Så visade Perrin att molekyler existerar

Finns atomer? Under slutet av 1800-talet fanns en klyfta mellan fysiker. Vissa ansåg att materian på alla skalor beskrevs bäst som en sammanhängande helhet, ett kontinuum. Andra såg styrkan i den statistiska fysiken som utgick från att materia bestod av stora mängder smådelar.

Publicerad

Bild: Getty images

Albert Einsteins formler

Botanikern Robert Brown (1773–1858) såg hur pollenkorn i vatten rörde sig på ett slumpartat sätt. Flera forskare ville förklara det här med knuffar från molekylerna i vattnet, men ingen kunde avgöra frågan. Albert Einstein publicerade sin teoretiska artikel om brownsk rörelse 1905, ungefär samtidigt med några andra fysiker som oberoende kom fram till samma resultat.

Den franske fysikern Jean Baptiste Perrin levde 1870–1942.
Bild: Wikimedia commons

Svåra experiment

Flera forskare hade försökt mäta medelhastigheten hos korn i vatten, men det gick inte att få ut rimliga värden. Rörelsen är så slumpartad och byter riktning så ofta att det är omöjligt att se exakt hur lång sträcka de har rört sig på en viss tid. En annan av svårigheterna var att mäta precis hur stora kornen var, vilket var en av parametrarna i Albert Einsteins formel.

Små gummikulor

Den franske fysikern Jean Baptiste Perrin utvecklade noggrant utformade experiment för att verifiera de teoretiska formlerna. Han och hans studenter framställde mikroskopiskt små kulor av materialet gummigutta, som bland annat brukade användas som färgpigment. Med hjälp av en centrifug kunde de skilja på dem och välja ut ett prov med lika stora kulor.

Mäta storleken

Forskargruppen utvecklade minst tre olika sätt att mäta storleken på kulorna. En av metoderna var att mäta den totala volymen av ett litet prov av kulorna i vatten, och sedan få dem att fällas ut på kärlets väggar så att det gick att räkna dem i mikroskop.

Rita av banan

Nu använde Jean Perrin sina gummikulor för att göra en detaljstudie av brownsk rörelse. Albert Einstein hade härlett en formel för hur långt ett korn flyttar sig i genomsnitt per tidsenhet – den exakta hastigheten behövs inte. Jean Perrins medarbetare tittade på ett prov i mikroskop, och ritade ut läget för en av kulorna med en halv minuts mellanrum. Detta upprepades för många kulor.

Jämföra med formeln

Nu kunde Jean Baptiste Perrin sätta in mätvärdena i Einsteins formel, och använda sina siffror för att räkna ut ett värde för en konstant som kallas Avogadros tal. Värdet stämde överens med resultatet från helt andra typer av experiment för att mäta samma tal.

Teori och experiment

Experimentet upprepades med mikroskopiska kulor av ett annat material, mastix som används i lack. Albert Einstein med flera gjorde sina teoretiska beräkningar utifrån hypotesen att materian består av molekyler. När de teoretiska resultaten kunde bekräftas med experiment blev de flesta fysiker övertygade.

Nobelpris

Jean Baptiste Perrin lät också sina prover av mikroskopiska kulor stå stilla så att materialet sedimenterades på botten. Teorin säger att det kommer att finnas kvar några som svävar i vattnet, men att antalet minskar exponentiellt med höjden. Detta kunde han verifiera genom att räkna antalet på olika höjd. Perrin fick Nobelpriset i fysik 1926 för sina arbeten som visade på ”materiens diskontinuerliga struktur”.

F&F Evenemang:

En kväll om livet efter digitaliseringen

En tankeväckande och lärorik kväll med teknikhistorikern Nina Wormbs, sociologen Malin Åkerström, filosofen Hans Ruin och litteraturvetaren Jesper Olsson. 25 januari på Playhouse Teater i Stockholm.

Läs mer och boka

Prenumerera på Forskning & Framsteg!

10 nummer om året och dagliga nyheter på webben med vetenskapligt grundad kunskap.

Beställ idag
Publicerad

Upptäck F&F:s arkiv!

Se alla utgåvor