บทความ
ทฤษฎีนี้เป็นมากกว่าจินตนาการ เราอาจแสดงได้ว่าทฤษฎีจลน์ของแก๊สไม่เพียงเข้ากันได้กับการทดลองเท่านั้นแต่ที่จริงนำไปสู่ความเข้าใจเกี่ยวกับข้อเท็จจริงต่าง ๆ ที่ลุ่มลึกมากขึ้น เราอาจจะแสดงให้เห็นสิ่งนี้ด้วยตัวอย่างสองสามตัวอย่าง
เรามีภาชนะที่ถูกปิดโดยลูกสูบซึ่งเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ภาชนะนี้มีปริมาณของแก๊สปริมาณหนึ่งที่ถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิที่คงตัวบรรจุ อยู่ ถ้าในตอนแรกลูกสูบหยุดนิ่งอยู่ที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งมันอาจเคลื่อนที่สูง ขึ้นได้โดยการเอาน้ำหนักออกและเคลื่อนที่ลงไปข้างล่างโดยการเพิ่มน้ำหนัก การดันลูกสูบลงจะต้องใช้แรงกระทำสวนทางกับความดันภายในของแก๊ส ตามทฤษฎีจลน์กลไกของความดันภายในนี้เป็นอย่างไร? อนุภาคจำนวนมากมายมหาศาลที่ประกอบขึ้นเป็นแก๊สกำลังเคลื่อนที่ไปทุกทิศทุก ทาง มันจะระดมชนกำแพงและลูกสูญซึ่งจะกระดอนกลับคล้าย ๆ ลูกบอลที่ถูกขว้างไปปะทะกำแพง การกระหน่ำชนอย่างต่อเนื่องด้วยอนุภาคจำนวนมากนี้ทำให้ลูกสูบอยู่ที่ความสูง ๆ หนึ่ง โดยการต้านแรงโน้มถ่วงที่กระทำลงสู่พื้นดินต่อลูกสูบและน้ำหนักต่าง ๆ ในทิศทางหนึ่งมีแรงโน้นถ่วงที่คงตัวในอีกทิศทางหนึ่งเป็นการกระแทกที่ไม่ เป็นจังหวะสม่ำเสมอจำนวนมากมายจากโมเลกุล ถ้าจะต้องมีความสมดุล ผลลัพธ์สุทธิของแรงที่ไม่เป็นจำหวะสม่ำเสมอที่น้อย ๆ เหล่านี้ทั้งหมดต่อลูกสูบจะต้องเท่ากับผลลัพธ์สุทธิของแรงโน้มถ่วง
สมมุติว่าลูกสูบดันลงเพื่ออัดแก๊สให้เป็นเศษส่วนของปริมาตรก่อนหน้านี้ของ มัน ตีเสียว่าครึ่งหนึ่งและอุณหภูมิของมันถูกทำให้คงที่ ตามทฤษฎีจลน์ เราคาดว่าจะเกิดอะไรขึ้น? แรงที่เกิดขึ้นเนื่องจาการกระหน่ำชนจะมีผลมากกว่าหรือน้อยกว่าก่อน? ตอนนี้อนุภาคต่าง ๆ ถูกจัดให้ชิดกันมากขึ้นแม้ว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยยังเหมือนเดิมอยู่การชน ของอนุภาคกับลูกสูบตอนนี้จะเกิดขึ้นบ่อยมาก และดังนั้นแรงทั้งหมดจะมากขึ้นมันชัดเจนจากภาพจินตนาการนี้ที่ได้รับการเสนอ โดยทฤษฎีจลน์ว่าการทำให้ลูกสูบอยู่ในตำแหน่งที่ต่ำกว่านี้จำเป็นต้องใช้ น้ำหนักมากขึ้น ข้อเท็จจริงเชิงการทดลองง่าย ๆ นี้เป็นที่รู้จักทั่วไป แต่การทำนายของมันเป็นผลจากทัศนะเชิงกลของวัตถุอย่างมีตรรกะ
