Броунівський рух — визначення та опис

Броунівський рух – це хаотичне переміщення молекул у рідині. Це явище, при якому дрібні частинки в рідині раптово і, очевидно, без попередніх умов виконують безперервні випадкові рухи в різних напрямках.

Виявлення та опис цього феномена належить біологу Роберту Броуну.

Історія відкриття

Роберт Броун був британським ботаніком. Одного разу, після руху пилку в овочевому соку, він виявив, що дрібні частинки роблять випадкові, звивисті рухи кожен раз.

Броунівське явище описує рух мікроскопічних частинок об’ємом менше мікрометра. Молекули рухаються щодня. Їх переміщення хаотичні. Швидкість руху дрібніших частинок інша.

Коментар про Броунівський рух був запропонований в 1877 році Джозефом Десольньє. Їх математичний опис даний в роботах Альберта Ейнштейна (1905) і Маріана Смолуховського (1906). Фактично, обидва вчені відзначили, що частин у воді багато, і вони рухаються досить швидко.

Француз Луї Жорж Гуї відстежував рух різних типів частинок в рідинах. Він вже знав, що таке Броунівський рух у фізиці, як визначити розмір частинок речовини.

Досліджуючи це явище, вчений зрозумів, що зміщення частин дійсно збільшується, якщо вони поміщаються в найменш в’язке середовище.

Бувши експериментатором, він піддавав клас частинок впливу світла і електричних полів різної потужності. Вчений зауважив, що насправді ці моменти не впливають на безладні звивисті скачки частин.

Відкриття Ейнштейна

Ейнштейн придумав формулу для броунівського руху. Вчений вважав, що якщо речовина має ненульову температуру, її атоми утворюють теплові елементи. В результаті в досить прохолодній або переохолодженій воді відбувається броунівський рух. Ці випадкові стрибки дрібних зважених частин ніколи не припиняються.

На підставі молекулярно-кінетичної доктрини вчений вивів коефіцієнт дифузії частинок у воді в 1905 році. А в 1908 році фізик Жан Перрен і його учні експериментально обґрунтували правильність розрахунків Ейнштейна.

Опис явища

Кожна речовина складається з атомів або молекул. Ці компоненти досить малі: навіть мікроскоп нездатний їх побачити. У воді вони хаотично коливаються і рухаються завжди. Броунівський рух молекул відбувається випадково.

Виявлено важливе визначення:

• всі атоми або молекули є колективними;
• ці частини пов’язані один з одним.

Броунівське явище носить чисто матеріальний характер.

Іноді атоми води на одній стороні частин рухаються по певній траєкторії і притискають молекулу. В результаті частинка рухається разом з розчином.

Броунівське явище носить чисто матеріальний характер. З точки зору кінетичної та молекулярної доктрин, коментар простий: атоми та молекули в результаті нескінченного хаотичного руху створюють тверду частинку і можуть зіткнутися.

Однак, якщо частинка мала, то число молекул, що стикаються з одного боку, в якийсь момент буде віддалено від частин, що вдаряються об іншу сторону. В результаті частинка іноді отримує більш потужний імпульс в напрямку, що визначається характерним ефектом більшої (на даний момент) групи молекул.

Приклад броунівського руху можна побачити на малюнку. У якийсь момент це призводить до того, що насправді величезна частина матерії (червона кулька), очевидно, отримує більше «конфлікту» з однією стороною. Вони направлять кулю трохи вправо.

Вчені помітили, що блукання пилку через воду випадкове. Молекули набагато менше, їх багато, вони рухаються дуже швидко. Відмінності у швидкості руху і кількості молекул з окремих сторін є причиною рухів пилку в рідині.

Дослідники хотіли визначити, чим обумовлений броунівський рух, спостерігаючи за крихітними частинками під мікроскопом, бачачи їх переміщення, викликане конфліктами з випадково рухомими частинками. Однак вони самі не мали можливість бачити молекули (вони навіть не знали про їх існування).

Колективний вплив практично на всі частинки може полягати в очевидному розташуванні. Але чужорідна речовина у воді може забезпечити деякі ознаки закономірності і залежності.

Наприклад, якщо довго стежити за броунівською частиною, можна розглянути всі її руху. І з цього безладу з’явиться гармонійна система.

Під час експериментів частинкам у воді були присвоєні відповідні упорядковуючі значення:

• стала Больцмана;
• сума Авогадро.

На додаток до лінійного рівняння зміщення, броунівське явище характеризується хаотичним обертанням.

Розміри частинок

Через деякий час з’являється можливість поставити природне запитання: чому цей ефект недоступний для великих тіл? Через той факт, що, коли довжина об’єкта, зануреного в рідину, має малий розмір, всі ці випадкові «поштовхи» молекул перетворюються в систематичний тиск.

Розмір частинок, на випадок яких в кульці виявлені коливання молекул води, не повинен перевищувати 5 мікрометрів.

Теоретично досліджений рух ніколи не зупиняється. У краплі води (якщо їй не дають висохнути) можна простежити рух частинок протягом багатьох днів, місяців, років.

Інтенсивність броунівського руху збільшується з:

• ростом температури;
• зниженням в’язкості середовища;
• зменшенням обсягу частинок.

Це не залежить від природи частинок і часу дослідження.

Броунівський рух працює, підтверджуючи життя ще більш дрібних частинок – молекул води, які не видно навіть в потужних оптичних мікроскопах.

Експерименти Перріна, в яких він визначив положення одного конкретного фрагмента на 30 секунд, підтвердили теоретичні висновки. Перрін також провів експерименти, щоб перевірити залежність концентрації молекул газу від висоти і барометричну формулу для залежності атмосферного тиску.

Фактично він припустив, що:

• Хаотичні броунівські частинки, які в молекулах, повинні підкорятися законам атомів атмосфери.
• Концентрація частинок повинна падати з висотою.

Його експерименти повністю довели Броунівський рух.