حرکت برونی چیست و اینشتین چگونه آن را کشف کرد؟

0

در یکی از روزهای سال ۱۸۲۷ میلادی یک گیاه‌شناس اسکاتلندی به نام رابرت براون مشغول مطالعه روی ریزگرده‌های گیاهان بود. او تعدادی ریزگرده را روی سطح آب پاشیده بود و داشت آن‌ها را زیر میکروسکوپ مطالعه می‌کرد که با پدیده عجیب و غریبی مواجه شد.

براون دریافت که ریزگرده‌ها به دلیلی ناشناخته روی سطح آب می‌رقصند و با الگویی تصادفی بر سطح آب حرکت می‌کنند. او همین آزمایش را با ذرات ریز دیگری نظیر رنگدانه‌ها و … نیز انجام داد و به نتیجه مشابهی رسید.

علت این حرکت یعنی حرکت خود به خودی ذرات بسیار ریز روی سطح آب که اصطلاحا به «حرکت براونی» شهرت یافت به معمایی برای دانشمندان تبدیل شده بود تا اینکه در سال ۱۹۰۵ میلادی، آلبرت اینشتین – که البته در آن زمان هنوز مشهور نشده بود در رساله دکترای خود این معما را حل کرد.

اینشتین به کمک معادله پیچیده‌ای که به دست آورده بود نشان داد که علت حرکت براونی، برخورد مستمر مولکول‌های آب با ریزگرده هاست. در واقع هر چیزی که در آب قرار گیرد به طور پیوسته و از تمامی جهات در معرض برخورد مولکول‌های آب قرار می‌گیرد. تعداد این برخوردها برای اجسام بزرگ به طور متوسط در تمامی جهات یکسان است اما برای ذرات بسیار کوچک نظیر ریزگرده‌های گیاهان داستان کاملا متفاوت است.

فرمول اینشتین نشان میداد که به لحاظ آماری، تعداد برخورد مولکول‌های آب با ذرات بسیار ریز در جهات مختلف یکسان نیست؛ بنابراین ذرات مزبور به علت عدم توازن ضربه مولکول‌های آب مستمرا به این سو و آن سو پرتاب می‌شوند. حال هرچه ذره شناور بر سطح آب کوچکتر باشد، آسان‌تر به این سو و آن سو پرتاب می‌شود و مسافت‌های طولانی‌تری را نیز بر سطح آب طی می‌کند. ضمنا هرچه مولکول‌های محیط هم بزرگتر باشند، ذره را آسان‌تر به اطراف پرتاب می‌کنند.

رابطه ریاضی اینشتین در مورد حرکت براونی شامل پارامترهایی نظیر اندازه ذره، اندازه مولکول آب، فاصله‌ای که ذره در زمانی معین طی می‌کند و … می‌شد. حال چنانچه کسی مقادیر تمامی این پارامتر هابه غیر از اندازه مولکول آب را در اختیار داشت می‌توانست به کمک فرمول مزبور، اندازه مولکول آب را محاسبه کند و این کاری بود که ژان باتیست پرن، فیزیکدان فرانسوی در سال ۱۹۰۸ انجام داد.

پرن ذرات بسیار ریز نوعی صمغ گیاهی را در یک ظرف شیشه‌ای شفاف آب ریخت. این ذرات به واسطه وزن خود به ته ظرف فرو می‌روند اما در مقابل براثر حرکت براونی به تدریج به سوی بالا رانده می‌شوند. بدین ترتیب به کمک معادله اینشتین می‌شود توزیع آماری تعداد ذرات را در اعماق مختلف ظرف محاسبه کرد. پرن با شمارش تعداد ذرات معلق صمغ در اعماق مختلف ظرف آب نه تنها توانست صحت معادله اینشتین رانشان دهد بلکه برای نخستین بار موفق شد ابعاد مولکول آب رانیز محاسبه کند. بدین ترتیب مشخص شد که ابعاد مولکول آب و اتمهایی که آن را تشکیل داده‌اند حدود صد میلیونیم سانتی متر است. تبیین موفقیت آمیز حرکت براونی توسط اینشتین عملاگام نهایی را در مورد پذیرش نظریه اتمی ماده از سوی دانشمندان برداشت.

منبع: شماره ۸۰ مجله دانستنیها


   

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.