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1、第三章 溶胶的基本性质动力学性质；动力学性质；光学性质；光学性质；电学性质电学性质1 1一、胶体分散体系的动力学性质一、胶体分散体系的动力学性质n n胶体的扩散与渗透；胶体的扩散与渗透；n n是胶体与分子分散体系所共有的性质。是胶体与分子分散体系所共有的性质。n n布朗运动；布朗运动；n n胶体分散体系独有的性质。胶体分散体系独有的性质。n n稳定与沉降；稳定与沉降；n n是胶体与粗分散系所共有的性质。是胶体与粗分散系所共有的性质。2 21、胶体的、胶体的扩散扩散与与渗透渗透 扩散的定义与本质扩散的定义与本质扩散的定义与本质扩散的定义与本质扩散扩散扩散扩散是分子热运动的必然结果。是分子热运动的
2、必然结果。是分子热运动的必然结果。是分子热运动的必然结果。分子热运动并不需要存在着浓度差才能发生；分子热运动并不需要存在着浓度差才能发生；分子热运动并不需要存在着浓度差才能发生；分子热运动并不需要存在着浓度差才能发生；但在浓度差存在下，但在浓度差存在下，但在浓度差存在下，但在浓度差存在下，分子从高浓度向低浓度迁移的数目大于从低向高迁移的数目，分子从高浓度向低浓度迁移的数目大于从低向高迁移的数目，分子从高浓度向低浓度迁移的数目大于从低向高迁移的数目，分子从高浓度向低浓度迁移的数目大于从低向高迁移的数目，高浓度高浓度低浓度低浓度总结果使物系呈现出从高浓度向低浓度的总结果使物系呈现出从高浓度向低浓度
3、的净迁移，这就是扩散净迁移，这就是扩散扩散的本质是分子的热运动，扩散推动力是浓度梯度扩散的本质是分子的热运动，扩散推动力是浓度梯度3 3胶粒胶粒的扩散的扩散 ( (diffusion)胶粒也有热运动，因此也具有扩散现象。胶粒也有热运动，因此也具有扩散现象。 胶体粒子的热运动，在微观上表现为胶体粒子的热运动，在微观上表现为BrownBrown运动，运动， 在宏观上表现为扩散。在宏观上表现为扩散。溶胶粒子从高浓度区间向低浓度区间迁移的现象称为溶胶粒子从高浓度区间向低浓度区间迁移的现象称为胶粒的扩散。胶粒的扩散。物质的扩散可用斐克第一定律和第二定律描述物质的扩散可用斐克第一定律和第二定律描述. .4
4、 4设通过设通过A面的物质质量为面的物质质量为m，则扩散速度为，则扩散速度为dm/dt，它与浓度梯度和截面积它与浓度梯度和截面积A成正比。成正比。斐克第一定律斐克第一定律（Ficks first law）设任一截面设任一截面A上浓度是均匀的，垂直上浓度是均匀的，垂直A方向上的浓度梯度为方向上的浓度梯度为dc/dxD D为扩散系数，其物理意义为：单位浓度梯度、单位时间内通过单为扩散系数，其物理意义为：单位浓度梯度、单位时间内通过单位截面积的质量。式中负号表示扩散朝浓度降低的方向进行，位截面积的质量。式中负号表示扩散朝浓度降低的方向进行， 斐克第一定律斐克第一定律：5 5 胶体的渗透胶体的渗透(
5、(osmosis) )、渗透压与、渗透压与DonnanDonnan平衡平衡n n 渗透压是稀溶液的四个依数性之一，渗透压是稀溶液的四个依数性之一，渗透压是稀溶液的四个依数性之一，渗透压是稀溶液的四个依数性之一，n n半透膜：只能透过溶剂、不透过溶质。半透膜：只能透过溶剂、不透过溶质。半透膜：只能透过溶剂、不透过溶质。半透膜：只能透过溶剂、不透过溶质。n n对于理想稀溶液、理想半透膜：对于理想稀溶液、理想半透膜：对于理想稀溶液、理想半透膜：对于理想稀溶液、理想半透膜：n n渗透压渗透压渗透压渗透压 服从公式：服从公式：服从公式：服从公式： VVnRT, =PnRT, =P2 2-P-P1 1纯溶
6、剂纯溶剂溶液溶液半透膜半透膜P1P2T6 6n n实际情况：实际情况：实际情况：实际情况：很难找到不能透过离子的半透膜很难找到不能透过离子的半透膜很难找到不能透过离子的半透膜很难找到不能透过离子的半透膜n n因此无法测定盐和小分子引起的渗透压。因此无法测定盐和小分子引起的渗透压。因此无法测定盐和小分子引起的渗透压。因此无法测定盐和小分子引起的渗透压。n nn n高分子和胶粒不能通过半透膜，高分子和胶粒不能通过半透膜，高分子和胶粒不能通过半透膜，高分子和胶粒不能通过半透膜，n n所以可利用此法测算高分子和稳定胶体的渗透压。所以可利用此法测算高分子和稳定胶体的渗透压。所以可利用此法测算高分子和稳定
