分子運動論

分子運動論（又稱氣體動理論或分子動理論）是描述氣體為大量做永不停息的隨機運動的粒子（原子或分子，物理學上一般不加區分，都稱作分子）。快速運動的分子不斷地碰撞其他分子或容器的壁。分子動理論就是通過分子組分和運動來解釋氣體的宏觀性質，如壓強、溫度、體積等。分子動理論認為，壓強不是如牛頓猜想的那樣，來自分子之間的靜態排斥，而是來自以不同速度做熱運動的分子之間的碰撞。分子太小而不能直接看到。顯微鏡下花粉顆粒或塵埃粒子做的無規則運動——布朗運動，便是分子碰撞的直接結果。這可以作為分子存在的證據。

理想氣體動理論建立在如下假設之上：

• 氣體由大量小粒子組成，這些小粒子稱之為分子。分子之間的距離遠遠大於自身的大小。

• 所有分子都具有相同的質量。

• 分子數量巨大，可以進行統計處理。

• 分子做著不息的快速的隨機運動。

• 分子不斷彼此碰撞，或與容器器壁進行碰撞，這些碰撞都是彈性碰撞。

• 除了碰撞之外，分子之間的相互作用可以忽略。

• 氣體分子平均平動動能只依賴於系統溫度。

• 分子與容器器壁的碰撞時間遠遠小於兩次碰撞間隔時間。

• 分子具有質量，會受到萬有引力的影響。

分子動理學的現代理論建立在波爾茲曼方程的基礎之上，對以上假設有所放寬，並將分子體積考慮進去，因此可以精確描述稠密氣體。分子動理學的現代理論仍然要考慮的假設有，分子混沌性假設，忽略量子效應。如果氣體比較稠密，本體性質只有小的梯度，可以應用維里展開的方法研究，這方面的理論參見查普曼和恩斯克格的專著。對於稀薄氣體，本體性質的梯度與分子的平均自由程相比較，這種情況叫克努森區，可以對克努森數展開來研究。

人類早在公元前5世紀就開始思考物質的結構問題。古希臘時期著名的樸素唯物主義哲學家德謨克利特就提出，物質是由不可分的原子構成的。這種思想在數個世紀都深刻的影響著人們的世界觀。17世紀科學革命以來，自然科學得到了突飛猛進的進步，特別是熱力學的突破性發展，使人們重新思考物質的結構問題。皮埃爾·伽桑狄、羅伯特·胡克、伯努利等科學家的研究表明，物質的液體、固體、氣體三種狀態的轉變是因為分子之間作用的結果，特別是氣體的壓力源於氣體分子與器壁碰撞，從而導出了玻意耳-馬略特定律。

1738年，丹尼爾·伯努利發表著作《流體力學》，為氣體動理論的基礎。在這一著作中，伯努利提出，氣體是由大量向各個方向運動的分子組成的，分子對錶面的碰撞就是氣壓的成因，熱就是分子運動的動能。但是，伯努利的觀點並沒有被立即接受，部分原因是，能量守恆定律當時還沒有建立，分子之間為彈性碰撞也不是那麼顯而易見。1744年羅蒙諾索夫第一次明確提出熱現象是分子無規則運動的表現，並把機械能守恆定律應用到了分子運動的熱現象中。1856年，奧古斯特·克羅尼格提出了一個簡單的氣體動理論，他只考慮了分子的平動。1857年，克勞修斯提出一個更複雜的氣體動理論，除了分子的平動，他還考慮了分子的轉動和振動。他還引入了平均自由程的概念。1859年，麥克斯韋在克勞修斯工作的基礎上，提出了分子麥克斯韋速度分佈率。這是物理學史上第一個統計定律。1871年，玻爾茲曼推廣了麥克斯韋的工作，提出了麥克斯韋–玻爾茲曼分佈。

直到20世紀初，很多物理學家仍然認為原子只是假想，並非實在的。直到1905年愛因斯坦和1906年馬利安·斯莫魯霍夫斯基關於布朗運動的論文發表之後，物理學家才放棄此想法。他們的論文給出了分子動理論的準確預言。

分子運動論使人類正確認識到了物質的結構組成和運動的一般規律，成功解釋了諸如布朗運動等現象，並成為物理學中其他理論，甚至很多其他學科的理論基礎。