พิจารณาการเตรียมการเชิงทดลองอีกอย่างหนึ่งในภาชนะสองใบที่มีแก๊สที่ต่างกัน ที่มีปริมาตรเท่ากัน ตีเสียว่าไฮโดรเจนและไนโตรเจนบรรจุอยู่ โดยที่ทั้งสองอยู่ที่อุณหภูมิเดียวกันสมมติว่าว่าภาชนะทั้งสองถูกปิดด้วยลูกสูบที่เหมือนกันทุกประการ ซึ่งบนลูกสูบมี่น้ำหนักที่เท่ากันกล่าวโดยย่อนี้ก็หมายความว่าแก๊สทั้งสองมีปริมาตร อุณหภูมิและความดันอย่างเดียวกันเพราะอุณหภูมิเหมือนกันตามทฤษฎีนี้พลังงานจลน์เฉลี่ย ต่ออนุภาคก็เหมือนกัน เพราะความดันเท่ากัน ลูกสูบทั้งสองจะถูกระดมชนด้วยแรงทั้งหมดอย่างเดียวกัน โดยเฉลี่ยแล้วทุก ๆ อนุภาคมีพลังงานเดียวกันและภาชนะทั้งสองมีปริมาตรเดียวกัน ดังนั้นจำนวนโมเลกุลในแต่ละภาชนะต้องเหมือนกัน แม้ว่าแก๊สต่าง ๆ จะต่างกันในเชิงเคมี ผลลัพธ์นี้สำคัญมากสำหรับความเข้าใจเกี่ยวกับปรากฏการณ์เชิงเคมีจำนวนมากมันหมายความว่าจำนวนของโมเลกุลในปริมาตรที่กำหนดให้ ที่อุณหภูมิและความดันหนึ่งเป็นอะไรบางอย่างซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะตัว ที่ไม่ใช่ของแก๊สโดยเฉพาะ แต่ของแก๊สทั้งหมด น่าประหลาดใจอย่างที่สุดว่าทฤษฎีจลน์ไม่เพียงทำนายการมีอยู่ของจำนวนสากลเช่นนั้นเท่านั้น แต่ทำให้เราสามารถหามันได้อีกไม่นานเราจะกลับมาพูดประเด็นนี้อีก
ทฤษฎีจลน์ของวัตถุอธิบายกฎของแก๊สในเชิงปริมาณและในเชิงคุณภาพอย่างที่การทดลองหาได้ นอกจากนี้ ทฤษฎีนี้ไม่ได้ถูกจำกัดไว้เฉพาะแก๊ส แม้ว่าความสำเร็จท่ายิ่งใหญ่ที่สุดของมันอยู่ในขอบข่ายนี้
เราอาจทำให้แก๊สเป็นของเหลวได้ด้วยวิธีลงอุณหภูมิลง การลดลงของอุณหภูมิของวัตถุหมายถึงการลดลงของพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคต่าง ๆ ของมัน ดังนั้นมันชัดเจนว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคของเหลวจะน้อยกว่าพลังงานจลน์เฉลี่ยของอนุภาคแก๊สที่สอดคล้องกัน
ปรากฏการณ์ที่น่าประทับใจเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคต่างๆ ในของเหลวถูกแสดงเป็นครั้งแรกโดยสิ่งที่เรียกกันว่า การเคลื่อนที่แบบบราวน์ ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจซึ่งจะยังคงลึกลับและไม่อาจเข้าใจได้อยู่ ถ้าไม่มีทฤษฎีจลน์ของวัตถุ บราวน์ซึ่งเป็นนักพฤกษศาสตร์สังเกตเห็นมันเป็นครั้งแรก และมันได้รับการอธิบายในแปดสิบปีต่อมา คือตอนต้นของศตวรรษนี้ อุปกรณ์ที่จำเป็นอย่างเดียวเท่านั้นสำหรับการสังเกตการเคลื่อนที่แบบบราวน์ คือ กล้องจุลทรรศน์ ซึ่งไม่จำเป็นต้องถึงขนาดเป็นกล้องที่ดีเป็นพิเศษ