7、胶体的渗透压。所以可利用此法测算高分子和稳定胶体的渗透压。n n获得高分子的相对分子质量和胶体的胶束聚集数获得高分子的相对分子质量和胶体的胶束聚集数获得高分子的相对分子质量和胶体的胶束聚集数获得高分子的相对分子质量和胶体的胶束聚集数. . . .7 7 渗透的应用反渗透（超过滤）渗透的应用反渗透（超过滤）利用超过渗透压的压力，利用超过渗透压的压力，利用超过渗透压的压力，利用超过渗透压的压力，从相反方向将从相反方向将从相反方向将从相反方向将溶剂自溶液中压出溶剂自溶液中压出溶剂自溶液中压出溶剂自溶液中压出，称为反渗透。称为反渗透。称为反渗透。称为反渗透。应用于海水淡化、浓缩溶液应用于海水淡化、浓缩
8、溶液应用于海水淡化、浓缩溶液应用于海水淡化、浓缩溶液（果汁、放射性污水）。（果汁、放射性污水）。（果汁、放射性污水）。（果汁、放射性污水）。海水在海水在海水在海水在25252525时的渗透压为时的渗透压为时的渗透压为时的渗透压为25 atm25 atm25 atm25 atm，相当于相当于相当于相当于210m 210m 210m 210m 高水柱，高水柱，高水柱，高水柱，半透膜如何选择？半透膜如何选择？半透膜如何选择？半透膜如何选择？-胶体、大分子胶体、大分子胶体、大分子胶体、大分子半透膜半透膜半透膜半透膜淡水井淡水井淡水井淡水井反渗透原理制造淡水井反渗透原理制造淡水井反渗透原理制造淡水井反渗
9、透原理制造淡水井8 8 盐水盐水 淡水淡水p p 反渗透法净化水反渗透法净化水9 9 Donnan Donnan平衡，膜平衡平衡，膜平衡平衡，膜平衡平衡，膜平衡DonnanDonnanDonnanDonnan平衡针对的是带电粒子和带电高分子的渗透现象。平衡针对的是带电粒子和带电高分子的渗透现象。平衡针对的是带电粒子和带电高分子的渗透现象。平衡针对的是带电粒子和带电高分子的渗透现象。如果膜的一侧有胶粒或大分子，而且带有电荷，如果膜的一侧有胶粒或大分子，而且带有电荷，如果膜的一侧有胶粒或大分子，而且带有电荷，如果膜的一侧有胶粒或大分子，而且带有电荷，则会产生则会产生则会产生则会产生DonnanDo
10、nnanDonnanDonnan平衡。平衡。平衡。平衡。-R R NaNac1 (c1+x)c1 (c1+x)ClCl- -(x)(x) (1)(1) NaNa+ + Cl Cl- - (c2-x) (c2-x) (c2-x) (c2-x) (2)(2)碱液中的蛋白质为碱液中的蛋白质为碱液中的蛋白质为碱液中的蛋白质为NaNa- - - -R,R,两容器间的膜可以透过两容器间的膜可以透过两容器间的膜可以透过两容器间的膜可以透过NaNa, , 但不能通过但不能通过但不能通过但不能通过R R；据电中性原则，据电中性原则，据电中性原则，据电中性原则，(1)(1)区中的区中的区中的区中的NaNa离子无法
11、向离子无法向离子无法向离子无法向(2)(2)区扩散；区扩散；区扩散；区扩散；但但但但(2)(2)区中的区中的区中的区中的NaNa、ClCl可以扩散到可以扩散到可以扩散到可以扩散到(1)(1)区。区。区。区。由于膜的一侧有了大分子，使能透过盐的膜变成了半透膜由于膜的一侧有了大分子，使能透过盐的膜变成了半透膜由于膜的一侧有了大分子，使能透过盐的膜变成了半透膜由于膜的一侧有了大分子，使能透过盐的膜变成了半透膜DonnanDonnan平衡就是研究此种情况下的渗透压。平衡就是研究此种情况下的渗透压。平衡就是研究此种情况下的渗透压。平衡就是研究此种情况下的渗透压。1010n n在含有凝胶的体系中，即使没有
12、膜也一样，在含有凝胶的体系中，即使没有膜也一样，在含有凝胶的体系中，即使没有膜也一样，在含有凝胶的体系中，即使没有膜也一样，n n各种凝胶的作用就像大分子，所结合的离子可以移动。各种凝胶的作用就像大分子，所结合的离子可以移动。各种凝胶的作用就像大分子，所结合的离子可以移动。各种凝胶的作用就像大分子，所结合的离子可以移动。n n此时，即使没有膜的存在效果也是一样。此时，即使没有膜的存在效果也是一样。此时，即使没有膜的存在效果也是一样。此时，即使没有膜的存在效果也是一样。在大分子电解质溶液中，因大离子不能透过半透膜，而小粒子受大离子电荷影响，能够透过半透膜，当渗透达到平衡时，膜两边小离子浓度不相等
