Перрен (Perrin), Жан Батист

Французский физик Жан Батист Перрен родился в Лилле. Его вместе с двумя сестрами воспитывала мать, после того как их отец, офицер, умер от ран, полученных во время франко-прусской войны. Получив начальное образование в местных школах, Перрен закончил лицей Жансон-де-Сайи в Париже, год отбывал воинскую повинность, а в 1891 г. поступил в Эколь нормаль сюперьёр. С 1894 по 1897 г. он был ассистентом-физиком в Эколь нормаль сюперьёр и в течение этого периода проводил исследования катодных и рентгеновских лучей. Эта тема стала предметом его докторской диссертации.

В период, когда Перрен выполнял свои эксперименты, еще не было выработано единого мнения относительно природы катодных лучей, испускаемых отрицательным электродом (катодом) в вакуумной трубке при электрическом разряде. Некоторые ученые полагали, что эти лучи представляют собой разновидность светового излучения, однако в 1895 г. исследования Перрена показали, что они являются потоком отрицательно заряженных частиц. Дж.Дж.Томсон, модифицировав эксперимент Перрена, подтвердил его выводы и в 1897 г. определил важнейшую характеристику этих частиц, измерив отношение их заряда к массе по отклонению в электрическом и магнитном полях. Масса оказалась примерно в 2 тыс. раз меньше массы атома водорода, легчайшего среди всех атомов. Вскоре стало распространяться мнение, что эти отрицательные частицы, названные электронами, представляют собой составную часть атомов. Опираясь на результаты своих работ, Перрен принял участие в дискуссии об атомной, или дискретной, природе материи. Ее участником стал и Марсель Бриллюэн, один из учителей Перрена, бывший активным сторонником атомной теории.

Атомная теория утверждала, что элементы составлены из дискретных частиц, называемых атомами, и что химические соединения состоят из молекул, частиц большего размера, содержащих два или более атомов. К концу XIX в. атомная теория получила широкое признание среди ученых, особенно среди химиков. Однако некоторые физики полагали, что атомы и молекулы – это не более чем фиктивные объекты, которые введены из соображения удобства и полезны при численной обработке результатов химических реакций. Австрийский физик и философ Эрнст Мах считал, что вопрос о первичном строении материи принципиально неразрешим и не должен быть предметом исследования ученых. Для сторонников атомизма подтверждение дискретности материи было одним из принципиальных вопросов, остававшихся нерешенными в физике.

В 1897 г. Перрен получил докторскую степень и в том же году начал читать новый курс физической химии в Парижском университете (Сорбонне). Курс имел огромный успех. (Перрен в 1910 г. возглавил в Сорбонне кафедру физической химии и до 1940 г. оставался на этом посту.) Продолжая разрабатывать атомную теорию, он выдвинул в 1901 г. гипотезу, что атом представляет собой миниатюрную Солнечную систему, но он не смог это доказать. Десять лет спустя Эрнест Резерфорд предложил свою модель компактного положительно заряженного ядра, окруженного отрицательными электронами, и эта идея завоевала наибольшую популярность. В модели Томсона атом напоминал «сливовый пудинг» в виде положительно заряженной сферы, в которую электроны вкраплены подобно изюминкам. Хотя работа Перрена в области физической химии была отходом от его более ранних исследований катодных лучей, он сконцентрировал свое внимание на вопросах, относящихся к молекулярной природе соединений, включая термодинамику, осмос, движение ионов и кристаллизацию. Исследование коллоидов (суспензий мелких частиц) привело его к знаменитым опытам по броуновскому движению, которые послужили подтверждением существования молекул.

Броуновское движение впервые было описано английским ботаником Робертом Броуном в 1827 г. Если мельчайшие частицы вроде зернышек пыльцы поместить во взвешенном состоянии в жидкость, то под микроскопом можно наблюдать, как они совершают случайные резкие скачки, будто они подвергаются непрерывной бомбардировке со стороны неких невидимых объектов. Выдвигались разные объяснения этого движения, в т.ч. под воздействием электрических сил, конвекционных потоков или столкновения с постоянно движущимися молекулами жидкости. В 1905 г. Альберт Эйнштейн опубликовал работу о броуновском движении, в которой были даны теоретические обоснования молекулярной гипотезы. Он дал определенные количественные предсказания, однако необходимые для их проверки эксперименты требовали настолько большой точности, что Эйнштейн сомневался в их осуществимости. С 1908 по 1913 гг. Перрен (вначале не зная о работе Эйнштейна) выполнил тончайшие наблюдения над броуновским движением, которые подтвердили предсказания Эйнштейна.

