Entdeckung der Brownschen Bewegung. Brownsche Bewegung - Die Entwicklungsgeschichte der Kolloidchemie. Brownsche Bewegung und atommolekulare Theorie

Robert Brown, ein berühmter britischer Botaniker, wurde am 21. Dezember 1773 in der schottischen Stadt Montrose geboren, studierte in Aberdeen, studierte jahrelang Medizin und Botanik an der Universität von Edinburgh. Anna Smelova

Dank harter Arbeit Naturwissenschaften und Freundschaft mit dem Botaniker Joseph Banks wurde er als Botaniker auf eine Expedition berufen, die 1801 ausgesandt wurde, um die Küste Australiens zu erkunden. 1805 kehrte Brown nach England zurück, brachte einige Arten australischer Pflanzen, viele Vögel und Mineralien mit und veröffentlichte anschließend seine Schriften weiter Flora. Anna Smelova

Mitglied der Royal Society of London (seit 1810). Von 1810 bis 1820 leitete Robert Brown die Linnean Library. 1820 wurde er Bibliothekar und Kurator der botanischen Abteilung des British Museum, wohin nach dem Tod von Banks die Sammlungen des letzteren übertragen wurden. Dank dieser Sammlungen und der Bibliothek und der Masse an Pflanzen aus den verschiedensten Ländern, von der er immer umgeben war, war Brown der beste Pflanzenkenner. Anna Smelova

Dieses Phänomen, das 1827 von R. Brown während der Untersuchung von Pflanzenpollen entdeckt wurde, ist eine zufällige Bewegung mikroskopisch kleiner Partikel (Brownsche Partikel). feste Materie(Staubpartikel, Partikel von Pflanzenpollen usw.), die durch die thermische Bewegung flüssiger (oder gasförmiger) Partikel verursacht werden. Die Brownsche Bewegung ist eine Konsequenz und ein Beweis für die Existenz thermische Bewegung. Anna Smelova

Einmal untersuchte er unter einem Mikroskop längliche zytoplasmatische Körner, die aus Pollenzellen einer nordamerikanischen Pflanze isoliert wurden und in Wasser suspendiert waren. Plötzlich sah Brown, dass die kleinsten harten Körner, die in einem Wassertropfen kaum zu sehen waren, ständig zitterten und sich von Ort zu Ort bewegten. Er stellte fest, dass diese Bewegungen nach seinen Worten "weder mit Strömungen in der Flüssigkeit noch mit ihrer allmählichen Verdunstung verbunden sind, sondern den Partikeln selbst innewohnen". Anna Smelova
Brown identifizierte als Erster den Zellkern in einer Pflanzenzelle und veröffentlichte diese Information 1831. Er gab ihm den Namen "Nucleus" oder "Areola". Der erste Begriff ist allgemein akzeptiert und hat sich bis heute erhalten, während der zweite keine Verbreitung gefunden hat und in Vergessenheit geraten ist. Bezeichnenderweise bestand Brown auf der ständigen Präsenz eines Zellkerns in allen lebenden Zellen. Anna Smelova

Brownsche Bewegung- in den Naturwissenschaften die zufällige Bewegung mikroskopisch kleiner, sichtbarer, in einer Flüssigkeit (oder Gas) schwebender Teilchen (Brownsche Teilchen) eines festen Stoffes (Staubkörner, Suspensionskörner, Teilchen). Pflanzenpollen usw.), die durch die thermische Bewegung flüssiger (oder gasförmiger) Partikel verursacht werden. Die Begriffe "Brownsche Bewegung" und "Thermische Bewegung" sollten nicht verwechselt werden: Die Brownsche Bewegung ist eine Folge und ein Beweis für die Existenz thermischer Bewegung.

Die Essenz des Phänomens

Die Brownsche Bewegung entsteht aufgrund der Tatsache, dass alle Flüssigkeiten und Gase aus Atomen oder Molekülen bestehen - den kleinsten Teilchen, die sich in ständiger chaotischer thermischer Bewegung befinden und daher das Brownsche Teilchen kontinuierlich von verschiedenen Seiten schieben. Es wurde festgestellt, dass große Partikel größer als 5 µm praktisch nicht an der Brownschen Bewegung teilnehmen (sie sind unbeweglich oder sedimentieren), kleinere Partikel (kleiner als 3 µm) bewegen sich auf sehr komplexen Bahnen vorwärts oder rotieren. Wenn der Mittwoch geladen wird großer Körper, dann treten die Erschütterungen auf große Zahl, werden gemittelt und bilden einen konstanten Druck. Wenn ein großer Körper allseitig von einem Medium umgeben ist, ist der Druck praktisch ausgeglichen, es bleibt nur die Auftriebskraft von Archimedes - ein solcher Körper schwimmt sanft auf oder sinkt. Wenn der Körper klein ist, wie ein Brownsches Teilchen, dann machen sich Druckschwankungen bemerkbar, die eine merkliche zufällig wechselnde Kraft erzeugen, die zu Schwingungen des Teilchens führt. Brownsche Teilchen sinken oder schwimmen normalerweise nicht, sondern sind in einem Medium suspendiert.

Entdeckung der Brownschen Bewegung

Dieses Phänomen wurde 1827 von R. Brown entdeckt, als er Forschungen über Pflanzenpollen durchführte. Der schottische Botaniker Robert Brown (manchmal als Brown transkribiert) zu Lebzeiten als der beste Kenner Pflanzen erhielten den Titel "Prinz der Botaniker". Er machte viele wunderbare Entdeckungen. Nach einer vierjährigen Expedition nach Australien brachte er 1805 etwa 4.000 Arten australischer Pflanzen nach England, die Wissenschaftlern unbekannt waren, und verbrachte viele Jahre damit, sie zu studieren. Beschriebene Pflanzen aus Indonesien und Zentralafrika. Studierte Pflanzenphysiologie, beschrieb erstmals ausführlich den Zellkern Pflanzenzelle. Petersburger Akademie der Wissenschaften ernannte ihn zum Ehrenmitglied. Aber der Name des Wissenschaftlers ist heute nicht wegen dieser Arbeiten weithin bekannt.
1827 forschte Brown an Pflanzenpollen. Insbesondere interessierte ihn, wie Pollen am Prozess der Befruchtung beteiligt sind. Einmal untersuchte er unter einem Mikroskop längliche zytoplasmatische Körner, die in Wasser suspendiert waren und aus den Pollenzellen der nordamerikanischen Pflanze Clarkia pulchella (hübsche Clarkia) isoliert wurden. Plötzlich sah Brown, dass die kleinsten harten Körner, die in einem Wassertropfen kaum zu sehen waren, ständig zitterten und sich von Ort zu Ort bewegten. Er stellte fest, dass diese Bewegungen nach seinen Worten "weder mit Strömungen in der Flüssigkeit noch mit ihrer allmählichen Verdunstung verbunden sind, sondern den Partikeln selbst innewohnen".
Browns Beobachtung wurde von anderen Wissenschaftlern bestätigt. Die kleinsten Partikel verhielten sich wie lebendig, und der „Tanz“ der Partikel beschleunigte sich mit steigender Temperatur und abnehmender Partikelgröße und verlangsamte sich deutlich, wenn Wasser durch ein viskoseres Medium ersetzt wurde. Das erstaunliches Phänomen nie aufgehört: es konnte beliebig lange beobachtet werden. Zunächst dachte Brown sogar, dass Lebewesen wirklich in den Bereich des Mikroskops geraten, zumal Pollen die männlichen Keimzellen von Pflanzen sind, aber auch Partikel von abgestorbenen Pflanzen, sogar von solchen, die hundert Jahre zuvor in Herbarien getrocknet wurden, geführt haben. Dann dachte Brown, ob dies die „Elementarmoleküle der Lebewesen“ seien, die der berühmte französische Naturforscher Georges Buffon (1707–1788), der Autor des 36-bändigen Buches, geschrieben hat Naturgeschichte. Diese Annahme fiel weg, als Brown begann, scheinbar unbelebte Objekte zu erforschen; Das waren zunächst sehr kleine Kohlepartikel sowie Ruß und Staub aus der Londoner Luft, die dann fein gemahlen wurden anorganische Substanzen: Glas, viele verschiedene Mineralien. „Aktive Moleküle“ waren überall: „In jedem Mineral“, schrieb Brown, „das ich so weit zu Staub zermahlen konnte, dass es einige Zeit in Wasser suspendiert werden konnte, fand ich diese Moleküle in mehr oder weniger großen Mengen .

