Файл: Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.pdf

Основной момент изложенных рассуждений состоит в следующем: соотношение (4.3) выражает среднюю энер­ гию взвешенной крупинки через абсолютную температуру н характерную для атомно-молекулярной гипотезы вели­ чину, называемую числом Авогадро. Но поскольку крупин­ ки движутся слишком быстро и проходят очень малые рас­ стояния, за ними уследить невозможно, так что непосред­ ственно измерить среднюю энергию нельзя. Следовательно, необходимо связать ее с такими величинами, которые мо­ гут быть измерены. Уравнение (4.4) как раз и выражает такую связь, выведенную безотносительно к атомной гипо­ тезе. Вот что пишет Перрен по этому поводу:

Короче говоря, каким бы ни был путь, мы приходим к выводу, что средняя энергия перемещения молекулы равна средней энергии крупи­ нок эмульсии. Следовательно, если мы найдем способ вычисления энергии крупинок по измеримым величинам, то таким образом мы сможем проверить нашу теорию. После того как соответствующие эксперименты будут выполнены, возможны только два случая. Во-пер­ вых, может оказаться, что полученные числа значительно отличаются от предсказываемых кинетической теорией, изложенной выше. Если они к тому же будут изменяться в зависимости от размеров исследуемых крупинок эмульсии, то тогда правдоподобие кинетической теории умень­ шается и вопрос о причине броуновского движения остается открытым. Во-вторых, эти числа по порядку величины могут совпадать с предска­ занными. В таком случае мы не только имеем право считать молекуляр­ ную теорию этого движения доказанной, но и рассматривать наши эксперименты как довольно точный на сегодня метод определения раз­ меров молекул.

Таким образом, арена дальнейших исследований была предоставлена эксперименту, идея которого снова была очень проста: определить концентрацию частиц в эмульсин на двух уровнях, когда размер частиц и их плотность из­ вестны, а температура задана. Однако, как будет видно из дальнейшего, проведение этих измерений оказалось чрез­ вычайно утомительным занятием.

Первый шаг заключался в выборе подходящего вещества для приготовления эмульсии. Конечно, такие исследования уже проводились и ранее, но все полученные результаты сводились к тому, что «по прошествии нескольких не­ дель или нескольких месяцев верхний слой коллоидных растворов становится прозрачным». Перрен сам сделал «несколько безрезультатных попыток на этих коллоид­

смолы, использовавшейся для приготовления акварель­ ных красок11, мастик и спиртовых лаков. Перрен не опи­ сывает, какие свойства своих эмульсий он исследовал, но одну черту он специально упоминает как для гуммигута, так и для мастики — это то, что взвешенные частицы имели

Однако первоначально приготовленные суспензии *2) все еще содержали частицы различных размеров и необходимо было «рассортировать их» по размерам. Это было осущест­ влено с помощью процедуры, которую Перрен называет «центрифугированием фракций». Вот как Перрен описыва­ ет этот метод:

Пробирка центрифуга наполнялась до заданной глубины, напри­ мер на 10 см, чистой эмульсией. Устанавливалась определенная ско­ рость вращения машины, например 30 об/с (что на расстоянии 15 см от оси вращения обеспечивает центробежную силу, в 500 раз превышаю­ щую собственный вес). Вращение машины продолжалось вполне опре­ деленное время, допустим 60 мин, после чего она останавливалась само­ стоятельно (т. е. без специального торможения), на что требовалось еще несколько минут. Затем пробирка осторожно удалялась с центри­ фуги.

На дне пробирки остается слой довольно твердого осадка с четко определенной поверхностью. Толщина слоя обычно очень мала по срав­ нению с высотой столба жидкости. Осадок состоит из крупинок, достиг­ ших в процессе центрифугирования дна пробирки и спрессованных дав­ лением, вероятно, аналогично частицам песка, насыпанного в мешок.

Обозначим через а х радиус частицы, находившейся на поверхности жидкости в момент начала центрифугирования и достигшей дна про­ бирки в момент прекращения центрифугирования. Любая крупинка

11 Перрен был в достаточной мере химиком, чтобы интересоваться химической природой использованных им веществ. Например, он уста­ новил, что желтое вещество, которое было взвешено в эмульсии гумми­ гута и вес которого составлял примерно 80% веса исходного вещества, явно представляло собой скорее чистое химическое соединение, чем смесь, что оно было кислотой, с молекулярным весом, равным примерно 540.

