天氣太熱，嚇得我都做布朗運動了

小小的分子，也儲存著大大的能量。今天這個實驗，果醬就帶大家感受一下「進擊」的分子~~

實驗材料

3個乾淨的瓶子

水

鋼筆水（或者彩色染料）

膠帶紙

記號筆

溫度計（可選）

實驗步驟

在膠帶紙上用記號筆分別寫上「冷水」、「常溫水」、「熱水」，並貼到瓶身上。

在標有「冷水」和「常溫水」的瓶中加入約3/4的常溫水，然後將標有「冷水」的瓶子放入冰箱冷藏層，等待30分鐘，確保水溫降到足夠低。

準備一壺剛燒開的水，倒入標有「熱水」的瓶中，然後從冰箱中拿出標有「冷水」的瓶子。

迅速在3個瓶子中滴入一滴鋼筆水，觀察並記錄溶液的變化。注意該過程需要保持瓶子的靜止。

準備3種溫度的水，從左至右依次為冷水（cold water）、常溫水（room temperature ）和熱水（hot water）

向瓶中加入一滴鋼筆水（或彩色染料）

實驗結果

3個瓶子中的鋼筆水都在滴入後開始擴散，但是可以明顯地看出它們的擴散速率是不同的。總體來說，擴散速率：熱水>常溫水>冷水。靜置足夠長的時間後，3個瓶子中的鋼筆水均會擴散置遍布整瓶溶液。

鋼筆水開始擴散，在冷水中的擴散速率最慢，在熱水中的擴散速率最快。

足夠長的時間後，瓶中的溶液顏色逐漸均一

實驗原理

一切物質都由分子、原子或離子組成，如水由分子組成、金屬由原子組成、鹽由離子組成。一切組成物質的分子（原子或離子）都在不停地做無規則運動，這種運動被稱為分子熱運動（thermal motion）。分子的熱運動與溫度有關，物體的溫度越高，分子熱運動越快。

一條無規則的分子熱運動軌跡示意圖，start表示起點，finish表示終點

(http://cnx.org/contents/b98a36ec-4764-40ff-a8cf-ac09b90c397f%403/molecular-transport-phenomena-diffusion-osmosis-and-related-processes)

分子擴散是在濃度差或其他推動力的作用下，由於分子熱運動所引起的物質在空間的遷移現象。以濃度差為推動力的擴散，即物質組分從高濃度區向低濃度區的遷移，是自然界和工程上最普遍的擴散現象。

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分子擴散動圖：當把擋板拿開後，左側的紫色氣體分子會慢慢擴散充滿整個容器

在本實驗中，鋼筆水中含有高濃度的色素分子，而瓶中的水在初始條件下色素分子的濃度為零。當鋼筆水滴入水中後，色素分子會開始擴散。這種擴散行為是以鋼筆水中色素的濃度和水中色素的濃度差作為推動力的。

由於3瓶水的溫度不同，3瓶水中的色素分子擴散速率也不同。根據分子熱運動的規律可知，「冷水」組色素分子擴散最慢，而「熱水」組色素分子擴散最快。經過足夠長的時間後，整瓶水慢慢擴散成濃度均一的「色素溶液」。

科學故事

擴散的本質是分子的無規則運動，而分子無規則運動在歷史上首先是由英國的一位植物學家，羅伯特·布朗，發現的。

羅伯特·布朗（1773年-1858年）

1827年，布朗用顯微鏡觀察植物的花粉團粒懸浮在靜止水面上的形態時，得到一個驚人的發現：這些小小的顆粒在水面上並不是靜止的，而是在做無規則的運動，少數顆粒還在不停地繞軸旋轉。布朗經過反覆觀察後，寫下了這樣一段文字：「我確信這種運動不是由於液體的流動所引起的，也不是由於液體的逐漸蒸發引起的，而是屬於團粒本身的運動。」

為了進一步證實這種看法，布朗把觀察的對象擴大到其他活體植物的花粉團粒上，發現存在同樣的運動。由於布朗是一位植物學家，對於這種運動的原因，開始他很自然地聯想到這是植物生殖器官雌雄交配的結果。但是，在一次觀察中，他偶然搗爛已死的植物標本的葉子，竟然發現有同樣的不規則運動的存在。

布朗以極大的興趣，一再擴展觀察的對象，遍及到一切有機物，甚至煙灰、泥土、礦物質等無機物的微塵，他也一一進行仔細地觀察。結果發現，一切無機物、有機物、無生命、有生命的物體，懸浮在靜止水面上，都會做無休止的不規則運動，從而揭示了自然界普遍存在的分子運動的現象。人們為了紀念這個發現，便把花粉的這種無規則運動稱為「布朗運動」。

從19世紀50年代起，人們一直企圖用熱力學和分子氣體運動理論來解釋布朗運動。

1858年，法國物理學教授勒格納認為，布朗運動是由於從照明光線中吸收了熱，熱傳遞到周圍的液體，液體流動而使微粒運動。

1863年，德國物理學家維納對布朗運動給予不同的解釋。他認為布朗運動不是由外部的原因引起的，是由於液體內部的原子運動。不過，他當時相信物質內部不僅有原子，還有「以太」（後來被證明不存在這種物質）。

1868年，義大利物理學家坎頓尼也把布朗運動歸因於液體中的熱運動。

直到1871年，英國的德耳索才指出，布朗運動是由於微粒受到周圍分子不平衡的碰撞（水分子的熱運動）而引起的。對於布朗運動認識的曲折過程，說明人類對一個物理現象的認識並不是一帆風順的，往往需要經過理論和實驗兩方面的互相論證，才能為大多數科學家所承認，最終得到正確的結論。

翻譯：么一嗷

編輯：歐醬

參考資料：

盛文林. 人類在物理學上的發現[M]. 北京工業大學出版社, 2011.

http://www.coffeecupsandcrayons.com/simple-heat-experiment/

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