Жан Батист Перен (Jean Baptiste Perrin)
30 септември 1870 г. – 17 април 1942 г.
Нобелова награда за физика, 1926 г.
(За работата му по дискретната природа на материята и особено за откриването на седиментационното равновесие.)
Френският физик Жан Батист Перен е роден в Лил. Заедно с двете си сестри е възпитаван от майка си, след като баща им, офицер, умира от раните, получени по време на Френско-пруската война. Като получава начално образование в местните училища, Перен завършва лицея Жансон дьо Сайи в Париж, една година служи в казармата, а през 1891 г. постъпва в Екол нормал супериор. От 1894 до 1897 г. е асистент по физика в Екол нормал супериор и по време на този период изследва катодните и рентгеновите лъчи. Тази тема стана предмет на докторската му дисертация.
Когато Перен прави своите опити, още няма единно мнение за природата на катодните лъчи, изпускани от отрицателния електрод (катода) във вакуумна тръба при електрически разряд. Някои учени предполагат, че тези лъчи са особена разновидност на светлинното излъчване, но през 1895 г. изследванията на Перен показват, че те са поток от отрицателно заредени частици. Дж.Дж.Томсън, като модифицира експеримента на Перен, потвърждава неговите изводи и през 1897 г. определя най-важната характеристика на тези частици, като измерва отношението на заряда им към масата при отклоняване в електрическо и магнитно поле. Масата се оказала около две хиляди пъти по-малка от масата на водородния атом, най-лекият от всички атоми. Скоро започнало да се разпространява мнението, че тези отрицателни частици, наречени електрони, са съставна част от атомите. Като се опира на резултатите от своята работа, Перен участва в дискусия за атомната, или дискретната, природа на материята. Участник в нея е и Марсел Брилюен, един от учителите на Перен, бивш активен привърженик на атомната теория.
Атомната теория твърди, че елементите се състоят от дискретни частици, наречени атоми, и че химичните съединения се състоят от молекули, частици с голям размер, съдържащи два или повече атома. В края на ХІХ в. атомната теория получила широко признание сред учените, особено сред химиците. Но някои физици предполагали, че атомите и молекулите не са нещо повече от фиктивни обекти, въведени от съображение за удобство и полезни при числената обработка на резултатите от химическите реакции. Австрийският физик и философ Ернст Мах смятал, че въпросът за първичното построение на материята е принципно неразрешим и не трябва да бъде предмет на изследване от учените. За привържениците на атомизма потвърждаването на дискретността на материята се превърнало в един от принципните въпроси, останали нерешени във физиката.
През 1897 г. Перен получава докторска степен и през същата година започва да чете нов курс по физическа химия в Парижкия университет (Сорбоната). Курсът има огромен успех. (През 1910 г. Перен оглавява в Сорбоната катедрата по физическа химия и до 1940 г. остава на този пост.) Продължавайки да разработва атомната теория, той предлага през 1901 г. хипотезата, че атомът е като миниатюрна Слънчева система, но не успява да докаже това. Десет години по-късно Ърнест Ръдърфорд предлага свой модел за компактно положително заредено ядро, заобиколено от отрицателни електрони, и тази идея печели най-голяма популярност. В модела на Томсън атомът напомня "сливов пудинг" във вид на положително заредена сфера, където атомите са залепени като стафиди. Макар че работата на Перен в областта на физическата химия е отстъпление от по-раншните му изследвания на катодните лъчи, той концентрира вниманието си върху въпроси, отнасящи се до молекулярната природа на съединенията, сред които термодинамиката, осмозата, движението на йоните и кристализацията. Изследването на колоидите (суспензиите от малки частици) го довежда до знаменитите опити с брауновото движение, които потвърждават съществуването на молекулите.
Брауновото движение било описано за първи път от английския ботаник Робърт Браун през 1827 г. Ако много малки частици като зрънца прашец се поставят в течност, под микроскоп може да се види как те извършват случайни резки подскоци, сякаш са бомбардирани непрекъснато от някакви невидими обекти. Предлагат се различни обяснения за това движение, след тях, че става въпрос за въздействие на електрически сили, конвекционни потоци или сблъсъци с постоянно движещите се молекули на течността. През 1905 г. Алберт Айнщайн публикува изследване за брауновото движение, в което представя теоретични обосновки на молекулярната хипотеза. Той дава определени количествени предсказания, но необходимите за тяхната проверка експерименти изискват толкова голяма точност, че Айнщайн се съмнява в тяхното осъществяване. От 1908 до 1913 г. Перен (като отначало не знае за изследването на Айнщайн) извършва най-прецизни наблюдения над брауновото движение, които потвърждават предсказанията на Айнщайн.
