Брауново движение(Брауново движение) - хаотично движение на микроскопични частици твърда материя, видими суспендирани в течност или газ, причинено от термичното движение на частици от течност или газ. Открит е през 1827 г. от Робърт Браун (по-точно Браун). Брауновското движение никога не спира. Свързва се с термично движение, но тези понятия не трябва да се бъркат. Брауновото движение е следствие и доказателство за съществуването на топлинно движение.
Брауновото движение е ясно експериментално потвърждение на хаотичното термично движение на атоми и молекули, което е основната позиция на молекулярно-кинетична теория. Ако интервалът на наблюдение е много по-дълъг от характерното време на промяна на силата, действаща върху частицата от молекулите на средата, и няма други външни сили, тогава средният квадрат на проекцията на изместването на частицата върху която и да е ос е пропорционален на времето. Тази позиция понякога се нарича закон на Айнщайн.
Освен транслационно броуново движение има и ротационно броуново движение - произволно въртене на брауновска частица под въздействието на удари на молекулите на средата. За ротационно броуново движение средноквадратичното ъглово изместване на частица е пропорционално на времето за наблюдение.
Същността на явлението
Брауновото движение възниква поради факта, че всички течности и газове се състоят от атоми или молекули - най-малките частици, които са в постоянно хаотично топлинно движение и следователно непрекъснато избутват брауновската частица от различни страни. Установено е, че големите частици са по-големи от 5 µmте практически не участват в брауново движение (те са неподвижни или седиментирани), по-малките частици (по-малко от 3 микрона) се движат напред по много сложни траектории или се въртят.
Когато голямо тяло е потопено в средата, тогава ударите, които се появяват в голям брой, се осредняват и образуват постоянно налягане. Ако голямо тяло е заобиколено от среда от всички страни, тогава налягането е практически балансирано, остава само повдигащата сила на Архимед - такова тяло плавно изплува или потъва.
Ако тялото е малко, като браунова частица, тогава се забелязват колебания на налягането, които създават забележима произволно променяща се сила, водеща до трептения на частицата. Брауновските частици обикновено не потъват или плават, а са суспендирани в среда.
Отваряне
Теория на Брауновото движение
Математическото изследване на Брауновото движение е започнато от А. Айнщайн, П. Леви и Н. Винер.
Изграждане на класическата теория
D = R T 6 N A π a ξ , (\displaystyle D=(\frac (RT)(6N_(A)\pi a\xi )),)където D (\displaystyle D)- коефициент на дифузия, R (\displaystyle R)е универсалната газова константа, T (\displaystyle T)- абсолютна температура, N A (\displaystyle N_(A))е константата на Авогадро, а (\displaystyle a)- радиус на частиците, ξ (\displaystyle \xi)- динамичен вискозитет.
При извеждането на закона на Айнщайн се приема, че изместванията на частиците във всяка посока са еднакво вероятни и че инерцията на Браунова частица може да бъде пренебрегната в сравнение с ефекта на силите на триене (това е приемливо за достатъчно дълги времена). Формула за коефициент дсе основава на прилагането на закона на Стокс за хидродинамично съпротивление при движение на сфера с радиус авъв вискозна течност.
Коефициентът на дифузия на броунова частица свързва средния квадрат на нейното изместване х(в проекция върху произволна фиксирана ос) и време за наблюдение τ:
⟨ x 2 ⟩ = 2 D τ . (\displaystyle \langle x^(2)\rangle =2D\tau .)Средностатистическият ъгъл на въртене на Браунова частица φ (по отношение на произволна фиксирана ос) също е пропорционален на времето за наблюдение:
⟨ φ 2 ⟩ = 2 D r τ . (\displaystyle \langle \varphi ^(2)\rangle =2D_(r)\tau .)Тук D rе коефициентът на ротационна дифузия, който за сферична броунова частица е равен на
D r = R T 8 N A π a 3 ξ . (\displaystyle D_(r)=(\frac (RT)(8N_(A)\pi a^(3)\xi)).)Експериментално потвърждение
Формулата на Айнщайн е потвърдена от опитите на Жан Перен и неговите ученици през 1908-1909 г., както и от Т. Сведберг. За да провери статистическата теория на Айнщайн-Смолуховски и закона за разпределението на Л. Болцман, Дж. Б. Перин използва следното оборудване: предметно стъкло с цилиндрична вдлъбнатина, покривно стъкло, микроскоп с малка дълбочина на изображението. Като браунови частици Перин използва зърна от мастична смола и гумигут, гъст млечен сок от дървета от рода Garcinia. За наблюдения Перин използва ултрамикроскопа, изобретен през 1902 г. Микроскопът с този дизайн направи възможно да се видят най-малките частици поради разсейването на светлината от мощен страничен осветител върху тях. Валидността на формулата е установена за различни размери на частиците - от 0,212 µmдо 5,5 микрона, за различни разтвори (захарен разтвор, глицерин), в които се движат частиците.
