Исследование Перреном броуновского движения
Атмосфера на… лабораторном столе
(О начале эксперимента Перрена читайте здесь)
Перрену пришлось выполнить поистине ювелирную экспериментальную работу. Например, получить шарики гуммигута строго одинаковые по диаметру. Для этого он воспользовался микроцентрифугой.
Со временем центрифуги стали широко использоваться в медицине для разделения крови на ее составляющие или на молочных фермах, где они помогают быстро извлечь сливки из молока. Но тогда, в самом начале XX века, в 1908 году, с центрифугами только-только начинали работать… Центрифуга Перрена вращала пробирки, установленные перпендикулярно к оси мотора, со скоростью 2500 оборотов в минуту! В пробирках содержалась взвесь шариков гуммигута в воде,и первыми при вращении прижимались к дну пробирок самые тяжелые шарики.
Перрен настойчиво, в течение нескольких месяцев отделял одни шарики гуммигута от других и измерял их под микроскопом, пока не получил несколько порций взвеси с шариками строго определенных диаметров: 0,5, 0,46, 0,37, 0,21 и 0,14 микрона (вспомним, что микрон — тысячная доля миллиметра!).
Затем Перрен стал экспериментировать, воспроизводя броуновское движение с помощью этих шариков, заменявших частички пыльцы растений, размеры которых были Броуну неизвестны.
В одном из опытов Перрен, зажав каплю взвеси между двумя стеклами (расстояние между ними составляло всего 100 микрон), поставил стекла вертикально и наблюдал, как частички медленно опускались вниз. Когда частички постепенно разделились по высоте, то Перрен увидел, что полученное распределение частиц очень напоминает строение… воздушной атмосферы Земли. У нижнего края стекол скопилось много частиц, и количество их уменьшалось с высотой в соответствии с законом изменения плотности газов, составляющих атмосферу Земли. Ко времени опытов Перрена ученые уже знали, что плотность кислорода в одном кубическом сантиметре воздуха убывает вдвое с подъемом на каждые 5 км; плотность углекислого газа падает в два раза при подъеме на высоту всего 3,6 км, а для такого же уменьшения плотности гелия надо подняться в атмосфере на высоту 40 км!
Поэтичен мир гор, воспетый таким замечательным художником, как И. Рерих! Горы прекрасны и как физическая лаборатория, в которой удобно изучать прозрачность атмосферы, уменьшение плотности воздуха в зависимости от высоты, исследовать тепловой баланс Земли.
Ученые понимали, что подобная закономерность связана с различием в массе отдельных молекул: молекула гелия, видимо, в восемь раз легче молекулы кислорода, а молекула углекислого газа в 1,37 раза тяжелее. Но только опыты Перрена подтвердили этот вывод точными цифрами.
Расчеты с помощью простых пропорций позволили Перрену определить массу атомов водорода и их число в одном грамме вещества. И затем, конечно, многих других газов. Ведь он знал плотность и размер шариков гуммигута, и к тому же вычислил, что количество гуммигута в единице объема воды уменьшается вдвое, если мысленно подняться вверх по «стеклянной модели атмосферы» на 30 микрон… Хотя, вероятно, редко составляются пропорции,когда слева стоит 5 километров, а справа 30 микрон — цифра справа меньше цифры слева в 165 миллионов раз!
Когда Перрен заканчивал свои опыты, Альберт Эйнштейн опубликовал формулу, позволяющую рассчитать число молекул в единице объема, если известен радиус крохотного шарика и его среднее смещение в сторону под ударами молекул.
Перрену был известен радиус шариков гуммигута, а с помощью микроскопа и целой серии кропотливых рисунков он определил среднее смещение шариков определенного размера.
Расчеты по формуле Эйнштейна удивительно точно совпали с выводами, сделанными Перреном из сравнения поведения шариков в воде с распределением плотности воздушной атмосферы Земли по высоте. Оба пути привели к одному и тому же числу: 6 • 1023 атомов водорода в одном грамме при массе каждого атома водорода 1,7 • 10-24 грамма. Молекула водорода, состоящая из двух атомов, следовательно, весит в два раза больше.
Теперь ученые знали число и массу атомов и молекул, еще не видя их…
Источник: Марк Колтун “Мир физики“.
