¿Es regular el movimiento browniano?
Esto fue descubierto por el botánico británico Brown (1773-1858) en 1826 cuando utilizó un microscopio para observar el polen suspendido en el agua. Posteriormente, este movimiento de partículas en suspensión se denominó movimiento browniano. El movimiento browniano se puede observar no sólo en el polen y las pequeñas partículas de carbono, sino también en diversas partículas suspendidas en líquidos.
Entonces, ¿cómo surge el movimiento browniano? Lo que al microscopio parece una masa de líquido, en realidad está formado por muchas moléculas. Las moléculas líquidas siguen moviéndose de forma irregular, capturando constantemente partículas avanzadas. Cuando las partículas suspendidas son lo suficientemente pequeñas, el impacto de las moléculas líquidas desde todas las direcciones se desequilibra. En algún momento, el impacto de partículas desde otra dirección es fuerte, lo que hace que las partículas se muevan en otras direcciones. Esto da como resultado un movimiento browniano irregular de las partículas.
En 1827, el botánico escocés R. Brown descubrió que el polen y otras partículas finas suspendidas en el agua se movían constantemente en líneas de pliegue irregulares. Este movimiento se denominó movimiento browniano. La gente no conocía este principio hace mucho tiempo. Cincuenta años después, J. Delso propuso que estas diminutas partículas eran causadas por colisiones desequilibradas de moléculas circundantes. Posteriormente fue demostrado por la investigación de Einstein. El movimiento browniano se ha convertido en la base para el desarrollo de la teoría del movimiento molecular y la mecánica estadística.
Las partículas (lineales ~ 10-3 mm) suspendidas en líquido o gas exhiben un movimiento irregular interminable, como el movimiento irregular de las partículas de carbón en el agua después de la dilución de la tinta, o las partículas de Garcinia en movimiento irregular en el agua. ..y cuanto mayor es la temperatura, más intenso es el movimiento browniano de las partículas. El movimiento browniano representa un fenómeno de fluctuación aleatoria que no sólo refleja la irregularidad del movimiento molecular en el fluido circundante, sino que también tiene su propia teoría.
La investigación del movimiento browniano en el siglo XIX
El descubrimiento de Brown fue un fenómeno novedoso. ¿Cuál es la razón? Es desconcertante. Después de Brown, esta cuestión se planteó repetidamente y muchos académicos llevaron a cabo investigaciones a largo plazo al respecto. Algunos de los primeros investigadores simplemente lo atribuyeron a factores externos, como el calor o la electricidad. Wiener (1826-1896) fue el primero en señalar vagamente explicaciones razonables. En 1863, propuso que el movimiento browniano se originaba a partir de la vibración de las moléculas y también publicó las primeras observaciones sobre la relación entre la velocidad y el tamaño de las partículas. Sin embargo, su modelo molecular no era un modelo moderno. Lo que vio en realidad fue el desplazamiento de partículas, no vibraciones.
Siguiendo a Wiener, Exner también midió la velocidad de las partículas. Propuso que el movimiento browniano era causado por un flujo a escala microscópica, pero no explicó la fuente de este flujo, pero vio que cuando la viscosidad de un líquido se reducía por el calor y la luz, el movimiento de las partículas se intensificaba. De este modo, tanto Wiener como S. Exner atribuyeron el movimiento browniano a la naturaleza de la cosa misma. Durante este período, estuvo Cantoni, quien intentó explicar el movimiento browniano basándose en la teoría de la termodinámica. Creía que las partículas pueden considerarse como moléculas enormes, en equilibrio térmico con el medio líquido, y el movimiento relativo con el líquido se origina por ósmosis. e interacción con el líquido circundante.
En las décadas de 1970 y 1980, algunos estudiosos atribuían claramente el movimiento browniano al impacto de moléculas líquidas sobre partículas, como Carponnell, Delsau, Tirion, Negri, etc. El botánico Negri (1879) creía que estas partículas no se hundirían ni siquiera en el aire en calma debido al fenómeno de transmisión aérea de hongos y bacterias. En relación con la conclusión de la física de que las moléculas de gas se mueven a gran velocidad en todas direcciones, especuló que el polvo que se ve en el Sol es el resultado del impacto de las moléculas de gas desde todas las direcciones. "Estas pequeñas partículas de polvo se lanzan como bolas elásticas y, por lo tanto, pueden permanecer suspendidas durante mucho tiempo, como las propias moléculas", pero Negri descartó esta posible explicación. Calculó las velocidades de las partículas de moléculas de gas individuales en colisiones elásticas con partículas de polvo, y los resultados fueron muchos órdenes de magnitud más pequeños de lo que realmente se observó.