13、，这种现象叫唐南平衡或膜平衡。 土壤中，植物、动物的脱水收缩以及养分的吸收、盐分的均衡土壤中，植物、动物的脱水收缩以及养分的吸收、盐分的均衡均与均与Donnan平衡有关。平衡有关。1111人的体液平衡12人体内存在的液体称为体液（人体内存在的液体称为体液（body fluidbody fluid）。）。体液中有无机物和有机物，体液中有无机物和有机物，无机物与部分以离子形式存在的有机物统称为电解质。无机物与部分以离子形式存在的有机物统称为电解质。葡萄糖、尿素等不能解离的有机物称为非电解质。葡萄糖、尿素等不能解离的有机物称为非电解质。体液以细胞膜为界，可分为两大部分，体液以细胞膜为界，可分为两大部
14、分，细胞内液（细胞内液（ICFICF）和细胞外液（）和细胞外液（ECFECF）。）。细胞外液又可分为细胞外液又可分为血浆和细胞间液（血浆和细胞间液（如淋巴液）。如淋巴液）。各部位体液之间处于动态平衡，各部位体液之间处于动态平衡，部位部位内部的水与电解质也处于动态平衡，内部的水与电解质也处于动态平衡，这种平衡状态，很易受外界或机体内部因素的影响，这种平衡状态，很易受外界或机体内部因素的影响，导致水电解质平衡紊乱和酸碱平衡紊乱。导致水电解质平衡紊乱和酸碱平衡紊乱。 13水平衡水平衡 成年人维持水的需要量，每日平均总进水量约成年人维持水的需要量，每日平均总进水量约2500ml，通过饮水（约通过饮水（
15、约1200ml），），摄食含的水（约摄食含的水（约1000ml）体内氧化时释放出的水（约体内氧化时释放出的水（约300ml）摄入量等于排出量。摄入量等于排出量。 小儿每日水的摄入量（含体内氧化产生的水）略大于排出量，小儿每日水的摄入量（含体内氧化产生的水）略大于排出量，其中约有摄入量的其中约有摄入量的0.50.5-3.0-3.0保留在体内用以生长。保留在体内用以生长。小儿水交换速度比成人快，小儿水交换速度比成人快，体重体重7.0kg7.0kg婴儿每日排出水约婴儿每日排出水约700ml700ml，占细胞外液的，占细胞外液的1/31/3，70kg70kg体重的成人水交换率只占细胞外液的体重的成人水
16、交换率只占细胞外液的1/71/7，这就是小儿易引起脱水的原因。这就是小儿易引起脱水的原因。 14钠、氯平衡钠、氯平衡 氯和钠是细胞外液的主要阴阳离子。氯和钠是细胞外液的主要阴阳离子。体内体内NaNa+ +约约5050于细胞外液，于细胞外液，4040于骨骼，约于骨骼，约1010于细胞内于细胞内 K K+ +主要分布在细胞内液主要分布在细胞内液 血浆中主要电解质有血浆中主要电解质有NaNa+ +、ClCl、K K+ +。细胞间液是血浆的超滤液，细胞间液是血浆的超滤液，血浆含有较多的蛋白质，血浆含有较多的蛋白质，由于蛋白质是大分子量物质，不易通过细胞膜，由于蛋白质是大分子量物质，不易通过细胞膜，故血
17、浆蛋白含量高于细胞间液。故血浆蛋白含量高于细胞间液。 脑脊液就属于细胞间液脑脊液就属于细胞间液15Donnan平衡与人体夏日补盐还有很重要，否则就易产生头昏等症状。夏日补盐还有很重要，否则就易产生头昏等症状。夏日补盐还有很重要，否则就易产生头昏等症状。夏日补盐还有很重要，否则就易产生头昏等症状。这与人的脑脊液中的氯化物浓度多少有关；这与人的脑脊液中的氯化物浓度多少有关；这与人的脑脊液中的氯化物浓度多少有关；这与人的脑脊液中的氯化物浓度多少有关；人脑脊液与血液之间渗透压的平衡人脑脊液与血液之间渗透压的平衡人脑脊液与血液之间渗透压的平衡人脑脊液与血液之间渗透压的平衡根据根据Donnan平衡，平衡，
18、脑脊液中的蛋白质含量较少，故氯化物较高脑脊液中的蛋白质含量较少，故氯化物较高正常人脑脊液中的氯化物含量比血液高约正常人脑脊液中的氯化物含量比血液高约20%左右，左右，但脑脊液中的氯化物浓度随血液中氯化物浓度而变；但脑脊液中的氯化物浓度随血液中氯化物浓度而变；在正常人血液中，血钠为在正常人血液中，血钠为在正常人血液中，血钠为在正常人血液中，血钠为130130150mmol/L150mmol/L，血钾为血钾为血钾为血钾为3.53.55.3mmol/L5.3mmol/L，血钙为，血钙为，血钙为，血钙为.25.252.75mmol/L2.75mmol/L，血镁为血镁为血镁为血镁为0.750.751.2
19、5mmol/L1.25mmol/L。氯化钠是其主要成分。氯化钠是其主要成分。氯化钠是其主要成分。氯化钠是其主要成分。为维持脑脊液与血液之间渗透压的平衡，应当及时适度补盐为维持脑脊液与血液之间渗透压的平衡，应当及时适度补盐为维持脑脊液与血液之间渗透压的平衡，应当及时适度补盐为维持脑脊液与血液之间渗透压的平衡，应当及时适度补盐16162、胶体的沉降分散于气体或液体介质中的颗粒，都受到两种相反方向作用力。分散于气体或液体介质中的颗粒，都受到两种相反方向作用力。分散于气体或液体介质中的颗粒，都受到两种相反方向作用力。分散于气体或液体介质中的颗粒，都受到两种相反方向作用力。重力：重力：重力：重力：溶胶中
