一种布朗运动测量仪及测量方法
【技术领域】
[0001] 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良方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 爱因斯坦理论给出悬浮物质的扩散系数D可由公式D = RT/N6 π kr (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⑴式和⑵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】
[0004] 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。
[0005] 本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0006] -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。
[0007] 进一步的，光源为白光LED。
[0008] 进一步的，观察片由透明的载玻片与盖玻片装配而成，具体装备结构为底部为载 玻片，上部为盖玻片，在载玻片与盖玻片四周通过防水固化胶将载玻片与盖玻片平行固定 在一起，载玻片与盖玻片中间夹有一厚度在Imm-IOmm的花粉悬浊液。
[0009] 进一步的，三轴程控电机采用CL-03C三轴控制器。
[0010] 进一步的，显微镜的放大倍数可调且放大倍数B可读。
[0011] 进一步的，摄像头采用具有自动对焦功能的数码摄像头且屏幕显示的放大倍数b 可读。
[0012] 基于前述的布朗运动测量仪，本发明还提供了一种布朗运动测测量方法，包括如 下步骤：
[0013] (1)调节显微镜与摄像头，在电脑的屏幕上能观察到清晰的花粉图像，选定其中一 个花粉作为测量对象，该测量对象即为布朗粒子；
[0014] (2)用游标卡尺直接测量此布朗粒子在屏幕上的半径rr ;
[0015] (3)读出显微镜的放大倍数B与摄像头7的放大倍数b ;
[0016] (4)得到此布朗粒子的真实半径r = rr/Bb ;
[0017] (5)启动摄像头自动捕捉功能，通过三轴程控电机改变镜头在X轴、y轴z轴上的 位置，使得该位置点始终处于镜头中央焦点处位置，根据设定的时间间隔t，记录该位置点 坐标；
[0018] (6)根据记录的位置点坐标，得到η次的X轴方向的位移测量值λ x;
[0019] (7)根据设定的时间间隔t与记录的位置坐标在电脑屏幕上重构或再现布朗运动 过程；
[0020] (8)通过温度计得到环境温度T，根据时间间隔t与η次的位移测量值，通过
式计算出阿伏伽德罗常数Ν，其中黏度k取值1.35 X IO3N · s/m2。
[0021] 本发明所达到的有益效果是：通常的布朗运动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，虽 然通过压膜技术可实现准二维测量，但还是会给实验带来比较大的测量误差（位移测量值 总是比实际位移要小），导致最终的阿伏伽德罗常数测量结果比标准值大（误差在10%以 上），无法准确测量。本实验装置通过镜头自动寻踪技术，精确记录镜头x、y、z方向上的坐 标位置，可以得到精确的位移测量结果，提高了实验测量的精度。解决的核心问题是：精确 测量布朗粒子在悬浮液里面的位移值。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明一种布朗运动测量仪的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023] 为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和【具体实施方式】对本发 明做进一步描述。
[0024] 参照图1，一种布朗运动测量仪包括：底座1、光源2、观察片3、支架4、三轴程控电 机5、显微镜6、摄像头7、电脑8,其中光源2固定在底座1的中间，支架4固定在底座1 一 侧，三轴程控电机5固定在支架4上，摄像头7固定在显微镜6上端，观察片3放在显微镜6 下方的底座1上表面，显微镜6竖直固定在三轴程控电机5上并可以在轴程控电机5的控制 下整体沿X轴、y轴、z轴三个方向移动。光源2采用广东深圳科天微数码公司的IW大功率 80-90LM的白光LED ;观察片3其尺寸为30mm*30mm的正方形，由透明的载玻片与盖玻片装 配而成，具体装备结构为底部为载玻片，上部为盖玻片，在载玻片与盖玻片四周通过防水固 化胶将载玻片与盖玻片平行固定在一起，载玻片与盖玻片中间夹有一厚度在3mm的油菜花 花粉悬浊液（其面积为25mm*25mm);进一步的，三轴程控电