布朗运动是高中物理选修3-3的内容,而原子理论则是高中物理选修3-5的内容,两者之间有何关联呢?其实在物理学发展史中,前者为后者提供了巨大的支撑。
什么是布朗运动?
1827年英国植物学家布朗(1773~1858)用显微镜观察悬浮在水中的花粉时发现了一个令人惊奇的现象,后人称这种现象为布朗运动。现象是这样的:在显微镜下,观察到水中的花粉颗粒不停地做无规则运动。王尚老师特别提醒的是,布朗运动并不是谁分子的运动,而是花粉颗粒的运动;水分子运动你是观测不出来的。
原子理论发展的困惑
人们对物质的认识,曾经存在一段长时间的争论。
亚里士多德相信宇宙中的所有物质都是由四种基本的元素即土、空气、火和水组成。并认为物质是连续的,也就是说,人们可以将物质无限地分割成越来越小的小块。即人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。
与此同时,希腊人的德莫克里特,则坚持认为物质具有固有的颗粒性,并且认为每一件东西都是由不同种类的大量原子组成。
这两种截然不同的观点,一直争论持续了几个世纪。之所以争论如此之久,原因在于任何一方都没有任何实际的证据。
直到20世纪初这两种学派的争论才以原子论的胜利而告终。而我们今天要说的是,布朗运动为原子理论的发展提供了强大的支撑。
布朗运动与原子理论
布朗运动强有力的证据并支持了原子理论。起初,人们认为是由外界影响,如振动、液体的对流等引起的,但实验表明,在尽量排除外界影响的情况下,布朗运动仍然存在,只要微粒足够小,在任何悬浊液中都能观察到布朗运动,而且连续观察数天甚至数月,也看不到这种运动会停止下来,可见布朗运动的原因不在外界,而在液体内部。
在显微镜下看起来连成一片的液体,实际上是由许许多多分子(当然现在我们已经知道分子是由原子组成的)组成的,液体分子不停地做无规则运动,不断地撞击微粒,如图所示是一颗微粒(花粉)受到液体分子撞击时的情景。
悬浮的微粒足够小,受到的来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。在某一时刻,微粒在某个方向撞击作用强,致使微粒运动,在下一时刻,微粒在另一方向受到撞击作用强,致使微粒又向其他方向运动。这样,就引起了微粒的无规则的布朗运动。
可见,液体分子永不停息的无规则的运动是产生布朗运动的原因。
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