Ước tính kích thước của một phân tử đơn lẻ
Benjamin Franklin và Lord Rayleigh đã tính kích thước phân tử chỉ bằng dầu và nước như thế nào
- Nhiều thập kỷ trước khi tia X được phát hiện và kính hiển vi mạnh ra đời, Lord Rayleigh đã tính kích thước của một phân tử đơn lẻ chỉ với dầu, nước và bút
- Nguồn cảm hứng của ông đến từ Benjamin Franklin
Thí nghiệm của Franklin
- Khoảng năm 1770, trong chuyến thăm London, Franklin đã quan sát thấy rằng khi dầu bị đổ xuống biển từ tàu trong lúc vượt Đại Tây Dương, sóng sẽ dịu xuống
- Ông tiến hành thí nghiệm bằng cách đổ một lượng nhỏ dầu xuống hồ Clapham Common ở London
- Ông xác nhận rằng dầu nhanh chóng lan ra trên bề mặt hồ và làm nước trở nên trơn láng
- Franklin lặp lại thí nghiệm nhiều lần và ghi chép chi tiết, nhưng không hiểu được ý nghĩa ở cấp độ phân tử
Cách diễn giải lại của Lord Rayleigh
- Lord Rayleigh, học giả của Đại học Cambridge và là nhà vật lý nổi tiếng, đã diễn giải lại thí nghiệm của Franklin từ một góc nhìn mới
- Năm 1890, Lord Rayleigh nhỏ một lượng dầu ô liu rất nhỏ đã được đo chính xác lên mặt nước và đo diện tích mà lớp dầu lan ra
- Ông ước tính độ dày của màng dầu bằng cách chia thể tích dầu cho diện tích
- Với giả định màng dầu là một lớp đơn phân tử, ông tính độ dày của màng dầu là chiều dài của một phân tử
Kết quả của Lord Rayleigh
- Kết quả tính toán của Lord Rayleigh là khoảng 1,63 nanomet
- Chiều dài thực tế của phân tử triacylglycerol, thành phần chính của dầu ô liu, là khoảng 1,67 nanomet, nên ước tính của Lord Rayleigh chỉ sai lệch khoảng 2%
- Thí nghiệm của ông cho thấy ngay cả với những công cụ đơn giản cũng có thể đạt được những hiểu biết khoa học sâu sắc
Tài liệu bổ sung
- Cuốn sách "Ben Franklin Stilled the Waves" của Charles Tanford khám phá sâu về lịch sử của thí nghiệm giọt dầu này
Tóm tắt của GN⁺
- Bài viết này cho thấy rằng ngay cả với các dụng cụ thí nghiệm đơn giản cũng có thể tạo ra những khám phá khoa học quan trọng
- Các thí nghiệm của Benjamin Franklin và Lord Rayleigh nhấn mạnh tầm quan trọng của sự tò mò khoa học và tính sáng tạo
- Bài viết này sẽ hữu ích với những người quan tâm đến lịch sử khoa học và phương pháp luận thực nghiệm
- Những dự án khác có chức năng tương tự gồm có "Science Experiments You Can Do At Home"
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Năm 1676, Rømer đã ước tính tốc độ ánh sáng bằng cách đo thời điểm quỹ đạo của vệ tinh Io của Sao Mộc
Khi Trái Đất tiến gần Sao Mộc, Io dường như xuất hiện từ phía sau Sao Mộc sớm hơn từng chút một; khi Trái Đất đi xa ra, nó lại xuất hiện muộn hơn từng chút một, và trong vòng một năm chênh lệch thời gian lên tới 22 phút
Vì đã biết chênh lệch giữa hai khoảng cách đó, ông tính rằng ánh sáng đi hết quãng đường ấy trong 22 phút, cho ra kết quả 227.000 km/giây. So với giá trị thực khoảng 300.000 km/giây thì khá ấn tượng
Tôi luôn thích những câu chuyện trong đó một quan sát rất cụ thể mà hầu hết mọi người có thể bỏ qua lại hé lộ những tính chất sâu xa hơn nhiều của vũ trụ
Việc Eratosthenes dùng bóng đổ để tính kích thước Trái Đất với sai số chỉ vài phần trăm cũng là một ví dụ nổi tiếng
https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer%27s_determination_o...
