Одним из косвенных доказательств того, что все вещества состоят из атомов и молекул, движущихся беспорядочно, является броуновское движение.
Это непрерывное хаотическое движение частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости или газе.
Причиной такого движения являются удары молекул о частицу, которые не компенсируют друг друга.
Если посмотреть через бутылочное стекло на свет, то можно увидеть, как частицы пыли совершают хаотичное движение в воздухе.
Наблюдения Роберта Броуна
В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун сообщил о своих наблюдениях научному сообществу. Он добавил в воду мелкие зёрна цветочной пыльцы, осветил их интенсивным светом и наблюдал под микроскопом.
Броун обнаружил сильное, непрерывное и зигзагообразное движение этих частиц в воде, хотя поверхность жидкости была совершенно неподвижна.
На тот момент он не мог объяснить, что стало источником этого движения. Причиной явления называли перепад температур внутри воды, дрожание стола, на котором проводили эксперимент.
До конца столетия учёные скептически относились к броуновскому движению. Лишь некоторые считали его подтверждением молекулярно-кинетической теории строения вещества.
Другие физики настаивали на том, что атомы и молекулы фактически не существуют как реальные объекты, а представляют собой математические понятия, полезные для расчета результатов химических реакций.
Теория Эйнштейна и опыт Перрена
В 1905 году Альберт Эйнштейн, не зная о наблюдениях Броуна, опубликовал статью, в которой с помощью математических вычислений рассуждал о том, что если небольшую частицу вещества поместить в воду, то она начнёт перемещаться в разных направлениях. Движение частицы будет результатом бомбардировки её со всех сторон молекулами воды. В определённый момент времени молекулы воды ударяют частицу больше по одной стороне, чем по другой, что приводит к, казалось бы, случайному характеру движения. Работа Эйнштейна стала первым теоретическим аргументом существования молекул и атомов.
В 1909 эксперимент французского учёного Жана Батиста Перрена подтвердил формулу Эйнштейна, опубликованную в 1905 году, и помог доказать существование атомов и молекул. Это доказательство принесло ему в 1926 году Нобелевскую премию по физике.
Согласно уравнениям Эйнштейна, статистически описывающим броуновское движение, часть частиц, взвешенных в воде, должна двигаться в противоположную сторону к действующей силе тяжести. Так как молекулы воды сообщают им импульс и меняют направление их движения.
Перрен начал свои кропотливые наблюдения поведения частиц экстракта жевательной смолы (гуммигута) в 1908 году, чтобы определить приблизительный размер молекул воды.
Он провел несколько месяцев изоляции, наблюдая кусочки гуммигута массой 0,1 грамма. Согласно молекулярной теории Эйнштейна, не все частицы будут опускаться на дно суспензии. Жан Перрен подсчитывал количество частиц на различных глубинах в одной капле жидкости глубиной 0,12 мм. Концентрация частиц экспоненциально уменьшалась с высотой, в соответствии с математическими предсказаниями теории Эйнштейна.
Эйнштейн связал с броуновским движением понятие числа Авогадро (6,023 * 1023). Перрен получил это значение, выполнив расчёты на основании данных, полученных в лаборатории.
Во время своей нобелевской речи он сказал: « Если молекулы и атомы действительно существуют, их относительный вес нам известен. Узнав число Авогадро, мы сможем узнать их абсолютный вес».