20、颗粒的密度大于介质时，溶胶中颗粒的密度大于介质时，溶胶中颗粒的密度大于介质时，溶胶中颗粒的密度大于介质时， 颗粒在重力场作用下有向下沉降的趋势；颗粒在重力场作用下有向下沉降的趋势；颗粒在重力场作用下有向下沉降的趋势；颗粒在重力场作用下有向下沉降的趋势；称为沉降。称为沉降。称为沉降。称为沉降。沉降的结果使底部粒子浓度大于上部，即造成上下的浓差，沉降的结果使底部粒子浓度大于上部，即造成上下的浓差，沉降的结果使底部粒子浓度大于上部，即造成上下的浓差，沉降的结果使底部粒子浓度大于上部，即造成上下的浓差，扩散力：扩散力：扩散力：扩散力：由布朗运动引起，其作用促进介质中粒子浓度均匀；由布朗运动引起，其作用
21、促进介质中粒子浓度均匀；由布朗运动引起，其作用促进介质中粒子浓度均匀；由布朗运动引起，其作用促进介质中粒子浓度均匀；沉降与扩散达平衡时，沉降与扩散达平衡时，粒子的分布达到平衡，粒子的分布达到平衡，称为沉降平衡。称为沉降平衡。此时，颗粒浓度自上而下增加，此时，颗粒浓度自上而下增加，随高度不同有一定的浓度梯度，随高度不同有一定的浓度梯度，梯度不随时间而变。梯度不随时间而变。1717 在重力场中的沉降；在重力场中的沉降；在重力场中的沉降；在重力场中的沉降；在离心力场中的沉降；在离心力场中的沉降；在离心力场中的沉降；在离心力场中的沉降；离心力场中的沉降主要是在离心机中进行离心力场中的沉降主要是在离心机
22、中进行离心力场中的沉降主要是在离心机中进行离心力场中的沉降主要是在离心机中进行普通离心机：普通离心机：普通离心机：普通离心机：3000r/min,3000r/min,3000r/min,3000r/min, 产生的离心力比地心引力大产生的离心力比地心引力大产生的离心力比地心引力大产生的离心力比地心引力大2000200020002000倍倍倍倍超速离心机：超速离心机：超速离心机：超速离心机：转速可达转速可达转速可达转速可达1010101016161616万转万转万转万转/min,/min,/min,/min, 产生的离心力约为重力的产生的离心力约为重力的产生的离心力约为重力的产生的离心力约为重力
23、的100100100100万倍万倍万倍万倍1818191920203、布朗运动n n 胶体布朗运胶体布朗运胶体布朗运胶体布朗运动动动动的独特性的独特性的独特性的独特性n n分子分散体系和粗分散系分子分散体系和粗分散系分子分散体系和粗分散系分子分散体系和粗分散系为为为为什么没有布朗运什么没有布朗运什么没有布朗运什么没有布朗运动动动动？n n胶体分散体系胶体分散体系胶体分散体系胶体分散体系为为为为什么能什么能什么能什么能观观观观察到布朗运察到布朗运察到布朗运察到布朗运动动动动？n nn n布朗运布朗运布朗运布朗运动动动动是分子是分子是分子是分子热热热热运运运运动动动动的必然的必然的必然的必然结结结
24、结果。果。果。果。n n大大大大颗颗颗颗粒：每秒粒：每秒粒：每秒粒：每秒钟钟钟钟在各个方向上都承受数百万次撞在各个方向上都承受数百万次撞在各个方向上都承受数百万次撞在各个方向上都承受数百万次撞击击击击, , , ,n n 各个方向几率均等，相互抵消；各个方向几率均等，相互抵消；各个方向几率均等，相互抵消；各个方向几率均等，相互抵消；n n 颗颗颗颗粒粒粒粒较较较较大，大，大，大，难难难难以以以以发发发发生位移。生位移。生位移。生位移。直径小于直径小于4m的粒子在分散介质中都呈现出连续不断的、无规的粒子在分散介质中都呈现出连续不断的、无规则的运动，这就是则的运动，这就是布朗运动布朗运动。当半径大
25、于5 m，Brown运动消失。2121n n粒子如果较小，受到分子热运动撞击的次数就要小的多，各个粒子如果较小，受到分子热运动撞击的次数就要小的多，各个粒子如果较小，受到分子热运动撞击的次数就要小的多，各个粒子如果较小，受到分子热运动撞击的次数就要小的多，各个方向的撞击不能彼此抵消方向的撞击不能彼此抵消方向的撞击不能彼此抵消方向的撞击不能彼此抵消n n小粒子就发生了不断改变方向的、无规则的运动。小粒子就发生了不断改变方向的、无规则的运动。小粒子就发生了不断改变方向的、无规则的运动。小粒子就发生了不断改变方向的、无规则的运动。n nn n从运动性质来看，溶液与胶体无本质上的区别，从运动性质来看，