2> Обычно экстрагированием сырого латекса спиртом и разбавле­ нием полученного раствора водой.

в осадке, но в осадке содержится, кроме того, много мелких крупинок, которые смогли достичь дна благодаря тому, что в начальный момент центрифугирования они находились соответственно в более глубоких слоях эмульсии.

Далее, с помощью сифона жидкость над осадком тщательно сцежи­ валась, пробирка наполнялась дистиллированной водой до первоначаль­ ного уровня, встряхивалась так, чтобы все крупинки осадка оказались разделенными, и процедура центрифугирования повторялась с тоіі же угловой скоростью и в течение того же времени, как и в первый раз. Очевидно, что все крупинки радиусом, большим а ъ опять смогут до­ стичь дна за это время, но мелкие крупинки, ранее достигшие дна благодаря тому, что они находились в начальный момент вблизи дна, теперь могут оказаться вблизи поверхности, и, следовательно, не успеют дойти до дна. Короче говоря, второй осадок, так же как и первый, содержит все крупинки радиусом, большим Ö!, но в отличие от первого содержит значительно меньше мелких крупинок.

Осадок вновь заливался водой и встряхивался. Теперь эмульсия оказывалась уже менее мутной, чем после первого встряхивания Про­ цедура повторялась многократно до тех пор, пока жидкость над осадком к концу центрифугирования не становилась прозрачной, почти как вода. На сей раз осадок состоял лишь из крупинок первоначальной эмульсии, радиусы которых были больше (ц; все мелкие крупинки оказывались удаленными.

Теперь повторим ту же операцию над конечным осадком, но с не­ сколько меньшим временем центрифугирования. Обозначим через о2 радиус находящейся на поверхности жидкости крупинки, которая еще успевает за это время центрифугирования достичь дна. Жидкость, находящаяся над осадком к концу центрифугирования, может содержать лишь крупинки радиусом, меньшим а г . В соответствии со своим проис­ хождением она может содержать лишь крупинки радиусом, большим чем at. Следовательно, если а х близко к о2, то эта жидкость представляет собой практически однородную эмульсию, которую надо только сцедить.

Я думаю, что нет необходимости объяснять, как аналогичным обра­ зом можно из этой эмульсин извлечь при желании однородную эмуль­ сию, состоящую из крупинок еще меньших размеров или из оставшегося осадка — однородную эмульсию из крупинок еще больших размеров.

Как обычно бывает, ретроспективно эта процедура пред­ ставляется довольно простой и прямой. И хотя она, несом­ ненно, была остроумной, но, вероятно, была и очень тру­ доемкой. Заметим, что Перрен не отмечает, сколько повтор­ ных процедур потребовалось для полной сепарации.

Плотность крупинок определялась двумя методами. Один из них заключался в обыкновенном нагревании эмульсии до полного испарения воды. Смола при этом плавилась, но после охлаждения снова затвердевала в стеклообразную массу, плотность которой можно было определить обычными

h в уравнении (4.4), можно было определить по шкале микро­ метрического винта микроскопа0.

Следующий шаг заключался в определении числа кру­ пинок на некоторой данной площади (скажем, в поле зре­ ния) в каждом из двух слоев эмульсии, находящихся на рас­ стоянии h по высоте. Однако сделать это было нелегко: «...не представляет труда сосчитать число фиксированных объектов, но в поле зрения микроскопа наблюдатель видит несколько сотен беспорядочно плящущих крупинок, одни из которых исчезают, в то время как другие появляются; причем все это происходит непрерывно, поэтому он быстро убеждается в бесполезности каких-либо усилий, которые можно было бы приложить, чтобы хотя бы грубо опреде­ лить среднее число крупинок в наблюдаемом слое». Это, конечно, преувеличение; действительно, сразу же в голову приходит мысль, что можно сфотографировать картину и подсчитать четкие изображения крупинок. Даже в том слу­ чае, когда эмульсия сильно разбавлена, так что число кру­ пинок в поле зрения невелико и поэтому подвержено отно­

° В тех случаях, когда применялся не иммерсионный объектив, необходимо было вводить поправочный множитель, равный і / 3, для учета того обстоятельства, что непосредственно измерялась кажущаяся глубина воды. Однако, как правило, Перрен использовал иммерсион­ ный объектив.