Ce este mișcarea browniană

Această mișcare se caracterizează prin următoarele caracteristici:

• continuă la nesfârșit fără modificări vizibile,
• 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 ca dovadă directă a existenței moleculelor și a naturii haotice a mișcării lor termice.

Esența mișcării browniene

Esența acestei mișcări este următoarea. O particulă împreună cu moleculele unui lichid sau gaz formează un sistem statistic. În conformitate cu teorema privind distribuția uniformă a energiei pe gradul de libertate, fiecare grad de libertate reprezintă 1/2 kT de energie. Energia de 2/3kT la trei grade de libertate de translație ale particulei 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 cade pe gradele sale de libertate de rotație. Prin urmare, atunci când tremură, experimentează și schimbări constante de orientare în spațiu.

Mișcarea browniană poate fi explicată astfel: cauza mișcării browniene sunt fluctuațiile de presiune care sunt exercitate pe suprafața unei particule mici de moleculele mediului. Forța și presiunea se schimbă în mărime și direcție, drept urmare particula se află în mișcare aleatorie.

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

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

Să luăm în considerare poziția unei particule browniene la anumite intervale de timp fixe. Să plasăm originea coordonatelor în punctul în care particula a fost la t=0. Să notăm $\overrightarrow(q_i)$ - un vector care caracterizează mișcarea unei particule între (i-1) și i observații. După n observații, particula se va deplasa din poziția zero într-un punct cu raza vector $\overrightarrow(r_n)$. În acest caz:

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

Particula se mișcă de-a lungul unei linii întrerupte complexe pe tot parcursul perioadei de observație.

Să găsim pătratul mediu al distanței 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 într-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 i-a pas a se muta când al j-lea pasîn diverse experimente. Aceste cantități sunt independente unele de altele și se găsesc la fel de des ca valori pozitive produs scalar și negativ. 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 la început. Este important ca pătratul mediu al distanței să crească proporțional cu prima putere a timpului. $\alpha \ $- poate fi găsit experimental sau teoretic, așa cum va fi arătat în exemplul 1.

O particulă browniană se mișcă nu numai translațional, ci și rotativ. Valoarea medie a unghiului de rotație $\triunghi\varphi $ al unei particule browniene în timpul t este egală cu:

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

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

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

Mișcarea browniană limitează precizia instrumente de măsurare. Limita de precizie a unui galvanometru oglindă este determinată de vibrația oglinzii, ca o particulă browniană care este supusă impactului moleculelor de aer. Mișcarea aleatorie a electronilor provoacă zgomot în rețelele electrice.

Exemplul 1

Sarcina: Pentru a caracteriza matematic complet mișcarea browniană, este necesar să găsiți $\alpha $ în formula $\left\langle r^2_n\right\rangle =\alpha t$. Să presupunem că coeficientul de vâscozitate al lichidului este cunoscut și egal cu b, iar temperatura lichidului este 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 în lichid.

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

Să înmulțim ambele părți ale ecuației (1.1) cu x și să 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)\]

Apoi reducem ecuația (1.1) la forma:

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

Să facem o medie a ambelor părți ale acestei ecuații pe un ansamblu de particule browniene, ținând cont de faptul că media derivatei în raport cu timpul este egală cu derivata valorii medii, deoarece aceasta este o medie pe un ansamblu de particule și, prin urmare, o vom rearanja folosind operația de diferențiere în funcție 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:

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

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

Datorită naturii aleatorii 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 îndeplinită, 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 despre 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

Sarcina: Particulele de gumă sferică cu raza r participă la mișcarea browniană într-un gaz. Densitatea gummigutului $\rho$. Găsiți viteza pătrată medie a particulelor de gummigut 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 substanța în care se află și putem calcula viteza pătratică medie a acesteia folosind formula pentru viteza moleculelor de gaz, care, la rândul lor, se mișcă, determinând mișcarea particulei browniene. 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 $\left\langle v^2\right\rangle =\sqrt(\frac(9kT)(4\pi R^3\rho ))$ .

Mișcarea browniană este o mișcare haotică continuă și constantă a particulelor suspendate într-un lichid (sau gaz). Numele folosit în prezent pentru fenomen a fost dat 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 mediu, dar și se rotesc în jurul propriei axe. Întrucât în ​​acel moment teoria moleculară a structurii materiei nu fusese încă creată, Brown nu a fost capabil să analizeze pe deplin procesul.

Reprezentări 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. Ele 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 luate în considerare împreună, 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 direcție cât și viteză.