Por tanto, creía que debido a la irregularidad del movimiento de las moléculas de gas, las partículas no podían alcanzar los valores de velocidad observados debido a la interacción, mientras que en los líquidos la suposición del movimiento molecular se debía a la resistencia de fricción entre el medio. y las partículas y la adhesión entre moléculas no pueden ser una explicación adecuada.
Durante el periodo 1874-1880, los trabajos de Carpenel, Delso y Tirion solucionaron los problemas encontrados por Negri. El punto aquí es que creen que hay fluctuaciones en la densidad y la presión en un líquido o gas a escala microscópica debido a irregularidades en el movimiento molecular y la distribución de las velocidades moleculares. Esta volatilidad se compensa a escala macro. Pero si la presión es lo suficientemente pequeña, esta falta de homogeneidad no se puede compensar y pueden aparecer las correspondientes perturbaciones en el líquido. Por tanto, mientras las partículas suspendidas en el líquido sean lo suficientemente pequeñas, seguirán oscilando. Carponnell señaló claramente que el único factor que afecta este efecto es el tamaño de la partícula, pero consideraba este movimiento principalmente como una oscilación, mientras que Delso creía que el movimiento de las partículas se basaba en la opinión de Clausius de que el movimiento molecular se atribuía a la traslación y la rotación. El desplazamiento irregular, éste es el principal aporte de Delso.
Después de eso, Guy realizó un gran número de observaciones experimentales sobre el movimiento browniano entre 1888 y 1895. La descripción de Gay del comportamiento molecular no era mejor que la de Carbonel y no tenía ningún concepto de ondas. Sin embargo, lo que tiene de especial es que no enfatiza la explicación física del movimiento browniano, sino que utiliza el movimiento browniano como herramienta para explorar la naturaleza del movimiento molecular. Dijo: "El movimiento browniano muestra que no es el movimiento de las moléculas, pero algunos resultados derivados del movimiento molecular pueden proporcionarnos evidencia directamente visible para ilustrar la exactitud de la hipótesis de la esencia térmica. Según este punto de vista, la investigación". de este fenómeno La investigación juega un papel importante en la física molecular. "Los documentos de Guy tuvieron un impacto importante, por lo que Beran más tarde atribuyó a Guy la explicación correcta del movimiento browniano.
En 1900, F. Exner había completado el trabajo final sobre el estudio preliminar del movimiento browniano. Hace 30 años , realizó estudios similares con el Exner de su padre utilizando muchas suspensiones. Midió el desplazamiento de las partículas en 65.438 ± 0 minutos y, al igual que sus predecesores, confirmó que la velocidad de las partículas aumenta con el tamaño de las partículas y disminuye con la temperatura. Se dio cuenta claramente de que las partículas, como moléculas gigantes, se unen al movimiento térmico de las moléculas líquidas, y señaló que desde este punto de vista “se puede obtener la relación entre la energía cinética de las partículas y la temperatura. "Este movimiento visible y su medición son de gran valor para darnos una comprensión clara del movimiento dentro del líquido", dijo. ”
Lo anterior es la situación básica de la investigación del movimiento browniano antes de 1900. Naturalmente, estos estudios están estrechamente relacionados con el establecimiento de la teoría del movimiento molecular de las moléculas de gas establecida por Maxwell y Boltzmann en los años 1960 y 1900. Década de 1970 Un gran avance conceptual en la teoría cinética fue el abandono del seguimiento detallado de moléculas individuales en favor del tratamiento estadístico de grandes cantidades de moléculas, sentando las bases para comprender los orígenes del movimiento browniano, que está estrechamente relacionado con el estudio del movimiento browniano. También existe la ciencia de los coloides fundada por Graham en la década de 1960. El llamado coloide es un sistema disperso de partículas con un tamaño de partícula entre partículas macroscópicas y moléculas microscópicas, es el movimiento de partículas coloidales en un medio líquido. p>
Para el estudio del movimiento browniano, 1900 es una línea divisoria importante. En este punto, el modelo físico apropiado del movimiento browniano ha sido obvio y el problema restante es hacer una descripción teórica cuantitativa.
La teoría del movimiento browniano de Einstein
En 1905, Einstein propuso la teoría del movimiento browniano basada en los principios de la teoría del movimiento molecular. Casi al mismo tiempo, Smolukhovsky también logró lo mismo. la cuestión básica del movimiento browniano.