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#First_measureme...
Một điểm thú vị khác khi dùng thời điểm nguyệt thực của vệ tinh là Galileo đã đề xuất dùng hệ vệ tinh Sao Mộc như một chiếc đồng hồ vũ trụ để xác định thời gian, và xa hơn là kinh độ
Nếu tính trước thật chính xác thời điểm các lần vệ tinh Sao Mộc bị che khuất rồi so sánh với quan sát trên đất liền hoặc trên tàu, người ta có thể suy ra giờ địa phương và kinh độ
https://en.wikipedia.org/wiki/Galilean_moons#Determination_o...
Thật đáng kinh ngạc khi chỉ với kính thiên văn và phép đo thời gian cẩn thận mà họ đã tiến gần đến tốc độ ánh sáng thực tế đến vậy
Tốc độ ánh sáng nhanh đến mức đây là giá trị chính xác nhất trong số các hằng số vật lý đã biết: 299 792 458 m/s
Chênh lệch so với 300.000.000 m/s nhỏ hơn 7/1000, nên hoàn toàn không đáng bận tâm
Trong 1 nano giây, ánh sáng chỉ đi được 0,3 m, tức 11,802 inch
https://www.youtube.com/watch?v=9eyFDBPk4Yw
Làm tôi nhớ đến thí nghiệm giọt dầu của Millikan và Fletcher. Thí nghiệm này đo điện tích của electron
Tóm lại, họ đo thời gian các giọt dầu được phun sương rất nhỏ rơi trong không khí để tính thể tích, rồi đặt một điện trường đã biết để giữ giọt lơ lửng trong không trung
Điện tích tính được trên mỗi phân tử tụ quanh các bội số của một giá trị nhỏ hơn, và giá trị nhỏ đó chính là điện tích của một electron
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Trước đó họ cũng đã thử một thí nghiệm giọt nước theo cách tương tự. Mục tiêu giống nhau, chỉ khác là dùng nước thay vì dầu
Lý do thất bại là chiếc đèn sáng dùng để quan sát các giọt đã làm nước bay hơi quá nhanh. Một thất bại khá dễ thông cảm
Câu chuyện này lúc nào cũng còn nhiều bối cảnh hơn nữa
https://www.scribd.com/document/661270387/My-Work-with-Milli... Fletcher & Millikan
https://www.youtube.com/watch?v=B-uWaEvXqbA
Làm sao có thể chắc rằng kết quả không phải là 2e hay một bội số nào khác?
Tôi thích những bài như thế này. Trong giáo dục khoa học, các định luật và lý thuyết quá thường được trình bày như những thứ chỉ cần học thuộc, trong khi cách chúng được phát hiện và giải quyết lần đầu tiên thực ra thú vị và truyền cảm hứng hơn nhiều
Tôi còn nhớ mình đã phải học rất nhiều con đường sinh hóa, nhưng rời trường mà hầu như không biết ban đầu người ta đã tìm ra chúng như thế nào
Rất hoan nghênh các bài viết hoặc sách khác nói về việc các lý thuyết khoa học lần đầu được phát hiện ra sao
Không rõ bạn học vật lý ở cấp trung học hay đại học. Ở một trường đại học Mỹ, vì yêu cầu của ngành, tôi chỉ học một lớp vật lý, đó là điện động lực học lượng tử dành cho kỹ thuật điện, và giáo sư tự viết giáo trình
Tôi vẫn nhớ thầy đã đi từ nền tảng của từng thí nghiệm: cơ sở để hiểu nguyên tử, cách hiểu về ánh sáng thời Newton, thí nghiệm hai khe, phương trình Maxwell, thí nghiệm ether Michelson-Morley, việc suy ra thuyết tương đối rộng và kiểm chứng thực nghiệm, rồi cả mạch phân rã thuyết tương đối rộng thành cơ học Newton và các định luật điện từ