Перрен понял, что если движение взвешенных частиц вызывается столкновениями с молекулами, то, основываясь на хорошо известных газовых законах, можно предсказать их средние смещения за определенный промежуток времени, если знать их размер, плотность и некоторые характеристики жидкости (например, температуру и плотность). Требовалось только правильно согласовать эти предсказания с измерениями, и тогда появилось бы веское подтверждение существования молекул. Однако получить частицы нужных размеров и однородности было не так просто. После многих месяцев кропотливого центрифугирования Перрену удалось выделить несколько десятых грамма однородных частиц гуммигута (желтоватого вещества, получаемого из млечного сока растений). После измерения характеристик броуновского движения этих частиц результаты оказались вполне соответствующими молекулярной теории. Перрен также изучал седиментацию, или оседание, мельчайших взвешенных частиц. Если молекулярная теория верна, рассуждал он, частицы, размеры которых меньше определенного, вовсе не будут опускаться на дно сосуда: направленная вверх компонента импульса, полученного в результате соударений с молекулами, будет постоянно противодействовать направленной вниз силе тяжести. Если суспензия не подвергается возмущениям, то в конце концов установится седиментационное равновесие, после чего концентрация частиц на различной глубине не будет изменяться. Если свойства суспензии известны, то можно предсказать равновесное распределение по вертикали.

Перрен провел несколько тысяч наблюдений, весьма изощренно и остроумно пользуясь микроскопической техникой и подсчитывая число частиц на разной глубине в одной капле жидкости с шагом по глубине всего в двенадцать сотых миллиметра. Он обнаружил, что концентрация частиц в жидкости экспоненциально убывает с уменьшением глубины, причем числовые характеристики столь хорошо согласовались с предсказаниями молекулярной теории, что результаты его опытов были широко признаны как решающее подтверждение существования молекул. Позже он придумал способы измерения не только линейных смещений частиц в броуновском движении, но и их вращения. Исследования Перрена позволили ему вычислить размеры молекул и число Авогадро, т.е. число молекул в одном моле (количестве вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна молекулярному весу этого вещества). Он проверил полученное им значение числа Авогадро с помощью пяти различных типов наблюдений и нашел, что она удовлетворяет им всем с учетом минимальной экспериментальной ошибки. (Принятое ныне значение этого числа составляет примерно 6,02·1023; Перрен получил величину на 6% более высокую.) К 1913 г., когда он суммировал уже многочисленные к тому времени свидетельства дискретной природы материи в своей книге «Атомы», реальность существования как атомов, так и молекул была признана почти повсеместно.

В 1926 г. Перрен получил Нобелевскую премию по физике «за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия». При презентации лауреата К. Осеен, член Шведской королевской академии наук, подытожил работу Перрена и привел свидетельства, подтверждающие его выводы.

Во время первой мировой войны Перрен служил в качестве офицера инженерного корпуса французской армии, занимаясь разработкой таких, например, технических проблем, как обнаружение подводных лодок акустическими методами. После войны он заинтересовался ядерной физикой и был одним из первых, кто выдвинул предположение о вероятном источнике исходящего от Солнца тепла, объяснявшее столь длительное его постоянство. При его непосредственном участии были учреждены Национальный центр научных исследований, Институт физико-химической биологии и Институт астрофизики. Его стремление популяризировать науку, в особенности среди молодого поколения, способствовало созданию Дворца открытий на Международной выставке в Париже в 1937 г.

Будучи социалистом и ярым противником фашизма, Перрен покинул Францию после ее оккупации Германией в 1940 г. и отправился в Соединенные Штаты, где его сын преподавал физику в Колумбийском университете. Находясь в изгнании, Перрен призывал к активизации американской поддержки французских военных усилий. Он также основал Нью-Йоркский французский университет. Умер он в Нью-Йорке в 1942 г. В 1948 г. его останки были перевезены во Францию и похоронены в Пантеоне в Париже.

Перрен женился на Генриетте Дюпорталь в 1897 г. У них были сын и дочь. Приятный собеседник, он нравился всем, особенные симпатии вызывал у молодежи. Он устраивал в своей лаборатории вечера, куда приглашал целые группы молодых ученых на диспуты. Тем не менее он больше тяготел к экспериментальным опытам, а не к теоретическим размышлениям. Однажды, когда некий профессор вынуждал его признать «неопровержимые достоинства» одной новой физической концепции, Перрен ответил, что «крайне трудно придумать более ложную теорию».

Среди наград Перрена, кроме Нобелевской премии, можно назвать премию Джоуля Лондонского королевского общества (1896) и премию Ляказа Французской академии наук (1914). Перрен стал членом Французской академии наук в 1923 г. и ее президентом в 1938 г. Ему были присуждены почетные ученые степени университетов Брюсселя, Льежа, Гента, Калькутты, Манчестера, Нью-Йорка, Принстона и Оксфорда. Он был членом Лондонского королевского общества, а также академий наук Италии, Чехословакии, Бельгии, Швеции, Румынии и Китая.