Mișcare termică. Mișcarea browniană. Mișcarea browniană în fizică Teoria mișcării browniene

Mișcarea browniană- în știința naturii, mișcarea aleatorie a particulelor microscopice, vizibile, suspendate într-un lichid (sau gaz) (particule browniene) dintr-o substanță solidă (granule de praf, boabe de suspensie, particule polenul de plante și așa mai departe) cauzat de mișcarea termică a particulelor lichide (sau gazoase). Conceptele de „mișcare browniană” și „mișcare termică” nu trebuie confundate: mișcarea browniană este o consecință și o dovadă a existenței mișcării termice.

Esența fenomenului

Mișcarea browniană are loc datorită faptului că toate lichidele și gazele constau din atomi sau molecule - cele mai mici particule care se află în mișcare termică haotică constantă și, prin urmare, împing continuu particula browniană din diferite părți. S-a descoperit că particulele mari mai mari de 5 µm practic nu participă la mișcarea browniană (sunt imobile sau sedimente), particulele mai mici (mai puțin de 3 µm) se deplasează înainte de-a lungul traiectoriilor foarte complexe sau se rotesc. Când un corp mare este scufundat în mediu, șocurile care apar în număr mare sunt mediate și formează o presiune constantă. Dacă un corp mare este înconjurat de un mediu pe toate părțile, atunci presiunea este practic echilibrată, rămâne doar forța de ridicare a lui Arhimede - un astfel de corp plutește fără probleme sau se scufundă. Dacă corpul este mic, ca o particulă browniană, atunci fluctuațiile de presiune devin vizibile, ceea ce creează o forță vizibilă care se schimbă aleatoriu, ducând la oscilații ale particulei. Particulele browniene de obicei nu se scufundă sau plutesc, ci sunt suspendate într-un mediu.

Descoperirea mișcării browniene

Acest fenomen a fost descoperit de R. Brown în 1827, când efectua cercetări asupra polenului de plante. Botanistul scoțian Robert Brown (uneori numele său de familie este transcris ca Brown) în timpul vieții, ca cel mai bun cunoscător al plantelor, a primit titlul de „prinț al botanicilor”. A făcut multe descoperiri minunate. În 1805, după o expediție de patru ani în Australia, a adus în Anglia aproximativ 4.000 de specii de plante australiene necunoscute oamenilor de știință și a petrecut mulți ani studiindu-le. Plante descrise aduse din Indonezia și Africa Centrală. A studiat fiziologia plantelor, a descris mai întâi în detaliu nucleul unei celule vegetale. Academia de Științe din Petersburg l-a făcut membru de onoare. Dar numele omului de știință este acum cunoscut pe scară largă nu datorită acestor lucrări.
În 1827, Brown a efectuat cercetări asupra polenului vegetal. El, în special, a fost interesat de modul în care polenul este implicat în procesul de fertilizare. Odată, la microscop, a examinat boabe citoplasmatice alungite suspendate în apă izolate din celulele polenului plantei nord-americane Clarkia pulchella (frumoasa clarkia). Deodată, Brown a văzut că cele mai mici boabe dure, care cu greu se vedeau într-o picătură de apă, tremurau și se mișcau în permanență din loc în loc. El a descoperit că aceste mișcări, în cuvintele sale, „nu sunt asociate nici cu fluxurile în lichid, nici cu evaporarea lui treptată, ci sunt inerente particulelor înseși”.
Observația lui Brown a fost confirmată de alți oameni de știință. Cele mai mici particule s-au comportat ca și cum ar fi vii, iar „dansul” particulelor a accelerat odată cu creșterea temperaturii și scăderea dimensiunii particulelor și a încetinit în mod clar când apa a fost înlocuită cu un mediu mai vâscos. Acest fenomen uimitor nu s-a oprit niciodată: a putut fi observat pentru o perioadă de timp arbitrar. La început, Brown chiar s-a gândit că viețuitoarele au intrat cu adevărat în câmpul microscopului, mai ales că polenul este celulele germinale masculine ale plantelor, dar au condus și particulele din plantele moarte, chiar și din cele uscate cu o sută de ani mai devreme în ierburi. Apoi Brown s-a întrebat dacă acestea sunt „moleculele elementare ale ființelor vii”, despre care a vorbit celebrul naturalist francez Georges Buffon (1707-1788), autorul istoriei naturale în 36 de volume. Această presupunere a dispărut când Brown a început să exploreze obiecte aparent neînsuflețite; la început au fost particule foarte mici de cărbune, precum și funingine și praf din aerul londonez, apoi substanțe anorganice măcinate fin: sticlă, multe minerale diferite. „Molecule active” erau peste tot: „În fiecare mineral”, a scris Brown, „pe care am reușit să-l macin în praf în așa măsură încât să poată fi suspendat în apă pentru ceva timp, am găsit, în cantități mai mari sau mai mici, aceste molecule. .