26、溶液与胶体无本质上的区别，从运动性质来看，溶液与胶体无本质上的区别，从运动性质来看，溶液与胶体无本质上的区别，n n溶液中，是单个分子的热运动；溶液中，是单个分子的热运动；溶液中，是单个分子的热运动；溶液中，是单个分子的热运动；n n溶胶的布朗运动是许多分子热运动冲击的综合结果。溶胶的布朗运动是许多分子热运动冲击的综合结果。溶胶的布朗运动是许多分子热运动冲击的综合结果。溶胶的布朗运动是许多分子热运动冲击的综合结果。2222液体分子对溶胶粒子的撞击液体分子对溶胶粒子的撞击 粗分散系粗分散系布朗运动产生的原因：布朗运动产生的原因： 分散质粒子本身处于不断的热运动中。分散质粒子本身处于不断的热运动中
27、。 分散剂分子对分散质粒子的不断撞击。分散剂分子对分散质粒子的不断撞击。 2323为什么颗粒越小，布朗运动越明显？为什么颗粒越小，布朗运动越明显？颗粒越小颗粒越小每一瞬间受到液体每一瞬间受到液体分子撞击的数目少分子撞击的数目少受力极易不平衡受力极易不平衡颗粒越大颗粒越大同时跟它撞击同时跟它撞击 的分子数多的分子数多受力的平均效果互相平衡受力的平均效果互相平衡质量大，惯性大质量大，惯性大运动状态难改变运动状态难改变2424n n 布朗运动是布朗运动是Robert BrownRobert BrownRobert BrownRobert Brown于于18271827年发现，年发现，n n但是到了但
28、是到了19051905年年EinsteinEinsteinEinsteinEinstein和和SmaluchowskiSmaluchowskiSmaluchowskiSmaluchowski由分子由分子运动论观点分别提出了运动论观点分别提出了布朗运动理论布朗运动理论。x- -=RTRTNA3rN NA A阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数 介质粘度介质粘度介质粘度介质粘度r r 粒子半径粒子半径粒子半径粒子半径PerrinPerrin 证实了证实了证实了证实了EinsteinEinsteinBrownBrown位移公式位移公式位移公式位移公式通过观察藤黄粒子的布朗运动，多
29、次测定通过观察藤黄粒子的布朗运动，多次测定通过观察藤黄粒子的布朗运动，多次测定通过观察藤黄粒子的布朗运动，多次测定N NA A值。值。值。值。粒子数粒子数粒子数粒子数5050个，个，个，个，r=0.212um, T=287K,r=0.212um, T=287K, =0.0012Pa=0.0012Pas, t=120ss, t=120s观观察位移次数察位移次数察位移次数察位移次数5050次；次；次；次；测测得平均位移得平均位移得平均位移得平均位移13.96um13.96um求得求得求得求得N NA A6.12106.12102323；与；与；与；与实际值实际值非常接近。非常接近。非常接近。非常接
30、近。Einstein2525爱因斯坦爱因斯坦：一个世纪的神话n n1905年，是堪称奇迹的一年。年，是堪称奇迹的一年。n n这种年份仅在这种年份仅在这种年份仅在这种年份仅在1665166516661666年有过一次年有过一次年有过一次年有过一次, , n n( (牛顿为了躲避黑死病而呆在自己的家乡，开始着手微积分、万牛顿为了躲避黑死病而呆在自己的家乡，开始着手微积分、万牛顿为了躲避黑死病而呆在自己的家乡，开始着手微积分、万牛顿为了躲避黑死病而呆在自己的家乡，开始着手微积分、万有引力定律和颜色理论的基础工作有引力定律和颜色理论的基础工作有引力定律和颜色理论的基础工作有引力定律和颜色理论的基础工作
31、) )n n除此之外，科学史上没有哪一阶段可以与除此之外，科学史上没有哪一阶段可以与除此之外，科学史上没有哪一阶段可以与除此之外，科学史上没有哪一阶段可以与19051905年的科学成就相年的科学成就相年的科学成就相年的科学成就相媲美。媲美。媲美。媲美。2626n n19051905年，年仅年，年仅年，年仅年，年仅2626岁的爱因斯坦连续发表了岁的爱因斯坦连续发表了岁的爱因斯坦连续发表了岁的爱因斯坦连续发表了关于关于关于关于：n n量子论、量子论、量子论、量子论、n n相对论相对论相对论相对论n n布朗运动布朗运动布朗运动布朗运动等方面的论文，等方面的论文，等方面的论文，等方面的论文，n n这些