Brownsche Bewegungstheorie

Aufbau der klassischen Theorie

1905 wurde eine molekularkinetische Theorie erstellt quantitative Beschreibung Brownsche Bewegung. Insbesondere leitete er eine Formel für den Diffusionskoeffizienten kugelförmiger Brownscher Teilchen ab:

wo D- Diffusionskoeffizient, R ist die universelle Gaskonstante, T - Absolute Temperatur , N EIN ist die Avogadro-Konstante, a- Teilchenradius, ξ - dynamische Viskosität.

Experimentelle Bestätigung

Einsteins Formel wurde durch die Experimente von a und seinen Schülern in den Jahren 1908-1909 bestätigt. Als Brownsche Partikel verwendeten sie Körner aus Mastixbaumharz und Gummigut, einen dicken Milchsaft von Bäumen der Gattung Garcinia. Die Gültigkeit der Formel wurde für festgestellt verschiedene Größen Partikel – von 0,212 Mikrometer bis 5,5 Mikrometer, z verschiedene Lösungen(Zuckerlösung, Glycerin), in dem sich die Partikel bewegten.
http://en.wikipedia.org/wiki/

Brown, Robert (Brown, Robert) (1773-1858), englischer Botaniker. Geboren am 21. Dezember 1773 in Montrose.

Studierte Medizin an den Universitäten Aberdeen und Edinburgh (1789-1795). Fünf Jahre lang arbeitete er als Assistenzchirurg in britische Armee. 1798 lernte er während seines Aufenthalts in London den Präsidenten J. Banks kennen königliche Gesellschaft, und wurde 1801 auf seine Empfehlung eingeladen, an einer Expedition nach Australien teilzunehmen. 1805 kehrte er mit einer Pflanzensammlung von über 4.000 Arten nach England zurück.

1810 veröffentlichte er ein Werk über die Flora Australiens. Im selben Jahr wurde er der persönliche Bibliothekar von J. Banks. Nach dessen Tod im Jahr 1820 wurden seine Bibliothek und alle Sammlungen Brown auf Lebenszeit vermacht. 1827 schenkte er sie dem British Museum und wurde dessen Kurator. Botanische Abteilung. Von 1849 bis 1853 war er Präsident der Linnean Society.

Hauptsächlich wissenschaftliche Arbeit Brown widmete sich der Morphologie und Taxonomie von Pflanzen. Er beschrieb erstmals die Struktur der Eizelle und stellte den Unterschied zwischen Gymnospermen und Angiospermen fest (1825), entdeckte den Prozess der sexuellen Kreuzung (Bestäubung) bei höheren Pflanzen.

Als er unter einem Mikroskop das Verhalten von in Wasser suspendierten Pollenpartikeln beobachtete, stellte er fest, dass sie chaotische Zickzackbewegungen ausführen (1827). Anschließend zeigte er, dass sich Suspensionen beliebiger anderer Substanzen ähnlich verhalten. Dieses Phänomen wurde später Brownsche Bewegung genannt. 1831 untersuchte und beschrieb Brown den Zellkern einer Pflanzenzelle.

Referenzliste

Genkel P.A. Robert Braun. - Nachrichten der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, 1959, Nr. 1

Brown, Robert (Brown, Robert) (1773-1858), englischer Botaniker. Geboren am 21. Dezember 1773 in Montrose. Studierte Medizin an den Universitäten Aberdeen und Edinburgh (1789-1795). Fünf Jahre lang arbeitete er als chirurgischer Assistent in der britischen Armee. IN 1
Browns Entdeckung.

Der schottische Botaniker Robert Brown (manchmal wird sein Nachname als Brown transkribiert) erhielt zu Lebzeiten als bester Pflanzenkenner den Titel "Prinz der Botaniker". Er machte viele wunderbare Entdeckungen. Nach einer vierjährigen Expedition nach Australien brachte er 1805 etwa 4.000 Arten australischer Pflanzen nach England, die Wissenschaftlern unbekannt waren, und verbrachte viele Jahre damit, sie zu studieren. Beschriebene Pflanzen aus Indonesien und gebracht Zentralafrika. Studierte Pflanzenphysiologie, beschrieb erstmals ausführlich den Zellkern einer Pflanzenzelle. Petersburger Akademie der Wissenschaften ernannte ihn zum Ehrenmitglied. Aber der Name des Wissenschaftlers ist heute nicht wegen dieser Arbeiten weithin bekannt.

1827 forschte Brown an Pflanzenpollen. Insbesondere interessierte ihn, wie Pollen am Prozess der Befruchtung beteiligt sind. Einmal untersuchte er unter einem Mikroskop längliche zytoplasmatische Körner, die in Wasser suspendiert waren und aus den Pollenzellen der nordamerikanischen Pflanze Clarkia pulchella (hübsche Clarkia) isoliert wurden. Plötzlich sah Brown, dass die kleinsten harten Körner, die in einem Wassertropfen kaum zu sehen waren, ständig zitterten und sich von Ort zu Ort bewegten. Er stellte fest, dass diese Bewegungen nach seinen Worten "weder mit Strömungen in der Flüssigkeit noch mit ihrer allmählichen Verdunstung verbunden sind, sondern den Partikeln selbst innewohnen".

Browns Beobachtung wurde von anderen Wissenschaftlern bestätigt. Die kleinsten Partikel verhielten sich wie lebendig, und der „Tanz“ der Partikel beschleunigte sich mit steigender Temperatur und abnehmender Partikelgröße und verlangsamte sich deutlich, wenn Wasser durch ein viskoseres Medium ersetzt wurde. Dieses erstaunliche Phänomen hörte nie auf: Es konnte beliebig lange beobachtet werden. Zunächst dachte Brown sogar, dass Lebewesen wirklich in den Bereich des Mikroskops geraten, zumal Pollen die männlichen Keimzellen von Pflanzen sind, aber auch Partikel von abgestorbenen Pflanzen, sogar von solchen, die hundert Jahre zuvor in Herbarien getrocknet wurden, geführt haben. Dann fragte sich Brown, ob dies die "Elementarmoleküle der Lebewesen" seien, von denen der berühmte französische Naturforscher Georges Buffon (1707-1788), der Autor der 36-bändigen Naturgeschichte, sprach. Diese Annahme fiel weg, als Brown begann, scheinbar unbelebte Objekte zu erforschen; zuerst waren es ganz kleine Kohlepartikel, dazu Ruß und Staub aus der Londoner Luft, dann fein gemahlene anorganische Stoffe: Glas, viele verschiedene Mineralien. „Aktive Moleküle“ waren überall: „In jedem Mineral“, schrieb Brown, „das ich so weit zu Staub zermahlen konnte, dass es einige Zeit in Wasser suspendiert werden konnte, fand ich diese Moleküle in mehr oder weniger großen Mengen .