บราวน์กำลังทำงานเกี่ยวกับเมล็ดเกสรดอกไม้ของพืชบางอย่างหรืออีกนัยหนึ่งคือ :
อนุภาคหรือเม็ดเล็กๆ ที่มีขนาดใหญ่ผิดปกติที่มีความแตกต่างระหว่างเศษหนึ่งส่วนสี่พัน ถึงประมาณเศษหนึ่งส่วนห้าพันของความยาวหนึ่งนิ้ว
เขารายงานอีกว่า :
ขณะที่กำลังตรวจดูลักษณะของอนุภาคเหล่านี้ที่จุ่มอยู่ในน้ำ ฉันสังเกตเห็นอนุภาคจำนวนมากกำลังเคลื่อนที่อย่างเห็นได้ชัด...หลังจากการ สังเกตซ้ำแล้วซ้ำอีกบ่อยๆ การเคลื่อนที่เหล่านี้เป็นแบบที่ทำให้ฉันเชื่อว่ามันไม่ได้เกิดจากกระแสในของไหล และจากการค่อยๆ ระเหยของมันแต่เป็นของตัวอนุภาคเอง
สิ่งที่บราวน์สังเกตเห็นคือการเคลื่อนไหวที่ไม่หยุดนิ่งของเม็ดเล็กๆ เมื่อแขวนลอยอยู่ในน้ำ และมองเห็นได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์ มันเป็นภาพที่น่าประทับใจ!
พืชโดยเฉพาะที่เลือกใช้สำคัญสำหรับปรากฏการณ์นี้หรือไม่? บราวน์ตอบคำถามนี้โดยการทำการทดลองซ้ำ โดยใช้พืชที่ต่างกันจำนวนมาก และพบว่าเม็ดเล็กๆ ทั้งมวล ถ้าเล็กพอจะแสดงให้เห็นการเคลื่อนที่เช่นนี้ เมื่อแขวนลอยอยู่ในน้ำ นอกจากนี้เขาได้พบการเคลื่อนที่ประเภทเดียวกันที่ไม่เป็นแบบแผนแน่นอนและไม่ อยู่นิ่งในอนุภาคที่เล็กมากของสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ แม้แต่กับเศษฟิงซ์ที่ถูกบดให้เป็นผง เขาก็สังเกตเห็นปรากฏการณ์อย่างเดียวกัน!
จะอธิบายการเคลื่อนที่นี้อย่างไร? มันดูเหมือนจะขัดแย้งกับประสบการณ์ก่อนหน้านี้ทั้งหมด การตรวจดูตำแหน่งของอนุภาคที่แขวนลอยอนุภาคหนึ่ง ตีเสียว่าทุกๆ สามสิบวินาที เผยให้เห็นรูปแบบที่แปลกประหลาดของเส้นทางเดินของมัน สิ่งที่น่าทึ่งก็คือ ลักษณะเฉพาะที่ดูเหมือนว่าคงอยู่ตลอดกาลของการเคลื่อนที่ ลูกตุ้มนาฬิกาที่แกว่งไปมา เมื่อถูกตั้งไว้ในน้ำ ในไม่ช้าจะเริ่มอยู่นิ่ง ถ้าไม่ถูกดันด้วยแรงภายนอกจำนวนหนึ่ง การมีอยู่จริงของการเคลื่อนที่ไม่ลดน้อยลงเลย ดูเหมือนจะขัดแย้งกับประสบการณ์ทั้งมวล เรื่องยุ่งยากนี้ได้รับการอธิบายให้กระจ่างแจ้งอย่างดีเยี่ยม โดยทฤษฎีจลน์ของวัตถุ