32、论文都可以称为这些论文都可以称为这些论文都可以称为这些论文都可以称为-革命性的论文革命性的论文革命性的论文革命性的论文n n开启了自然科学的新纪元。开启了自然科学的新纪元。开启了自然科学的新纪元。开启了自然科学的新纪元。n n为了纪念物理学史上这一空前绝后的为了纪念物理学史上这一空前绝后的为了纪念物理学史上这一空前绝后的为了纪念物理学史上这一空前绝后的“ “奇迹年奇迹年奇迹年奇迹年” ”n n联合国教科文组织将联合国教科文组织将联合国教科文组织将联合国教科文组织将20052005年定为年定为年定为年定为“ “世界物理年世界物理年世界物理年世界物理年” ” 27272005年年4月月18日是爱因
33、斯坦逝世日是爱因斯坦逝世50周年，世界各国都在以各种周年，世界各国都在以各种方式纪念这位继牛顿之后最为大的科学家。方式纪念这位继牛顿之后最为大的科学家。在全球举行了光束穿越活动，在全球举行了光束穿越活动，n n我校泰达应用物理学院博士生楼慈波，我校泰达应用物理学院博士生楼慈波，我校泰达应用物理学院博士生楼慈波，我校泰达应用物理学院博士生楼慈波，n n获得了为纪念这一活动所设立的爱因斯坦奖，获得了为纪念这一活动所设立的爱因斯坦奖，获得了为纪念这一活动所设立的爱因斯坦奖，获得了为纪念这一活动所设立的爱因斯坦奖，n n全国获奖者共全国获奖者共全国获奖者共全国获奖者共2020名。名。名。名。n n该奖
34、项由德国与瑞士政府联合颁发，该奖项由德国与瑞士政府联合颁发，该奖项由德国与瑞士政府联合颁发，该奖项由德国与瑞士政府联合颁发，n n访问了瑞士与德国的科研机构。访问了瑞士与德国的科研机构。访问了瑞士与德国的科研机构。访问了瑞士与德国的科研机构。2828Einstein的四篇著名论文的四篇著名论文n n1.关于光的产生和转化的一个有启发性观点关于光的产生和转化的一个有启发性观点n n论文完成于论文完成于论文完成于论文完成于1905190519051905年年年年3 3 3 3月，月，月，月，6 6 6 6月发表在德文刊物物理学年鉴月发表在德文刊物物理学年鉴月发表在德文刊物物理学年鉴月发表在德文刊物
35、物理学年鉴(Annalen der Physik)(Annalen der Physik)(Annalen der Physik)(Annalen der Physik)上。上。上。上。n n该文并且延伸了该文并且延伸了该文并且延伸了该文并且延伸了Marx PlankMarx PlankMarx PlankMarx Plank的量子思想，的量子思想，的量子思想，的量子思想，n n即高温物体仅以特定离散束的形式发射或吸收能量，即高温物体仅以特定离散束的形式发射或吸收能量，即高温物体仅以特定离散束的形式发射或吸收能量，即高温物体仅以特定离散束的形式发射或吸收能量，n n认为光束是由粒子组成。认为光
36、束是由粒子组成。认为光束是由粒子组成。认为光束是由粒子组成。n n它为量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。它为量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。它为量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。它为量子力学基石的光的波粒二重性获得广泛接受铺平了道路。29292.分子大小的新测定分子大小的新测定n n该文完成于该文完成于该文完成于该文完成于19051905年年年年4 4月月月月3030日。日。日。日。n n当时爱因斯坦还没有获得博士学位，当时爱因斯坦还没有获得博士学位，当时爱因斯坦还没有获得博士学位，当时爱因斯坦还没有获得博士学位，n n19011901年
37、曾经提交过一篇关于气体分子运动论的论年曾经提交过一篇关于气体分子运动论的论年曾经提交过一篇关于气体分子运动论的论年曾经提交过一篇关于气体分子运动论的论文，被苏黎世大学驳回；文，被苏黎世大学驳回；文，被苏黎世大学驳回；文，被苏黎世大学驳回；n n19051905年初，再次提交关于狭义相对论的论文，又年初，再次提交关于狭义相对论的论文，又年初，再次提交关于狭义相对论的论文，又年初，再次提交关于狭义相对论的论文，又被认为是被认为是被认为是被认为是“ “荒诞不经荒诞不经荒诞不经荒诞不经” ”而驳回；而驳回；而驳回；而驳回；n n于是，便提交了这篇于是，便提交了这篇于是，便提交了这篇于是，便提交了这篇.