Din punct de vedere termodinamic

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 lui Boltzmann, iar T este temperatura exterioară. După cum vedem, pătratul vitezei de mișcare a unei particule în suspensie este direct proporțional cu temperatura, prin urmare, pe măsură ce temperatura mediului extern crește, crește și viteza. Rețineți că principiul de bază pe care se bazează 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 este suspendată). 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 pe o cale în zig-zag, îndepărtându-se treptat de punctul de pornire al mișcării. Din nou, Einstein și Smoluchowski au ajuns la concluzia că pentru a studia mișcarea unei particule browniene, ceea ce este de importanță primordială nu este distanța parcursă sau viteza reală, ci deplasarea medie a acesteia într-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 dependentă de vâscozitatea mediului și de dimensiunea particulei), t este timpul. În consecință, cu cât vâscozitatea mediului este mai mică, cu atât viteza de mișcare a particulei în suspensie este mai mare. Validitatea ecuației a fost dovedită experimental de fizicianul francez J. Perrin.

Linia UMK A.V. Fizică (7-9)

Linia UMK A.V. Fizică (10-11) (de bază, avansat)

Mișcarea browniană

Să ne dăm seama ce este Mișcarea browniană.

Avem nou format! Acum puteți asculta articolul

1. Particule

Știm că toată materia constă dintr-un număr mare de particule foarte, foarte mici care se află în mișcare continuă și aleatorie. De unde știam asta? Cum au putut oamenii de știință să învețe despre existența unor particule atât de mici încât nu pot fi văzute cu niciun microscop optic? Și cu atât mai mult, cum au reușit să afle că aceste particule sunt în mișcare continuă și aleatorie? Două fenomene i-au ajutat pe oamenii de știință să înțeleagă acest lucru - Mișcarea brownianăŞi difuziune. Despre aceste fenomene vom vorbi mai detaliat.

2. Mișcarea browniană

Omul de știință englez Robert Brown nu a fost fizician sau chimist. Era un tocilar. Și nu se aștepta deloc să descopere un fenomen atât de important pentru fizicieni și chimiști. Și nici nu putea bănui că în experimentele sale destul de simple va observa rezultatul mișcării haotice a moleculelor. Și exact asta s-a întâmplat.

Ce fel de experimente au fost acestea? Erau aproape la fel cu ceea ce fac studenții la lecțiile de biologie atunci când încearcă să examineze, de exemplu, celulele vegetale folosind un microscop. Robert Brown a vrut să privească polenul de plante printr-un microscop. Examinând boabele de polen într-o picătură de apă, a observat că boabele nu erau în repaus, ci se zvâcneau constant, de parcă ar fi vii. Probabil că așa a crezut la început, dar fiind om de știință, bineînțeles că a respins acest gând. Nu a putut să înțeleagă de ce aceste boabe de polen se comportau într-un mod atât de ciudat, dar a descris tot ce a văzut, iar această descriere a căzut în mâinile fizicienilor, care și-au dat seama imediat că văd dovezi clare ale mișcării continue și aleatorii a particulelor. .

Această mișcare, descrisă de Brown, se explică astfel: boabele de polen sunt suficient de mari încât să le putem vedea la un microscop obișnuit, dar nu vedem molecule de apă, dar, în același timp, boabele de polen sunt suficient de mici încât din cauza impacturilor de-a lungul lor, moleculele de apă care le înconjoară pe toate părțile, s-au deplasat mai întâi într-o direcție, apoi în cealaltă. Adică, acest „dans” haotic al boabelor de polen într-o picătură de apă a arătat că moleculele de apă lovesc continuu și aleatoriu boabele de polen din diferite direcții și le deplasează. De atunci, mișcarea continuă și haotică a particulelor solide mici într-un lichid sau gaz a ajuns să fie numită Mișcarea browniană. Cea mai importantă caracteristică Această mișcare este că este continuă, adică nu se oprește niciodată.

3. Difuzia

Difuzia este un alt exemplu de dovezi vizuale ale mișcării continue și aleatorii a moleculelor. Și constă în faptul că substanțele gazoase, lichidele și chiar solidele, deși mult mai încet, se pot amesteca singure între ele. De exemplu, mirosurile diferitelor substanțe se răspândesc în aer chiar și în absența vântului tocmai datorită acestui auto-amestecare. Sau iată un alt exemplu - dacă aruncați mai multe cristale de permanganat de potasiu într-un pahar cu apă și așteptați aproximativ o zi fără a amesteca apa, vom vedea că toată apa din pahar va fi colorată uniform. Acest lucru se întâmplă din cauza mișcării continue a moleculelor care își schimbă locurile, iar substanțele se amestecă treptat independent, fără influențe externe.