Приготвянето на емулсия с частици хумигут изисква много работа от експериментатора. Перин смила смолата във вода. Под микроскоп се видя, че в оцветената вода има огромен брой жълти топчета. Тези топки се различаваха по размер, те бяха твърди образувания, които не се слепват една с друга по време на сблъсъци. За да разпредели топките по размер, Перин постави епруветки с емулсия в центробежна машина. Машината беше въведена в ротация. След няколко месеца упорита работа Перин най-накрая успя да получи порции от емулсията със същия размер гумигут зърна. r ~ 10 -5см). Към водата се добавя голямо количество глицерин. Всъщност малки топчета с почти сферична форма бяха суспендирани в глицерин, съдържащ само 12% вода. Повишеният вискозитет на течността предотвратява появата на вътрешни потоци в нея, което би довело до изкривяване на истинската картина на Брауновото движение.
Според предположението на Перин, зърната на разтвора, еднакви по размер, трябва да бъдат разположени в съответствие със закона за разпределение на броя на частиците с височина. За да проучи разпределението на частиците по височина, експериментаторът направи цилиндрична вдлъбнатина в предметното стъкло. Той напълни тази вдлъбнатина с емулсия, след което я покри с покривен лист. За да наблюдава ефекта, J. B. Perrin използва микроскоп с малка дълбочина на изображението.
Перин започва своето изследване, като тества основната хипотеза на статистическата теория на Айнщайн. Въоръжен с микроскоп и хронометър, той наблюдава и записва в осветената камера позициите на една и съща емулсионна частица на равни интервали.
Наблюденията показаха, че произволното движение на Браунови частици води до факта, че те се движат в пространството много бавно. Частиците направиха множество обратни движения. В резултат на това сумата от сегментите между първата и последната позиция на частицата е много по-голяма от директното изместване на частицата от първата точка до последната.
Перин отбеляза и след това скицира на мащабиран лист хартия позицията на частиците на равни интервали от време. Наблюденията бяха правени на всеки 30 s. Свързвайки получените точки с прави линии, той получи сложни начупени траектории.
След това Перин определя броя на частиците в емулсионните слоеве с различна дълбочина. За да направи това, той последователно фокусира микроскопа върху отделни слоеве от суспензия. Изборът на всеки следващ слой се извършва на всеки 30 микрона. Така Перин може да наблюдава броя на частиците в много тънък слой емулсия. В този случай частиците от други слоеве не попаднаха във фокуса на микроскопа. Използвайки този метод, ученият може да определи количествено промяната в броя на Брауновските частици с височината.
Въз основа на резултатите от този експеримент Перин успя да определи стойността на константата на Авогадро н НО.
Отношенията за ротационното Брауново движение също са потвърдени от експериментите на Перин, въпреки че този ефект е много по-труден за наблюдение от транслационното Брауново движение.
Брауновото движение като немарков случаен процес
Теорията на Брауновото движение, добре развита през последния век, е приблизителна. Въпреки че в повечето случаи от практическо значение съществуващата теория дава задоволителни резултати, в някои случаи може да изисква усъвършенстване. Така експериментална работа, извършена в началото на 21-ви век в Политехническия университет в Лозана, Тексаския университет и Европейската лаборатория за молекулярна биология в Хайделберг (под ръководството на С. Джени), показа разликата в поведението на Браунов частица от това, теоретично предсказано от теорията на Айнщайн-Смолуховски, което беше особено забележимо при увеличаване на размера на частиците. Изследванията засегнаха и анализа на движението на околните частици на средата и показаха значително взаимно влияние на движението на Браунова частица и движението на причинените от нея частици на средата една върху друга, т.е. наличие на "памет" в Браунова частица, или, с други думи, зависимостта на нейните статистически характеристики в бъдещето от цялата праистория на нейното поведение в миналото. Този факт не е взет предвид в теорията на Айнщайн-Смолуховски.