Teoria mișcării browniene

Construirea teoriei clasice

În 1905, teoria cinetică moleculară a fost creată pentru a descrie cantitativ mișcarea browniană. În special, el a derivat o formulă pentru coeficientul de difuzie al particulelor browniene sferice:

Unde D- coeficientul de difuzie, R este constanta universală a gazului, T- temperatura absoluta, N A este constanta Avogadro, A- raza particulei, ξ - vâscozitate dinamică.

Confirmare experimentală

Formula lui Einstein a fost confirmată de experimentele lui a și ale studenților săi din 1908-1909. Ca particule browniene, ei au folosit boabe de rășină de arbore de mastic și gummigut, o seva groasă lăptoasă a copacilor din genul Garcinia. Valabilitatea formulei a fost stabilită pentru diferite dimensiuni ale particulelor - de la 0,212 microni până la 5,5 microni, pentru diverse soluții (soluție de zahăr, glicerină) în care particulele s-au deplasat.
http://en.wikipedia.org/wiki/

Mișcarea browniană este o mișcare haotică continuă și constantă a particulelor suspendate într-un lichid (sau gaz). Numele folosit acum a fost dat fenomenului în onoarea descoperitorului său, botanistul englez R. Brown. În 1827, a efectuat un experiment, în urma căruia a fost descoperită mișcarea browniană. Omul de știință a atras, de asemenea, atenția asupra faptului că particulele nu numai că se mișcă în jurul mediului, ci și se rotesc în jurul axei lor. Întrucât în ​​acel moment teoria moleculară a structurii materiei nu fusese încă creată, Brown nu a putut analiza complet procesul.

Vederi moderne

În prezent se crede că mișcarea browniană este cauzată de ciocnirea particulelor suspendate într-un lichid sau gaz cu moleculele substanței din jurul lor. Acestea din urmă sunt în continuă mișcare, numite termice. Ei sunt cei care provoacă mișcarea haotică a particulelor care alcătuiesc orice substanță. Este important de menționat că alte două sunt asociate cu acest fenomen: mișcarea browniană pe care o descriem și difuzia (penetrarea particulelor unei substanțe în alta). Aceste procese ar trebui considerate ca un întreg, deoarece se explică reciproc. Deci, din cauza ciocnirilor cu moleculele din jur, particulele suspendate în mediu sunt în mișcare continuă, ceea ce este, de asemenea, haotic. Haoticitatea se exprimă în inconstanță, atât în ​​direcție, cât și în viteză.

Din punct de vedere al termodinamicii

Se știe că pe măsură ce temperatura crește, crește și viteza mișcării browniene. Această dependență este ușor de explicat prin ecuația de descriere a energiei cinetice medii a unei particule în mișcare: E=mv 2 =3kT/2, unde m este masa particulei, v este viteza particulei, k este constanta Boltzmann , iar T este temperatura exterioară. După cum putem vedea, pătratul vitezei unei particule în suspensie este direct proporțional cu temperatura, prin urmare, odată cu creșterea temperaturii mediului extern, viteza crește și ea. Rețineți că principiul de bază pe baza căruia este compusă ecuația este egalitatea energiei cinetice medii a unei particule în mișcare cu energia cinetică a particulelor care alcătuiesc mediul (adică lichidul sau gazul în care se află. suspendat). Această teorie a fost formulată de A. Einstein și M. Smoluchowski aproximativ în același timp, independent unul de celălalt.