Перен разбира, че ако движението на частиците се предизвиква от сблъсък с молекули, като се имат предвид добре известните газови закони, могат да се предскажат средните им премествания за определен промеждутък от време, при условие че се знае техният размер, плътност и някои характеристики на течността (например температурата и плътността). Изисквало се само тези предсказания да се съгласуват правилно с измерванията и тогава щяло да се появи сериозно потвърждение за съществуването на молекулите. Но да се получат частици с нужните размери и еднородност не било така просто. След много месеци търпеливо центрофугиране Перен успял да отдели няколко десетки грама еднородни частици гумигут (жълтеникаво вещество, получено от млечния сок на растенията). След като били измерени характеристиките на брауновото движение на тези частици, резултатите се оказали напълно съответстващи на молекулярната теория.
Перен проучва и седиментацията, или утаяването на дребните частици. Ако молекулярната теория е вярна, разсъждава той, частиците, чиито размери са по-малки от определеното, изобщо няма да паднат на дъното на съда: насочената нагоре компонента на импулса, получен в резултат от взаимните сблъсъци с молекулите, ще въздейства постоянно върху насочената надолу сила на тежестта. Ако суспензията е оставена на спокойствие, в края на краищата ще се установи седиментационно равновесие, след което концентрацията на частиците на различна дълбочина няма да се променя. Ако свойствата на суспензията са известни, може да се предскаже равновесното разпределение по вертикала.
Перен осъществява няколко хиляди наблюдения, като използва доста изискано и остроумно микроскопа и преброява частиците на различна дълбочина в една капка течност със стъпка на дълбочина само дванадесет стотни от милиметъра. Той открива, че концентрацията на частиците в течността намалява експоненциално с намаляване на дълбочината, като числовите характеристики се съгласуват толкова добре с предсказанията на молекулярната теория, че резултатите от неговите опити са широко признати като решаващо потвърждение за съществуването на молекулите. По-късно той намира начини за измерване не само на линейните измествания на частиците в брауновото движение, но и на тяхното въртене. Изследванията на Перен му позволяват да изчисли размерите на молекулите и числото на Авогадро, иначе казано - броя на молекулите в един мол (количеството вещество, масата на което, изразена в грамове, е числено равна на молекулярното тегло на веществото). Той проверява полученото от него значение на числото на Авогадро с помощта на пет различни типа наблюдения. (Приетото днес значение на това число е приблизително 6,02·1023; Перен получава величина, по-висока с 6%). Към 1913 г., когато Перен сумира вече многобройните по това време свидетелства за дискретната природа на материята в своята книга "Атоми" ("Atoms"), реалното съществуване както на атомите, така и на молекулите е призната почти повсеместно.
По време на Първата световна война Перен служи като офицер от инженерния корпус на френската армия, занимавайки се с разработка на такива например технически проблеми като откриването на подводниците с акустични методи. След войната той започва да се интересува от ядрена физика и е един от първите, които предполагат вероятния източник на слънчевата топлина. С негово непосредствено участие са учредени Националният център за научни изследвания, Институтът по физикохимическа биология и Институтът по астрофизика. Неговият стремеж да популяризира науката, особено сред младото поколение, допринася за създаването на Двореца на откритията на Международното изложение в Париж през 1937 г.
Като социалист и яростен противник на фашизма, Перен напуска Франция след нейната окупация от Германия през 1940 г. и заминава за Съединените щати, където неговият син преподава физика в Колумбийския университет. Намирайки се в изгнание, Перен призовава да се активира американската подкрепа на френските военни усилия. Също така основава Нюйоркския френски университет. Умира в Ню Йорк. През 1948 г. останките му са пренесени във Франция и са погребани в Пантеона в Париж.
Перен се жени за Хенриет Дюпортал през 1897 г. Семейството има син и дъщеря. Приятен събеседник, Перен се харесва на всички, особени симпатии предизвиква сред младежта. Той организира в своята лаборатория вечеринки, на които кани цели групи млади учени за диспути. Въпреки това, повече го привличат експериментите, а не теоретическите размишления. Веднъж, когато някакъв професор настоява да признае "неопровержимите достойнства" на една от новите физически концепции, Перен отговаря, че е "крайно трудно да се измисли по-лъжлива теория".
Сред наградите на Перен, освен Нобеловата награда, може да се посочи
наградата Джоул на Лондонското кралско дружество (1896 г.) и
наградата Лаказа на Френската академия на науките (1914 г.). Перен
става член на Френската академия на науките през 1923 г. и е неин президент
през 1938 г. Присъдени са му почетни научни степени на университетите в
Брюксел, Лиеж, Гент, Калкута, Манчестър, Ню Йорк, Принстън и Оксфорд. Той е
член на Лондонското кралско дружество, а също така на академиите на науките
на Италия, Чехословакия, Белгия, Швеция, Румъния и Китай.
Превод от руски: Павел Б. Николов
