布朗运动的理论解释及其验证，本文主要内容关键词为：布朗运动论文,理论论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
分子动理论是热学的一种微观理论，它是以分子的运动来解释物质的宏观性质.分子动理论包括两个基本内容，一是物质由大量分子和原子组成，二是热现象是这些分子做无规则运动的表现形式.其中分子的无规则热运动是建立在实验事实的基础上的，能够明显地证明分子运动的事例是布朗运动.
1827年，英国植物学家布朗用显微镜观察水中悬浮的花粉时发现这些花粉颗粒不停地做无规则的运动.出于植物学家的本能，起初布朗怀疑这种运动是不是因为它具有生命而造成的，于是他把花粉泡在酒精中将它杀死，待干燥后再让花粉悬浮在水中，结果花粉同样在运动.从而，否定了这种运动是一种生物现象，即有生命才会运动.接着他又把碎玻璃片碾成粉末和墨汁分别撒在水中，同样能观察到这些粉末和碳粒均做无规则运动，并且颗粒越小、温度越高，这种无规则运动越显著，布朗把他的实验经过详细地记载下来，写在他于1828年出版的《植物花粉的显微观察》一书中.可以说他当时并不理解产生这种运动的原因（顺便指出，现行课本上谈及分子动理论，总和布朗运动联系在一起，这就使人们误认为布朗就是分子动理论的缔造者，其实不然）.他虽然没有找到小颗粒运动的原因，但他精心观察和实验发现了问题，并把问题详细记录下来，为后人提供了一个作深入研究的课题.因此，他对科学的发展做出了有益的贡献.后人为了纪念他，把他观察的小颗粒运动命名为“布朗运动”.
布朗运动究竟是怎样产生的呢？无数学者为解释这种现象的奥秘做了种种徒劳的努力.起初人们认为是由外界影响，如震动、液体对流的扰动等引起的.但实验表明，尽量在排除外界的影响下，布朗运动仍然存在，只要微粒足够小，在任何液体中（甚至包括气体中）都可以观察到布朗运动，即使连续观察几个月，布朗运动也决不会停止，可见产生布朗运动的原因不在外部而在液体的内部.在1885年前后，法国物理学家们曾经猜测，布朗运动是由于悬浮粒子受到显微镜下观察不到的液体分子的不规则碰撞所造成的，这种富于想象的解释在当时不仅缺乏数学基础，而且没有任何实验证明.
时隔70多年后，于1905年德国物理学家爱因斯坦和波兰物理学家斯莫路霍夫斯基发表了对布朗运动的理论研究成果.但最引人注目的是爱因斯坦发表在德国的《物理学年鉴》第四篇第17卷上题为“热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动”的论文，该论文也是爱因斯坦在1905年富有创造性研究中的首篇.在这篇论文中，爱因斯坦把显微镜下可见粒子的运动看作是显微镜下看不到的液体分子运动的表征，证明了布朗粒子的运动是由于液体分子从四面八方对它撞击引起的，这种撞击的不规则性和偶然性，使来自不同方向的作用互不完全抵消.由于布朗粒子线度非常小（约10[-4]cm），周围分子的不均匀碰撞所产生的不平衡力的作用足以使它发生运动.爱因斯坦还同时用统计方法论证了悬浮粒子的运动速度与颗粒大小及其液体的粘滞系数之间存在着可用实验检验的数量关系.
一般说来，每个布朗粒子与液体分子碰撞机会约为10[21]次/秒，因此粒子的瞬时运动是无法观察的，人们只能每隔一定的时间（如30秒等）记录一次它的位置.设布朗颗粒处于
于布朗运动理论解释的一个重要公式.
1908年法国物理学家佩兰利用与大气分子的垂直分布相类似的胶态粒子在液体中保持悬浮状态，再用显微镜进行观察，并对处于液体中不同高度的单位体积内粒子进行计数，发现单位体积内粒子数随高度升高而减小的这种变化规律与大气中气体分子数随高度变化规律相同，描述出粒子的竖直分布状况与爱因斯坦对布朗运动的理论解释相吻合.这样通过实验完全证实了布朗运动的爱因斯坦定律，并由此求得阿伏加德罗常量.由于这项工作的出色成就，佩兰荣获了1926年诺贝尔物理学奖.
科学家们通过对布朗运动的深入研究，加深了对分子热运动的理解，更重要的是获取了一种研究微观世界的重要方法：把原来看不见的分子的微观运动，可以借助于能够看得见的微粒与其相互作用而表现出来的宏观现象联系起来，并且从大量的分子对微粒碰撞得到这些分子的集体行为来研究微观粒子（或分子）的作用，即利用宏观世界掌握的信息探讨物质的微观机制.这也为人们以后研究涨落理论和原子假说提供了科学的研究方法.