Mișcarea particulelor browniene

Particulele suspendate într-un lichid sau gaz se deplasează de-a lungul unei traiectorii în zig-zag, îndepărtându-se treptat de punctul de pornire al mișcării. Din nou, Einstein și Smoluchowski au ajuns la concluzia că, pentru studierea mișcării unei particule browniene, nu distanța parcursă sau viteza reală este de importanță primordială, ci deplasarea medie pe o anumită perioadă de timp. Ecuația propusă de Einstein este următoarea: r 2 =6kTBt. În această formulă, r este deplasarea medie a unei particule în suspensie, B este mobilitatea acesteia (această valoare, la rândul său, este invers legată de vâscozitatea mediului și de dimensiunea particulei), t este timpul. În consecință, viteza particulei în suspensie este cu atât mai mare, cu atât vâscozitatea mediului este mai mică. Validitatea ecuației a fost dovedită experimental de fizicianul francez J. Perrin.

Mișcarea browniană- mișcarea haotică a particulelor microscopice de materie solidă vizibilă suspendată într-un lichid sau gaz, cauzată de mișcarea termică a particulelor dintr-un lichid sau gaz. Mișcarea browniană nu se oprește niciodată. Mișcarea browniană este legată de mișcarea termică, dar aceste concepte nu trebuie confundate. Mișcarea browniană este o consecință și o dovadă a existenței mișcării termice.

Mișcarea browniană este cea mai evidentă confirmare experimentală a ideilor teoriei cinetice moleculare despre mișcarea termică haotică a atomilor și moleculelor. Dacă intervalul de observație este suficient de mare încât forțele care acționează asupra particulei din moleculele mediului își schimbă direcția de multe ori, atunci pătratul mediu al proiecției deplasării acesteia pe orice axă (în absența altor forțe externe) este proporțional cu timpul.

Când se derivă legea lui Einstein, se presupune că deplasările particulelor în orice direcție sunt la fel de probabile și că inerția unei particule browniene poate fi neglijată în comparație cu influența forțelor de frecare (acest lucru este acceptabil pentru perioade suficient de lungi). Formula pentru coeficient D se bazează pe aplicarea legii lui Stokes pentru rezistența hidrodinamică la mișcarea unei sfere cu raza A într-un fluid vâscos. Rapoartele pentru A și D au fost confirmate experimental prin măsurătorile lui J. Perrin și T. Svedberg. Din aceste măsurători, constanta Boltzmann este determinată experimental kși constanta Avogadro N A. Pe lângă mișcarea browniană de translație, există și o mișcare browniană de rotație - rotație aleatorie a unei particule browniene sub influența impactului moleculelor mediului. Pentru mișcarea browniană de rotație, deplasarea unghiulară rms a unei particule este proporțională cu timpul de observare. Aceste relații au fost confirmate și de experimentele lui Perrin, deși acest efect este mult mai greu de observat decât mișcarea browniană de translație.

YouTube enciclopedic

• 1 / 5

  Mișcarea browniană are loc datorită faptului că toate lichidele și gazele constau din atomi sau molecule - cele mai mici particule care se află în mișcare termică haotică constantă și, prin urmare, împing continuu particula browniană din diferite părți. S-a constatat că particulele mari mai mari de 5 µm practic nu participă la mișcarea browniană (sunt imobile sau sedimente), particulele mai mici (mai puțin de 3 µm) se deplasează înainte de-a lungul traiectoriilor foarte complexe sau se rotesc. Când un corp mare este scufundat în mediu, atunci șocurile care apar în număr mare sunt mediate și formează o presiune constantă. Dacă un corp mare este înconjurat de un mediu din toate părțile, atunci presiunea este practic echilibrată, rămâne doar forța de ridicare a lui Arhimede - un astfel de corp plutește fără probleme sau se scufundă. Dacă corpul este mic, ca o particulă browniană, atunci fluctuațiile de presiune devin vizibile, care creează o forță vizibilă care se schimbă aleatoriu, ducând la oscilații ale particulei. Particulele browniene de obicei nu se scufundă sau plutesc, ci sunt suspendate într-un mediu.

  Deschidere

  Teoria mișcării browniene

  Construirea teoriei clasice

  D = R T 6 N A π a ξ , (\displaystyle D=(\frac (RT)(6N_(A)\pi a\xi)),)

  Unde D (\displaystyle D)- coeficientul de difuzie, R (\displaystyle R)- constanta gas universală, T (\displaystyle T)- temperatura absolută, N A (\displaystyle N_(A)) este constanta Avogadro, a (\displaystyle a)- raza particulelor, ξ (\displaystyle \xi )- vascozitate dinamica.

