Diffussionseksperimenter inden for fysik

Omkring år 1900 var der stadigvæk tvivl blandt fysikere, om atomer eller molekyler rent faktisk eksisterer. Einstein kom så i 1905 med den første teoretiske ramme for, hvordan man kan måle på atomer/molekyler (eller små partikler) indirekte ved at måle på et makroskopisk fænomen kendt som ’Brownske bevægelser’, som tillader måling af Avogadros konstant. I slutningen af artiklen fra 1905 skriver Einstein: ”Må det snart lykkes en forsker at afgøre det vigtige spørgsmål, der er rejst her”. Derefter gik det hurtigt med at anerkende realiteten af naturens mindste byggesten.

Projektet

Formålet med øvelsen er at udvikle et klasseværelsesforsøg, der skal måle på Brownske bevægelser. Meget af det grundlæggende materiale, der skal bruges, er identificeret. Det der mangler, er at arbejde med apparaturet ,så det didaktisk set giver mening i et undervisningsforløb. Man skal forestille sig, at elever skal kigge, følge og måle på et lille ’Brownsk’ legeme (1 mikrometer i diameter), gennem mikroskop og og projektør bliver projiceret op på papir på klasselokalets væg, så der kan tegnes på det.

Brownske bevægelser er også kendt som ’drunken (wo)man walk’ eller ’random walk’ og er kendetegnet ved tilfældige udfoldninger af vejlængder over tid. Ved at måle på vejlængderne på bestemte tidspunkter er det muligt at foretage den vigtigste måling af Avogadros konstanten. Din opgave går ud på at udføre eksperimentet og udarbejde en øvelsesvejledning med klare instruktioner om, hvordan man gør, og hvad der kræves.

Brownsk bevægelse er en diffusionsproces. Diffusion er kendetegnet som værende langsom i tid. Dermed er det relativt svær tilgængeligt i undervisning. De fleste undervisere demonstrerer diffusion ved sammenligne blækdråber i henholdsvis varmt eller koldt vand, men det er ikke diffusion, man ser; men snarere konvektionstrømme pga. en temperaturgradient i glasset med vand. Derfor må du gerne udføre et diffusionseksperiment ved hjælp af et varmeskab, som sikrer, at der ikke er en temperaturgradient. Du skal arbejde med et materiale, der er kendt som ’hydrogels’ i forskellige farver. Du skal bruge et GoPro kamera til at lave time-lapse videoer, som kan vises frem i klasseværelset. Du må gerne udføre samme forsøg i forskellige omgivelser for på didaktisk vis at demonstrere en diffusionsproces.

Slutteligt må emnet omkring viskositet af flydende væsker belyses via didaktiske eksperimenter. Viskositet er en yderst vigtig fysisk størrelse, som indgår i Einsteins udtryk for Avogadros konstant og bliver brugt til at knytte den makroskopiske verden med den mikroskopiske verden.

Matematikken og fysikken bag diffusion og diffusionsprocesser er langhåret. Det skal du ikke slås med. Du får en let fordøjelig intuitiv indførelse i kinetisk gasteori, viskositet og den grundlæggende teori bag Brownske bevægelser og får forklaret Einsteins 1905-bidrag i store træk. Formålet er at udføre og beskrive eksperimenter, der kvalitativt og kvantitativt belyser det fysiske aspekt af atomer og molekyler. Der findes litteratur inden for emnet, så du er ikke på bar bund. Du får løbende hjælp af din vejleder for at finde ud af, hvordan eksperimenterne skal udfolde sig bedst muligt, og hvad det næste skridt skal være. Hvor fedt er det at underbygge Einsteins resultater i klasseværelset?! Det må virke motiverende for at læse fysik. Der er en del arbejde, men det kan lade sig gøre. Der er klare rammebetingelser i brug af apparatur og udførelse og masser af idéer at hente fra nettet. Der er ingen grund til at opfinde hjulet igen.

Vejleder: Tobias Cornelius Hinse