Процесът на Брауново движение на частица във вискозна среда, най-общо казано, принадлежи към класа на немарковските процеси и за по-точното му описание е необходимо да се използват интегрални стохастични уравнения.
Вижте също
Бележки
- Брауново движение / В. П. Павлов // Голяма руска енциклопедия: [в 35 тома] / гл. изд.
Брауново движение- в естествената наука, произволното движение на микроскопични, видими частици от твърдо вещество, суспендирано в течност (или газ), причинено от термичното движение на частици от течност (или газ).
Брауновото движение възниква поради факта, че всички течности и газове се състоят от атоми или молекули - най-малките частици, които са в постоянно хаотично топлинно движение и следователно непрекъснато избутват брауновската частица от различни страни. Установено е, че големите частици с размери над 5 микрона практически не участват в Брауновото движение, по-малките частици (по-малко от 3 микрона) се движат напред по много сложни траектории или се въртят. Когато голямо тяло е потопено в средата, ударите, които се появяват в голям брой, се осредняват и образуват постоянно налягане. Ако голямо тяло е заобиколено от среда от всички страни, тогава налягането е практически балансирано, остава само повдигащата сила на Архимед - такова тяло плавно изплува или потъва. Ако тялото е малко, като браунова частица, тогава се забелязват колебания на налягането, които създават забележима произволно променяща се сила, водеща до трептения на частицата. Брауновските частици обикновено не потъват или плават, а са суспендирани в среда.
Основният физически принцип, залегнал в основата на Брауновото движение, е, че средната кинетична енергия на движението на молекулите на течност (или газ) е равна на средната кинетична енергия на всяка частица, суспендирана в тази среда. Следователно средната кинетична енергия< Е> транслационно движение на Браунова частица е равно на:
< Е> =м<v 2 >/ 2 = 3kT/2,
където ме масата на Браунова частица, v- нейната скорост ке константата на Болцман, T- температура. От тази формула можем да видим, че средната кинетична енергия на броунова частица, а оттам и интензивността на нейното движение, се увеличава с повишаване на температурата.
Брауновската частица ще се движи по зигзагообразен път, отдалечавайки се постепенно от началната точка. Изчисленията показват, че стойността на средния квадрат на изместването на Браунова частица r 2 =х 2 +г 2 +z 2 се описва с формулата:
< r 2 > = 6kTBt
където Б- подвижност на частиците, която е обратно пропорционална на вискозитета на средата и размера на частиците. Тази формула, наречена формула на Айнщайн, е експериментално потвърдена с всички възможни грижи от френския физик Жан Перен (1870-1942). Въз основа на измерването на параметрите на движението на Браунова частица, Перин получава стойностите на константата на Болцман и числото на Авогадро, които са в добро съответствие със стойностите, получени от други методи в границите на грешките на измерването .
15. Първият закон на термодинамиката. Работа, топлина, вътрешна енергия.
Формулировка:количеството топлина, получено от системата, отива за промяна на вътрешната й енергия и извършване на работа срещу външни сили.
Първият закон (първи закон) на термодинамиката може да се формулира по следния начин: „Промяната в общата енергия на системата вквазистатичен процес е равно на количеството топлина Q, докладвано на системата, общо с промяната в енергията, свързана с количеството вещество N при химичния потенциал, и работата A, извършена върху системата от външни сили и полета, минус работата Извършва се от самата система срещу външни сили":.
За елементарно количество топлина, елементарна работа и малък прираст (общ диференциал) на вътрешната енергия, първият закон на термодинамиката има формата:
Разделянето на работата на две части, едната от които описва работата, извършена върху системата, а втората - работата, извършена от самата система, подчертава, че тези работи могат да бъдат извършени от сили от различно естество поради различни източници на сили .
Вътрешна енергиятялое общата енергия на това тяло минус кинетичната енергия на тялото като цяло и потенциалната енергия на тялото във външното поле на сили. Вътрешната енергия е еднозначна функция на състоянието на системата. Това означава, че когато една система се окаже в дадено състояние, нейната вътрешна енергия приема стойността, присъща на това състояние, независимо от историята на системата. Следователно промяната на вътрешната енергия по време на прехода от едно състояние в друго винаги ще бъде равна на разликата между нейните стойности в крайното и първоначалното състояние, независимо от пътя, по който е направен преходът.