  Confirmare experimentală

  Formula lui Einstein a fost confirmată de experimentele lui Jean Perrin și studenții săi din 1908-1909. Ca particule browniene, au folosit boabele de rășină ale arborelui de mastic și gummigut, sucul gros de lapte al copacilor din genul Garcinia. Valabilitatea formulei a fost stabilită pentru diferite dimensiuni ale particulelor - de la 0,212 microni până la 5,5 microni, pentru diverse soluții (soluție de zahăr, glicerină) în care particulele s-au deplasat.

  Mișcarea browniană ca proces aleator non-Markovian

  Teoria mișcării browniene, bine dezvoltată în ultimul secol, este aproximativă. Și deși în majoritatea cazurilor de importanță practică teoria existentă dă rezultate satisfăcătoare, în unele cazuri poate necesita clarificări. Astfel, lucrări experimentale desfășurate la începutul secolului XXI la Universitatea Politehnică din Lausanne, Universitatea din Texas și Laboratorul European de Biologie Moleculară din Heidelberg (sub conducerea lui S. Dzheney) au arătat diferența în comportamentul unui Brownian. particulă din cea prezisă teoretic de teoria Einstein-Smoluchowski, care a fost vizibilă mai ales la creșterea dimensiunii particulelor. Studiile s-au referit, de asemenea, la analiza mișcării particulelor înconjurătoare ale mediului și au arătat o influență reciprocă semnificativă a mișcării particulei browniene și a mișcării particulelor mediului cauzate de aceasta una asupra altora, adică prezența unei „memorii” în particula browniană, sau, cu alte cuvinte, dependența caracteristicilor sale statistice în viitor de întreaga preistorie comportamentul ei în trecut. Acest fapt nu a fost luat în considerare în teoria Einstein-Smoluchowski.

  Procesul de mișcare browniană a unei particule într-un mediu vâscos, în general, aparține clasei de procese non-Markovie, iar pentru descrierea sa mai precisă este necesar să se utilizeze ecuații stocastice integrale.

  Ce este mișcarea browniană

  Această mișcare se caracterizează prin următoarele caracteristici:

  • continuă la nesfârșit fără nicio schimbare vizibilă,
  • intensitatea mișcării particulelor browniene depinde de dimensiunea lor, dar nu depinde de natura lor,
  • intensitatea crește odată cu creșterea temperaturii,
  • intensitatea crește odată cu scăderea vâscozității lichidului sau gazului.

  Mișcarea browniană nu este mișcare moleculară, ci servește drept dovadă directă pentru existența moleculelor și natura haotică a mișcării lor termice.

  Esența mișcării browniene

  Esența acestei mișcări este următoarea. O particulă împreună cu moleculele lichide sau gazoase formează un sistem statistic. În conformitate cu teorema privind distribuția uniformă a energiei pe grade de libertate, fiecare grad de libertate reprezintă 1/2 kT de energie. Energia 2/3kT la trei grade de libertate de translație ale unei particule duce la mișcarea centrului său de masă, care este observată la microscop sub formă de tremur al particulei. Dacă o particulă browniană este suficient de rigidă, atunci încă 3/2 kT de energie este explicată de gradele sale de libertate de rotație. Prin urmare, cu tremurul său, experimentează și schimbări constante de orientare în spațiu.

  Este posibil să explicăm mișcarea browniană în felul următor: cauza mișcării browniene sunt fluctuațiile de presiune, care este exercitată pe suprafața unei particule mici de moleculele mediului. Forța și presiunea se modifică în modul și direcția, ca urmare a căreia particula se află în mișcare aleatorie.

  Mișcarea unei particule browniene este un proces aleatoriu. Probabilitatea (dw) ca o particulă browniană, care se afla într-un mediu izotrop omogen la momentul inițial (t=0) la originea coordonatelor, se va deplasa de-a lungul unei axe direcționate arbitrar (la t$>$0) Ox, astfel încât coordonata va fi în intervalul de la x la x+dx este egală cu:

  unde $\triunghiul x$ este o mică modificare a coordonatei particulei din cauza fluctuației.

  Luați în considerare poziția unei particule browniene la anumite intervale de timp fixe. Punem originea coordonatelor în punctul în care particula se afla la t=0. Fie $\overrightarrow(q_i)$ vectorul care caracterizează mișcarea particulei între observațiile (i-1) și i. După n observații, particula se va deplasa de la poziția zero la punctul cu vectorul rază $\overrightarrow(r_n)$. în care:

  \[\overrightarrow(r_n)=\sum\limits^n_(i=1)(\overrightarrow(q_i))\left(2\right).\]

  Mișcarea particulei are loc de-a lungul unei linii întrerupte complexe tot timpul observației.

