物质分子永不停息的运动现象是怎样被发现的?

这是1826年英国植物学家布朗（1773-1858）用显微镜观察悬浮在水中的花粉是发现的.后来把悬浮微粒的这种运动叫做布朗运动.不只是花粉和小炭粒,对于液体中各种不同的悬浮微粒,都可以观察到布朗运动. 那么,布朗运动是怎么产生的呢?在显微镜下看起来连成一片的液体,实际上是由许许多多分子组成的.液体分子不停地做无规则的运动,不断地抓高年级微粒.悬浮的微粒足够小时,受到的来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的.在某一瞬间,微粒在另一个方向受到的撞击作用强,致使微粒又向其它方向运动.这样,就引起了微粒的无规则的布朗运动. 1827年,苏格兰植物学家R.布朗发现水中的花粉及其它悬浮的微小颗粒不停地作不规则的曲线运动,称为布朗运动.人们长期都不知道其中的原理.50年后,J·德耳索提出这些微小颗粒是受到周围分子的不平衡的碰撞而导致的运动.后来得到爱因斯坦的研究的证明.布朗运动也就成为分子运动论和统计力学发展的基础. 悬浮在液体或气体中的微粒(线度~10－3mm)表现出的永不停止的无规则运动,如墨汁稀释后碳粒在水中的无规则运动,藤黄颗粒在水中的无规则运动……．而且温度越高,微粒的布朗运动越剧烈．布朗运动代表了一种随机涨落现象,它不仅反映了周围流体内部分子运动的无规则性,关于它的理论在其他许多领域也有重要应用,如对测量仪表测量精度限度的研究、对高倍放大的电讯电路中背景噪声的研究等等． 19世纪中对布朗运动的研究 布朗的发现是一个新奇的现象,它的原因是什么?人们是迷惑不解的.在布朗之后,这一问题一再被提出,为此有许多学者进行过长期的研究.一些早期的研究者简单地把它归结为热或电等外界因素引起的.最早隐约指向合理解释的是维纳(1826——1896),1863年他提出布朗运动起源于分子的振动,他还公布了首次对微粒速度与粒度关系的观察结果.不过他的分子模型还不是现代的模型,他看到的实际上是微粒的位移,并不是振动. 在维纳之后,S·埃克斯纳也测定了微粒的移动速度.他提出布朗运动是由于微观范围的流动造成的,他没有说明这种流动的根源,但他看到在加热和光照使液体粘度降低时,微粒的运动加剧了.就这样,维纳和S.埃克斯纳都把布朗运动归结为物系自身的性质.这一时期还有康托尼,他试图在热力理论的基础上解释布朗运动,认为微粒可以看成是巨大分子,它们与液体介质处于热平衡,它们与液体的相对运动起源于渗透作用和它们与周围液体之间的相互作用. 到了70——80年代,一些学者明确地把布朗运动归结为液体分子撞击微粒的结果,这些学者有卡蓬内尔、德尔索和梯瑞昂,还有耐格里.植物学家耐格里(1879)从真菌、细菌等通过空气传播的现象,认为这些微粒即使在静止的空气中也可以不沉.联系到物理学中气体分子以很高速度向各方向运动的结论,他推测在阳光下看到的飞舞的尘埃是气体分子从各方向撞击的结果.他说：“这些微小尘埃就象弹性球一样被掷来掷去,结果如同分子本身一样能保持长久的悬浮.”不过耐格里又放弃了这一可能达到正确解释的途径,他计算了单个气体分子和尘埃微粒发生弹性碰撞时微粒的速度,结果要比实际观察到的小许多数量级,于是他认为由于气体分子运动的无规则性,它们共同作用的结果不能使微粒达到观察速度值,而在液体中则由于介质和微粒的摩擦阻力和分子间的粘附力,分子运动的设想不能成为合适的解释. 1874——1880年间,卡蓬内尔、德耳索和梯瑞昂的工作解决了耐格里遇到的难题.这里的关键是他们认为由于分子运动的无规则性和分子速度有一分布,在液体或气体中的微观尺度上存在密度和压力的涨落.这种涨落在宏观尺度上抵消掉了.但是如果压方面足够微小,这种不均匀性就不能抵消,液体中的相应的扰动就能表现出来.因此悬浮在液体中的微粒只要足够小,就会不停地振荡下去.卡蓬内尔明确地指出唯一影响此效应的因素是微粒的大小,不过他把这种运动主要看成振荡,而德耳索根据克劳修斯把分子运动归结为平动和转动的观点,认为微粒的运动是无规则位移,这是德耳索的主要贡献. 此后,古伊在1888——1895年期间对布朗运动进行过大量的实验观察.古伊对分子行为的描述并不比卡蓬内尔等人高明,他也没有弄清涨落的见解.不过他的特别之处是他强调的不是对布朗运动的物理解释,而是把布朗运动作为探究分子运动性质的一个工具.他说：“布朗运动表明,并不是分子的运动,而是从分子运动导出的一些结果能向我们提供直接的和可见的证据,说明对热本质假设的正确性.