Вътрешната енергия на тялото не може да бъде измерена директно. Можете да определите само промяната във вътрешната енергия: къде е топлината, подадена на тялото, измерена в джаули, е работата, извършена от тялото срещу външни сили, измерена в джаули
Вътрешната енергия на идеалния газ зависи само от неговата температура и не зависи от обема.Молекулярно-кинетичната теория води до следния израз за вътрешната енергия на един мол идеален едноатомен газ (хелий, неон и др.), чиито молекули извършват само транслационно движение: 
|
Тъй като потенциалната енергия на взаимодействието на молекулите зависи от разстоянието между тях, в общия случай вътрешната енергия U на тялото зависи, заедно с температурата T, и от обема V: U = U (T, V) . |
|
Вътрешната енергия на тялото може да се промени, ако външните сили, действащи върху него, вършат работа (положителна или отрицателна). Например, ако газ се компресира в цилиндър под бутало, тогава външните сили извършват някаква положителна работа A върху газа. В същото време силите на налягане, действащи върху буталото от газа, извършват работа A = -A". Ако обемът на газа се е променил с малко ΔV, тогава газът работи pSΔx = pΔV, където p е налягането на газа, S е площта на буталото, Δx е неговото изместване (фиг. 3.8.1). При разширяване работата, извършена от газа, е положителна, а когато се компресира, е отрицателна. В общия случай, по време на прехода от някакво начално състояние (1) към крайно състояние (2), работата на газа се изразява с формулата: |
или в границата като ΔV i → 0:
|
Работата е числено равна на площта под графиката на процеса на диаграмата (p, V). Обемът на работа зависи от това как е направен преходът от първоначалното състояние към крайното състояние. На фиг. 3.8.2 показва три различни процеса, които променят газа от състояние (1) в състояние (2). И в трите случая газът върши различна работа.
|
|
Процесите, изобразени на фиг. 3.8.2 може да се извърши и в обратна посока; тогава задача A просто ще обърне знака. Процеси от този вид, които могат да се извършват и в двете посоки, се наричат обратими.За разлика от газ, течностите и твърдите тела променят малко обема си, така че в много случаи работата, извършена по време на разширяване или свиване, може да бъде пренебрегната. Въпреки това, вътрешната енергия на течни и твърди тела също може да се промени в резултат на работа. При механична обработка на части (например при пробиване) те се нагряват. Това означава, че тяхната вътрешна енергия се променя. Друг пример е експериментът на Джоул (1843 г.) за определяне на механичния еквивалент на топлина. Когато спинерът, потопен в течност, се върти, външните сили извършват положителна работа (A "\u003e 0); в този случай течността се нагрява поради наличието на вътрешни сили на триене, т.е. вътрешната му енергия се увеличава. В тези два примера процесите не могат да се извършват в обратна посока. Такива процеси се наричат необратими.
BROWNIAN ДВИЖЕНИЕ(Брауново движение) - хаотично движение на малки частици, суспендирани в течност или газ, възникващо под въздействието на въздействията на молекулите на околната среда. Изследван през 1827 г. от П. Браун (Браун; Р. Браун), за да наблюдава под микроскоп движението на цветния прашец, суспендиран във вода. Наблюдаваните частици (Brownian) с размер от ~1 μm и по-малко правят неуредени независими движения, описвайки сложни зигзагообразни траектории. Интензитетът на B. d. не зависи от времето, но се увеличава с повишаване на температурата на средата, намаляване на нейния вискозитет и размера на частиците (независимо от тяхната химическа природа). Пълната теория на Б. д. е дадена от А. Айнщайн и М. Смолуховски през 1905-06.
Причините за B. D. са термичното движение на молекулите на средата и липсата на точна компенсация за въздействията на частицата от заобикалящите я молекули, т.е. B. D. се дължи на флуктуацииналягане. Ударите на молекулите на средата водят частицата в произволно движение: скоростта й бързо се променя по големина и посока. Ако позицията на частиците е фиксирана на малки равни интервали от време, тогава изградената по този метод траектория се оказва изключително сложна и объркваща (фиг.).