  Să găsim pătratul mediu al eliminării particulei de la început după n pași într-o serie mare de experimente:

  \[\left\langle r^2_n\right\rangle =\left\langle \sum\limits^n_(i,j=1)(q_iq_j)\right\rangle =\sum\limits^n_(i=1) (\left\langle (q_i)^2\right\rangle )+\sum\limits^n_(i\ne j)(\left\langle q_iq_j\right\rangle )\left(3\right)\]

  unde $\left\langle q^2_i\right\rangle $ este pătratul mediu al deplasării particulelor la pasul i-a dintr-o serie de experimente (este același pentru toți pașii și este egal cu o valoare pozitivă a2) , $\left\langle q_iq_j\ right\rangle $- este valoarea medie a produsului scalar la pasul i pe mișcare la pasul j în diferite experimente. Aceste cantități sunt independente unele de altele, atât valorile pozitive, cât și cele negative ale produsului scalar sunt la fel de comune. Prin urmare, presupunem că $\left\langle q_iq_j\right\rangle $=0 pentru $\ i\ne j$. Atunci avem de la (3):

  \[\left\langle r^2_n\right\rangle =a^2n=\frac(a^2)(\triangle t)t=\alpha t=\left\langle r^2\right\rangle \left( 4\dreapta),\]

  unde $\triunghi t$ este intervalul de timp dintre observații; t=$\triunghi tn$ - timpul în care pătratul mediu al eliminării particulei a devenit egal cu $\left\langle r^2\right\rangle .$ Obținem că particula se îndepărtează de origine. Este esențial ca pătratul mediu al eliminării să crească proporțional cu prima putere a timpului. $\alpha \ $- poate fi găsit experimental sau teoretic, așa cum va fi arătat în exemplul 1.

  Particula browniană se mișcă nu numai înainte, ci și se rotește. Valoarea medie a unghiului de rotație $\triunghi\varphi $ al unei particule browniene în timpul t este:

  \[(\triunghi \varphi )^2=2D_(vr)t(5),\]

  unde $D_(vr)$ este coeficientul de difuzie de rotație. Pentru o particulă browniană sferică cu rază - un $D_(vr)\ $ este egal cu:

  unde $\eta $ este coeficientul de vâscozitate al mediului.

  Mișcarea browniană limitează precizia instrumentelor de măsură. Limita de precizie a unui galvanometru oglindă este determinată de tremurul oglinzii, ca o particulă browniană care este lovită de moleculele de aer. Mișcarea aleatorie a electronilor provoacă zgomot în rețelele electrice.

  Exemplul 1

  Sarcină: Pentru a caracteriza matematic complet mișcarea browniană, trebuie să găsiți $\alpha $ în formula $\left\langle r^2_n\right\rangle =\alpha t$. Se consideră coeficientul de vâscozitate al lichidului cunoscut și egal cu b, temperatura lichidului T.

  Să scriem ecuația de mișcare a unei particule browniene în proiecție pe axa Ox:

  unde m este masa particulei, $F_x$ este forța aleatoare care acționează asupra particulei, $b\dot(x)$ este termenul ecuației care caracterizează forța de frecare care acționează asupra particulei din fluid.

  Ecuațiile pentru mărimi legate de alte axe de coordonate au o formă similară.

  Înmulțim ambele părți ale ecuației (1.1) cu x și transformăm termenii $\ddot(x)x\ și\ \dot(x)x$:

  \[\ddot(x)x=\ddot(\left(\frac(x^2)(2)\right))-(\dot(x))^2,\dot(x)x=(\frac (x^2)(2)\)(1.2)\]

  Atunci ecuația (1.1) se reduce la forma:

  \[\frac(m)(2)(\ddot(x^2))-m(\dot(x))^2=-\frac(b)(2)\left(\dot(x^2) \dreapta)+F_xx\ (1.3)\]

  Facem o medie a ambelor părți ale acestei ecuații pe un ansamblu de particule browniene, ținând cont de faptul că media derivatei timpului este egală cu derivata valorii medii, deoarece aceasta este o medie pe un ansamblu de particule și, prin urmare, rearanjam aceasta prin operaţia de diferenţiere în funcţie de timp. Ca rezultat al medierii (1.3), obținem:

  \[\frac(m)(2)\left(\left\langle \ddot(x^2)\right\rangle \rangle)-\left\langle m(\dot(x))^2\right\rangle =-\frac(b)(2)\left(\dot(\left\langle x^2\right\rangle )\right)+\left\langle F_xx\right\rangle \ \left(1.4\right). \]