38、 .分子大小的新测定分子大小的新测定分子大小的新测定分子大小的新测定 3030n n完成于完成于完成于完成于1905190519051905年年年年5 5 5 5月；月；月；月；n n于于于于19051905年年年年7 7月发表在月发表在月发表在月发表在物理学年鉴物理学年鉴物理学年鉴物理学年鉴(Annalen (Annalen (Annalen (Annalen der Physik)der Physik)der Physik)der Physik)上。上。上。上。n n该文创立了支配布朗运动的数学定律该文创立了支配布朗运动的数学定律该文创立了支配布朗运动的数学定律该文创立了支配布朗运动的数学
39、定律n n是对现代统计力学的一项重大贡献，是对现代统计力学的一项重大贡献，是对现代统计力学的一项重大贡献，是对现代统计力学的一项重大贡献，n n其导出的方法可以用于空气污染物的行为或者股票其导出的方法可以用于空气污染物的行为或者股票其导出的方法可以用于空气污染物的行为或者股票其导出的方法可以用于空气污染物的行为或者股票市场涨落走势。市场涨落走势。市场涨落走势。市场涨落走势。3 3、上文的续篇关于热的分子运动论所要求的静止、上文的续篇关于热的分子运动论所要求的静止、上文的续篇关于热的分子运动论所要求的静止、上文的续篇关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动液体中悬浮小粒子的运动液体中
40、悬浮小粒子的运动液体中悬浮小粒子的运动31314. 论动体的电动力学n n此文为获得诺贝尔奖的贡献论文。此文为获得诺贝尔奖的贡献论文。3232爱因斯坦研究布朗运动的起因与结果爱因斯坦研究布朗运动的起因与结果19271927年，植物学家布朗发现并引起人们注意这种现象；年，植物学家布朗发现并引起人们注意这种现象；年，植物学家布朗发现并引起人们注意这种现象；年，植物学家布朗发现并引起人们注意这种现象；此后的多年，这种现象就一直困扰着许多科学家；此后的多年，这种现象就一直困扰着许多科学家；此后的多年，这种现象就一直困扰着许多科学家；此后的多年，这种现象就一直困扰着许多科学家；许多人把水滴中花粉颗粒总是
41、做着随机运动的现象，解释为这些许多人把水滴中花粉颗粒总是做着随机运动的现象，解释为这些许多人把水滴中花粉颗粒总是做着随机运动的现象，解释为这些许多人把水滴中花粉颗粒总是做着随机运动的现象，解释为这些花粉颗粒是有生命的。花粉颗粒是有生命的。花粉颗粒是有生命的。花粉颗粒是有生命的。n n然而，布朗将研磨的精细岩石粉末悬浮于水中时也有类似现象。然而，布朗将研磨的精细岩石粉末悬浮于水中时也有类似现象。然而，布朗将研磨的精细岩石粉末悬浮于水中时也有类似现象。然而，布朗将研磨的精细岩石粉末悬浮于水中时也有类似现象。有人又认为是电力场推动，有人倾向于蒸发、对流、光效应。有人又认为是电力场推动，有人倾向于蒸发
42、、对流、光效应。有人又认为是电力场推动，有人倾向于蒸发、对流、光效应。有人又认为是电力场推动，有人倾向于蒸发、对流、光效应。3333布朗写下了这样的一段文字：布朗写下了这样的一段文字：“我确信这种运动不是由于液体流我确信这种运动不是由于液体流动所引起，也不是由液体的逐渐蒸发所引起，而是属于粒子本动所引起，也不是由液体的逐渐蒸发所引起，而是属于粒子本身的运动身的运动” 布朗布朗布朗布朗, ,英国英国英国英国, ,植物学家植物学家植物学家植物学家n n为了进一步证实这种看法，为了进一步证实这种看法，为了进一步证实这种看法，为了进一步证实这种看法，n n布朗把观察的对象扩大到一切物质的微小颗粒，发现
43、，布朗把观察的对象扩大到一切物质的微小颗粒，发现，布朗把观察的对象扩大到一切物质的微小颗粒，发现，布朗把观察的对象扩大到一切物质的微小颗粒，发现，n n一切悬浮在液体中的微小颗粒，一切悬浮在液体中的微小颗粒，一切悬浮在液体中的微小颗粒，一切悬浮在液体中的微小颗粒，n n都会作无休止的不规则运动。都会作无休止的不规则运动。都会作无休止的不规则运动。都会作无休止的不规则运动。34343535n n爱因斯坦提出，爱因斯坦提出，爱因斯坦提出，爱因斯坦提出，n n悬浮于液体中的颗粒的四处运动，悬浮于液体中的颗粒的四处运动，悬浮于液体中的颗粒的四处运动，悬浮于液体中的颗粒的四处运动，n n主要是分子从各个
44、方向与其撞击造成的。主要是分子从各个方向与其撞击造成的。主要是分子从各个方向与其撞击造成的。主要是分子从各个方向与其撞击造成的。n n这些现象事实上是关于热的本质理论的有力证据这些现象事实上是关于热的本质理论的有力证据这些现象事实上是关于热的本质理论的有力证据这些现象事实上是关于热的本质理论的有力证据（当时正在争论）。（当时正在争论）。（当时正在争论）。（当时正在争论）。n n导出了决定布朗运动基本数学规律。导出了决定布朗运动基本数学规律。导出了决定布朗运动基本数学规律。导出了决定布朗运动基本数学规律。n nn n最近，科学家应用爱因斯坦的这些数学规律，设计最近，科学家应用爱因斯坦的这些数学规
45、律，设计最近，科学家应用爱因斯坦的这些数学规律，设计最近，科学家应用爱因斯坦的这些数学规律，设计出了出了出了出了“布朗棘轮布朗棘轮布朗棘轮布朗棘轮”：36363737这些设备利用了一个事实，即布朗运动中小粒子移动这些设备利用了一个事实，即布朗运动中小粒子移动的距离比大粒子远。的距离比大粒子远。利用微观化的绞盘内锯齿型齿轮，利用微观化的绞盘内锯齿型齿轮，利用微观化的绞盘内锯齿型齿轮，利用微观化的绞盘内锯齿型齿轮，布朗棘轮把粒子的随机运动转变为有用的工作布朗棘轮把粒子的随机运动转变为有用的工作布朗棘轮把粒子的随机运动转变为有用的工作布朗棘轮把粒子的随机运动转变为有用的工作例如：例如：例如：例如：按
46、大小分离病毒，按大小分离病毒，按大小分离病毒，按大小分离病毒，除掉水中的污染杂质。除掉水中的污染杂质。除掉水中的污染杂质。除掉水中的污染杂质。3838n n2003200320032003年，年，年，年，n n利用类似于制造微芯片的技术，普林斯顿大学的利用类似于制造微芯片的技术，普林斯顿大学的利用类似于制造微芯片的技术，普林斯顿大学的利用类似于制造微芯片的技术，普林斯顿大学的C. C. C. C. SturmSturmSturmSturm及其合作者建造了两台这样的布朗棘轮。及其合作者建造了两台这样的布朗棘轮。及其合作者建造了两台这样的布朗棘轮。及其合作者建造了两台这样的布朗棘轮。n n它看上去
47、有点像大拇指大小。它看上去有点像大拇指大小。它看上去有点像大拇指大小。它看上去有点像大拇指大小。n n在一块二氧化硅薄片中刻蚀出一条通道，在一块二氧化硅薄片中刻蚀出一条通道，在一块二氧化硅薄片中刻蚀出一条通道，在一块二氧化硅薄片中刻蚀出一条通道，n n在通道中等间隔地留下若干微小支柱，在通道中等间隔地留下若干微小支柱，在通道中等间隔地留下若干微小支柱，在通道中等间隔地留下若干微小支柱，n n间隔足以使液体流过。间隔足以使液体流过。间隔足以使液体流过。间隔足以使液体流过。n n微支柱宽微支柱宽微支柱宽微支柱宽6 6 6 6微米，高微米，高微米，高微米，高3 3 3 3微米，成微米，成微米，成微米
48、，成45454545度倾角排列度倾角排列度倾角排列度倾角排列n n任何滑入微柱阵列的悬浮颗粒都向右偏移，任何滑入微柱阵列的悬浮颗粒都向右偏移，任何滑入微柱阵列的悬浮颗粒都向右偏移，任何滑入微柱阵列的悬浮颗粒都向右偏移，n n越小的颗粒滑入的越多，向右偏移的越远。越小的颗粒滑入的越多，向右偏移的越远。越小的颗粒滑入的越多，向右偏移的越远。越小的颗粒滑入的越多，向右偏移的越远。3939n n在在在在20052005年年年年1212月公布的几次测试中月公布的几次测试中月公布的几次测试中月公布的几次测试中,Sturm,Sturm进行了分进行了分进行了分进行了分离实验，离实验，离实验，离实验，n n他将
49、水和两种不同病毒的他将水和两种不同病毒的他将水和两种不同病毒的他将水和两种不同病毒的DNADNA混合物通过棘轮混合物通过棘轮混合物通过棘轮混合物通过棘轮, ,n n结果很可靠的把较重的病毒基因组与较轻的分离开来结果很可靠的把较重的病毒基因组与较轻的分离开来结果很可靠的把较重的病毒基因组与较轻的分离开来结果很可靠的把较重的病毒基因组与较轻的分离开来n n利用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大利用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大利用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大利用这一爱因斯坦式的技术，能够节省分离大DNADNA片段所需要的时间。片段所需要的时间。片段所需要的时间。片段所需要的时间。n n较之当前所用的方法，可省时较之当前所用的方法，可省时较之当前所用的方法，可省时较之当前所用的方法，可省时2/3,2/3,n n而且设备更便于携带、更廉价。而且设备更便于携带、更廉价。而且设备更便于携带、更廉价。而且设备更便于携带、更廉价。404041414242434344444545464647474848494950505151525253535454爱因斯坦和量子理论的创始人普朗克5555爱因斯坦与尼尔斯-玻尔5656爱因斯坦与物理学家罗伯特-奥本海默5757爱因斯坦与居里夫人58585959