ถ้ามองดูน้ำโดยผ่านแม้แต่กล้องจุลทรรศน์ซึ่งมีกำลังมหาศาลที่สุด เราไม่อาจมองเห็นโมเลกุลและการเคลื่อนที่ของมันอย่างที่เรานึกภาพด้วยทฤษฎีจลน์ของวัตถุได้ เราจะต้องสรุปว่าถ้าทฤษฎีที่ว่าน้ำเหมือนเป็นการรวมกันของอนุภาคต่างๆ ถูกต้อง ขนาดของอนุภาคจะต้องเกินเขตจำกัดของสภาพที่มองเห็นได้ของกล้องจุลทรรศน์ที่ดีที่สุด แต่อย่างไรก็ตาม เราลองยึดมั่นกับทฤษฎีนี้และสมมติว่ามันแสดงภาพของความเป็นจริงที่สอดคล้องกัน อนุภาคแบบบราวน์ที่มองเห็นได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์ ถูกอนุภาคที่เล็กกว่าที่ประกอบกันเข้าเป็นตัวน้ำเองระดมชน การเคลื่อนที่แบบบราวน์จะมีอยู่จริง ถ้าอนุภาคที่ถูกระดมชนมีขนาดเล็กพอ มันมีอยู่จริงเพราะว่าการกระหน่ำชนนี้ไม่เหมือนกันจากทุกด้านและไม่อาจออกมาพอๆ กันได้ เพราะลักษณะเฉพาะที่ไม่เป็นแบบแผนแน่นอนและเปะปะของมัน การเคลื่อนที่ที่สังเกตเห็นจึงเป็นผลของการเคลื่อนที่ที่ไม่สามารถเห็นได้ พฤติกรรมของอนุภาคใหญ่ส่อให้เห็นพฤติกรรมของโมเลกุลต่างๆ ในลักษณะใดลักษณะหนึ่งซึ่งทำให้เกิด จะพูดว่าการขยายที่สูงเสียจนกระทั่งมันเริ่มมองเห็นได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์ก็ได้ ลักษณะเฉพาะที่ไม่เป็นแบบแผนแน่นอนและเปะปะของทางเดินของอนุภาคแบบบราวน์ ส่อให้เห็นความไม่เป็นแบบแผนแน่นอนที่คล้ายกันในทางเดินของอนุภาคที่มีขนาด เล็กกว่าซึ่งประกอบขึ้นเป็นวัตถุ ดังนั้นเราอาจเข้าใจได้ว่าการศึกษาเชิงปริมาณเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบ บราวน์อาจให้ความเข้าใจที่ลึกซึ้งมากขึ้นเกี่ยวกับทฤษฎีจลน์ของวัตถุแก่เราได้ เห็นได้ชัดว่าการเคลื่อนที่แบบบราวน์ที่มองเห็นได้ขึ้นอยู่กับขนาดของ โมเลกุลที่ระดมชนที่มองไม่เห็น จะไม่มีการเคลื่อนที่แบบบราวน์เลยถ้าโมเลกุลที่ระดมชนไม่ได้มีพลังงานปริมาณ หนึ่งหรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือถ้ามันไม่มีมวลและความเร็ว ดังนั้นไม่น่าประหลาดใจที่ว่าการศึกษาเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวน์อาจทำ ให้ค้นคว้าหามวลของโมเลกุลได้
เพราะการศึกษาวิจัยที่ต้องใช้ความวิริยะอุตสาหะมากทั้งเชิงทฤษฎีและเชิงการทดลอง ลักษณะสำคัญเชิงปริมาณของทฤษฎีจลน์ก็ได้รับการพัฒนาขึ้นอย่างสมบูรณ์ เงื่อนงำที่ปรากฏขึ้นในปรากฏการณ์การเคลื่อนที่แบบบราวน์เป็นหนึ่งในเงื่อนงำซึ่งทำให้ได้ข้องมูลเชิงปริมาณ เราอาจได้ข้อมูลเดียวกันนี้ในลักษณะที่ต่างกัน คือเริ่มจากเงื่อนงำที่ต่างกันมาก ข้อเท็จจริงที่ว่าวิธีการเหล่านี้ทั้งหมดสนับสนุนทัศนะเดียวกันนั้นสำคัญที่สุด เพราะว่ามันแสดงให้เห็นความสอดคล้องกันภายในของทฤษฎีจลน์ของวัตถุ