Б. д. - Найб. визуален експеримент. потвърждение на представите молекулярно-кинетични. теории за хаоса. термично движение на атоми и молекули. Ако интервалът на наблюдение t е достатъчно голям, така че силите, действащи върху частицата от молекулите на средата, променят посоката си многократно, тогава вж. квадратът на проекцията на нейното преместване върху to-l. оста (при липса на други външни сили) е пропорционална на времето t (законът на Айнщайн):
Брауново движение - Случайно движение на микроскопични частици от твърдо вещество, видими, суспендирани в течност или газ, причинено от термичното движение на частици от течност или газ. Брауновското движение никога не спира. Брауновото движение е свързано с термичното движение, но тези понятия не трябва да се бъркат. Брауновото движение е следствие и доказателство за съществуването на топлинно движение.
Брауновото движение е най-очевидното експериментално потвърждение на идеите на молекулярно-кинетична теория за хаотичното топлинно движение на атоми и молекули. Ако интервалът на наблюдение е достатъчно голям, така че силите, действащи върху частицата от молекулите на средата, променят посоката си многократно, тогава средният квадрат на проекцията на нейното изместване върху която и да е ос (при липса на други външни сили) е пропорционално на времето.
При извеждането на закона на Айнщайн се приема, че изместванията на частиците във всяка посока са еднакво вероятни и че инерцията на Браунова частица може да бъде пренебрегната в сравнение с влиянието на силите на триене (това е приемливо за достатъчно дълги времена). Формулата за коефициента D се основава на прилагането на закона на Стокс за хидродинамичното съпротивление при движение на сфера с радиус a във вискозна течност. Връзките за и D бяха експериментално потвърдени от измерванията на J. Perrin и T. Svedberg. От тези измервания експериментално се определят константата на Болцман k и константата на Авогадро NA. В допълнение към транслационното Брауново движение има и ротационно броуново движение - произволно въртене на Браунова частица под въздействието на удари на молекулите на средата. За ротационно броуново движение средноквадратичното ъглово изместване на частица е пропорционално на времето за наблюдение. Тези връзки бяха потвърдени и от експериментите на Перин, въпреки че този ефект е много по-труден за наблюдение от транслационното Брауново движение.
Същността на явлението
Брауновото движение възниква поради факта, че всички течности и газове се състоят от атоми или молекули - най-малките частици, които са в постоянно хаотично топлинно движение и следователно непрекъснато избутват брауновската частица от различни страни. Установено е, че големите частици по-големи от 5 µm практически не участват в Брауновото движение (те са неподвижни или седиментирани), по-малките частици (по-малко от 3 µm) се движат прогресивно по много сложни траектории или се въртят. Когато голямо тяло е потопено в средата, ударите, които се появяват в голям брой, се осредняват и образуват постоянно налягане. Ако голямо тяло е заобиколено от среда от всички страни, тогава налягането е практически балансирано, остава само повдигащата сила на Архимед - такова тяло плавно изплува или потъва. Ако тялото е малко, като браунова частица, тогава се забелязват колебания на налягането, които създават забележима произволно променяща се сила, водеща до трептения на частицата. Брауновските частици обикновено не потъват или плават, а са суспендирани в среда.
Теория на Брауновото движение
През 1905 г. Алберт Айнщайн създава молекулярно-кинетична теория за количествено описание на Брауновското движение.По-специално, той извежда формула за коефициента на дифузия на сферични броунови частици:
където д- коефициент на дифузия, Ре универсалната газова константа, Tе абсолютната температура, Н Ае константата на Авогадро, а- радиус на частицата, ξ - динамичен вискозитет.
Брауновото движение като немарковско
произволен процес
Теорията на Брауновото движение, добре развита през последния век, е приблизителна. И въпреки че в повечето случаи от практическо значение съществуващата теория дава задоволителни резултати, в някои случаи може да изисква пояснения. Така експериментална работа, извършена в началото на 21-ви век в Политехническия университет в Лозана, Тексаския университет и Европейската лаборатория за молекулярна биология в Хайделберг (под ръководството на С. Джени), показа разликата в поведението на Браунов частица от това, теоретично предсказано от теорията на Айнщайн-Смолуховски, което беше особено забележимо при увеличаване на размера на частиците. Изследванията засегнаха и анализа на движението на околните частици на средата и показаха значително взаимно влияние на движението на Браунова частица и движението на причинените от нея частици на средата една върху друга, т.е. наличие на "памет" в Браунова частица, или, с други думи, зависимостта на нейните статистически характеристики в бъдещето от цялата праистория на нейното поведение в миналото. Този факт не е взет предвид в теорията на Айнщайн-Смолуховски.
Процесът на Брауново движение на частица във вискозна среда, най-общо казано, принадлежи към класа на немарковските процеси и за по-точното му описание е необходимо да се използват интегрални стохастични уравнения.
