Атомы и электроны
Шрифт:
Если это, предложенное Карбонелем, объяснение правильно, то чем частицы легче и мельче, тем броуновское движение должно быть интенсивнее. Так и есть в действительности — уже Броун сумел это заметить. Кроме того, ведь мы знаем, что движение молекул жидкости происходит тем быстрее, чем выше температура, и, в самом деле, Гуи нашёл из своих опытов, что при повышении температуры броуновское движение делается всё интенсивнее и интенсивнее. Когда Жигмонди изобрёл свой ультрамикроскоп и смог наблюдать ничтожнейшие частицы золота в коллоидном растворе (диаметр частиц меньше миллионной доли сантиметра), то броуновское движение этих частиц оказалось таким быстрым, что получилось какое-то сплошное мелькание: частицы двигались с такой скоростью, что их иногда удавалось видеть только в точках поворота их пути, где скорость несколько уменьшалась. Жигмонди описывает первое впечатление так:
«Это какое-то непрерывное прыганье, скакание, столкновения и раздевания, так что трудно разобраться в этой путанице».
Шведский физик Сведберг, изучавший после Жигмонди броуновское движение частиц в коллоидном растворе золота,
Мы переходим теперь к рассказу о классических работах, которые сделал французский физик Жан Перрен (1908 г.). В этих работах было окончательно проверено и установлено, что броуновское движение в жидкостях вызвано движением молекул, и тем самым дано решающее доказательство действительного существования молекул и атомов.
Перрен брал кусочки резиновой смолы «гуммигута» (жёлтая краска) и растирал их рукой в воде, как растирают кусочек мыла. Гуммигут постепенно растворялся в воде, пока она не становилась ярко-жёлтого цвета. После этого Перрен брал немножко такой жидкости под микроскоп. Под микроскопом оказывалось, что гуммигут на самом деле совсем не растворился в воде, а распался на множество шаровидных мелких зёрнышек, которые разбрелись по всему объёму воды. Зёрнышки эти очень различны по размерам. А Перрену хотелось иметь такую жидкость, в которой были бы совершенно одинаковые по размерам частицы гуммигута. Для этого он воспользовался «центрифугой» (центробежной машиной), такой же, какой пользуются на крупных молочных фермах для отделения сливок от молока или же в медицинских лабораториях — для удаления кровяных шариков из крови, после чего остаётся однородная жидкость — кровяная сыворотка. Центрифуга Перрена делала 2500 оборотов в минуту, и возникающая при этом центробежная сила выбрасывала из жидкости зёрнышки гуммигута. Перпендикулярно к оси центрифуги были расположены стеклянные пробирки, в которых содержалась эмульсия гуммигута (так называется вода со взвешенными в ней частичками гуммигута). Центробежная сила, возникавшая при вращении центрифуги, была настолько велика, что на расстоянии 15 см от оси она превосходила силу тяжести в тысячу раз. Эта центробежная сила стремилась прижать частицы гуммигута ко дну пробирки, расположенному подальше от оси: частицы «выпадают» из эмульсии на дно пробирки под влиянием центробежной силы совершенно таким же образом, как грязь и муть выпадают из речной воды под влиянием силы тяжести, — разница лишь в том, что в опытах Перрена частицы выпадали не вниз, а вбок, в ту сторону, в которую действовала центробежная сила.
Первыми выпадали тяжёлые частицы, а вслед за ними и лёгкие. Это давало возможность отделить частицы друг от друга по массе (а значит, и по размерам, потому что все частицы сделаны из одного и того же материала, и поэтому, чем больше их масса, тем больше и размеры). Разумеется, разделение происходило не сразу, а постепенно: задумав получить однородную эмульсию с частицами какого-то совершенно определённого размера, Перрен сперва получил эмульсию, в которой частиц такого размера было больше, чем частиц других размеров, затем эту эмульсию он снова подвергал центрифугированию и выделял из неё часть, в которой процент частиц заданных размеров был ещё больше, и т. д., и т. д., пока, наконец, не получилась порция эмульсии, в которой были зёрнышки только нужных размеров. Это очень кропотливая и тяжёлая работа: приходится работать целый месяц для того, чтобы из одного килограмма гуммигута получить несколько десятых или даже сотых долей грамма круглых зёрен нужной величины. Перрен сумел получить несколько порций эмульсии с диаметром зёрен в 0,50; 0,46; 0,37; 0,21 и 0,14 микрона [9] (микрон — это тысячная доля миллиметра).
9
Здесь и далее оставлено старое название «микрон» вместо современного «микрометр». (Прим. ред.)
С помощью таких эмульсий Жан Перрен произвёл множество замечательных опытов, о которых мы здесь и расскажем.
Он поместил каплю эмульсии с определённым диаметром зёрен в плоскую ванночку (кюветку) с глубиной 0,1 мм. Кюветка была вслед за тем накрыта тонким покровным стёклышком, края которого были залиты парафином: таким образом капля оказалась размазанной в сосуде, в котором она герметически заперта, так что никакое испарение уже невозможно.
Перрен сперва поставил свою кюветку на бок и стал смотреть на неё в микроскоп. В поле зрения микроскопа оказалась тонкая вертикальная водяная стенка, внутри которой распределились зёрнышки гуммигута.
Рис. 3. Распределение зёрнышек гуммигута по высоте: а) рисунок воспроизводит фотографию, полученную Перреном в его лаборатории;
Рис. 3. Распределение зёрнышек гуммигута по высоте: б) рисунок составлен из пяти наложенных друг на друга фотографических снимков.