Ich muss sagen, dass Brown keines der neuesten Mikroskope hatte. In seinem Artikel betont er ausdrücklich, dass er gewöhnliche bikonvexe Linsen hatte, die er mehrere Jahre lang benutzte. Und schreibt weiter: "Während des gesamten Studiums habe ich dieselben Objektive weiterverwendet, mit denen ich zu arbeiten begonnen hatte, um meinen Aussagen mehr Überzeugungskraft zu verleihen und sie für gewöhnliche Beobachtungen so zugänglich wie möglich zu machen."

Um Browns Beobachtung zu wiederholen, reicht es aus, ein nicht sehr starkes Mikroskop zu haben und damit den Rauch in einer geschwärzten Box zu untersuchen, die durch ein seitliches Loch mit einem Strahl intensiven Lichts beleuchtet wird. In einem Gas zeigt sich das Phänomen viel lebhafter als in einer Flüssigkeit: Kleine Asche- oder Rußflecken (je nach Rauchquelle) sind sichtbares Streulicht, das ständig hin und her springt.

Wie so oft in der Wissenschaft entdeckten Historiker viele Jahre später, dass der Erfinder des Mikroskops, der Niederländer Anthony Leeuwenhoek, bereits 1670 offenbar ein ähnliches Phänomen beobachtete, aber die Seltenheit und Unvollkommenheit von Mikroskopen, ein embryonaler Zustand molekulare Wissenschaft Damals wurde Leeuwenhoeks Beobachtung keine Aufmerksamkeit geschenkt, daher wird die Entdeckung zu Recht Brown zugeschrieben, der sie zuerst untersucht und ausführlich beschrieben hat.

Brownsche Bewegung und Atommolekulare Theorie.

Das von Brown beobachtete Phänomen wurde schnell allgemein bekannt. Er selbst zeigte seine Experimente zahlreichen Kollegen (Brown listet zwei Dutzend Namen auf). Aber um es zu erklären mysteriöses Phänomen, die als "Brownsche Bewegung" bezeichnet wurde, konnten viele Jahre weder Brown selbst noch viele andere Wissenschaftler. Die Bewegungen der Teilchen waren völlig zufällig: Skizzen ihrer Positionen, die zu verschiedenen Zeitpunkten (zum Beispiel jede Minute) angefertigt wurden, gaben auf den ersten Blick keine Möglichkeit, eine Regelmäßigkeit in diesen Bewegungen zu finden.

Die Erklärung der Brownschen Bewegung (wie dieses Phänomen genannt wurde) durch die Bewegung unsichtbarer Moleküle wurde erst im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts gegeben, wurde aber nicht sofort von allen Wissenschaftlern akzeptiert. 1863 Lehrer beschreibende Geometrie aus Karlsruhe (Deutschland) Ludwig Christian Wiener (1826–1896) schlug vor, dass das Phänomen darauf zurückzuführen ist oszillierende Bewegungen unsichtbare Atome. Dies war die erste, wenn auch alles andere als moderne Erklärung der Brownschen Bewegung durch die Eigenschaften der Atome und Moleküle selbst. Wichtig ist, dass Wiener eine Möglichkeit sah, mit Hilfe dieses Phänomens in die Geheimnisse der Struktur der Materie vorzudringen. Er versuchte zunächst, die Bewegungsgeschwindigkeit von Brownschen Teilchen und ihre Abhängigkeit von ihrer Größe zu messen. Es ist merkwürdig, dass 1921 in Reports Nationale Akademie Sciences of the United States veröffentlichte eine Arbeit über die Brownsche Bewegung eines anderen Wieners - Norbert, des berühmten Begründers der Kybernetik.

Die Ideen von L. K. Wiener wurden von einer Reihe von Wissenschaftlern akzeptiert und weiterentwickelt - Sigmund Exner in Österreich (und 33 Jahre später - und sein Sohn Felix), Giovanni Cantoni in Italien, Carl Wilhelm Negeli in Deutschland, Louis Georges Gui in Frankreich, drei Belgier Priester - die Jesuiten Carbonelli, Delso und Tirion und andere. Unter diesen Wissenschaftlern war der später berühmte Englischer Physiker und Chemiker William Ramsay. Allmählich wurde klar, dass die kleinsten Materiekörner von allen Seiten von noch kleineren Partikeln getroffen werden, die im Mikroskop nicht mehr sichtbar sind – so wie Wellen, die ein entferntes Boot schaukeln, vom Ufer aus nicht sichtbar sind, während die Bewegungen des Bootes selbst kann man ganz deutlich sehen. Wie sie in einem der Artikel von 1877 schrieben: „... das Gesetz große Zahlen die Wirkung von Stößen nun nicht auf einen mittleren gleichmäßigen Druck reduziert, wird ihre Resultierende nicht mehr gleich Null sein, sondern ihre Richtung und ihre Größe ständig ändern.

Qualitativ war das Bild durchaus plausibel und sogar visuell. Ungefähr dasselbe sollte einen kleinen Zweig oder Käfer bewegen, der hineingedrückt (oder gezogen) wird verschiedene Seiten viele Ameisen. Diese kleineren Teilchen standen eigentlich im Lexikon der Wissenschaftler, nur hatte sie noch nie jemand gesehen. Sie nannten sie Moleküle; Übersetzt aus dem Lateinischen bedeutet dieses Wort „kleine Masse“. Erstaunlicherweise ist dies die Erklärung, die der römische Philosoph Titus Lucretius Carus (ca. 99–55 v. Chr.) In seinem Buch für ein ähnliches Phänomen gibt berühmtes gedichtÜber die Natur der Dinge. Darin nennt er die kleinsten für das Auge unsichtbaren Teilchen die „Urprinzipien“ der Dinge.

Der Ursprung der Dinge bewegt sich erst selbst,

Hinter ihnen sind Körper aus ihrer kleinsten Kombination,

Nahe, wie soll ich sagen, an Stärke zu den Anfängen der Grundschule,

Verborgen vor ihnen, erhalten sie Stöße, beginnen sie zu streben,

Sich zur Bewegung dann auffordernd den größeren Körper.

Also, beginnend von vorne, die Bewegung nach und nach

Unsere Gefühle berühren und werden auch sichtbar

Uns und den Staubpartikeln ist es, die sich im Sonnenlicht bewegen,

Obwohl unmerkliche Erschütterungen, von denen es auftritt ...

Anschließend stellte sich heraus, dass Lucretius sich geirrt hatte: Es ist unmöglich, die Brownsche Bewegung mit bloßem Auge zu beobachten, und Staubpartikel darin Sonnenstrahl die eingedrungen sind Dunkelkammer, "tanzen" aufgrund der Wirbelbewegungen der Luft. Aber äußerlich haben beide Phänomene einige Gemeinsamkeiten. Und erst im 19. Jahrhundert. Vielen Wissenschaftlern wurde klar, dass die Bewegung der Brownschen Teilchen durch zufällige Stöße der Moleküle des Mediums verursacht wird. Bewegliche Moleküle kollidieren mit Staubpartikeln und anderen festen Partikeln, die sich im Wasser befinden. Je höher die Temperatur, desto schnellere Bewegung. Wenn ein Staubkorn groß ist, zum Beispiel eine Größe von 0,1 mm hat (eine Million Mal größer als ein Wassermolekül), dann gleichen sich viele gleichzeitige Einwirkungen von allen Seiten darauf aus und es „spürt“ sie praktisch nicht - etwa so groß wie ein Stück Holz von der Größe eines Tellers, wird die Bemühungen vieler Ameisen nicht "spüren", die es in verschiedene Richtungen ziehen oder schieben. Wenn dagegen ein Staubkorn relativ klein ist, bewegt es sich unter dem Einfluss der Stöße der umgebenden Moleküle zuerst in die eine, dann in die andere Richtung.

Brownsche Teilchen haben eine Größe in der Größenordnung von 0,1–1 µm, d.h. von einem Tausendstel bis zu einem Zehntausendstel Millimeter, weshalb Brown ihre Bewegung erkennen konnte, dass er winzige zytoplasmatische Körner untersuchte und nicht den Pollen selbst (was oft fälschlicherweise berichtet wird). Tatsache ist, dass die Pollenzellen zu groß sind. So liegt bei Wiesengräserpollen, der vom Wind getragen wird und beim Menschen allergische Erkrankungen (Heuschnupfen) auslöst, die Zellgröße meist im Bereich von 20-50 Mikrometer, d.h. sie sind zu groß, um die Brownsche Bewegung zu beobachten. Es ist auch wichtig zu beachten, dass einzelne Bewegungen eines Brownschen Teilchens sehr häufig und über sehr kleine Entfernungen auftreten, sodass es unmöglich ist, sie zu sehen, aber unter einem Mikroskop sind Bewegungen sichtbar, die über einen bestimmten Zeitraum stattgefunden haben.

Es scheint, dass die Tatsache der Existenz der Brownschen Bewegung eindeutig bewiesen ist molekulare Struktur egal, sondern schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts. es gab Wissenschaftler, darunter Physiker und Chemiker, die nicht an die Existenz von Molekülen glaubten. Die atommolekulare Theorie fand nur langsam und mühsam Anerkennung. So schrieb der größte französische organische Chemiker Marcelin Berthelot (1827-1907): "Der Begriff eines Moleküls ist vom Standpunkt unseres Wissens aus unbestimmt, während ein anderer Begriff - ein Atom - rein hypothetisch ist." Der bekannte französische Chemiker A. Saint-Clair Deville (1818–1881) sprach noch deutlicher: „Ich erlaube weder das Gesetz von Avogadro noch ein Atom oder ein Molekül, weil ich mich weigere, an das zu glauben, was ich nicht sehen kann noch beobachten.“ Und der deutsche Physikochemiker Wilhelm Ostwald (1853–1932), Preisträger Nobelpreis, einer der Gründer physikalische Chemie, bereits Anfang des 20. Jahrhunderts. die Existenz von Atomen vehement bestritten. Es gelang ihm, ein dreibändiges Chemie-Lehrbuch zu schreiben, in dem das Wort „Atom“ nicht einmal erwähnt wird. Als er am 19. April 1904 mit einem großen Bericht am Royal Institute vor Mitgliedern der English Chemical Society sprach, versuchte Ostwald zu beweisen, dass Atome nicht existieren und „was wir Materie nennen, nur eine Ansammlung von Energien ist, die an einem bestimmten Ort gesammelt sind. "

Aber auch jene Physiker, die akzeptierten Molekulare Theorie, konnte nicht glauben, dass solche auf einfache Weise Die Gültigkeit der Atom-Molekular-Doktrin ist bewiesen, daher wurde eine Vielzahl alternativer Gründe zur Erklärung des Phänomens vorgebracht. Und das ganz im Sinne der Wissenschaft: Bis die Ursache eines Phänomens eindeutig identifiziert ist, ist es möglich (und sogar notwendig), verschiedene Hypothesen anzunehmen, die möglichst experimentell oder theoretisch verifiziert werden sollten. Also 1905 Enzyklopädisches Wörterbuch Brockhaus und Efron, ein kleiner Artikel wurde vom St. Petersburger Physikprofessor N.A. berühmter Akademiker A. F. Ioffe. Gezehus schrieb, dass laut einigen Wissenschaftlern die Brownsche Bewegung durch „Licht- oder Wärmestrahlen verursacht wird, die durch eine Flüssigkeit hindurchgehen“, es läuft darauf hinaus, „ einfache Ströme innerhalb der Flüssigkeit, was nichts mit den Bewegungen von Molekülen zu tun hat“, und diese Strömungen können durch „Verdunstung, Diffusion und andere Ursachen“ verursacht werden. Immerhin war bereits bekannt, dass eine ganz ähnliche Bewegung von Staubpartikeln in der Luft gerade durch Wirbelströmungen verursacht wird. Aber die Erklärung von Gezehus ließe sich experimentell leicht widerlegen: Untersucht man zwei sehr nahe beieinander liegende Brownsche Teilchen durch ein starkes Mikroskop, dann erweisen sich ihre Bewegungen als völlig unabhängig. Wenn diese Bewegungen durch Strömungen in der Flüssigkeit verursacht würden, würden sich diese benachbarten Teilchen gemeinsam bewegen.

Theorie der Brownschen Bewegung.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts Die meisten Wissenschaftler verstanden die molekulare Natur der Brownschen Bewegung. Aber alle Erklärungen blieben rein qualitativ, nein quantitative Theorie hielt der experimentellen Überprüfung nicht stand. Außerdem selbst Experimentelle Ergebnisse waren undeutlich: Das phantastische Schauspiel ununterbrochen rauschender Teilchen hypnotisierte die Experimentatoren, und sie wussten nicht genau, welche Eigenschaften des Phänomens gemessen werden sollten.
Trotz der scheinbar völligen Unordnung war es immer noch möglich, die zufälligen Bewegungen der Brownschen Teilchen durch mathematische Abhängigkeit zu beschreiben. Die erste strenge Erklärung der Brownschen Bewegung wurde 1904 von dem polnischen Physiker Marian Smoluchowski (1872–1917) gegeben, der in jenen Jahren arbeitete Universität Lemberg. Zur gleichen Zeit wurde die Theorie dieses Phänomens von Albert Einstein (1879–1955), einem wenig bekannten Experten der 2. Klasse am Patentamt der Schweizer Stadt Bern, entwickelt. Sein Artikel, veröffentlicht im Mai 1905 in Deutsche Zeitschrift Annalen der Physik, hieß Über die Bewegung von in einer ruhenden Flüssigkeit suspendierten Teilchen, die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme gefordert wird. Mit diesem Namen wollte Einstein das vom Molekularen zeigen Kinetische Theorie Die Struktur der Materie impliziert notwendigerweise die Existenz einer zufälligen Bewegung der kleinsten festen Teilchen in Flüssigkeiten.

Es ist merkwürdig, dass Einstein ganz am Anfang dieses Artikels schreibt, dass er mit dem Phänomen selbst vertraut ist, wenn auch nur oberflächlich: „Es ist möglich, dass die fraglichen Bewegungen mit der sogenannten Brownschen Molekularbewegung identisch sind, aber die verfügbaren Daten mir bezüglich letzterem so ungenau, dass ich diese besondere Meinung nicht abgeben könnte." Und Jahrzehnte später, bereits am Abgrund seines Lebens, schrieb Einstein in seinen Memoiren etwas anderes – dass er die Brownsche Bewegung überhaupt nicht kannte und sie eigentlich rein theoretisch „wiederentdeckte“: „Nicht zu wissen, dass Beobachtungen zur „Brownschen Bewegung“ gemacht wurden lange bekannt, entdeckte ich, dass die atomistische Theorie zur Existenz einer beobachtbaren Bewegung mikroskopisch kleiner Schwebeteilchen führt.“ Wie dem auch sei, Einsteins theoretischer Artikel endete mit einem direkten Appell an die Experimentatoren, seine Schlussfolgerungen in der Praxis zu überprüfen: „Wenn überhaupt Forscher könnten bald die hier aufgeworfenen Fragen beantworten!" - er beendet seinen Artikel mit solch einem ungewöhnlichen Ausruf.

Einsteins leidenschaftlicher Appell ließ nicht lange auf sich warten.

Nach der Smoluchowski-Einstein-Theorie ist der Mittelwert der quadratischen Verschiebung eines Brownschen Teilchens (s2) über die Zeit t direkt proportional zur Temperatur T und umgekehrt proportional zur Flüssigkeitsviskosität h, der Teilchengröße r und der Avogadro-Konstante

NA: s2 = 2RTt/6phrNA,

Wobei R die Gaskonstante ist. Wenn also in 1 min ein Partikel mit einem Durchmesser von 1 μm um 10 μm verschoben wird, dann in 9 min - um 10 = 30 μm, in 25 min - um 10 = 50 μm usw. Unter ähnlichen Bedingungen verschiebt sich ein Partikel mit einem Durchmesser von 0,25 µm in den gleichen Zeitintervallen (1, 9 und 25 min) um 20, 60 bzw. 100 µm, da = 2. Es ist wichtig, dass das Obige gilt Formel enthält die Avogadro-Konstante, die somit ist, kann durch quantitative Messungen der Verschiebung eines Brownschen Teilchens bestimmt werden, was durchgeführt wurde Französischer Physiker Jean Baptiste Perrin (1870–1942).

1908 begann Perrin mit quantitativen Beobachtungen der Bewegung von Brownschen Teilchen unter einem Mikroskop. Er benutzte das 1902 erfundene Ultramikroskop, das den Nachweis ermöglichte winzige Partikel aufgrund der Streuung des Lichts von einer starken Seitenbeleuchtung an ihnen. Winzige Kugeln fast sphärische Form und über die gleiche Größe Perrin wird aus Gummigut gewonnen - dem kondensierten Saft einiger tropischer Bäume (es wird auch als gelbe Aquarellfarbe verwendet). Diese winzigen Kügelchen wurden in 12 % Wasser enthaltendem Glyzerin gewogen; viskose Flüssigkeit verhinderte das Auftreten von innere Strömungen das würde das Bild verwischen. Mit einer Stoppuhr bewaffnet, notierte und skizzierte Perrin (natürlich in stark vergrößertem Maßstab) in regelmäßigen Abständen, beispielsweise alle halbe Minute, die Position der Partikel auf einem karierten Blatt Papier. Er verband die erhaltenen Punkte mit geraden Linien und erhielt komplizierte Trajektorien, von denen einige in der Abbildung dargestellt sind (sie stammen aus Perrins Buch Atoms, das 1920 in Paris veröffentlicht wurde). Eine solche chaotische, zufällige Bewegung von Partikeln führt dazu, dass sie sich im Raum ziemlich langsam bewegen: Die Summe der Segmente ist viel mehr Vorurteile Teilchen vom ersten bis zum letzten Punkt.

Aufeinanderfolgende Positionen alle 30 Sekunden von drei Brownschen Partikeln – Gummigutkugeln mit einer Größe von etwa 1 Mikron. Eine Zelle entspricht einem Abstand von 3 µm.
Aufeinanderfolgende Positionen alle 30 Sekunden von drei Brownschen Partikeln – Gummigutkugeln mit einer Größe von etwa 1 Mikron. Eine Zelle entspricht einem Abstand von 3 µm. Wenn Perrin die Position von Brownschen Teilchen nicht nach 30, sondern nach 3 Sekunden bestimmen könnte, dann würden sich die geraden Linien zwischen benachbarten Punkten in denselben komplexen Zickzack verwandeln gestrichelten Linie, nur in kleinerem Maßstab.

Unter Verwendung der theoretischen Formel und seiner Ergebnisse erhielt Perrin den Wert der Avogadro-Zahl, der für diese Zeit ziemlich genau war: 6.8.1023. Perrin untersuchte auch die vertikale Verteilung von Brownschen Teilchen mit einem Mikroskop (siehe AVOGADRO LAW) und zeigte dies trotz der Wirkung Schwere bleiben sie in Lösung suspendiert. Perrin besitzt auch wichtige Werke. 1895 bewies er, dass Kathodenstrahlen negativ sind elektrische Aufladungen(Elektronen), 1901 schlug er erstmals vor planetarisches Modell Atom. 1926 erhielt er den Nobelpreis für Physik.

Die von Perrin erhaltenen Ergebnisse bestätigten Einsteins theoretische Schlussfolgerungen. Das machte einen starken Eindruck. Wie ich viele Jahre später schrieb US-amerikanischer Physiker A. Pais, „Sie sind immer wieder erstaunt über dieses Ergebnis, das auf so einfache Weise erzielt wird: Es reicht aus, eine Suspension von Kugeln herzustellen, deren Größe im Vergleich zur Größe groß ist einfache Moleküle, nehmen Sie eine Stoppuhr und ein Mikroskop, und Sie können die Avogadro-Konstante bestimmen! Über etwas anderes kann man sich wundern: so far in wissenschaftliche Zeitschriften(Nature, Science, Journal of Chemical Education) von Zeit zu Zeit gibt es Beschreibungen neuer Experimente zur Brownschen Molekularbewegung! Nach der Veröffentlichung von Perrins Ergebnissen ehemaliger Gegner Ostwald gab zu, dass „das Zusammentreffen der Brownschen Bewegung mit den Anforderungen der kinetischen Hypothese ... dem vorsichtigsten Wissenschaftler jetzt das Recht gibt, über den experimentellen Beweis der atomistischen Theorie der Materie zu sprechen. Damit wird die atomistische Theorie in den Rang einer wissenschaftlich fundierten Theorie erhoben. Er wird vom französischen Mathematiker und Physiker Henri Poincaré wiederholt: "Perrins brillante Bestimmung der Anzahl der Atome vollendete den Triumph des Atomismus ... Das Atom der Chemiker ist nun Wirklichkeit geworden."

Brownsche Bewegung und Diffusion.

Die Bewegung von Brownschen Teilchen sieht der Bewegung einzelner Moleküle aufgrund ihrer thermischen Bewegung sehr ähnlich. Diese Bewegung wird Diffusion genannt. Schon vor den Arbeiten von Smoluchowski und Einstein sind die Bewegungsgesetze von Molekülen am weitesten verbreitet einfacher Fall Gaszustand Substanzen. Es stellte sich heraus, dass sich die Moleküle in Gasen sehr schnell bewegen - mit der Geschwindigkeit einer Kugel, aber sie können nicht weit „wegfliegen“, da sie sehr oft mit anderen Molekülen kollidieren. Beispielsweise erleben Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle in der Luft, die sich mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 500 m/s bewegen, jede Sekunde mehr als eine Milliarde Kollisionen. Daher wäre der Weg des Moleküls, wenn er verfolgt werden könnte, eine komplexe unterbrochene Linie. Eine ähnliche Flugbahn beschreiben Brownsche Teilchen, wenn ihre Position in bestimmten Zeitabständen fixiert ist. Sowohl die Diffusion als auch die Brownsche Bewegung sind eine Folge der chaotischen thermischen Bewegung von Molekülen und werden daher ähnlich beschrieben mathematische Abhängigkeiten. Der Unterschied besteht darin, dass sich Moleküle in Gasen in einer geraden Linie bewegen, bis sie mit anderen Molekülen kollidieren, wonach sie ihre Richtung ändern. Ein Brownsches Teilchen vollführt im Gegensatz zu einem Molekül keine „freien Flüge“, sondern erfährt sehr häufig kleine und unregelmäßige „Jitter“, wodurch es sich zufällig auf die eine oder andere Seite verschiebt. Berechnungen haben ergeben, dass bei einem 0,1 µm großen Partikel eine Bewegung in drei Milliardstel Sekunden über eine Distanz von nur 0,5 nm erfolgt (1 nm = 0,001 µm). Nach dem treffenden Ausdruck eines Autors erinnert dies an die Verdrängung leeres Glas unter dem Bier auf dem Platz hervor, wo sich eine Menschenmenge versammelt hatte.
Die Diffusion ist viel einfacher zu beobachten als die Brownsche Bewegung, da sie kein Mikroskop benötigt: Es werden nicht die Bewegungen einzelner Teilchen beobachtet, sondern ihre riesigen Massen, es muss nur sichergestellt werden, dass der Diffusion keine Konvektion überlagert ist - die Mischen von Materie als Ergebnis von Wirbelströmungen (solche Strömungen sind leicht zu erkennen, indem man einen Tropfen einer farbigen Lösung, wie z. B. Tinte, in ein Glas mit heißem Wasser tropft).

Die Diffusion wird zweckmäßigerweise in dicken Gelen beobachtet. Ein solches Gel kann beispielsweise in einem Penicillinglas hergestellt werden, indem darin eine 4–5% ige Gelatinelösung hergestellt wird. Gelatine muss zuerst mehrere Stunden quellen und wird dann unter Rühren vollständig aufgelöst, wobei das Glas hineingelassen wird heißes Wasser. Nach dem Abkühlen erhält man ein nicht fließendes Gel in Form einer transparenten, leicht trüben Masse. Wenn mit Hilfe einer scharfen Pinzette ein kleiner Kristall aus Kaliumpermanganat („Kaliumpermanganat“) vorsichtig in die Mitte dieser Masse eingeführt wird, bleibt der Kristall an der Stelle hängen, an der er zurückgelassen wurde, da das Gel dies nicht tut lass es fallen. Innerhalb weniger Minuten entsteht ein farbiger Violett Kugel, mit der Zeit wird sie größer und größer, bis die Wände des Gefäßes ihre Form verzerren. Das gleiche Ergebnis kann mit Hilfe eines Kristalls erzielt werden blaues Vitriol, nur in diesem Fall wird der Ball nicht lila, sondern blau.

Warum die Kugel ausgefallen ist, ist klar: Die beim Auflösen des Kristalls gebildeten MnO4–-Ionen gehen in Lösung (Gel ist hauptsächlich Wasser) und bewegen sich durch Diffusion gleichmäßig in alle Richtungen, während die Schwerkraft praktisch keinen Einfluss auf die hat Diffusionsrate. Die Diffusion in einer Flüssigkeit ist sehr langsam: Es dauert viele Stunden, bis die Kugel einige Zentimeter gewachsen ist. In Gasen geht die Diffusion viel schneller, aber wenn sich die Luft nicht vermischt, dann der Geruch von Parfüm oder Ammoniak Stundenlang im Raum zirkuliert.

Brownsche Bewegungstheorie: Random Walks.

Die Smoluchowski-Einstein-Theorie erklärt die Muster sowohl der Diffusion als auch der Brownschen Bewegung. Wir können diese Regelmäßigkeiten am Beispiel der Diffusion betrachten. Wenn die Geschwindigkeit eines Moleküls u ist, dann wird es, wenn es sich in einer geraden Linie bewegt, die Strecke L = ut in der Zeit t zurücklegen, aber aufgrund von Kollisionen mit anderen Molekülen bewegt sich dieses Molekül nicht in einer geraden Linie, sondern ändert sich kontinuierlich die Richtung seiner Bewegung. Wenn es möglich wäre, den Weg eines Moleküls zu skizzieren, würde er sich nicht grundlegend von den Zeichnungen Perrins unterscheiden. Aus solchen Abbildungen ist ersichtlich, dass das Molekül aufgrund der chaotischen Bewegung um eine Strecke s verschoben wird, die viel kleiner als L ist. Diese Größen hängen durch die Beziehung s = zusammen, wobei l die Entfernung ist, aus der das Molekül fliegt eine Kollision mit der anderen, durchschnittliche Länge freien Lauf. Die Messungen zeigten, dass dies für Luftmoleküle normal ist Luftdruck l ~ 0,1 μm, was bedeutet, dass ein Stickstoff- oder Sauerstoffmolekül bei einer Geschwindigkeit von 500 m/s in 10.000 Sekunden (weniger als drei Stunden) eine Strecke L = 5000 km zurücklegt und sich dabei nur um s von seiner ursprünglichen Position entfernt = 0,7 m ( 70 cm), weshalb sich Stoffe auch in Gasen so langsam durch Diffusion bewegen.

Der Weg eines Moleküls als Ergebnis der Diffusion (oder der Weg eines Brownschen Teilchens) wird als Random Walk (auf Englisch Random Walk) bezeichnet. Witzige Physiker interpretierten diesen Ausdruck in Trunkenheitsgang um – „den Weg eines Trunkenbolds.“ Tatsächlich ähnelt die Bewegung eines Teilchens von einer Position zur anderen (oder der Weg eines Moleküls, das viele Kollisionen durchmacht) der Bewegung einer betrunkenen Person macht es auch recht einfach, die Grundgleichung eines solchen Vorgangs herzuleiten - am Beispiel einer eindimensionalen Bewegung, die sich leicht auf eine dreidimensionale verallgemeinern lässt.

Lassen Sie den beschwipsten Matrosen am späten Abend die Taverne verlassen und die Straße entlang gehen. Nachdem er den Weg l zur nächsten Laterne gegangen war, ruhte er sich aus und ging ... entweder weiter, zur nächsten Laterne oder zurück zur Taverne - schließlich erinnert er sich nicht, woher er kam. Die Frage ist, wird er die Taverne jemals verlassen oder wird er einfach um sie herumwandern, sich mal davon entfernen, mal nähern? (In einer anderen Version des Problems heißt es, dass es an beiden Enden der Straße, wo die Laternen enden, schlammige Gräben gibt, und die Frage ist, ob der Matrose es vermeiden kann, in einen von ihnen zu fallen.) Intuitiv scheint die zweite Antwort richtig zu sein. Aber er irrt sich: Es stellt sich heraus, dass sich der Matrose allmählich immer weiter vom Nullpunkt entfernt, wenn auch viel langsamer, als wenn er nur in eine Richtung geht. So beweisen Sie es.

Nach dem ersten Passieren der nächstgelegenen Laterne (rechts oder links) befindet sich der Segler in einem Abstand s1 = ± l vom Startpunkt. Da uns von diesem Punkt nur die Entfernung interessiert, nicht aber die Richtung, werden wir die Vorzeichen los, indem wir diesen Ausdruck quadrieren: s12 = l2. Nach einiger Zeit wird der Matrose, der bereits N „Wanderungen“ gemacht hat, in einiger Entfernung sein

SN = von Anfang an. Und nachdem er noch einmal (an einer der Seiten) zur nächsten Lampe gegangen ist, in einem Abstand sN+1 = sN ± l, oder, unter Verwendung des Quadrats der Verschiebung, s2N+1 = s2N ±2sN l + l2. Wenn der Matrose diese Bewegung viele Male wiederholt (von N bis N + 1), dann als Ergebnis der Mittelung (he gleich wahrscheinlich den N-ten Schritt nach rechts oder links passiert), hebt sich der Term ±2sNl auf, so dass (spitze Klammern den Mittelwert angeben).

Da s12 = l2, dann

S22 = s12 + l2 = 2l2, s32 = s22 + l2 = 3ll2 usw., d.h. s2N = Nl2 oder sN =l. Die zurückgelegte Gesamtstrecke L kann sowohl als Produkt aus der Geschwindigkeit des Seglers und der Reisezeit (L = ut) als auch als Produkt aus der Anzahl der Spaziergänge und dem Abstand zwischen den Lampen (L = Nl) geschrieben werden, also ut = Nl, also N = ut/l und schließlich sN = . Damit erhält man die Abhängigkeit der Verschiebung des Seemanns (und auch des Moleküls oder Brownschen Teilchens) von der Zeit. Wenn zum Beispiel 10 m zwischen den Laternen liegen und ein Matrose mit einer Geschwindigkeit von 1 m / s geht, dann in einer Stunde gemeinsamer Weg beträgt L = 3600 m = 3,6 km, während die Verschiebung vom Nullpunkt in der gleichen Zeit nur s = = 190 m beträgt, in drei Stunden L = 10,8 km passiert und sich um s = 330 m verschiebt usw.

Das Produkt ul in der resultierenden Formel kann mit dem Diffusionskoeffizienten verglichen werden, der, wie der irische Physiker und Mathematiker George Gabriel Stokes (1819–1903) zeigte, von der Partikelgröße und der Viskosität des Mediums abhängt. Basierend auf solchen Überlegungen leitete Einstein seine Gleichung ab.

Die Theorie der Brownschen Bewegung im wirklichen Leben.

Die Theorie der Random Walks hat eine wichtige Bedeutung praktische Anwendung. Es wird gesagt, dass in Abwesenheit von Orientierungspunkten (Sonne, Sterne, Autobahnlärm o Eisenbahn usw.) eine Person wandert im Wald, über das Feld in einem Schneesturm oder hinein dichter Nebel Kreise, immer wieder an denselben Ort zurückkehrend. Tatsächlich läuft er nicht im Kreis, sondern ungefähr so, wie sich Moleküle oder Brownsche Teilchen bewegen. Er kann an seinen ursprünglichen Ort zurückkehren, aber nur durch Zufall. Aber er kreuzt oft seinen Weg. Sie sagen auch, dass Menschen, die in einem Schneesturm eingefroren waren, „einige Kilometer“ von der nächsten Unterkunft oder Straße entfernt gefunden wurden, aber tatsächlich hatte eine Person keine Chance, diesen Kilometer zu Fuß zu gehen, und hier ist der Grund.

Um zu berechnen, wie stark sich eine Person aufgrund von Irrfahrten bewegt, muss man den Wert von l kennen, d.h. die Strecke, die eine Person ohne Bezugspunkte in einer geraden Linie zurücklegen kann. Dieser Wert wurde vom Doktor der geologischen und mineralogischen Wissenschaften B. S. Gorobets mit Hilfe von studentischen Freiwilligen gemessen. Natürlich ließ er sie nicht in einem dichten Wald oder auf einem schneebedeckten Feld zurück, alles war einfacher - sie stellten den Schüler in die Mitte eines leeren Stadions, verbanden ihm die Augen und baten in völliger Stille (um die Orientierung durch Geräusche auszuschließen) zu gehen bis zum Ende des Fußballplatzes. Es stellte sich heraus, dass der Student im Durchschnitt nur etwa 20 Meter in einer geraden Linie ging (die Abweichung von der idealen geraden Linie betrug nicht mehr als 5 °) und dann begann, immer mehr von der ursprünglichen Richtung abzuweichen. Am Ende blieb er stehen, weit davon entfernt, den Rand zu erreichen.

Lassen Sie jetzt Mangos(oder vielmehr wandert) im Wald mit einer Geschwindigkeit von 2 Stundenkilometern (für eine Straße ist es sehr langsam, aber für einen dichten Wald ist es sehr schnell), wenn der Wert von l 20 Meter beträgt, dann in an Stunde fährt es 2 km, bewegt sich aber nur um 200 m, in zwei Stunden - ungefähr 280 m, in drei Stunden - 350 m, in 4 Stunden - 400 m usw. Und bewegt sich mit einer solchen Geschwindigkeit in einer geraden Linie, Eine Person würde in 4 Stunden 8 Kilometer laufen, daher gibt es in den Anweisungen eine Regel für die Sicherheit bei der Feldarbeit: Wenn Orientierungspunkte verloren gehen, müssen Sie an Ort und Stelle bleiben, einen Unterstand ausstatten und auf das Ende des schlechten Wetters (Sonne) warten kann herauskommen) oder helfen. Im Wald helfen Ihnen Orientierungspunkte - Bäume oder Büsche -, sich in einer geraden Linie zu bewegen, und jedes Mal müssen Sie zwei solcher Orientierungspunkte behalten - einen vorne und einen hinten. Aber natürlich ist es am besten, einen Kompass mitzunehmen...

Der schottische Botaniker Robert Brown erhielt zu Lebzeiten als bester Pflanzenkenner den Titel „Prinz der Botaniker“. Er machte viele wunderbare Entdeckungen. Nach einer vierjährigen Expedition nach Australien brachte er 1805 etwa 4.000 Arten australischer Pflanzen nach England, die Wissenschaftlern unbekannt waren, und verbrachte viele Jahre damit, sie zu studieren. Beschriebene Pflanzen aus Indonesien und Zentralafrika. Studierte Pflanzenphysiologie, beschrieb erstmals ausführlich den Zellkern einer Pflanzenzelle. Aber der Name des Wissenschaftlers ist heute nicht wegen dieser Arbeiten weithin bekannt.

1827 forschte Brown an Pflanzenpollen. Insbesondere interessierte ihn, wie Pollen am Prozess der Befruchtung beteiligt sind. Einmal untersuchte er unter einem Mikroskop längliche zytoplasmatische Körner, die in Wasser suspendiert waren und aus den Pollenzellen der nordamerikanischen Pflanze Clarkia pulchella (hübsche Clarkia) isoliert wurden. Plötzlich sah Brown, dass die kleinsten harten Körner, die in einem Wassertropfen kaum zu sehen waren, ständig zitterten und sich von Ort zu Ort bewegten. Er stellte fest, dass diese Bewegungen nach seinen Worten "weder mit Strömungen in der Flüssigkeit noch mit ihrer allmählichen Verdunstung verbunden sind, sondern den Partikeln selbst innewohnen".

