Дослідне підтвердження атомістичної будови речовин

ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ, РІДИН, ТВЕРДИХ ТІЛ*

Урок № 2

Тема. Дослідне підтвердження атомістичної будови речовин

Мета: ознайомити учнів із фундаментальними дослідами про атомістичну будову тіл, прищепити любов до розвитку експериментальної фізики.

Обладнання: портрети Броуна, А. Ейнштейна, Перрена, фотографії великих молекул.

Міжпредметні зв’язки: біологія, хімія.

План уроку

1. Труднощі, які виникли в науці щодо анатомічної будови речовин.

2. Броунівський рух.

3. Теоретичне пояснення кількісної теорії

броунівського руху.

4. Значення дослідів в науці щодо підтвердження атомістичної будови речовин.

ХІД УРОКУ

I. Актуалізація опорних знань

Учитель зосереджує увагу учнів на відтворенні матеріалу попереднього уроку.

1. Як уявляли давні філософи будову речовин?

2. З яких чотирьох сутностей складалися речовини?

3. Хто є основоположником матеріалістичного погляду на анатомічну будову матерії?

4. Ідеальна основа світу з геометричних фігур Платона.

II. Вивчення нового матеріалу

1.

Вихідні факти названої проблеми, які виникли на початку XX ст. Фундаментальні досліди Жана Батіста Перрена про атомістичну будову речовин.

За 400 років до н. е. давньогрецький філософ Демокрит висунув ідею, що всі речовини складаються з атомів – найдрібніших неподільних частинок. Але справа в тому, що ніхто цих атомів (частинок) не бачив, не чув і не відчував, тому виникли суперечки між ученими, які пропонували різні теорії про будову речовин. Труднощі тут полягали в тому, що жоден із поглядів довести було неможливо.

Минуло понад 2000 років. Аж до епохи Відродження учені не займалися будовою речовин, бо панував культ духовенства, що заборонило займатися наукою.

2. У 1827 р. англійський ботанік Р. Броун спостерігав під мікроскопом маленькі частинки (квіткового пилку), що завислі у воді. Можна було бачити, що вони зовсім не падають вертикально, а рухаються досить швидко та хаотично. Такі частинки направлялися то туди, то сюди, крутилися, піднімалися вгору, опускалися знову, зовсім не прагнучи спокою. Броун використав ахроматичний об’єктив для спостереження за завислими у воді маленькими частинками. Спостерігаючи за ними, він виявив, що частинки безперервно та хаотично рухаються. Подальші дослідження броунівського руху спрямовувалися на пояснення природи цього явища. Відмічалось, що броунівський рух універсальний, тобто властивий всім речовинам, які перебувають у завислому стані в рідині. Інтенсивність руху частинок не залежить від зовнішніх обставин.

3. Дослідженням А. Ейнштейна, а також М. Смолуковського був пояснений механізм броунівського руху і встановлені кількісні закономірності. Цей результат теоретичної праці відкривав можливості для експериментальної перевірки молекулярно-кінетичної теорії. Якби вдалося виявити, що обчислене на основі формули Ейнштейна-Смолуковського число Авогадро збігалося з раніше винайденим, то молекулярно-кінематична гіпотеза броунівського руху набула б переконливого доказу. Дослідження видатного французького фізика Ж. Перрена цілком переконало навіть противників кінетичної теорії в реальності атомів і молекул.

Аналізуючи закономірності МКТ під час розробки моделі експерименту для дослідження броунівського руху, Ж. Перрен дійшов висновку, що вони справедливі як для молекул, так і для броунівських частинок, які можна розглядати як дуже великі молекули. Ж. Перрен, перевіряючи теорію броунівського руху Ейнштейна-Смолуковського, висловив остаточну гіпотезу: молекули, що хаотично рухаються, стикаються з броунівською частинкою, змінюють напрям і модуль швидкості її руху. Число молекул, які вдаряють частинку з різних сторін, і напрям імпульсу, що передаються часточці під час удару, непостійні.

Згідно з висунутою гіпотезою, частинки, що зависли в рідині, постійно та хаотично рухаються. Причому якщо розподіл частинок емульсії визначається газовими законами, то їх розподіл має підкорятися тому ж закону, що й молекули газів в полі земного тяжіння, тобто барометричній формулі.

