一種布朗運(yùn)動(dòng)測量儀及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種布朗運(yùn)動(dòng)測量儀及測良方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 英國植物學(xué)家羅伯特?布朗在1828年和1829年的《哲學(xué)》雜志上發(fā)表了兩篇文 章，描述自己在1927年夏天在顯微鏡下觀察到花粉微粒在液體中的不停頓的運(yùn)動(dòng)，后來又 發(fā)現(xiàn)許多其它物質(zhì)如煤、化石、金屬等的粉末也都有類似的現(xiàn)象，人們稱微粒的這種運(yùn)動(dòng)為 布朗運(yùn)動(dòng)。起初人們不了解布朗運(yùn)動(dòng)的原因，50年后在1877年德耳索才正確地指出，布 朗運(yùn)動(dòng)是顆粒受到介質(zhì)分子碰撞不平衡引起的。1903年由于發(fā)明了超顯微鏡之后，用超顯 微鏡可以觀察到溶膠粒子也在不停地作布朗運(yùn)動(dòng)，而且粒子越小，布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈，其劇 烈的程度隨溫度升高而增加，但是未做精確的測量。直到1905年和1906年，愛因斯坦和 斯莫魯霍夫斯基分別提出了布朗運(yùn)動(dòng)理論，其基本觀點(diǎn)是認(rèn)為布朗運(yùn)動(dòng)和分子運(yùn)動(dòng)完全 類似，愛因斯坦認(rèn)為盡管布朗運(yùn)動(dòng)看起來復(fù)雜而無規(guī)則，但在一定條件下，在一定時(shí)間內(nèi) 粒子所移動(dòng)的平均位移卻具有一定的數(shù)值的。1907年佩蘭用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的理論是 正確的，愛因斯坦對布朗運(yùn)動(dòng)的研究結(jié)果對20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展具有重要意義，至今，布 朗運(yùn)動(dòng)的理論已被普遍接受，布朗運(yùn)動(dòng)的概念也已寫入中學(xué)物理教材，但是由于實(shí)驗(yàn)儀器 和實(shí)驗(yàn)條件的限制，布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)一直都是教學(xué)的難點(diǎn)。
[0003] 愛因斯坦理論給出懸浮物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)D可由公式D = RT/N6 π kr (1)得到，其 中R是氣體常數(shù)，T是溫度，k是黏度，r是懸浮粒子的半徑。一個(gè)半徑為D的小球型的懸 浮物質(zhì)在液體中的粒子在X軸方向上的均方根位移是
因此，平均位移與時(shí)間間隔t的平方根成正比。根據(jù)⑴式和⑵式我們可以得到
由（3)式可知，通過測量一個(gè)半徑為r的小球型懸浮物質(zhì)在液體中 的X軸方向上的均方根位移可以得到阿伏伽德羅常數(shù)N。但目前布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀大多只能 作為布朗運(yùn)動(dòng)的演示裝置，有極少部分儀器可以對布朗運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量的描述和測量，但所 測的阿伏伽德羅常數(shù)N誤差均比較大，難以得到高精度的阿伏伽德羅常數(shù)N測量值，分析其 原因，主要是因?yàn)闇y量過程中的懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)是三維的且方向是隨機(jī)的，其運(yùn)動(dòng)位移難 以準(zhǔn)確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明提供一種布朗運(yùn)動(dòng)測量儀，能夠準(zhǔn)確的測量布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn) 中微粒位移。
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種布朗運(yùn)動(dòng)測量儀，包括底座、光源、觀察片、支架、三軸程控電機(jī)、顯微鏡、攝像 頭、電腦，其中光源固定在底座的中間，支架固定在底座一側(cè)，三軸程控電機(jī)固定在支架上， 攝像頭固定在顯微鏡上端，觀察片放在顯微鏡下方的底座上表面，顯微鏡豎直固定在三軸 程控電機(jī)上并可以在軸程控電機(jī)的控制下整體沿X軸、y軸、Z軸三個(gè)方向移動(dòng)。
[0007] 進(jìn)一步的，光源為白光LED。