Какво е Брауново движение?
Сега ще се запознаете с най-очевидното доказателство за термичното движение на молекулите (втората основна позиция на молекулярно-кинетична теория). Не забравяйте да се опитате да погледнете през микроскоп и да видите как се движат така наречените браунови частици.
Преди това научихте какво дифузият.е. смесването на газове, течности и твърди вещества в техния директен контакт. Това явление може да се обясни с произволното движение на молекулите и проникването на молекули на едно вещество в пространството между молекулите на друго вещество. Това може да обясни например факта, че обемът на смес от вода и алкохол е по-малък от обема на нейните компоненти. Но най-очевидното доказателство за движението на молекулите може да се получи чрез наблюдение под микроскоп на най-малките частици от всяко твърдо вещество, суспендирано във вода. Тези частици се движат произволно, което се нарича брауновски.
Това е термичното движение на частици, суспендирани в течност (или газ).
Наблюдение на Брауново движение
Английският ботаник Р. Браун (1773-1858) за първи път наблюдава това явление през 1827 г., като изследва под микроскоп спорите на мъха, суспендирани във вода. По-късно той разглежда други малки частици, включително частици от камък от египетските пирамиди. Сега, за да се наблюдава Брауновото движение, се използват частици от боя за гумигут, която е неразтворима във вода. Тези частици се движат произволно. Най-поразителното и необичайно за нас е, че това движение никога не спира. Свикнали сме с факта, че всяко движещо се тяло рано или късно спира. Първоначално Браун смяташе, че спорите на клубния мъх показват признаци на живот.
термично движение и то не може да спре. С повишаване на температурата интензитетът му се увеличава. Фигура 8.3 показва диаграма на движението на Браунови частици. Позициите на частиците, маркирани с точки, се определят на равни интервали от 30 s. Тези точки са свързани с прави линии. В действителност траекторията на частиците е много по-сложна.Брауново движение може да се наблюдава и в газ. Осъществява се от частици прах или дим, суспендирани във въздуха.
Немският физик Р. Пол (1884-1976) колоритно описва Брауновото движение: „Малко явления могат да завладеят наблюдателя толкова, колкото Брауновото движение. Тук на наблюдателя е позволено да погледне зад кулисите на случващото се в природата. Пред него се отваря нов свят - непрекъсната суматоха от огромен брой частици. Най-малките частици летят бързо в зрителното поле на микроскопа, почти мигновено променяйки посоката на движение. По-големите частици се движат по-бавно, но също така постоянно променят посоката си. Големите частици практически се блъскат на място. Техните издатини ясно показват въртенето на частиците около оста им, което постоянно променя посоката в пространството. Никъде няма следа от система или ред. Доминирането на сляпата случайност - ето какво силно, поразително впечатление прави тази картина на наблюдателя.
В момента концепцията Брауново движениеизползвани в по-широк смисъл. Например, Брауновото движение е треперенето на стрелките на чувствителните измервателни уреди, което възниква поради термичното движение на атомите на частите на инструмента и околната среда.
Обяснение на Брауновото движение
Брауновото движение може да се обясни само на базата на молекулярно-кинетична теория. Причината за Брауновото движение на частица е, че ударите на течни молекули върху частицата не се компенсират взаимно.. Фигура 8.4 показва схематично позицията на една броунова частица и най-близките до нея молекули. Когато молекулите се движат произволно, импулсите, които те предават на Браунова частица, например отляво и отдясно, не са еднакви. Следователно, резултантната сила на натиск на течни молекули върху Браунова частица е различна от нула. Тази сила причинява промяна в движението на частицата.
Средното налягане има определена стойност както в газ, така и в течност. Но винаги има леки случайни отклонения от тази средна стойност. Колкото по-малка е повърхността на тялото, толкова по-забележими са относителните промени в силата на натиск, действаща върху тази област. Така например, ако площта има размер от порядъка на няколко диаметъра на молекулата, тогава силата на налягане, действаща върху нея, се променя рязко от нула до определена стойност, когато молекулата навлезе в тази област.
Молекулярно-кинетичната теория на Брауновото движение е създадена през 1905 г. от А. Айнщайн (1879-1955).
Изграждането на теорията за Брауновото движение и нейното експериментално потвърждение от френския физик Ж. Перен окончателно завърши победата на молекулярно-кинетичната теория.