  Deoarece abaterile unei particule browniene în orice direcție sunt la fel de probabile, atunci:

  \[\left\langle x^2\right\rangle =\left\langle y^2\right\rangle =\left\langle z^2\right\rangle =\frac(\left\langle r^2\right \rangle )(3)\stanga(1,5\dreapta)\]

  Folosind $\left\langle r^2_n\right\rangle =a^2n=\frac(a^2)(\triangle t)t=\alpha t=\left\langle r^2\right\rangle $, vom obține $\left\langle x^2\right\rangle =\frac(\alpha t)(3)$, prin urmare: $\dot(\left\langle x^2\right\rangle )=\frac(\alpha ) (3)$, $\left\langle \ddot(x^2)\right\rangle =0$

  Datorită naturii aleatoare a forței $F_x$ și a coordonatei particulei x și a independenței lor una față de cealaltă, egalitatea $\left\langle F_xx\right\rangle =0$ trebuie să fie valabilă, apoi (1.5) se reduce la egalitate:

  \[\left\langle m(\dot(\left(x\right)))^2\right\rangle =\frac(\alpha b)(6)\left(1.6\right).\]

  Conform teoremei privind distribuția uniformă a energiei pe grade de libertate:

  \[\left\langle m(\dot(\left(x\right)))^2\right\rangle =kT\left(1,7\right).\] \[\frac(\alpha b)(6) =kT\la \alpha =\frac(6kT)(b).\]

  Astfel, obținem o formulă pentru rezolvarea problemei mișcării browniene:

  \[\left\langle r^2\right\rangle =\frac(6kT)(b)t\]

  Răspuns: Formula $\left\langle r^2\right\rangle =\frac(6kT)(b)t$ rezolvă problema mișcării browniene a particulelor suspendate.

  Exemplul 2

  Sarcină: Particulele de gummigut de formă sferică cu raza r participă la mișcarea browniană în gaz. Densitatea gummigutului $\rho $. Găsiți viteza pătrată medie a particulelor de gumă la temperatura T.

  Viteza pătrată medie a moleculelor este:

  \[\left\langle v^2\right\rangle =\sqrt(\frac(3kT)(m_0))\left(2.1\right)\]

  O particulă browniană este în echilibru cu materia în care se află și putem calcula viteza ei pătrată medie folosind formula pentru viteza moleculelor de gaz, care, la rândul lor, mișcă particula browniană. Mai întâi, să găsim masa particulei:

  \[\left\langle v^2\right\rangle =\sqrt(\frac(9kT)(4\pi R^3\rho ))\]

  Răspuns: Viteza unei particule de gumă suspendată într-un gaz poate fi găsită ca $\left\langle v^2\right\rangle =\sqrt(\frac(9kT)(4\pi R^3\rho ))$ .

  Ce este mișcarea browniană?

  Acum vă veți familiariza cu cea mai evidentă dovadă a mișcării termice a moleculelor (a doua poziție principală a teoriei cinetice moleculare). Asigurați-vă că încercați să priviți printr-un microscop și să vedeți cum se mișcă așa-numitele particule browniene.

  Anterior, ai învățat ce difuziune, adică amestecarea gazelor, lichidelor și solidelor în contactul lor direct. Acest fenomen poate fi explicat prin mișcarea aleatorie a moleculelor și pătrunderea moleculelor unei substanțe în spațiul dintre moleculele altei substanțe. Acest lucru poate explica, de exemplu, faptul că volumul unui amestec de apă și alcool este mai mic decât volumul componentelor sale. Dar cea mai evidentă dovadă a mișcării moleculelor poate fi obținută prin observarea la microscop a celor mai mici particule din orice substanță solidă suspendată în apă. Aceste particule se mișcă aleatoriu, ceea ce se numește Brownian.

  Aceasta este mișcarea termică a particulelor suspendate într-un lichid (sau gaz).