Đến giờ tôi vẫn thấy kỳ diệu khi con người có thể tìm ra những điều như vậy từ các nguyên lý thứ nhất
Tôi chưa đọc, nhưng có một cuốn sách tôi đã đặt chỗ ở thư viện, do ai đó trên Reddit gợi ý
How to Make an Apple Pie from Scratch: In Search of the Recipe for Our Universe, from the Origins of Atoms to the Big Bang
https://www.publishersweekly.com/9780385545655
Câu chuyện phát hiện ra tính lượng tử hóa của điện tích electron có lẽ cũng hợp với mối quan tâm của bạn: https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
Ở đại học tôi từng trực tiếp làm thử với dòng điện một chiều vài trăm volt, cũng khá đáng sợ, nhưng việc thu thập dữ liệu rồi phân tích trong Excel và thấy các con số khớp gọn gàng lại khá thú vị
Gần đây tôi đã đọc Chasing the Molecule của John Buckingham và thấy rất thích
Cuốn sách khái quát lịch sử hóa học hiện đại theo cách dễ tiếp cận nhưng vẫn đủ chiều sâu
Nó cũng kể rất hay về những nhân vật ít được biết đến nhưng đã thúc đẩy hóa học tiến xa, cũng như những người nổi tiếng nhưng lại bám vào các lý thuyết sai lầm và vì thế cản trở tiến bộ
Sách khá ngắn nên càng dễ đọc hơn
Những nội dung thường được giảng dạy hay được truyền đạt như thể chúng được ban xuống như mặc khải, chắc chắn và cuối cùng, với nguồn gốc đầy bí ẩn. Đối xử với khoa học theo cảm giác đó là không tốt
Có thể nói bản thân khả năng hình thành của khoa học đặt trên một số điều khoản niềm tin nào đó, nhưng từng phát hiện riêng lẻ của khoa học là vấn đề của thực chứng, diễn giải thực chứng, và lập luận dựa trên thực chứng đã được diễn giải
Ngoài ra còn có những giả định làm việc âm thầm đóng vai trò lớn, và tôi cho rằng phần này chưa được bàn đủ
Điều này cũng củng cố ý tưởng rằng một phần đáng kể hoạt động khoa học được thúc đẩy bởi các động cơ và thói quen thực dụng, thực hành hơn là động cơ lý thuyết
Rất đúng. Những giáo viên khoa học xuất sắc hiểu sức mạnh của câu chuyện về khám phá khoa học
Cosmos của Carl Sagan và một vài bài giảng xuất sắc của Richard Feynman là những ví dụ đáng nhớ nhất hiện lên trong đầu tôi
Tôi tin chắc rằng các giáo viên giỏi biết pha trộn khía cạnh lịch sử và con người, tạo ra góc nhìn cốt lõi và những móc nối ghi nhớ tự nhiên ngay cả cho các chủ đề khô khan
“Rayleigh ước tính độ dày của màng dầu bằng cách chia thể tích dầu cho diện tích mà nó phủ lên. Nếu giả định dầu tạo thành một lớp phân tử, tức đơn lớp, thì độ dày của màng dầu bằng chiều dài của một phân tử dầu.
Như vậy Lord Rayleigh đã trở thành người đầu tiên xác định được kích thước của một phân tử đơn lẻ, rất lâu trước khi có ai có thể nhìn thấy những phân tử như vậy.”
Thú vị thật, nhưng giả định rằng dầu lan ra đến độ dày tối thiểu là dày một phân tử vẫn chẳng phải khá suy đoán sao?
Không có nghi ngờ kiểu như do sức căng bề mặt mà nó có thể giữ dày hơn à? Hoặc có manh mối nào khác cho thấy đó thực sự là đơn lớp không?
