Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Опыт Рэлея по определению размеров молекул

Дата: 1890.

Методы: количественный анализ на основе качественных соображений.

Прямота эксперимента: прямое наблюдение + общие предположения о строении вещества.

Искусственность изучаемых условий: естественные условия.

Исследуемые фундаментальные принципы: дискретность вещества.

Опыт, поставленный в начале XX века лордом Рэлеем (Джоном Вильямом Страттом, 1842–1919), был предельно простым по содержанию и сделал прорыв в молекулярной физике. Тем не менее, до Рэлея никто не отважился провести такой эксперимент, хотя, безусловно, представления о молекулярной структуре вещества существовали уже давно, хотя бы благодаря достижениям в химии.

Между прочим, некоторые величайшие ученые XIX века, такие как Эрнст Мах, настаивали на том, что атомы и молекулы являются абстракциями, существующими только в нашем сознании, и в описании мира, в конечном счете, нужно избавиться от таких понятий. Опыты Рэлея опровергли такую точку зрения, именуемую махизмом.

В опытах Рэлея использовалась капля оливкового масла, растекавшаяся по поверхности воды. Интересно, что липиды — молекулы жиров, в частности, масла — имеют амфимильную структуру. Это означает, что одна из частей молекулы смачивается водой (т.е. ее контакт с водой является энергетически выгодным), а другая — не смачивается. Молекулы масла имеют вид голов с двумя или тремя хвостами (см. рис. ниже), причем головы смачиваются водой, а хвосты — нет.
Это приводит к тому, что на поверхности раздела между водой и маслом молекулы последнего «смотрят» в воду своими головами (см. рис. справа), и капле масла оказывается энергетически выгодным растекаться по поверхности воды.

Растекание продолжается до тех пор, пока поверхность воды не останется покрытой всего лишь одним слоем молекул масла, направленных «головами вниз». В этом случае линейный размер молекул можно оценить как отношение объема исходной капли  к предельной площади масляной пленки . Здесь, конечно, неявно использовано предположение о том, что каждая молекула в жидкости занимает определенный удельный объем  ( — число молекул), не зависящий от формы, которую приняла жидкость. Хотя в случае мономолекулярного масляного слоя это предположение теряет физический смысл, оно применимо в широком диапазоне условий и, в частности, отражается в несжимаемости жидкости (т.е. независимости ее удельного объема от давления, температуры и формы), имеющей место с высокой точностью.

В опыте Рэлея использовалась капля объемом , которая была помещена в большой таз с водой и растеклась до пленки площадью , так что размеры молекул оцениваются равными

И конечно же, как практически любой эксперимент, даже имеющий под собой простое физическое явление, эксперимент Рэлея содержал тонкости, которые делали его убедительным. Одной из них являлся способ, которым Рэлей определял, растеклась ли капля до своего максимального размера или нет. Действительно, визуально отличить двух- или трехмолекулярный слой масла от мономолекулярного очень непросто; с другой стороны, масло может растечься в пленку, внутри которой будет «озеро» из воды, не покрытой маслом. Рэлей элегантно обошел эту трудность, несколько переформулировав экспериментальную процедуру: теперь для заданной площади таза с водой  подбиралась капля минимального объема , способная покрыть всю поверхность воды. Чтобы проверить, действительно ли внутри масляной пленки нет «озер», по прошествии времени растекания капли Рэлей бросал в таз немного частиц камфоры. Это вещество известно тем, что на поверхности воды начинает «плясать», т.е. совершать хаотическое движение, подобное броуновскому, а на поверхности масла — нет. Оказалось, что капли только начиная с определенного объема  были способны покрыть всю поверхность воды — и именно этот объем подставлялся в расчетную формулу для размеров молекул.

С химической точки зрения, Рэлей исследовал растекание жира, содержащего хвосты остатков олеиновой кислоты , из которой оливковое масло состоит на 70–85%. Соответствующий жир является сложных эфиром глицерина и молекул олеиновой кислоты (триглицеридом), поэтому, как нетрудно подсчитать, состоит из полсотни атомов углерода и, в общей сложности, примерно из полутора сотен атомов. Размеры атомов имеют порядок не более нескольких ангстрем, белков — до тысяч ангстрем, а одной из самой длинных макромолекул, существующих в природе, является молекула ДНК, которая может достигать в длину нескольких метров.

Опыт, проведенный Рэлеем, поставил флаг на новой вершине в познании микромира, отметив масштабы расстояний , на которых начинает проявляться дискретность вещества. Следующим этапом на этом пути явилось измерение масс молекул, произведенное Жаном Перреном (см. соответствующий раздел).

<<К предыдущему эксперименту  |  Молекулярная и статистическая физика  |  К следующему эксперименту>>