按照这样的观点,这一现象的研究承担了对分子物理学的重要作用.”古伊的文献产生过重要的影响,所以后来贝兰把布朗运动正确解释的来源归功于古伊. 到了1900年,F·埃克斯纳完成了布朗运动前期研究的最后工作.他用了许多悬浊液进行了和他的父亲S·埃克斯纳30年前作过的同类研究.他测定了微粒在1min内的位移,与前人一样,证实了微粒的速度随粒度增大而降低,随温度升高而增加.他清楚地认识到微粒作为巨大分子加入了液体分子的热运动,指出从这一观点出发“就可以得出微粒的动能和温度之间的关系.”他说：“这种可见的运动及其测定值对我们清楚了解液体内部的运动会有进一步的价值”. 以上是1900年前对布朗运动研究的基本情况.自然,这些研究与分子运动论的建立是密切相关的.由麦克斯威和玻尔兹曼在60——70年代建立的气体分子运动论在概念上的一个重大发展是抛弃了对单个分子进行详细跟踪的方法,而代之以对大量分子的统计处理,这为弄清布朗运动的根源打下了基础.与布朗运动的研究有密切关系的还有在60年代由格雷哈姆建立的胶体科学.所谓胶体是由粒度介于宏观粒子和微观分子之间的微粒形成的分散体系,布朗运动正是胶体粒子在液体介质中表现的运动. 对于布朗运动的研究,1900年是个重要的分界线.至此,布朗运动的适当的物理模型已经显明,剩下的问题是需要作出定量的理论描述了. 爱因斯坦的布朗运动理论 1905年,爱因斯坦依据分子运动论的原理提出了布朗运动的理论.就在差不多同时,斯莫卢霍夫斯基也作出了同样的成果.他们的理论圆满地回答了布朗运动的本质问题. 应该指出,爱因斯坦从事这一工作的历史背景是那时科学界关于分子真实性的争论.这种争论由来已久,从原子分子理论产生以来就一直存在.本世纪初,以物理学家和哲学家马赫和化学家奥斯特瓦尔德为代表的一些人再次提出对原子分子理论的非难,他们从实证论或唯能论的观点出发,怀疑原子和分子的真实性,使得这一争论成为科学前沿中的一个中心问题.要回答这一问题,除开哲学上的分岐之外,就科学本身来说,就需要提出更有力的证据,证明原子、分子的真实存在.比如以往测定的相对原子质量和相对分子质量只是质量的相对比较值,如果它们是真实存在的,就能够而且也必须测得相对原子质量和相对分子质量的绝对值,这类问题需要人们回答. 由于上述情况,象爱因斯坦在论文中指出的那样,他的目的是“要找到能证实确实存在有一定大小的原子的最有说服力的事实.”他说：“按照热的分子运动论,由于热的分子运动,大小可以用显微镜看见的物体悬浮在液体中,必定会发生其大小可以用显微镜容易观测到的运动.可能这里所讨论的运动就是所谓‘布朗分子运动’”.他认为只要能实际观测到这种运动和预期的规律性,“精确测定原子的实际大小就成为可能了”.“反之,要是关于这种运动的预言证明是不正确的,那么就提供了一个有份量的证据来反对热的分子运动观”. 爱因斯坦的成果大体上可分两方面.一是根据分子热运动原理推导 是在t时间里,微粒在某一方向上位移的统计平均值,即方均根值,D是微粒的扩散系数.这一公式是看来毫无规则的布朗运动服从分子热运动规律的必然结果. 爱因斯坦成果的第二个方面是对于球形微粒,推导出了可以求算阿 式中的η是介质粘度,a是微粒半径,R是气体常数,NA为阿伏加德罗常数.按此公式,只要实际测得准确的扩散系数D或布朗运动均方位 得到原子和分子的绝对质量.爱因斯坦曾用前人测定的糖在水中的扩散系数,估算的NA值为3.3×1023,一年后(1906)又修改为6.56×1023. 爱因斯坦的理论成果为证实分子的真实性找到了一种方法,同时也圆满地阐明了布朗运动的根源及其规律性.下面的工作就是要用充足的实验来检验这一理论的可靠性.爱因斯坦说：“我不想在这里把可供我使用的那些稀少的实验资料去同这理论的结果进行比较,而把它让给实验方面掌握这一问题的那些人去做”.“但愿有一位研究者能够立即成功地解决这里所提出的、对热理论关系重大的这个问题!”爱因斯坦提出的这一任务不久之后就由贝兰(1870——1942)和斯维德伯格分别出色的完成了.这里还应该提到本世纪初在研究布朗运动方面一个重大的实验进展是1902年齐格蒙第(1865——1929)发明了超显微镜,用它可直接看到和测定胶体粒子的布朗运动,这也就是证实了胶体粒子的真实性,为此,齐格蒙第曾获1925年诺贝尔化学奖.斯维德伯格测定布朗运动就是用超显微镜进行的.

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