Cabe señalar que el trasfondo histórico del trabajo de Einstein fue el debate sobre la autenticidad de las moléculas en ese momento. El debate existe desde hace mucho tiempo. El nacimiento de la teoría atómica y molecular A principios de este siglo, algunas personas, representadas por el físico y filósofo Mach y el químico Ostwald, volvieron a criticar la teoría atómica y molecular. La perspectiva positivista o fenomenológica hizo de este debate un tema central en la frontera científica.
Para responder a esta pregunta, dejando de lado los desacuerdos filosóficos, la propia ciencia necesitará proporcionar pruebas más sólidas de que los átomos y las moléculas realmente existen. Por ejemplo, la masa atómica relativa y la masa molecular relativa medidas en el pasado son sólo valores comparativos relativos de masa. Si son reales, entonces los valores absolutos de la masa atómica relativa y la masa molecular relativa pueden y deben medirse. Preguntas como esta necesitan que alguien las responda.
Debido a la situación anterior, como Einstein señaló en su artículo, su propósito era "encontrar los hechos más convincentes que puedan probar la existencia de átomos de un cierto tamaño". el movimiento de las moléculas térmicas La teoría es que, debido al movimiento de las moléculas térmicas, un objeto de un tamaño que puede verse con un microscopio está suspendido en un líquido, y su tamaño se observa fácilmente con un microscopio. Quizás el movimiento que se analiza aquí. es el llamado movimiento molecular browniano. Él cree que mientras este movimiento y las regularidades esperadas pudieran realmente observarse, “sería posible determinar con precisión el tamaño real de los átomos. "Por otro lado, si las predicciones sobre dicho movimiento resultan ser incorrectas, esto proporciona una fuerte evidencia contra la visión popular del movimiento molecular.
Los logros de Einstein se pueden dividir aproximadamente en dos aspectos. Uno se basa en el principio del movimiento térmico molecular.
Es el promedio estadístico del desplazamiento de la partícula en una determinada dirección dentro de t tiempo, es decir, el valor cuadrático medio, y d es el coeficiente de difusión del Esta fórmula es. El movimiento browniano aparentemente irregular obedece a las leyes del movimiento térmico de las moléculas como corolario
El segundo aspecto del logro de Einstein es que para las partículas esféricas, se dedujo que
donde eta es la viscosidad del medio, A es el radio de la partícula, R es la constante del gas y NA es la constante de Avon Gadereau. Según esta fórmula, siempre que el coeficiente de difusión exacto D o la orientación promedio del movimiento browniano sea. medido realmente, se puede obtener la masa absoluta de átomos y moléculas. Einstein utilizó el coeficiente de difusión del azúcar en el agua medido por personas anteriores y estimó el valor de NA en 3,3 × 1023. Un año después (1906), se revisó la teoría de Einstein. El resultado encontró una manera de probar la autenticidad de las moléculas y también explicó satisfactoriamente el origen y la regularidad del movimiento browniano. El siguiente paso es utilizar suficientes experimentos para probar la confiabilidad de esta teoría. Disponible para mí con los resultados de esta teoría, pero dejándolo a aquellos que han dominado el problema experimentalmente. "¡Espero que un investigador pueda resolver inmediatamente este problema tan importante para la teoría térmica!" "Esta tarea propuesta por Einstein fue completada con éxito por Beran (1870-1942) y Swedberg respectivamente. Cabe mencionar también que un avance experimental importante en el estudio del movimiento browniano a principios de este siglo fue Siegmund (1865) en 1902. - 1929) inventó el ultramicroscopio, que puede ver y medir directamente el movimiento browniano de partículas coloidales, demostrando la autenticidad de las partículas coloidales. Debido a esto, Siegmund ganó la medición del movimiento browniano con el ultramicroscopio. Los experimentos de Belan para determinar la constante de Gadrow de Avo Belan realizó estudios experimentales entre 1908 y 1913 para verificar la teoría de Einstein y determinar la constante de Gadereau. Su trabajo incluía varios aspectos. Su idea original era que las partículas se movían en movimiento browniano. en un líquido pueden considerarse como moléculas gigantes que se mueven en calor, deben obedecer las leyes del movimiento molecular, por lo que siempre que se pueda encontrar una propiedad de partícula observable experimentalmente que sea lógicamente equivalente a la ley de los gases para determinar la constante de Avon Gadereau. En 1908, argumentó que las partículas suspendidas en un líquido son equivalentes a "una microatmósfera de moléculas visibles", por lo que la fórmula de distribución de alturas de la concentración de partículas (número en unidad de volumen) debería tener la misma forma que la ecuación de presión atmosférica. , pero es necesario corregir la flotabilidad de las partículas. La fórmula es ln (n/n0) =-mgh (1-ρ/ ρ 0)/kt.
donde k es la constante de Boltzmann. A partir de la relación entre k y NA, la fórmula también se puede escribir como ln(n/n0)=-namgh(1-ρ/ρ0)/rt. Según esta fórmula, se puede medir experimentalmente. k y NA se calculan a partir de los datos de distribución de altura de la concentración de partículas.