Щоб таке пояснення броунівського руху було переконливим, необхідно було незаперечно довести відповідність спостережуваних переміщень броунівських частинок і їх швидкостей з тим, що передбачала МКТ. Тоді можна було б вважати встановленою не тільки причину явища, але й те, що це явище є експериментальним підтвердженням основних положень молекулярно-кінетичної теорії. Для цього потрібно було виконати спостереження броунівського руху найдрібніших частинок, завислих у рідині; кількісне дослідження розподілу броунівських частинок; вимірювання сталої Авогадра.

Серія відповідних експериментів проводилась Ж. Перреном у 1906-1908 pp. Для цього була підготовлена необхідна емульсія спиртового розчину смоли з гумілату або мостики у воді. Попередньо емульсію піддавали багаторазовому центрифугуванню, щоби отримати суміш, яка складалась із дуже маленьких зерняток однакового розміру. Крапелька такої емульсії поміщалась у плоску кювету глибиною 1 мм, яка щільно закривалася покривним склом. Кювета розташовувалась вертикально, що давало можливість спостерігати завислі частинки гумілату в різних шарах емульсії товщиною до мікрона. Розташовуючи мікроскоп горизонтально, можна було стежити за розподілом частинок в емульсії залежно від висоти. Візуальні спостереження і фотознімки дозволили підрахувати частинки смоли гумілату на різних шарах вертикально розміщеної кювети. Щоб уникнути випадковості, для кожного шару брали середнє значення з декількох тисяч вимірів, застосовуючи при цьому барометричну формулу. Перрен зміг обчислити кількість молекул, що містилась в 1 молі будь-якого газу, тобто число Авогадро, яке мало відрізнялося від значень визначеного іншими способами. Наступним етапом дослідження було кількісне визначення константи NA, отриманої зі спостережень за частинками емульсії і обчислень на основі броунівського руху Ейнштейна-Смулоховського. Ж. Перрен відмічав через рівні проміжки часу (t = 30 с) послідовні положення броунівської частинки в полі зору мікроскопа і з’єднував ці положення прямолінійним відрізком. На цьому рисунку легко виміряти проекції розглянутих переміщень броунівської частинки. Після цього можна обчислити значення середнього квадрата зміщення та знайти число Авогадро.

Обчислені значення числа Авогадро за барометричною формулою та визначені шляхом теоретичних міркувань (теорія броунівського руху Ейнштейна-Смулоховського) майже були однаковими.

Це дало можливість Перрену зробити висновок, що збіг значень числа Авогадро, обчислених теоретично й отриманих експериментально, підтверджує модель броунівського руху, засновану на гіпотезі про реальність існування молекул та їх хаотичного руху.

Отже, дані експерименту дозволяли Перрену визначити число Авогадро, сталу Больцмана, а згодом – заряд електрона, тобто дали можливість встановити природу броунівського руху, зважити атоми, визначити різноманітні молекулярні константи.

Досліди Перрена підтвердили справедливість теорії Ейнштейна. Це було особливо важливим, тому що зроблене раніше повідомлення французького фізика В. Анрі про перевірку теорії броунівського руху методом кінематографічних знімків не підтверджувало висновків Ейнштейна. Більшість фізиків припускала, що теорія Ейнштейна є необгрунтованою гіпотезою. Загальний висновок зі своїх дослідів Перрен сформулював так: ” МКТ підтверджувалася під час детальної перевірки, проведеної шляхом вивчення розподілу зерен і вивчення їх руху”.

Експерименти Перрена підтвердили уявлення про реальність атомів і молекул, адже в той час багато видатних учених вважали їх існування фантазією, а МКТ антинауковою. Причиною такої думки було те, що атоми і молекули були недоступні для сприймання, тобто вважалися “нечуттєвими” частинками. Побачити, а тим більше виміряти їх було неможливо, і тому вважалося, що їм не місце в науці, яка має справу тільки зі встановленими фактами. Наукові заслуги Перрена здобули визнання: учений був обраний дійсним членом Паризької Академії наук (1923 p.), а в 1926 р. нагороджений Нобелівською премією “за праці дискретної структури матерії”, за те, що він одним із перших проклав дорогу в таємничий світ атомів.

Лише в 1974 р. за допомогою електронного мікроскопа були одержані фотографії окремих атомів і молекул, що стало найпереконливішим доказом їх існування.

III. Закріплення вивченого матеріалу

Запитання до класу:

Що вивчили сьогодні на уроці?

IV. Домашнє завдання

Опрацювати матеріал.

Навести приклади фізичних явищ, що підтверджують атомно-молекулярну будову речовин.




Дослідне підтвердження атомістичної будови речовин