Найти тему
Наука, техника и люди.

Как впервые определили массу атомов.

Явление броуновского движения и его исследователи проложили торную дорогу в мир атомов. Особенно конечно здесь надо отметить Альберта Эйнштейна, как теоретика, Мариана Смолуховского, как математика и Жана-Батиста Перрена, как физика- экспериментатора.

Жан-Батист Перрен. Автор: Agence de presse Meurisse - Bibliothèque nationale de France, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18368501
Жан-Батист Перрен. Автор: Agence de presse Meurisse - Bibliothèque nationale de France, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18368501

В 1908 году этот француз окончательно доказал существование атомов и убедил своими исследованиями самых ярых противников атомистической теории.

Перрен брал кусочки гуммигута - смолы, используемой для изготовления лаков и красок.

Гуммигут. Источник. mpmart.ru
Гуммигут. Источник. mpmart.ru

Ученый растирал кусочки этой смолы и растирал их в воде руками. Вода становилась ярко-желтого цвета. После этого эмульсия исследовалась под микроскопом. Гуммигут распадался в воде на так называемые зернышки, но не растворялся.

Первая проблема была в том, что частички гуммигута были совершенно разного размера. А Перрену нужны были одинаковые. Проблему он решил остроумно, использовав центрифугу. Центрифуга делала 2500 оборотов в минуту. Первыми выпадали частицы большего размера, а значит и большей массы.

Да это была кропотливейшая работа, требующая нечеловеческого терпения. Из килограмма гуммигута получалось несколько сотых долей грамма зерен необходимого размера.

Через месяц напряженнейшего труда Жан-Батист получил несколько проб эмульсии смолы с частичками разного размера: 0.5; 0.46; 0.37; 0.21; 0.14 микрон (микрон равен 0,001 миллиметра).

И вот тут началось самое интересное.

Опыт 1. Каплю эмульсии Перрен поместил на дно стеклянной ванночки и покрыл тонкой стеклянной пластинкой. Глубина ванночки ( кюветы) была сто микрон (0,1 мм).Края были залиты парафином. Капля эмульсии получилась размазанной по дну ванночки и герметически запертой, чтобы не было испарения. Французский ученый поставил кювету на бок и изучал эмульсию в микроскоп.

В него можно было увидеть водно-эмульсионную вертикальную стенку с зернышками гуммигута. Самое главное, что зернышки распределились по эмульсии неравномерно. Соответственно внизу больше, вверху меньше.

Распределение гуммигута в воде. Рисунок автора.
Распределение гуммигута в воде. Рисунок автора.

Перрен решает найти закономерность убывания плотности эмульсии с высотой. И тут он опять принимает ряд оригинальных экспериментаторских решений.

Опыт 2. Кювету возвратили на дно и стали рассматривать в микроскоп сверху вниз. Что же оригинального спросите Вы? А то, что Перрен взял микроскоп с очень маленькой глубиной поля зрения, всего в один микрон. Передвигая микроскоп вверх и вниз можно было рассматривать эмульсию на разной глубине, то есть по сути изучать ее послойно.

Перрен стал подсчитывать число зернышек в слоях толщиной в 1 микрон. Здесь опять пришлось французу применить свою экспериментаторскую смекалку. Частички смолы двигались очень быстро и считать их, наблюдая за ними, было невероятно сложно. Жан-Батист сузил и поле зрения, гуммигут он изучал через булавочный прокол в металлической фольге. В такое узкое поле зрения микроскопа попадало не более пяти зернышек одновременно. Делать подсчеты приходилось много-много-много раз, чтобы получить достоверное среднее значение.

Частицы эмульсии гуммигута были подсчитаны на высотах 5, 35, 65 и 95 микрон над уровнем донышка кюветы.

Фотографии, сделанные Перреном через микроскоп на разных высотах эмульсии. Источник: журнал "Квант".
Фотографии, сделанные Перреном через микроскоп на разных высотах эмульсии. Источник: журнал "Квант".

Оказалось и это важно, что плотность частиц с увеличением высоты на 30 микрон убывает ровно в 2 раза. То есть на высоте 35 микрон частиц было в два раза меньше, чем на высоте 5 микрон.

Рисунок автора.
Рисунок автора.

Соответственно закономерность Перрен сформулировал так: если высоты образуют арифметическую прогрессию, то число зернышек - геометрическую.

Это был невероятный результат. Ведь по такому же закону, установленному еще Паскалем, который называют барометрической формулой, падает с высотой плотность воздушной оболочки Земли - атмосферы.

Большая получается статья, но уважаемые читатели - терпите. Разбивать я ее не решился.))

При чем тут масса атома, и где масса атома? Сейчас все будет. Перрен проводит следующую аналогию:

Эмульсия - это атмосфера в миниатюре, тяготеющая к Земле. В масштабе такой атмосферы высота Альп представилась бы несколькими микронами, а отдельные холмы стали бы равны молекулам.

Вот она ключевая мысль, в эмульсии действуют те же законы, что и в атмосфере. Ну а дальше дело простое, сделать расчет. Количество кислорода уменьшается в атмосфере вдвое при увеличении высоты на 5 км. Количество частиц в эмульсии уменьшается вдвое при увеличении высоты на 30 микрон. Пропорция

Пять километров в 165 миллионов раз больше, чем 30 микрон. Значит масса гуммигутового зернышка размером 0,21 микрон в 165 миллионов раз больше массы молекулы кислорода. Масса гуммигутовой частицы равна 0,000 000 000 000 01 грамма. (вычисления были выполнены Перреном, исходя из количества таких частиц в 1 грамме гуммигута).
Делим массу гуммигутового зерна на 165 000 000, и получим массу молекулы кислорода. Она получается равной 0,000 000 000 000 000 000 05 грамма.
Разделим на 32 (молекула кислорода в 32 раза тяжелее атома водорода) и , вуаля, вот и масса атома водорода, самого легкого во Вселенной. Она равна 0,000 000 000 000 000 000 000 0016 г. Значит в 1 грамме содержится 600 000 000 000 000 000 000 000 атомов водорода.

Масса водорода получилась ничтожно малой, но тем не менее материальной и точно определенной. Противник атомов были повержены.

-6

Гениальность ученого была вознаграждена Нобелевской премией по физике, хотя формулировка была за "седиментационное равновесие", но броуновское движение конечно никто не забыл.

Подписывайтесь. Не забывайте про лайки. Делитесь в соцсетях. Спасибо.