  Observarea mișcării browniene

  Botanistul englez R. Brown (1773-1858) a observat pentru prima dată acest fenomen în 1827, examinând sporii de mușchi suspendați în apă la microscop. Mai târziu, el a luat în considerare alte particule mici, inclusiv particule de piatră din piramidele egiptene. Acum, pentru a observa mișcarea browniană, sunt folosite particule de vopsea gummigut, care este insolubilă în apă. Aceste particule se mișcă aleatoriu. Cel mai izbitor și neobișnuit lucru pentru noi este că această mișcare nu se oprește niciodată. Suntem obișnuiți cu faptul că orice corp în mișcare se oprește mai devreme sau mai târziu. Brown a crezut inițial că sporii de mușchi de club au dat semne de viață.

  mișcarea termică și nu se poate opri. Pe măsură ce temperatura crește, intensitatea acesteia crește. Figura 8.3 prezintă o diagramă a mișcării particulelor browniene. Pozițiile particulelor marcate cu puncte sunt determinate la intervale regulate de 30 s. Aceste puncte sunt legate prin linii drepte. În realitate, traiectoria particulelor este mult mai complicată.
  
  

  Mișcarea browniană poate fi observată și într-un gaz. Se realizează prin particule de praf sau fum suspendate în aer.

  Fizicianul german R. Pohl (1884-1976) descrie plin de culoare mișcarea browniană: „Puține fenomene pot captiva observatorul la fel de mult ca mișcarea browniană. Aici observatorului i se permite să privească în culise a ceea ce se întâmplă în natură. O nouă lume se deschide în fața lui - o forfotă non-stop a unui număr imens de particule. Cele mai mici particule zboară rapid în câmpul vizual al microscopului, schimbând aproape instantaneu direcția de mișcare. Particulele mai mari se mișcă mai încet, dar își schimbă constant direcția. Particulele mari practic se împing în loc. Proeminențele lor arată clar rotația particulelor în jurul axei lor, care își schimbă constant direcția în spațiu. Nicăieri nu există urmă de sistem sau ordine. Dominanța șansei oarbe - asta este o impresie puternică, copleșitoare, această imagine lasă observatorului.

  În prezent, conceptul Mișcarea browniană folosit într-un sens mai larg. De exemplu, mișcarea browniană este tremurul săgeților instrumentelor de măsurare sensibile, care are loc datorită mișcării termice a atomilor pieselor instrumentului și a mediului.

  Explicația mișcării browniene

  Mișcarea browniană poate fi explicată numai pe baza teoriei molecular-cinetice. Motivul mișcării browniene a unei particule este că impactul moleculelor lichide asupra particulei nu se anulează reciproc.. Figura 8.4 prezintă schematic poziția unei particule browniene și moleculele cele mai apropiate de aceasta. Când moleculele se mișcă aleatoriu, impulsurile pe care le transmit unei particule browniene, de exemplu, din stânga și din dreapta, nu sunt aceleași. Prin urmare, forța de presiune rezultată a moleculelor lichide pe o particulă browniană este diferită de zero. Această forță determină o modificare a mișcării particulei.

  
  

  

  
  

  Presiunea medie are o anumită valoare atât în ​​gaz, cât și în lichid. Dar există întotdeauna ușoare abateri aleatorii de la această medie. Cu cât suprafața corpului este mai mică, cu atât sunt mai vizibile modificările relative ale forței de presiune care acționează asupra acestei zone. Deci, de exemplu, dacă zona are o dimensiune de ordinul mai multor diametre moleculare, atunci forța de presiune care acționează asupra ei se schimbă brusc de la zero la o anumită valoare atunci când molecula intră în această zonă.

  Teoria molecular-cinetică a mișcării browniene a fost creată în 1905 de A. Einstein (1879-1955).

  Construirea teoriei mișcării browniene și confirmarea ei experimentală de către fizicianul francez J. Perrin au completat în cele din urmă victoria teoriei molecular-cinetice.

  experimentele lui Perrin

  Ideea din spatele experimentelor lui Perrin este următoarea. Se știe că concentrația de molecule de gaz în atmosferă scade odată cu înălțimea. Dacă nu ar exista mișcare termică, atunci toate moleculele ar cădea pe Pământ și atmosfera ar dispărea. Cu toate acestea, dacă nu ar exista atracție pentru Pământ, atunci din cauza mișcării termice, moleculele ar părăsi Pământul, deoarece gazul este capabil de expansiune nelimitată. Ca urmare a acțiunii acestor factori opuși, se stabilește o anumită distribuție a moleculelor de-a lungul înălțimii, așa cum sa menționat mai sus, adică concentrația moleculelor scade destul de repede odată cu înălțimea. Mai mult, cu cât masa moleculelor este mai mare, cu atât concentrația lor scade mai repede odată cu înălțimea.