Tất cả đều muốn đi xuống chỗ thấp hơn, và lực cản đối với việc dầu lan ra có thể nhỏ hơn rất nhiều so với trọng lực đang cố làm dầu dẹt ra
Hiệu ứng này sẽ thay đổi khi lớp màng chuyển từ trung bình dày hơn một phân tử sang mỏng hơn một phân tử
Rất có khả năng họ có thể xác định thực nghiệm điểm chuyển tiếp này, rồi dùng thể tích dầu để suy ra độ dày của lớp phân tử
Không có lý do gì để thể tích của mỗi phân tử dầu khi nó được bao quanh tứ phía bởi các phân tử dầu khác lại phải bằng thể tích khi phía trên là không khí và phía dưới là nước
Có ai giải thích được vì sao điều này đúng không?
Ví dụ một thìa cà phê dầu có thể trải trên 1㎡, 2㎡, n㎡, và tại một điểm nào đó độ dày màng sẽ từ m xuống 1, rồi lại nhỏ hơn 1
“Nếu giả định dầu tạo thành một lớp phân tử, tức đơn lớp, thì độ dày của màng dầu bằng chiều dài của một phân tử dầu.”
Làm sao họ biết màng dầu đó dày một phân tử?
Nghe như một giả định rất lớn, dù cũng có thể bài blog này đã lược bỏ điều gì đó
Có vẻ bài blog đã bỏ qua điểm này, nhưng bài báo gốc được liên kết khá ngắn: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_lite...
Thí nghiệm của Rayleigh thực ra nhằm tìm độ dày dầu tối thiểu cần thiết để làm mẩu long não trên mặt nước ngừng chuyển động
Dù không nói rõ, có vẻ giả định là độ dày tối thiểu làm mẩu đó ngừng chuyển động chính là trạng thái thể tích dầu “vừa đủ” phủ bề mặt, tức ở mọi nơi đều dày 1 phân tử để mẩu đó không chạm vào nước
Có vẻ nó nói đến một điểm tinh tế hơn về sức căng bề mặt, nhưng phần đó hơi vượt quá hiểu biết của tôi
Nếu làm thí nghiệm nhiều lần với các giọt có kích thước khác nhau, bạn sẽ thấy lớp dầu luôn có độ dày xấp xỉ như nhau
Đây là một quan sát thú vị cần được giải thích, và giả thuyết rằng độ dày của lớp dầu là chiều dài của một phân tử có lẽ là lời giải thích tự nhiên và hợp lý nhất
Tất nhiên sau đó cần tìm sự xác nhận. Về mặt lịch sử, điều gì đã xác nhận tiếp điều này?
Có trực giác rằng một chất lưu mỏng đặt trên một bề mặt ma sát thấp, chẳng hạn trên nước, sau đủ thời gian sẽ lan ra “nhiều nhất có thể”
Có thể có các yếu tố gây nhiễu, nhưng làm giả định trong giả thuyết thì có vẻ hợp lý
Không nhất thiết phải “biết” điều đó; giả định như vậy là ổn, và tôi không thấy giả định này quá lớn
Đúng. Thí nghiệm này thực ra gần với việc đưa ra giới hạn trên của kích thước phân tử theo một hướng cụ thể
Dẫu vậy đó vẫn là một kết quả rất hữu ích
Các nhà khoa học thường phải đưa ra giả định để tiến lên
Một ví dụ nổi tiếng là Darwin: dù không có khái niệm về bản chất vật lý của DNA hay việc gene biến đổi như thế nào, chẳng hạn thích nghi xuất hiện nhờ đột biến DNA và sinh vật trở nên phù hợp hơn, ông vẫn nhận ra rằng các tính trạng được di truyền thông qua chọn lọc tự nhiên và đó là động lực của tiến hóa
Tôi ước ở trường có một môn kiểu như thiết kế thí nghiệm khoa học
Đó sẽ là lớp giải thích quy trình của các thí nghiệm tiêu biểu trong lịch sử từ thời cổ đại, và liên tục hỏi học sinh theo kiểu này: “Với các ràng buộc này, bạn sẽ thiết kế và thực hiện thí nghiệm ước tính kích thước Trái Đất như thế nào? Làm sao bác bỏ phlogiston và ê-te truyền sáng? Làm sao đo tốc độ ánh sáng?”
