Частицы вещества (атомы, молекулы и ионы) настолько малы, что увидеть их даже с помощью очень сильных оптических микроскопов не предоставляется возможным. Однако существует целый ряд явлений, которые подтверждают дискретность веществ. Одним из таких явлений является диффу́зия, о которой мы говорили с вами на прошлом уроке.
Но, пожалуй, самым убедительным явлением, доказывающим первые два положения МКТ, является броуновское движение.
Броуновским движением называется непрерывное хаотическое движение мельчайших твёрдых частиц, «взвешенных» в жидкости или газе.
«Взвешенными» частицами принято называть частицы, плотность вещества которых сравнима с плотностью среды, в которой они находятся. Броуновское движение было открыто в 1827 году английским ботаником Робертом Броуном (отсюда и название движения). Итак, в своих опытах Броун с помощью микроскопа изучал мелкие споры цветочной пыльцы плауна, помещённые в капельку воды.
Каково было его удивление, когда он заметил, что каждая частичка пыльцы (её называют броуновской) совершала причудливое зигзагообразное движение, которое не замедлялось ни на секунду. Вода в капле была неподвижна, так что объяснить движение частиц с завихрениями течений в капле не удалось. Поэтому учёный изначально приписал спорам пыльцы свойства живых существ.
Первоначально, как это часто бывало в мире науки, учёные не проявили никакого интереса к результатам опыта Броуна. Лишь в 1863 году немецкий математик Людвиг Кристиан Винер, обобщив результаты многочисленных опытов, предположил, что движение броуновской частицы связано с её столкновением с молекулами жидкости.
При беспорядочном движении молекул передаваемые ими броуновской частице импульсы с разных сторон неодинаковы. Поэтому отлична от нуля результирующая сила давления молекул жидкости на броуновскую частицу. Эта сила и вызывает изменение движения частицы.
Поразительно, но схожее объяснение в своей знаменитой поэме «О природе вещей» дал похожему явлению римский философ Тит Лукреций Кар (а это первый век до нашей эры). Мельчайшие невидимые глазом частицы он называет «Первоначалами» вещей….
Но опять же, эти идеи были восприняты учёным миром в штыки. Лишь к концу XIX — началу ХХ веков учёные приняли тот факт, что броуновское движение вызвано соударением частицы с молекулами жидкости (или газа). Но все объяснения строились лишь на качественном уровне, пока в 1904)году польский физик Мариан Смолуховский и в мае 1905 года Альберт Эйнштейн смогли дать строгое объяснение и описать математической формулой движение броуновской частицы. В соответствии с теорией Смолухо́вского — Эйнште́йна, среднее значение квадрата смещения броуновской частицы за некоторый промежуток времени прямо пропорционально температуре и обратно пропорционально вязкости жидкости, размеру частицы и постоянной Авогадро:
Оказалось принципиально важным, что в эту формулу входит постоянная Авогадро, которую теперь можно было определить путём количественных измерений перемещения броуновской частицы.
В 1908 году французский физик Жан Батист Перрен на основании теории Смолуховского — Эйнштейна решил вычислить значение постоянной Авогадро. Для этого он получил однородную эмульсию из частичек гуммигута (это такая древесная смола), которую поместил на специальное предметное стекло с цилиндрическим углублением. Вся эта конструкция накрывалась покровным стеклом и помещалась под микроскоп. Наблюдая за броуновскими частицами в микроскоп, Перрен фиксировал положение некоторых из них через каждые 30 с и зарисовывал эти положения в масштабе на листе бумаги. Соединяя полученные точки прямыми, он получал замысловатые треки частиц. Обработав полученные результаты, Перрен доказал, что средний квадрат перемещения броуновской частицы пропорционален времени её движения.
В 1876 году Людвиг Больцман открыл закон распределения молекул воздуха в поле тяготения. Согласно ему, концентрация молекул газа в атмосфере убывает с высотой по экспоненциальному закону:
Для проверки этого закона Перрен подсчитал число частиц гуммигута в слоях раствора на разной высоте. Оказалось, что каждые 30 мкм число частиц, или лучше сказать, концентрация частиц уменьшалась почти вдвое. Это свидетельствовало как о справедливости полученного Больцманом закона распределения молекул атмосферного воздуха в поле тяготения, так и о применимости этого закона к распределению числа броуновских частиц по высоте.
Используя теоретическую формулу Больцмана и результаты своего эксперимента, он получил достаточно точное для того времени значение фундаментальной константы — постоянной Авогадро:
NA = 6,82 ∙ 1023 моль–1.
После публикации этих результатов большинство противников молекулярной теории строения вещества признали, что «совпадение броуновского движения с требованиями кинетической гипотезы... даёт теперь право самому осторожному учёному говорить об экспериментальном доказательстве атомистической теории материи».
Таким образом, открытие, сделанное Робертом Броуном, неоспоримо доказывает, что все вещества состоят из мельчайших частиц, которые находятся в непрерывном тепловом движении.
А теперь давайте с вами вспомним третье положение МКТ: между молекулами вещества существуют силы взаимодействия. Сам факт существования твёрдых и жидких тел говорит нам о том, что между частицами веществ существуют силы взаимного притяжения. Оно и понятно, не было бы притяжения — не было бы и тел.
С другой стороны, относительно малая сжимаемость жидкостей и твёрдых тел указывает нам на то, что между молекулами вещества существуют и силы отталкивания. В противном случае мы могли бы сжать любое тело до размеров молекулы.
Ну а то, что большинство тел обладают определёнными размерами и формой, говорит о том, что силы притяжения и отталкивания действуют одновременно.
И несмотря на то, что молекулы в целом электрически нейтральны, силы притяжения и отталкивания имеют электромагнитную природу, так как вызваны они взаимодействием электронов и атомных ядер соседних молекул.
График зависимости проекции равнодействующей сил притяжения и отталкивания от расстояния между их центрами:
