Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 96
Текст из файла (страница 96)
Трудность заключалась в том, что зернышки эмульсии, подобно молекулам газа, должны были иметь одинаковый размер. После ряда неудач Перрен приготовил необходимую эмульсию из гуммигута — смолистого вещества, получаемого из млечного сока' некоторых деревьев, и из мастики — одной из разновидностей смол.
Получив необходимую эмульсию, Паррен и его сотрудники приступили к проведению опытов, которые заключались в следующем: капелька эмульсии помещалась в плоскую кюветку глубиной 0,1 мм, плотно закрывающуюся покровным стеклом. 35! Распределение частичек эмульсии наблюдалось через специальный микроскоп, у которого объектив при большом увеличении имел малую глубину поля зрения. Этим достигалась возможность наблюдения частичек в разных слоях эмульсии толщиной до 1 мкм. Располагая микроскоп горизонтально, а кюветку вертикально, можно было наблюдать распределение частичек по высоте (рис. 27, а).
Визуальные наблюдения и фотоснимки л' цллрггллл показали, что распределение част ичек по с~ вертикали в точности соответствует распределению частичек воздуха (рис. 27, б). «Так или иначе,— заключил кэ этих опытов Перрен,— всегда можно констатировать, что распределеа) ' !)'' ' ние зерен, сначала как будто однородное (что происходит вследствие стряхивания препарата при его установке), перестает быть таковыль что нижние слои Ркс. 27. Опыт Перренг делаются все богаче и богаче зернышками и, наконец, устанавливается стационарный режим, при котором концентрация убывает с вьшотой» [43, с.
1!!). Следующим этапом этих исследований явилась количественная проверка молекулярных констант (в частности, числа Авогадро), полученных из наблюдений над частичками эмульсии и вычисленных на основе молекулярно-кинетической теории. Для этой цели необходимо было определить изменение частичек по вертикали. Это достигалось непосредственным подсчетом их на двух различных уровнях. Много пришлось преодолеть экспериментальных трудностей, прежде чем были получены надежные результаты. Достаточно сказать, что пришлось пересчитать в общей сложности 13 000 зернышек различных размеров и на различных уровнях.
Эти наблюдения проводились в кюветке глубиной 100 мкм. При этом изменялись условия опытов, брались частички то из гуммнгута, то из мастики, изменялись в широких пределах размеры частичек. Серия измерений была проделана Перреном и Бьеррумом с частичками гуммигута, взвешенными в глицерине с добавкой 12 о/о воды. С. Дабровским был проведен ряд наблюдений с частичками мастики. Применив барометрическую формулу к результатам наблюдений, Перрен нашел, что значение постоянной Авогадро заключено в пределах между 6.6 10'з и 7,2 10", это практически совпадало с ее значением, полученным другими методами (6 10"). Перрен писал позже, что он «испытал сильное волнение, когда после пергол« попел«он...
получил те же числа, к которым кинетическая теория приходила совершенно другим путем» [43, с. 115). После этого уже «не оставалось никакого сомнения в причинах броуновского движения» и Перрен имел теперь полное право заявить, что «становится весьма трудным отрицать объективную реальность молекул» 143, с. 116].
В 1908 г. были опубликованы результаты опытов Перрена и его сотрудников, посвященных всесторонней проверке теории 252 ктйгта Эйнштейна. Они также полностью подтвердили все его теоретические выводы. Итоги своим исследованиям в области экспериментального подтверждения молекулярно-кинетической теории Перрен подвел в монографии «Атомы», первое издание которой вышло в 1912 г.з'. Здесь наряду с рассмотренными исследованиями были опубликованы также и результаты экспериментальной проверки других новейших в то время теорий, основанных на атомт1о-молекулярной теории 1теория флуктуаций Смолуховского, квантовая теория Планка, электронная теория Дж. Томсона — Лоренца).
Найденные опытным путем значения молекулярных констант и в этих случаях прекрасно совпадали со значениями, найденными ранее из наблюдений над броуновским движением частичек. Перрен писал в своей книге: «Нельзя не удивляться, видя, как согласуются между собой результаты исследований столь различнык явлений. Если мы вспомним, что одна и та же величина получается в результате варьирования условий и явлений, к 1которым прилагаются зги методы, мы придем к заключению, что реальность молекул имеет вероятность, весьма близкую к достоверностиь 143, с. 2261.
14так, говорит в заключение Перрен, еатомная теория торжествует. 7т1ногочисленные ее противники признают себя побежденными и один за другим отрекаются от того недоверия, которое представлялось им долгие годы законным и, без сомнения, было полезно для наукиь [43, с. 2271. Среди побежденных оказался и Оствальд, вынужденный признать, что теория броуновского движения и ее опытное подтверждение настолько убедительно свидетельствуют в пользу реального существования атомов, что не признавать это значило бы идти против очевидных фактов. 9 33. Исследования М.
Смолуховского Развитие идей Больцмана в работах Смолуховского. Теория флуктуаций Явление броуновского движения блестяще подтвердило атомно- молекулярную теорию — фундамент статистической теории Больцмана. Теперь можно было смело идти по проторенному им пути, развивать дальше его идеи. Больцман только наметил контуры статистической теории. Необходимо было всесторонне обосновать эту плодотворную теорию, найти ей убедительное обоснование.
Этой проблеме посвятил всю свою научную деятельность выдающийся польский физик Мариан Смолуховский. Его исследования привели к созданию совершенно новой физической теории — от атистической теории броуновского движения, значение которой в последующие годы вышло далеко за рамки термодинамических проблем. Ученик таких крупных физиков, как В. Томсон и Д. Стефан, слушавший лекции Больцмана, работавший в лабораториях '"' Смл Р е т т1 и Т. 1ез а1отпез. Рат!з, 1912.