Đó thực sự là một công trình anh hùng, và Michelson là một thiên tài
Tôi từng làm thí nghiệm dầu/nước này trong phòng thí nghiệm vật lý hoặc hóa học năm nhất, nhưng nó được làm vội vàng, mọi người chỉ làm mức tối thiểu, giáo viên cũng gần như không giải thích rồi chuyển sang phần tiếp theo
Để một thí nghiệm vật lý vận hành đúng, cần phải cực kỳ bám sát việc ghi chép chi tiết và cũng cần trực giác mạnh
Vì bạn không biết đáp án đúng, nên phải thiết kế thí nghiệm sao cho có thể phân biệt giữa “giả thuyết sai” và “thiết bị không hoạt động”
Ví dụ, khi LIGO được bật lần đầu, nó gần như ngay lập tức bắt được một sự kiện tuyệt vời, nhưng họ không mở tiệc ăn mừng ngay
Ban đầu họ cho rằng máy có vấn đề và bỏ qua, chỉ sau khi phân tích hậu kỳ đáng kể và kiểm tra tương quan, họ mới kết luận đó là sự kiện thật
Tiêu đề của luồng này có vẻ sai. Bài gốc viết rằng “thí nghiệm nhỏ mà Rayleigh thực hiện năm 1890, lấy cảm hứng trực tiếp từ quan sát của Franklin, thì không được biết đến rộng rãi như vậy”
Vì vậy, việc Rayleigh tính kích thước phân tử là vào năm 1890, không phải 1870. Rayleigh năm 1870 vẫn còn trẻ và chưa được biết đến nhờ nghiên cứu độc创
Cũng cần lưu ý rằng đúng là Rayleigh đã nghĩ ra một phương pháp mới để xác định kích thước phân tử, nhưng người đầu tiên xác định thành công kích thước và khối lượng phân tử là Johann Josef Loschmidt vào năm 1865
https://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt
Việc Loschmidt công bố khối lượng và kích thước của các phân tử không khí là một trong những cột mốc quan trọng nhất trong lịch sử vật lý
Trước năm 1865, thuyết nguyên tử do Dalton khôi phục có thể vẫn được xem là một mô hình giả định để giải thích các phản ứng hóa học và một số đặc điểm của nhiệt động lực học, và vẫn còn khả năng nó sai hoặc bị thay thế bằng một mô hình tốt hơn
Từ thời điểm đó, nguyên tử và phân tử đã có thể được cân và đếm, và tính hiện thực của chúng không còn bị nghi ngờ nữa
Chỉ riêng việc Loschmidt xác định kích thước và khối lượng của phân tử không khí cũng đã cho phép dùng các khối lượng nguyên tử tương đối vốn có thể thu được từ phản ứng hóa học và đã được biết đến để xác định kích thước và khối lượng của các nguyên tử và phân tử đã biết khác
Ngoài ra, vài năm sau, vào năm 1874, George Johnstone Stoney đã dùng kết quả của Loschmidt cùng với lý thuyết về sự tồn tại của điện tích cơ bản mà Maxwell công bố năm 1873 để tính giá trị của điện tích cơ bản
Về sau Stoney đặt tên cho điện tích cơ bản này là “electron”, và nó trở thành nguồn gốc của vô số từ ngữ trong khoa học và công nghệ hiện đại, từ electronics đến hadron
Tôi từng tái hiện thí nghiệm này trong một lớp vật lý đại học
Việc khá nhiều và kết quả cũng không tốt bằng thí nghiệm gốc, nhưng rất đáng học hỏi và thú vị
Yêu cầu thiết bị hoàn toàn hợp lý ở mức phòng thí nghiệm vật lý bậc đại học, nên nếu có thể, tôi rất khuyến khích tự làm thử
https://www.atomsonly.news/p/franklin-oil
Lý do tên miền này bị đình chỉ: Từ tháng 1 năm 2014, tất cả các nhà đăng ký được ICANN công nhận như Namecheap đều phải xác minh thông tin liên hệ của khách hàng đăng ký tên miền, tức Registrant Whois
Việc chỉnh sửa thông tin liên hệ cũng nằm trong phạm vi này