ในที่นี้จะพูดถึงเพียงหนึ่งในผลลัพธ์เชิงปริมาณจำนวนมากที่ได้มาโดยการทดลองและทฤษฎี สมมติว่าเรามีธาตุที่เบาที่สุดในจำนวนธาตุทั้งหมดคือไฮโดรเจนหนึ่งกรัม และถามว่าในหนึ่งกรัมนี้มีอนุภาคกี่อนุภาค? คำตอบจะระบุไม่เพียงไฮโดรเจนเท่านั้น แต่แก๊สอื่นๆ ทั้งหมดด้วย เพราะว่าเรารู้แล้ว่าภายใต้เงื่อนไขอะไรที่แก๊สสองอย่างมีจำนวนของอนุภาคอย่างเดียวกัน
ทฤษฎีนี้ทำให้เราสามารถตอบคำถามนี้ได้จากการวัดบางอย่างเกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวน์ของอนุภาคที่ถูกแขวนลอย คำตอบเป็นจำนวนมากอย่างน่าประหลาดใจคือเลขสาม ต่อด้วยตัวเลขอื่นๆ ยี่สิบ - สามตัว! จำนวนของโมเลกุลในหนึ่งกรัมของไฮโดรเจนคือ 303,000,000,000,000,000,000,000
นึกภาพโมเลกุลต่างๆ ของหนึ่งกรัมของไฮโดรเจนเพิ่มขนาดขึ้นมากจนมันมองเห็นได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์ ตีเสียว่าเส้นผ่าศูนย์กลางกลายเป็นเศษหนึ่งส่วนห้าพันของหนึ่งนิ้ว อย่างเช่น เส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาคแบบบราวน์ ดังนั้นการบรรจุมันใส่ภาชนะอย่างชิดกัน เราควรจะต้องใช้กล่องรูปสี่เหลี่ยมซึ่งแต่ละด้านยาวประมาณเศษหนึ่งส่วนสี่ ไมล์!
เราอาจคำนวณหามวลของโมเลกุลไฮโดรเจนเช่นนั้น หนึ่งโมเลกุลได้อย่างง่ายดายโดยการหาร 1 ด้วยจำนวนที่ได้อ้างไว้ข้างต้น คำตอบเป็นจำนวนที่น้อยมากอย่างไม่น่าจะเป็นไปได้คือ 0.000,000,000,000,000,000,000,0033 กรัม
ซึ่งแสดงมวลของไฮโดรเจนหนึ่งโมเลกุล
การ ทดลองต่างๆ เกี่ยวกับการเคลื่อนที่แบบบราวน์เป็นเพียงจำนวนหนึ่งของการทดลอง ที่เป็นอิสระไม่เกี่ยวข้องกันจำนวนมากที่นำไปสู่การกำหนดแน่นอนของตัวเลข นี้ ซึ่งมีส่วนร่วมอย่างสำคัญมากเช่นนั้นในฟิสิกส์
ในทฤษฎีจลน์ของวัตถุและในความสำเร็จที่สำคัญของมันทั้งหมด เราเห็นการทำให้โปรแกรมเชิงปรัชญาทั่วไปเป็นจริงคือ การเปลี่ยนคำอธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทั้งมวลให้เป็นปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคต่างๆของวัตถุ
อนุภาคแบบบราวน์ที่มองเห็นผ่านกล้องจุลทรรศน์
อนุภาคแบบบราวน์อนุภาคหนึ่งที่ถ่ายโดยการเปิดหน้ากล้องนานๆ และครอบคลุมพื้นผิวหนึ่ง
ตำแหน่งต่างๆ ที่ติดต่อกันของอนุภาคแบบบราวน์อนุภาคหนึ่งที่สังเกตเห็น
0 ความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น