[0008] 進(jìn)一步的，觀察片由透明的載玻片與蓋玻片裝配而成，具體裝備結(jié)構(gòu)為底部為載 玻片，上部為蓋玻片，在載玻片與蓋玻片四周通過防水固化膠將載玻片與蓋玻片平行固定 在一起，載玻片與蓋玻片中間夾有一厚度在Imm-IOmm的花粉懸濁液。
[0009] 進(jìn)一步的，三軸程控電機(jī)采用CL-03C三軸控制器。
[0010] 進(jìn)一步的，顯微鏡的放大倍數(shù)可調(diào)且放大倍數(shù)B可讀。
[0011] 進(jìn)一步的，攝像頭采用具有自動(dòng)對焦功能的數(shù)碼攝像頭且屏幕顯示的放大倍數(shù)b 可讀。
[0012] 基于前述的布朗運(yùn)動(dòng)測量儀，本發(fā)明還提供了一種布朗運(yùn)動(dòng)測測量方法，包括如 下步驟：
[0013] (1)調(diào)節(jié)顯微鏡與攝像頭，在電腦的屏幕上能觀察到清晰的花粉圖像，選定其中一 個(gè)花粉作為測量對象，該測量對象即為布朗粒子；
[0014] (2)用游標(biāo)卡尺直接測量此布朗粒子在屏幕上的半徑rr ;
[0015] (3)讀出顯微鏡的放大倍數(shù)B與攝像頭7的放大倍數(shù)b ;
[0016] (4)得到此布朗粒子的真實(shí)半徑r = rr/Bb ;
[0017] (5)啟動(dòng)攝像頭自動(dòng)捕捉功能，通過三軸程控電機(jī)改變鏡頭在X軸、y軸z軸上的 位置，使得該位置點(diǎn)始終處于鏡頭中央焦點(diǎn)處位置，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔t，記錄該位置點(diǎn) 坐標(biāo)；
[0018] (6)根據(jù)記錄的位置點(diǎn)坐標(biāo)，得到η次的X軸方向的位移測量值λ x;
[0019] (7)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔t與記錄的位置坐標(biāo)在電腦屏幕上重構(gòu)或再現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng) 過程；
[0020] (8)通過溫度計(jì)得到環(huán)境溫度T，根據(jù)時(shí)間間隔t與η次的位移測量值，通過
式計(jì)算出阿伏伽德羅常數(shù)Ν，其中黏度k取值1.35 X IO3N · s/m2。
[0021] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：通常的布朗運(yùn)動(dòng)裝置通過顯微鏡觀察布朗運(yùn)動(dòng)并測 量位移時(shí)，只能測量實(shí)際位移在觀察平面xy上的投影值，在z軸方向上的位移無法測量，雖 然通過壓膜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)二維測量，但還是會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來比較大的測量誤差（位移測量值 總是比實(shí)際位移要?。?，導(dǎo)致最終的阿伏伽德羅常數(shù)測量結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)值大（誤差在10%以 上），無法準(zhǔn)確測量。本實(shí)驗(yàn)裝置通過鏡頭自動(dòng)尋蹤技術(shù)，精確記錄鏡頭x、y、z方向上的坐 標(biāo)位置，可以得到精確的位移測量結(jié)果，提高了實(shí)驗(yàn)測量的精度。解決的核心問題是：精確 測量布朗粒子在懸浮液里面的位移值。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明一種布朗運(yùn)動(dòng)測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)和效果，以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā) 明做進(jìn)一步描述。
[0024] 參照圖1，一種布朗運(yùn)動(dòng)測量儀包括：底座1、光源2、觀察片3、支架4、三軸程控電 機(jī)5、顯微鏡6、攝像頭7、電腦8,其中光源2固定在底座1的中間，支架4固定在底座1 一 側(cè)，三軸程控電機(jī)5固定在支架4上，攝像頭7固定在顯微鏡6上端，觀察片3放在顯微鏡6 下方的底座1上表面，顯微鏡6豎直固定在三軸程控電機(jī)5上并可以在軸程控電機(jī)5的控制 下整體沿X軸、y軸、z軸三個(gè)方向移動(dòng)。光源2采用廣東深圳科天微數(shù)碼公司的IW大功率 80-90LM的白光LED ;觀察片3其尺寸為30mm*30mm的正方形，由透明的載玻片與蓋玻片裝 配而成，具體裝備結(jié)構(gòu)為底部為載玻片，上部為蓋玻片，在載玻片與蓋玻片四周通過防水固 化膠將載玻片與蓋玻片平行固定在一起，載玻片與蓋玻片中間夾有一厚度在3mm的油菜花 花粉懸濁液（其面積為25mm*25mm);進(jìn)一步的，三軸程控電