[发明专利]一种布朗运动测量方法

说明书

本发明公开了一种布朗运动测量仪，包括底座、光源、观察片、支架、三轴程控电机、显微镜、摄像头、电脑，其中光源固定在底座的中间，支架固定在底座一侧，三轴程控电机固定在支架上，摄像头固定在显微镜上端，观察片放在显微镜下方的底座上表面，显微镜竖直固定在三轴程控电机上并可以在轴程控电机的控制下整体沿x轴、y轴、z轴三个方向移动。以前的装置通过显微镜观察布朗运动并测量位移时，只能测量实际位移在观察平面xy上的投影值，在z轴方向上的位移无法测量，测量误差大，导致最终的阿伏伽德罗常数测量结果比标准值大。本发明通过镜头自动寻踪技术，精确记录镜头xyz方向上的坐标位置，可以得到精确的位移测量结果，提高了测量的精度。

技术领域

本发明属于实验仪器技术领域，尤其涉及一种布朗运动测量仪及测量方法。

背景技术

英国植物学家罗伯特·布朗在1828年和1829年的《哲学》杂志上发表了两篇文章，描述自己在1927年夏天在显微镜下观察到花粉微粒在液体中的不停顿的运动,后来又发现许多其它物质如煤、化石、金属等的粉末也都有类似的现象，人们称微粒的这种运动为布朗运动。起初人们不了解布朗运动的原因,50年后在1877年德耳索才正确地指出,布朗运动是颗粒受到介质分子碰撞不平衡引起的。1903年由于发明了超显微镜之后,用超显微镜可以观察到溶胶粒子也在不停地作布朗运动,而且粒子越小,布朗运动越剧烈,其剧烈的程度随温度升高而增加,但是未做精确的测量。直到1905年和1906年,爱因斯坦和斯莫鲁霍夫斯基分别提出了布朗运动理论,其基本观点是认为布朗运动和分子运动完全类似, 爱因斯坦认为尽管布朗运动看起来复杂而无规则,但在一定条件下,在一定时间内粒子所移动的平均位移却具有一定的数值的。1907年佩兰用实验证实了爱因斯坦的理论是正确的，爱因斯坦对布朗运动的研究结果对20世纪物理学的发展具有重要意义，至今,布朗运动的理论已被普遍接受,布朗运动的概念也已写入中学物理教材，但是由于实验仪器和实验条件的限制,布朗运动实验一直都是教学的难点。

爱因斯坦理论给出悬浮物质的扩散系数D可由公式D＝RT/N6πkr(1)得到，其中R是气体常数,T是温度,k是黏度,r是悬浮粒子的半径。一个半径为 D的小球型的悬浮物质在液体中的粒子在x轴方向上的均方根位移是因此,平均位移与时间间隔t的平方根成正比。根据(1)式和(2)式我们可以得到由(3)式可知，通过测量一个半径为r的小球型悬浮物质在液体中的x轴方向上的均方根位移可以得到阿伏伽德罗常数N。但目前布朗运动实验仪大多只能作为布朗运动的演示装置，有极少部分仪器可以对布朗运动进行定量的描述和测量，但所测的阿伏伽德罗常数N误差均比较大，难以得到高精度的阿伏伽德罗常数N测量值，分析其原因，主要是因为测量过程中的悬浮粒子的运动是三维的且方向是随机的，其运动位移难以准确测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种布朗运动测量仪，能够准确的测量布朗运动实验中微粒位移。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种布朗运动测量仪，包括底座、光源、观察片、支架、三轴程控电机、显微镜、摄像头、电脑，其中光源固定在底座的中间，支架固定在底座一侧，三轴程控电机固定在支架上，摄像头固定在显微镜上端，观察片放在显微镜下方的底座上表面，显微镜竖直固定在三轴程控电机上并可以在轴程控电机的控制下整体沿x轴、y轴、z轴三个方向移动。

进一步的，光源为白光LED。