Para realizar este experimento, primero es necesario preparar las partículas adecuadas. El método de preparación es el siguiente: primero, agregue una gran cantidad de agua a la solución alcohólica de la resina para precipitar la resina en pequeñas bolas de varios tamaños, y luego fraccione la resina varias veces mediante sedimentación y separación para obtener fracciones de tamaño uniforme. (como por ejemplo bolitas de Garcinia cambogia de un diámetro de aproximadamente 3/4 micras). El diámetro y la densidad de las partículas se midieron mediante algunos métodos elaborados. El siguiente paso es medir la distribución de altura de las partículas en la suspensión, que consiste en colocar la suspensión en una placa transparente sellada y observarla con un microscopio. Una vez que la sedimentación alcanza el equilibrio, se mide la concentración de partículas a diferentes alturas. Puedes tomar una foto rápidamente y luego contar. NA se puede calcular midiendo los datos de distribución de altura. Belan y sus colegas variaron varias condiciones experimentales: material (garcinia, incienso), masa de partículas (de 1 a 50), densidad (de 1,20 a 1,06), medio (agua, agua azucarada concentrada, glicerol) y temperatura (de -90 a 1,06). 60) para obtener NA.
Otro de los experimentos de Belan fue medir el movimiento browniano, lo que se puede decir que es una prueba más directa de la teoría del movimiento térmico molecular. Según la fórmula de Einstein para partículas esféricas, siempre que se utilice el líquido experimental, la proyección horizontal de las partículas se observa con un microscopio dentro de un período de tiempo seleccionado, se miden muchos valores de desplazamiento y luego se promedian estadísticamente. Belan cambió varias condiciones experimentales y el valor de NA fue (5,5-7,2) × 1023. Belan también utilizó otros métodos. El valor de NA obtenido mediante varios métodos es:
6,5 × 1023 utilizando un método de distribución de suspensión de gas similar,
utilizando un método de distribución de suspensión líquida similar, <. /p>
6,0×1023 para medir perturbaciones en suspensiones concentradas,
Para medir el movimiento browniano de traslación,
6,5×1023 para medir el movimiento browniano de rotación.
Estos resultados son bastante consistentes y están cerca del valor aceptado moderno de 6.022×1023. Esto es bastante notable teniendo en cuenta que el método implica muchas suposiciones físicas y dificultades técnicas experimentales. Posteriormente, muchos investigadores midieron el valor No basándose en otros principios, lo que confirmó la exactitud de los resultados de Belan. Casi al mismo tiempo que Belan, Svedberg (1907) observó el movimiento browniano del sol de oro utilizando un ultramicroscopio y también realizó un trabajo destacado en la determinación de la constante de Avon Gadereau y la verificación de la teoría de Einstein. Se puede decir que fueron los primeros en medir la masa de los átomos, por lo que en 1926, Beland y Swedberg ganaron el Premio Nobel de Física y Química respectivamente.
De esta manera, tras más de medio siglo de investigaciones tras el descubrimiento del movimiento browniano, poco a poco se fue acercando a una correcta comprensión del mismo. A principios de este siglo, primero las teorías de Einstein y Smolukhovski, y luego los experimentos de Belan y Swedberg, resolvieron con éxito este importante problema científico. Se midió por primera vez la constante de Avo Gadereau, proporcionando evidencia intuitiva y convincente de lo real. existencia de moléculas, lo cual es de gran importancia tanto para la ciencia básica como para la filosofía. Con esto terminó el debate científico sobre la realidad de los átomos y las moléculas. Como dijo Ostwald, el principal oponente del atomismo primitivo, "Belan demostró con tanto éxito la coherencia entre el movimiento browniano y la hipótesis dinámica que llevó incluso a los científicos más críticos a admitir que llenaba el espacio". asunto." El matemático y físico Peng concluyó en 1913 que "la brillante determinación del número de átomos realizada por Bérin completó el triunfo de la teoría atómica". El atomismo de los químicos era ahora una realidad.