Експериментите на Перин
Идеята зад експериментите на Перин е следната. Известно е, че концентрацията на газовите молекули в атмосферата намалява с височината. Ако нямаше топлинно движение, тогава всички молекули щяха да паднат на Земята и атмосферата щеше да изчезне. Въпреки това, ако нямаше привличане към Земята, тогава поради термично движение, молекулите биха напуснали Земята, тъй като газът е способен на неограничено разширение. В резултат на действието на тези противоположни фактори се установява известно разпределение на молекулите по височина, както беше споменато по-горе, т.е. концентрацията на молекулите намалява доста бързо с височината. Освен това, колкото по-голяма е масата на молекулите, толкова по-бързо концентрацията им намалява с височината.
Брауновските частици участват в топлинното движение. Тъй като тяхното взаимодействие е незначително, съвкупността от тези частици в газ или течност може да се разглежда като идеален газ от много тежки молекули. Следователно концентрацията на Браунови частици в газ или течност в гравитационното поле на Земята трябва да намалява по същия закон като концентрацията на газовите молекули. Този закон е известен.
Перин, използвайки микроскоп с голямо увеличение и малка дълбочина на рязкост (малка дълбочина на рязкост), наблюдава Браунови частици в много тънки слоеве течност. Изчислявайки концентрацията на частици на различни височини, той установи, че тази концентрация намалява с височината по същия закон като концентрацията на газовите молекули. Разликата е, че поради голямата маса на Браунови частици, намаляването настъпва много бързо.
Освен това, преброяването на браунови частици на различни височини позволи на Перин да определи константата на Авогадро по напълно нов начин. Стойността на тази константа съвпадна с известната.
Всички тези факти свидетелстват за правилността на теорията за Брауновото движение и съответно за факта, че Брауновските частици участват в термичното движение на молекулите.
Вие ясно сте видели съществуването на топлинно движение; Видяхме хаотичното движение. Молекулите се движат дори по-случайно от брауновските частици.
Същността на явлението
Сега нека се опитаме да разберем същността на явлението Брауново движение. И това се случва, защото всички абсолютно течности и газове се състоят от атоми или молекули. Но също така знаем, че тези най-малки частици, намиращи се в непрекъснато хаотично движение, непрекъснато избутват Брауновската частица от различни страни.
Но ето какво е интересното, учените са доказали, че частици с по-големи размери, надвишаващи 5 микрона, остават неподвижни и почти не участват в Брауновото движение, което не може да се каже за по-малките частици. Частици с размер по-малък от 3 микрона могат да се движат напред, като правят завъртания или изписват сложни траектории.
Когато са потопени в околната среда на голямо тяло, треперенето, възникващо в огромен брой, изглежда достига средно ниво и поддържа постоянно налягане. В този случай теорията на Архимед влиза в игра, тъй като голямо тяло, заобиколено от среда от всички страни, балансира налягането и оставащата повдигаща сила позволява на това тяло да плува или потъва.
Но ако тялото има размери като Браунова частица, тоест напълно незабележимо, тогава стават забележими отклонения в налягането, които допринасят за създаването на произволна сила, която води до трептения на тези частици. Може да се заключи, че Брауновските частици в средата са във суспензия, за разлика от големите частици, които потъват или плават.
Значение на Брауновото движение
Нека се опитаме да разберем дали Брауновското движение в естествената среда има някакво значение:
Първо, Брауновото движение играе значителна роля в храненето на растенията от почвата;
Второ, в човешките и животинските организми усвояването на хранителните вещества става през стените на храносмилателните органи поради броуново движение;
На трето място, при осъществяване на кожно дишане;
И накрая, Брауновото движение има значение за разпространението на вредни вещества във въздуха и водата.
Домашна работа
Прочетете внимателно въпросите и дайте писмени отговори на тях:
1. Спомнете си какво се нарича дифузия?
2. Каква е връзката между дифузията и топлинното движение на молекулите?
3. Дефинирайте Брауновото движение.
4. Какво мислите, термично ли е Брауновското движение и обосновете отговора си?
5. Ще се промени ли естеството на Брауновото движение при нагряване? Ако се промени, как тогава?
6. Какъв инструмент се използва при изследването на Брауновото движение?
7. Променя ли се моделът на Брауновото движение с повишаване на температурата и как точно?
8. Ще има ли някаква промяна в Брауновото движение, ако водната емулсия се замени с глицерол?
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Физика 10 клас