23 я. м. гельфер 353 таких экспериментаторов, как А. Кундти Э. Варбург, Смолуховский сочетал способности теоретика н технику сложного физического эксперимента. Это позволило ему еще в 1897 г., работая в Берлине у Варбурга, подробно исследовать открытое последним совместно с Кундтом явление температурного скачка между разреженным газом и стенкой сосуда. Существован1ие подобного скачка следовало из молекулярно-кинетической теории газов.
Поэтому его открытие и обоснование в духе этой теории уже тогда убедили Смолуховского в реальности атомов и молекул. Эту свою убежденность он пронес через всю свою научную деятельность. В начале 900-х годов Смолуховский, внимательно изучив больцмановскую трактовку необратимых процессов и проникнувшись уверенностью в важности для термодинамики статистических концепций, поставил перед собой задачу найти экспериментальное подтверждение этих новых идей. Это было тем более важно, что, живя в это время в Вене н находясь, таким образом, в гуще споров между Больцманом и махистами и «энергетиками», он должен был найти решающий аргумент для поддержки своей теории. В каких же фактах н явлениях должна подтвердиться статистическая трактовка второгоначалатермодинамики? Где можно ожидать отклонений от обычных процессов, протекающих с возрастанием энтропии? И Смолуховский нашел ответы на эти вопросы: там, где исследователь будет иметь дело с небольшим числом молекул, там и должно наблюдаться заметное отклонение от наиболее вероятного состояния.
«Оба негода,— писал он позже по этому поводу, имея в виду феноменологическую термодинамику и молекулярно-кинетическую теорию,— не давали бы в своих рассуясдениях лротиворечия, если бы действительное состояние тела Сзшлуховсний Мариан 1!872 †19) Польский физик. Родился в Фордербюле (Австрия).
Образование получил в Венском университете, который окончил в 1894 г. До 1898 г. работает в ведуших физичесних лабораториях Парижа, Глазго и Берлина, а затем переезжает во Львов, где с 1900 г. занимает должность профессора теоретической физики местного университета.
С 1913 г. профессор экспсримеитальной физики и ректор Краковского университета. В истории термодинамики и статистической физики остался как автор классических исследований по теории броуновского движения, в которых получила дальнейшее развитие и обоснование статвстическая теория Больпмана. 354 всегда совпадало с наиболее вероятным состоянием, а именно если бы число молекул, заключенных в наименьшем доступном физическохгу наблюдению элементе вещества, было бесконечно велико. Обычно ввиду огромности этого числа молекулярно-кинетический метод дает результат, соответствующий результату термодинамического метода, по крайней мере в практически осуществимьгх опытах.
Однако представляется интересной проблемой расчет именно тех мгновенных случайных отклонений, которых надо ожидать согласно кинетической теории, от среднего, наиболее вероятного состояния, соответствующего термодиналшке; а также рассмотрение вопроса, могут ли они в некоторых случаях проявиться в опьгте. Теоретическое значение этого предмета тем более существенно, что такие явления дали бы возможность выполнить ехрет1теп1ит стисни окончательно решающий спор э~ежду термодинамикой и кинетикой 15, с. 3201. Мгновенные случайные отклонения от равновесного состояния Смолуховский назвал флуктуация ми.
Он понял, что исследование этих флуктуаций открывает широкие возможности в деле обоснования статистических теорий в термодинамике. Если молекулярно-кинетическая трактовка термодинамических закономернастей верна, рассуждал Смолуховский, то вследствие хаотического движения молекул их число в заданном объеме должно все время изменяться, отклоняясь от некоторого среднего значения. Это обстоятельство должно привести к флуктуациям плотности, что, в свою очередь, должно быть связано с определенными физическими явлениями.
В 80-х годах русский физик Л. И. Надеждин, исследуя критическое состояние вещества, обнаружил сильное рассеяние света в жидкости вблизи критической точки, причина которого долгое время оставалась загадочной. Это явление, получившее наименование критической опалесценции, было объяснено Смолуховским на основе теории флуктуации в 1907 г. Он вывел соотношение между интенсивностью рассеянного света и физическими характеристиками жидкости (показателем преломления и сжимаемостью). В полученную формулу вошла также и постоянная Авогадро. Таким образом, открывалась возможность проверки формулы Смолуховского, а вместе с ней и теории флуктуаций. Эта проверка вскоре была проведена в Лейденской криогенной лаборатории Каммерлинг-Оннесом и Кеезомом, которые получили для постоянной Авогадро значение 7,5 10", что находилось в хорошем согласии с результатами Перрена.
Это было первым значительным успехом теории Смолуховского. Вскоре Смолуховский объяснил и другое явление — происхождение голубого цвета неба. По этому вопросу существовали различные точки зрения. Так, Тиндаль считал, что причиной голубого цвета неба является рассеяние коротковолновой части солнечного излучения мельчайшими частицами тумана, пыли или дыма, которые всегда имеются в атмосфере. Выдающийся английский физик Рэлей предполагал, что оптическая неоднородность атмосферы обусловлена отдельными молекулами воздуха.
В действительности же, как показал Смолуховский, причиной голубого цвета неба являтотся флуктуации плотности воздуха. Свое предположение он подтвердил опытным путем: при пропускании сквозь тщательно 23* 355 профильтрованный в трубе воздух мощного светового потока он наблюдал на фоне зачерненной поверхности трубы голубоватую окраску воздуха. Указанные исследования явились достаточно убедительной поддержкой теории флуктуаций. Между тем находились скептики, которые полагали, что объяснение Смолуховским некоторых явлений нельзя считать убедительным аргументом в пользу его теории.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