Cartea se adresează elevilor de liceu, elevilor, profesorilor și profesorilor de fizică, precum și tuturor celor care doresc să înțeleagă ce se întâmplă în lumea din jurul nostru și să dezvolte o viziune științifică asupra diversității fenomenelor naturale. Fiecare secțiune a cărții este, de fapt, un set probleme fizice rezolvare pe care cititorul își va întări înțelegerea legi fiziceși învață să le aplici în cazuri practic interesante.

4. Proprietăți ale mișcării și difuziei browniene

Când fizicienii au început să se uite mai atent la fenomenul descris de Robert Brown, au observat că, la fel ca difuzia, acest proces ar putea fi accelerat prin creșterea temperaturii. Adică, în apă fierbinte, colorarea cu permanganat de potasiu va avea loc mai rapid, iar mișcarea particulelor solide mici, de exemplu, așchii de grafit sau aceleași boabe de polen, are loc cu o intensitate mai mare. Acest lucru a confirmat faptul că viteza mișcării haotice a moleculelor depinde direct de temperatură. Fără a intra în detalii, enumeram ceea ce poate determina atât intensitatea mișcării browniene, cât și viteza de difuzie:

1) pe temperatură;

2) asupra tipului de substanță în care au loc aceste procese;

3) din starea de agregare.

Adică, la aceeași temperatură, difuzia substanțelor gazoase se desfășoară mult mai repede decât a lichidelor, ca să nu mai vorbim de difuzia solidelor, care are loc atât de lent, încât rezultatul său, chiar și foarte nesemnificativ, poate fi văzut fie la temperaturi foarte ridicate, fie pe o perioadă de timp. foarte mult timp - ani sau chiar decenii.

5. Aplicare practică

Difuzie și fără aplicare practică este de mare importanță nu numai pentru oameni, ci și pentru întreaga viață de pe Pământ: datorită difuziei oxigenul pătrunde în sângele nostru prin plămâni, prin difuzie plantele extrag apă din sol, absorb dioxidul de carbon din atmosferă și eliberează oxigen în el, iar peștii respiră în apă cu oxigen, care intră în apă din atmosferă prin difuzie.

Fenomenul de difuzie este folosit si in multe domenii ale tehnologiei, in special difuzia in solide. De exemplu, există un astfel de proces - sudarea prin difuzie. În acest proces, piesele sunt presate foarte strâns unele pe altele, încălzite la 800 °C și sunt conectate între ele prin difuzie. Datorită difuziei, atmosfera pământului, constând din cantitate mare gaze diferite, nu este împărțit în straturi separate în compoziție, ci este aproximativ uniform peste tot - dar dacă ar fi altfel, cu greu am putea respira.

Există un număr imens de exemple de influență a difuzării asupra vieții noastre și asupra întregii naturi, pe care oricare dintre voi le puteți găsi dacă doriți. Dar puțin se poate spune despre aplicarea mișcării browniene, cu excepția faptului că teoria în sine care descrie această mișcare poate fi folosită în alte fenomene care par complet fără legătură cu fizica. De exemplu, această teorie este folosită pentru a descrie procese aleatorii folosind o cantitate mare de date și statistici - cum ar fi modificările de preț. Teoria mișcării browniene este folosită pentru a crea realiste grafica pe computer. Este interesant că o persoană pierdută în pădure se mișcă aproximativ în același mod ca particulele browniene - rătăcind dintr-o parte în alta, traversându-și în mod repetat traiectoria.

1) Când vorbim în clasă despre mișcarea și difuzia browniană, este necesar să subliniem că aceste fenomene nu dovedesc faptul existenței moleculelor, ci dovedesc faptul mișcării lor și faptul că aceasta este dezordonată - haotică.

2) Asigurați-vă că acordați o atenție deosebită faptului că aceasta este o mișcare continuă în funcție de temperatură, adică o mișcare termică care nu se poate opri niciodată.

3) Demonstrați difuzia folosind apă și permanganat de potasiu, instruindu-i pe cei mai curioși copii să efectueze un experiment similar acasă și făcând fotografii cu apă cu permanganat de potasiu la fiecare oră sau două în timpul zilei (în weekend copiii vor fi bucuroși să facă acest lucru și trimite poza la tine). Este mai bine dacă într-un astfel de experiment există două recipiente cu apă - rece și fierbinte, astfel încât dependența ratei de difuzie de temperatură să poată fi demonstrată clar.

4) Încercați să măsurați viteza de difuzie în clasă folosind, de exemplu, deodorant - la un capăt al clasei pulverizăm o cantitate mică de aerosol, iar la 3-5 metri de acest loc un elev cu cronometru înregistrează timpul după care o miroase. Este distractiv, interesant și copiii își vor aminti mult timp!

5) Discutați cu copiii despre conceptul de haos și despre faptul că chiar și în procesele haotice oamenii de știință găsesc anumite modele.

« Fizica - clasa a X-a"

Amintiți-vă de fenomenul de difuziune de la cursul de fizică școlară de bază.
Cum poate fi explicat acest fenomen?

Anterior, ai învățat ce este difuziune, adică pătrunderea moleculelor unei substanțe în spațiul intermolecular al altei substanțe. Acest fenomen este determinat de mișcarea aleatorie a moleculelor. Acest lucru poate explica, de exemplu, faptul că volumul unui amestec de apă și alcool este mai mic decât volumul componentelor sale constitutive.

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 suferă o mișcare aleatorie, care se numește Brownian.

Mișcarea browniană 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 printr-un microscop.

Mai târziu s-a uitat la alte particule mici, inclusiv bucăți de piatră din piramidele egiptene. În zilele noastre, pentru a observa mișcarea browniană, ei folosesc particule de vopsea de gumă, care este insolubilă în apă. Aceste particule se mișcă aleatoriu. Cel mai uimitor 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 dau semne de viață.

Mișcarea browniană este mișcare termică și nu se poate opri. Pe măsură ce temperatura crește, intensitatea acesteia crește.

Figura 8.3 prezintă traiectoriile 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 complexă.

Explicația mișcării browniene.

Mișcarea browniană poate fi explicată doar pe baza teoriei cinetice moleculare.

„Puține fenomene pot captiva un observator la fel de mult ca mișcarea browniană. Aici, observatorului i se permite să privească în culise a ceea ce se întâmplă în natură. Se deschide înaintea lui lume nouă- forfota non-stop a unui număr mare de particule. Cele mai mici particule zboară rapid prin câmpul vizual al microscopului, schimbând aproape instantaneu direcția de mișcare. Particulele mai mari se mișcă mai lent, dar schimbă și în mod constant direcția de mișcare. Particulele mari sunt practic zdrobite pe loc. Proeminențele lor arată clar rotația particulelor în jurul axei lor, care își schimbă constant direcția în spațiu. Nu există nicio urmă de sistem sau ordine nicăieri. Dominanța șansei oarbe – aceasta este impresia puternică și copleșitoare pe care această imagine o face observatorului.” R. Paul (1884-1976).

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 particulei browniene, de exemplu, la stânga și la 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 schimbare în mișcarea particulei.

Teoria cinetică moleculară 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 cinetice moleculare. În 1926, J. Perrin a primit Premiul Nobel pentru studiul său asupra structurii materiei.

experimentele lui Perrin.

Ideea experimentelor lui Perrin este următoarea. Se știe că concentrația moleculelor de gaz în atmosferă scade odată cu altitudinea. 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 în înălțime, 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 neglijabil de mică, colecția acestor particule într-un gaz sau lichid poate fi considerată un gaz ideal de molecule foarte grele. În consecință, concentrația particulelor browniene într-un gaz sau lichid în câmpul gravitațional al Pământului ar trebui să scadă conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Această lege este cunoscută.

Perrin, folosind un microscop de mare mărire cu 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, 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.

Toate aceste fapte indică corectitudinea teoriei mișcării browniene și că particulele browniene participă la mișcarea termică a moleculelor.

Numărarea particulelor browniene la diferite altitudini i-a permis lui Perrin să determine constanta lui Avogadro folosind o metodă complet nouă. Valoarea acestei constante a coincis cu cea cunoscută anterior.

Ce este mișcarea browniană?

Acum veți face cunoștință cu cele mai evidente dovezi ale 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 este difuziune, adică amestecarea gazelor, lichidelor și solidelor în contact 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 constitutive. Dar cea mai evidentă dovadă a mișcării moleculelor poate fi obținută prin observarea la microscop a celor mai mici particule din orice substanță suspendată în apă. solid. Aceste particule suferă o mișcare aleatorie, care 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 printr-un microscop. Mai târziu s-a uitat la alte particule mici, inclusiv bucăți de piatră din piramidele egiptene. În zilele noastre, pentru a observa mișcarea browniană, ei folosesc particule de vopsea de gumă, care este insolubilă în apă. Aceste particule se mișcă aleatoriu. Cel mai uimitor 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 dau 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 complexă.

Mișcarea browniană poate fi observată și în gaz. Este cauzată de particulele de praf sau fum suspendate în aer.

Fizicianul german R. Pohl (1884-1976) descrie plin de culoare mișcarea browniană: „Puține fenomene sunt capabile să captiveze un observator 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 de un număr imens de particule. Cele mai mici particule zboară rapid prin câmpul vizual al microscopului, schimbând aproape instantaneu direcția de mișcare. Particulele mai mari se mișcă mai lent, dar schimbă și în mod constant direcția de mișcare. Particulele mari sunt practic zdrobite pe loc. Proeminențele lor arată clar rotația particulelor în jurul axei lor, care își schimbă constant direcția în spațiu. Nu există nicio urmă de sistem sau ordine nicăieri. Dominanța șansei oarbe – aceasta este impresia puternică și copleșitoare pe care această imagine o face observatorului.”

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

Explicația mișcării browniene

Mișcarea browniană poate fi explicată doar pe baza teoriei cinetice moleculare. Motivul pentru mișcarea browniană 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 particulei browniene, de exemplu, la stânga și la 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 schimbare în mișcarea particulei.

Presiunea medie are o anumită valoare atât în ​​gaz, cât și în lichid. Dar există întotdeauna abateri minore 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 ale moleculei, atunci forța de presiune care acționează asupra ei se schimbă brusc de la zero la o anumită valoare atunci când molecula lovește această zonă.

Teoria cinetică moleculară 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 cinetice moleculare.

experimentele lui Perrin

Ideea experimentelor lui Perrin este următoarea. Se știe că concentrația moleculelor de gaz în atmosferă scade odată cu altitudinea. 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 în înălțime, așa cum am 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 neglijabil de mică, colecția acestor particule într-un gaz sau lichid poate fi considerată un gaz ideal de molecule foarte grele. În consecință, concentrația particulelor browniene într-un gaz sau lichid în câmpul gravitațional al Pământului ar trebui să scadă conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Această lege este cunoscută.

Perrin, folosind un microscop de mare mărire cu 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, 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 a permis lui Perrin să determine constanta lui Avogadro folosind o metodă complet nouă. Valoarea acestei constante a coincis cu cea cunoscută.

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

Ați văzut clar existența mișcării termice; a văzut o mișcare haotică având loc. 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 și că aceste particule minuscule, fiind în mișcare haotică continuă, împing constant particula browniană din direcții diferite.

Dar ceea ce este interesant este că oamenii de știință au demonstrat că particulele sunt mai multe dimensiuni mari, care depășesc 5 microni rămân nemișcați și aproape nu participă la mișcarea browniană, ceea ce nu se poate spune despre particule mai mici. Particulele cu o dimensiune mai mică de 3 microni sunt capabile să se miște translațional, să efectueze rotații sau să scrie traiectorii complexe.

Atunci când un corp mare este scufundat în mediul înconjurător, șocurile care apar în cantitate uriașă par să atingă un nivel mediu și să mențină o presiune constantă. În acest caz, teoria lui Arhimede intră în joc, deoarece un corp mare înconjurat de mediu din 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 vibrații ale acestor particule. Se poate concluziona că particulele browniene din mediu sunt în suspensie, spre deosebire de particulele mari care se scufundă sau plutesc.

Înţeles brownian motion

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

În primul rând, mișcarea browniană joacă un rol semnificativ în nutriția plantelor din sol;
În al doilea rând, în organismele umane și animale, absorbția nutrienților are loc prin pereții organelor digestive datorită mișcării browniene;
În al treilea rând, în implementarea respirației cutanate;
Și, în sfârșit, mișcarea browniană este importantă în distribuția 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. Credeți că mișcarea browniană este termică și vă justificați răspunsul?
5. Se va schimba natura mișcării browniene atunci când este încălzită? Dacă se schimbă, cum mai exact?
6. Ce dispozitiv este folosit pentru a studia mișcarea browniană?
7. Se schimbă modelul mișcării browniene odată cu creșterea temperaturii și cum anume?
8. Vor exista modificări în mișcarea browniană dacă emulsia apoasă este înlocuită cu glicerol?

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