Browns Beobachtung wurde von anderen Wissenschaftlern bestätigt. Die kleinsten Partikel verhielten sich wie lebendig, und der „Tanz“ der Partikel beschleunigte sich mit steigender Temperatur und abnehmender Partikelgröße und verlangsamte sich deutlich, wenn Wasser durch ein viskoseres Medium ersetzt wurde. Dieses erstaunliche Phänomen hörte nie auf: Es konnte beliebig lange beobachtet werden. Zunächst dachte Brown sogar, dass Lebewesen wirklich in den Bereich des Mikroskops gelangten, zumal Pollen die männlichen Geschlechtszellen von Pflanzen sind, aber auch Partikel von abgestorbenen Pflanzen, sogar von solchen, die hundert Jahre zuvor in Herbarien getrocknet wurden, führten. Dann fragte sich Brown, ob dies die "Elementarmoleküle der Lebewesen" seien, von denen der berühmte französische Naturforscher Georges Buffon (1707-1788), der Autor der 36-bändigen Naturgeschichte, sprach. Diese Annahme fiel weg, als Brown begann, scheinbar unbelebte Objekte zu erforschen; zuerst waren es ganz kleine Kohlepartikel, dazu Ruß und Staub aus der Londoner Luft, dann fein gemahlene anorganische Stoffe: Glas, viele verschiedene Mineralien. „Aktive Moleküle“ waren überall: „In jedem Mineral“, schrieb Brown, „dass ich es geschafft habe, es so weit zu Staub zu zermahlen, dass es einige Zeit in Wasser suspendiert werden konnte, fand ich diese Moleküle in mehr oder weniger großen Mengen .

Etwa 30 Jahre lang stieß Browns Entdeckung nicht auf das Interesse der Physiker. Das neue Phänomen war nicht gegeben von großer Wichtigkeit, glauben, dass es auf das Zittern der Droge zurückzuführen ist oder analog zur Bewegung von Staubpartikeln, die in der Atmosphäre beobachtet wird, wenn ein Lichtstrahl auf sie fällt, und die bekanntlich durch die Bewegung von verursacht wird Luft. Aber wenn die Bewegungen der Brownschen Teilchen durch Strömungen in der Flüssigkeit verursacht würden, würden sich solche benachbarten Teilchen gemeinsam bewegen, was den Beobachtungsdaten widerspricht.

Die Erklärung der Brownschen Bewegung (wie dieses Phänomen genannt wurde) durch die Bewegung unsichtbarer Moleküle wurde erst im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts gegeben, wurde aber nicht sofort von allen Wissenschaftlern akzeptiert. 1863 schlug Ludwig Christian Wiener (1826-1896), ein Lehrer der Darstellenden Geometrie aus Karlsruhe (Deutschland), vor, dass das Phänomen mit den Schwingungsbewegungen unsichtbarer Atome zusammenhängt. Wichtig ist, dass Wiener eine Möglichkeit sah, mit Hilfe dieses Phänomens in die Geheimnisse der Struktur der Materie vorzudringen. Er versuchte zunächst, die Bewegungsgeschwindigkeit von Brownschen Teilchen und ihre Abhängigkeit von ihrer Größe zu messen. Aber Wieners Schlussfolgerungen wurden durch die Einführung des Konzepts der „Atome des Äthers“ zusätzlich zu den Atomen der Materie kompliziert. 1876 ​​zeigten William Ramsay und 1877 die belgischen Jesuitenpriester Carbonel, Delso und Tirion und schließlich 1888 Hui deutlich die thermische Natur der Brownschen Bewegung [5].

"Bei großes Gebiet, - schrieben Delso und Carbonel, - die Stöße von Molekülen, die Druck verursachen, verursachen keine Erschütterung des Schwebekörpers, da sie zusammen einen gleichmäßigen Druck auf den Körper in alle Richtungen erzeugen. Wenn die Fläche jedoch nicht ausreicht, um die Unebenheiten auszugleichen, muss die Ungleichheit der Drücke und ihre kontinuierliche Änderung von Punkt zu Punkt berücksichtigt werden. Das Gesetz der großen Zahl reduziert nun die Wirkung von Stößen nicht mehr auf einen mittleren gleichmäßigen Druck, ihre Resultierende wird nicht mehr gleich Null sein, sondern ständig ihre Richtung und ihre Größe ändern.

Wenn man diese Erklärung akzeptiert, dann kann man sagen, dass das von der kinetischen Theorie postulierte Phänomen der thermischen Bewegung von Flüssigkeiten ad oculos (sichtbar) bewiesen ist. So wie es möglich ist, ohne die Wellen in der Entfernung vom Meer zu unterscheiden, das Schaukeln des Bootes am Horizont durch Wellen erklären kann, so kann man es ohne die Bewegung von Molekülen zu sehen, anhand der Bewegung beurteilen von in der Flüssigkeit schwebenden Partikeln.

Diese Erklärung der Brownschen Bewegung ist nicht nur wichtig als Bestätigung der kinetischen Theorie, sie hat auch wichtige theoretische Implikationen. Nach dem Energieerhaltungssatz muss eine Änderung der Geschwindigkeit eines schwebenden Teilchens mit einer Temperaturänderung in der unmittelbaren Umgebung dieses Teilchens einhergehen: Diese Temperatur steigt, wenn die Geschwindigkeit des Teilchens abnimmt, und nimmt ab, wenn die Geschwindigkeit abnimmt des Partikels steigt. Das thermische Gleichgewicht einer Flüssigkeit ist also ein statistisches Gleichgewicht.

Eine noch bedeutendere Beobachtung wurde 1888 von Huy gemacht: Die Brownsche Bewegung gehorcht streng genommen nicht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. In der Tat, wenn ein schwebendes Teilchen spontan in einer Flüssigkeit aufsteigt, dann wird ein Teil der Wärme seiner Umgebung spontan zu mechanische Arbeit, was nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verboten ist. Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass das Partikel umso seltener aufsteigt, je schwerer das Partikel ist. Für Materieteilchen gewöhnlicher Größe ist diese Wahrscheinlichkeit eines solchen Auftriebs praktisch null.

So wird der zweite Hauptsatz der Thermodynamik eher zu einem Wahrscheinlichkeitsgesetz als zu einem Gesetz der Notwendigkeit. Bisher hat keine Erfahrung diese statistische Interpretation gestützt. Es genügte, die Existenz von Molekülen zu leugnen, wie es beispielsweise die Schule der Energetik tat, die unter der Führung von Mach und Ostwald blühte, damit der zweite Hauptsatz der Thermodynamik zum Gesetz der Notwendigkeit wurde. Aber nach der Entdeckung der Brownschen Bewegung wurde eine strenge Interpretation des zweiten Hauptsatzes bereits unmöglich: Es gab echte Erfahrung, die zeigte, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik in der Natur ständig verletzt wird, was Perpetuum Mobile die zweite Art ist nicht nur nicht ausgeschlossen, sondern wird ständig direkt vor unseren Augen durchgeführt.

Daher erlangte das Studium der Brownschen Bewegung Ende des letzten Jahrhunderts eine enorme Bedeutung theoretischer Wert und erregte die Aufmerksamkeit vieler theoretischer Physiker, insbesondere Einsteins.