  Particulele browniene participă la mișcarea termică. Deoarece interacțiunea lor este neglijabilă, agregatul acestor particule într-un gaz sau lichid poate fi considerat un gaz ideal de molecule foarte grele. În consecință, concentrația particulelor browniene într-un gaz sau lichid din câmpul gravitațional al Pământului trebuie să scadă conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Această lege este cunoscută.

  Perrin, folosind un microscop de mare mărire și o adâncime mică de câmp (profunzime mică de câmp), a observat particule browniene în straturi foarte subțiri de lichid. Calculând concentrația particulelor la diferite înălțimi, el a descoperit că această concentrație scade odată cu înălțimea conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Diferența este că, datorită masei mari de particule browniene, scăderea are loc foarte rapid.

  Mai mult, numărarea particulelor browniene la diferite înălțimi i-a permis lui Perrin să determine constanta lui Avogadro într-un mod complet nou. Valoarea acestei constante a coincis cu cea cunoscută.

  Toate aceste fapte mărturisesc corectitudinea teoriei mișcării browniene și, în consecință, faptul că particulele browniene participă la mișcarea termică a moleculelor.

  Ați văzut clar existența mișcării termice; Am văzut mișcarea haotică în derulare. Moleculele se mișcă și mai aleatoriu decât particulele browniene.
  

  Esența fenomenului

  Acum să încercăm să înțelegem esența fenomenului mișcării browniene. Și se întâmplă pentru că toate lichidele și gazele absolut constau din atomi sau molecule. Dar știm, de asemenea, că aceste particule cele mai mici, fiind în mișcare haotică continuă, împing constant particula browniană din diferite părți.

  Dar iată ce este interesant, oamenii de știință au demonstrat că particulele de dimensiuni mai mari care depășesc 5 microni rămân nemișcate și aproape că nu participă la mișcarea browniană, ceea ce nu se poate spune despre particulele mai mici. Particulele cu o dimensiune mai mică de 3 microni sunt capabile să se deplaseze înainte, făcând rotații sau scriind traiectorii complexe.

  Atunci când sunt scufundate în mediul unui corp mare, tremururile care apar într-un număr mare par să atingă un nivel mediu și să mențină o presiune constantă. În acest caz, intră în joc teoria lui Arhimede, deoarece un corp mare înconjurat de un mediu pe toate părțile echilibrează presiunea, iar forța de ridicare rămasă permite acestui corp să plutească sau să se scufunde.

  Dar dacă corpul are dimensiuni precum o particulă browniană, adică complet imperceptibile, atunci deviațiile de presiune devin vizibile, ceea ce contribuie la crearea unei forțe aleatorii care duce la oscilații ale acestor particule. Se poate concluziona că particulele browniene din mediu sunt în suspensie, spre deosebire de particulele mari care se scufundă sau plutesc.

  Semnificația mișcării browniene

  Să încercăm să ne dăm seama dacă mișcarea browniană în mediul natural are vreo semnificație:

  În primul rând, mișcarea browniană joacă un rol semnificativ în nutriția plantelor din sol;
  În al doilea rând, la organismele umane și animale, absorbția nutrienților are loc prin pereții organelor digestive datorită mișcării browniene;
  În al treilea rând, în implementarea respirației pielii;
  Și, în sfârșit, mișcarea browniană contează în răspândirea substanțelor nocive în aer și în apă.
  

  Teme pentru acasă

  Citiți cu atenție întrebările și răspundeți în scris la ele:

  1. Vă amintiți ceea ce se numește difuzie?
  2. Care este relația dintre difuzie și mișcarea termică a moleculelor?
  3. Definiți mișcarea browniană.
  4. Ce crezi, este mișcarea browniană termică și justifică-ți răspunsul?
  5. Se va schimba natura mișcării browniene atunci când este încălzită? Dacă se schimbă, atunci cum?
  6. Ce instrument este folosit în studiul mișcării browniene?
  7. Se schimbă modelul mișcării browniene odată cu creșterea temperaturii și cum anume?
  8. Va exista vreo modificare a mișcării browniene dacă emulsia apoasă este înlocuită cu glicerol?
  

  G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a 10-a