Распределение зёрнышек сперва было однородным (это произошло, как потом выяснилось, вследствие неизбежного встряхивания препарата при его установке под микроскоп), но потом, с течением времени, распределение изменилось и в конце концов стало таким: очень много зёрнышек внизу, а по мере продвижения вверх их становится всё меньше и меньше. Число зёрнышек в одном кубическом микроне уменьшается с увеличением высоты, и притом — по некоторому вполне определённому закону.
Этот закон уменьшения плотности эмульсии с высотой Перрен захотел исследовать. Для этого он положил кюветку на донышко и стал смотреть на неё сверху в микроскоп, имевший очень маленькую глубину поля зрения: в микроскоп было видно всё, что происходит в тонком слое глубиной в один микрон. Передвигая микроскоп вверх и вниз, можно было смещать этот слой то выше, то ниже. Перрен стал работать так: поставил микроскоп на какой-то высоте и начал считать, сколько зёрнышек виднеется в поле зрения на этой высоте, затем передвинул микроскоп на новую высоту и снова сосчитал число зёрнышек и т. д. Заметим, что при этом числом зёрнышек считается среднее из нескольких наблюдений, потому что зёрнышки движутся совершенно хаотически и, следовательно, их число в поле зрения микроскопа бывает то больше, то меньше, в зависимости от случая. Поэтому на одной и той же высоте Перрен производил подсчёт зёрнышек много раз и затем уже определял среднее значение, характерное для каждой такой высоты.
Казалось бы, можно было производить под микроскопом моментальные фотографические снимки, а затем уже на досуге спокойно сосчитать, сколько имеется зёрнышек в поле зрения на данной высоте. Но моментальные фотографические снимки в этих условиях плохо получаются, потому что не удаётся осветить зёрнышки достаточно ярко (Перрену удавалось получать моментальные снимки в случае частиц с диаметром больше 0,5 микрона, для меньших же частиц фотографии получались чересчур нечёткие.) Поэтому Перрену пришлось сильно сузить поле зрения микроскопа, помещая между микроскопом и препаратом кружочек фольги, проколотый иголкой: в микроскоп было видно только то, что происходило на площади, равной отверстию, сделанному иголкой. Препарат освещался очень короткое время — для этого на пути лучей, освещавших препарат, ставился фотографический затвор, — и каждый раз в поле зрения было видно сравнительно небольшое число зёрнышек: не больше пяти. Для этого-то и должен был Перрен сузить поле зрения микроскопа: если бы каждый раз в поле зрения получалось много частиц, то наблюдатель никак не успевал бы их сосчитать. Сосчитать же зёрнышки, если их число не превышает пяти, легко. Зато приходилось компенсировать это уменьшение поля зрения тем, что в одном таком поле зрения делалось очень много отсчётов, и затем уже из полученных результатов вычислялось среднее арифметическое.
Приведём результаты одного из опытов Перрена. Глубина кюветки была, как мы уже говорили, 100 микрон (т. е. 0,1 мм). Отсчёты производились на высотах 5, 35, 65 и 95 микрон над уровнем донышка кюветки. Оказалось, что среднее число частиц на высоте 35 микрон составляет половину того, которое было на высоте 5 микрон; число частиц на высоте 65 микрон было равно половине числа частиц на высоте 35 микрон, а число частиц на высоте 95 микрон равнялось половине числа частиц на высоте 65 микрон. Иными словами, при подъёме вверх на каждые 30 микрон число частиц в данном объёме (соответствовавшем глубине и ширине выбранного поля зрения) уменьшалось вдвое. Поэтому математический закон убывания плотности (числа зёрен в данном объёме) с высотой может быть выражен так: если высоты образуют арифметическую прогрессию, то числа зёрен образуют геометрическую прогрессию.
Такой закон убывания плотности зёрен с высотой должен был сильно поразить и заинтересовать Перрена: ведь по такому же самому закону спадает плотность при подъёме в нашей атмосфере. Блэз Паскаль, знаменитый французский учёный, живший в XVII столетии и впервые применивший к изучению атмосферы барометр, изобретённый итальянцем Торричелли, обнаружил закон, по которому спадает с увеличением высоты плотность атмосферного воздуха. Этот закон, получивший название барометрической формулы, гласит то же самое: плотность каждого из газов, составляющих атмосферу, убывает вместе с увеличением высоты в геометрической прогрессии. Так, например, при подъёме на 5 км количество кислорода, находящегося в кубическом сантиметре, уменьшается вдвое; при подъёме на следующие 5 км оно уменьшается ещё вдвое и т. д., и т. д. Это — тот же самый закон, по которому уменьшается с высотой число зёрнышек гуммигута в кубическом сантиметре эмульсии, но только здесь иные масштабы — вместо 5 км здесь мы имеем 30 микрон. Отчего же получаются другие масштабы? Достаточно посмотреть, что будет, если вместо кислорода исследовать какой-нибудь другой газ атмосферы, например углекислый газ или азот. Для того чтобы количество углекислого газа на кубический сантиметр уменьшилось вдвое, нужно подняться не на высоту 5 км, а всего только на высоту 3,6 км, т. е. на высоту, в 1,37 раза меньшую. Но во столько же раз (в 1,37 раза) масса молекулы углекислого газа (CO2) больше массы молекулы кислорода (O2). Совершенно такое же соотношение получается, если сравнивать кислород не с углекислым газом, а, например, с азотом или с аргоном. Высота, на которую нужно подняться, чтобы плотность уменьшилась вдвое, обратно пропорциональна массе молекулы данного газа. Например, масса молекулы гелия (состоящая только из одного атома He) в 8 раз меньше массы молекулы кислорода. Поэтому, для того чтобы количество гелия в одном кубическом сантиметре уменьшилось вдвое, нужно подняться не на 5 км, как в случае кислорода, а на 40 км (т. е. в 8 раз выше).