава в полза на една или друга посока, в резултат на което частиците вървят по своя причудлив път.

По този начин самият факт на съществуването на Брауново движение свидетелства за реалността на молекулите и дава картина на тяхното безпорядъчно движение, тъй като суспендираните частици като цяло повтарят същите движения като молекулите на течност. Но Перинв своите изследвания той отива още по-далеч: чрез дългогодишни наблюдения на движението на частиците под микроскоп той успява да определи средната скорост на движение на частиците. Следователно, знаейки масата на частиците от приготвената суспензия, Перин изчислява тяхната средна кинетична енергия. Резултатът е удивителен. Оказа се, че кинетичната енергия на частиците точно съответства на кинетичната енергия на газовите молекули, изчислена за същата температура на базата на кинетичната теория. Частиците на Перин са били около 10 12 пъти по-тежки от водородните молекули, докато кинетичната енергия и на двете е една и съща. След установяването на тези факти вече не е било възможно да се отрича обективната реалност на молекулите.

Понастоящем Брауновото движение се разглежда както като следствие от термичното движение на течните молекули, така и като независимо топлинно движение на частиците на суспензията. Последните са като че ли гигантски молекули, участващи в топлинно движение заедно с невидими молекули на течност. Няма принципна разлика между едното и другото.

Експериментите на Перин не само доказаха, че молекулите наистина съществуват, но и направиха възможно да се изчисли броят на молекулите в една граммолекула газ. Това число, което, както знаем, има универсално значение, се нарича число на Авогадро. Според изчисленията на Перин се оказа приблизително 6,5 10 23, което е много близко до стойностите на тази стойност, намерени преди това с други методи. Впоследствие числото на Авогадро се определя многократно чрез напълно различни физически методи и резултатите винаги са много близки. Подобно съвпадение на резултатите свидетелства за правилността на намереното число и служи като неоспоримо доказателство за реалното съществуване на молекулите.

В момента се приема, че номерът на Авогадро е

6,02 10 23

Колосалната величина на числото на Авогадро е извън нашите представи. Някаква представа за него може да се добие само чрез сравнения.

Да предположим, например, че 1 мол, т.е. 18 G,водата се разпределя равномерно по цялата повърхност на земното кълбо. Едно просто изчисление показва, че има около 100 000 молекули на всеки квадратен сантиметър повърхност.

Ето още едно сравнение. Да кажем, че успяхме по някакъв начин да отбележим всички молекули, съдържащи се в 18 g вода. Ако след това излеете тази вода в морето и изчакате да се смеси равномерно с всички води на земятатопка, загребвайки чаша вода навсякъде, ще намерим в нея около 100 молекули, които маркирахме.

Ориз. 9. Димни частици от цинков оксид с увеличение 20 000 пъти

Тъй като грам молекула на всеки газ заема обем от 22,4 литра при нормални условия, след това в 1 мл газ съдържа при тези условия 2,7 10 19 молекули. Ако доведем разреждането на газа в някакъв съд дори до пределната граница, която най-добрите помпи могат да постигнат (до приблизително една десет милиарда от атмосферата), тоест да получим това, което на практика смятаме за „безвъздушно пространство“, тогава всички същото в 1 cm 3 от това пространство от молекули остава значителноповече от всички хора на земното кълбо. По това може да се прецени колко незначителни трябва да са размерите на молекулите и атомите, ако толкова огромен брой от тях се вписват в 1 см 3.И въпреки това физиците са изчислявали тези измерения по различни начини. Оказва се, че ако си представите молекули под формата на малки топчета, тогава диаметърът им ще бъде измерен в сто милионни части от сантиметър. Например, диаметърът на една кислородна молекула е приблизително 3,2 10 -8 см,диаметър на водородна молекула 2,6 10 -8 сма диаметърът на водороден атом е 1 10 -8 см.

За да изразите такива малки количества, е много удобно да вземете за единица за дължина сто милионна част от сантиметъра (10 -8 см). Тази единица е предложена от шведския физик Ангстрьом за измерване на дължините на вълните на светлината и е кръстена на него ангстрьом. Означава се със символа A или A. Линейните размери на атомите и молекулите обикновено се изразяват с няколко ангстрьома.

Знаейки броя на молекулите в една грамова молекула и следователно броя на атомите в един граматом, може да се изчисли теглото на атома на всеки елемент в грамове. Например, разделяйки на грам водород на числото на Авогадро, получаваме теглото на водороден атом в грамове: