Culoarea mișcării browniene. Mișcarea browniană: definiție. Mișcarea browniană - ce este? Mișcarea particulelor browniene

Mișcarea browniană(Mișcarea browniană) - mișcare haotică a particulelor microscopice de materie solidă vizibile suspendate într-un lichid sau gaz, cauzată de mișcarea termică a particulelor dintr-un lichid sau gaz. A fost descoperit în 1827 de Robert Brown (mai corect Brown). Mișcarea browniană nu se oprește niciodată. Este asociat cu mișcarea termică, dar aceste concepte nu trebuie confundate. Mișcarea browniană este o consecință și o dovadă a existenței mișcării termice.

Mișcarea browniană este o confirmare experimentală clară a mișcării termice haotice a atomilor și moleculelor, care este poziția fundamentală a teoriei cinetice moleculare. Dacă intervalul de observație este mult mai lung decât timpul caracteristic de schimbare a forței care acționează asupra particulei din moleculele mediului și nu există alte forțe externe, atunci pătratul mediu al proiecției deplasării particulei pe orice axă este proporțional cu timpul. Această poziție este uneori numită legea lui Einstein.

Pe lângă mișcarea browniană de translație, există și mișcarea browniană de rotație - rotația 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.

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 constatat că particulele mari mai mari decât 5 µm practic nu participă la mișcarea browniană (sunt nemișcate sau sedimente), particulele mai mici (mai puțin de 3 microni) se deplasează înainte pe traiectorii 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 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, 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

Studiul matematic al mișcării browniene a fost început de A. Einstein, P. Levy și N. Wiener.

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) este constanta universală a gazului, T (\displaystyle T)- temperatura absoluta, N A (\displaystyle N_(A)) este constanta Avogadro, a (\displaystyle a)- raza particulelor, ξ (\displaystyle \xi )- vascozitate dinamica.

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 Stokes pentru rezistența hidrodinamică la mișcarea unei sfere cu o rază Aîntr-un lichid vâscos.

Coeficientul de difuzie al unei particule browniene raportează pătratul mediu al deplasării acesteia X(în proiecție pe o axă fixă ​​arbitrară) și timpul de observare τ:

⟨ x 2 ⟩ = 2 D τ . (\displaystyle \langle x^(2)\rangle =2D\tau .)

Unghiul rms de rotație al unei particule browniene φ (față de o axă fixă ​​arbitrară) este, de asemenea, proporțional cu timpul de observare:

⟨ φ 2 ⟩ = 2 D r τ . (\displaystyle \langle \varphi ^(2)\rangle =2D_(r)\tau.)

Aici D r este coeficientul de difuzie de rotație, care pentru o particulă browniană sferică este egal cu

D r = R T 8 N A π a 3 ξ . (\displaystyle D_(r)=(\frac (RT)(8N_(A)\pi a^(3)\xi )).)

Confirmare experimentală

Formula lui Einstein a fost confirmată de experimentele lui Jean Perrin și studenții săi din 1908-1909, precum și de T. Svedberg. Pentru a testa teoria statistică a lui Einstein-Smoluchowski și legea de distribuție a lui L. Boltzmann, J. B. Perrin a folosit următoarele echipamente: o lamă de sticlă cu o adâncime cilindrică, o lamă de acoperire, un microscop cu o adâncime mică a imaginii. Ca particule browniene, Perrin a folosit boabe de rășină de mastic și gummigut, o seva groasă lăptoasă a copacilor din genul Garcinia. Pentru observații, Perrin a folosit ultramicroscopul inventat în 1902. Un microscop cu acest design a făcut posibil să se vadă cele mai mici particule datorită împrăștierii luminii de la un iluminator lateral puternic pe ele. Valabilitatea formulei a fost stabilită pentru diferite dimensiuni ale particulelor - de la 0,212 um până la 5,5 microni, pentru diverse soluții (soluție de zahăr, glicerină), în care particulele s-au deplasat.

Prepararea unei emulsii cu particule de humigut a necesitat multă muncă din partea experimentatorului. Perrin măcina rășina în apă. La microscop, s-a văzut că în apa colorată erau un număr mare de bile galbene. Aceste bile diferă ca mărime, erau formațiuni solide care nu se lipeau între ele în timpul coliziunilor. Pentru a distribui bilele după mărime, Perrin a plasat eprubete cu emulsie într-o mașină centrifugă. Mașina a fost adusă în rotație. După câteva luni de muncă minuțioasă, Perrin a reușit în sfârșit să obțină porțiuni din emulsie cu boabe de gummigut de aceeași dimensiune. r ~ 10 -5 cm). În apă a fost adăugată o cantitate mare de glicerină. De fapt, bile minuscule de formă aproape sferică erau suspendate în glicerină care conținea doar 12% apă. Vâscozitatea crescută a lichidului a împiedicat apariția fluxurilor interne în acesta, ceea ce ar duce la o denaturare a imaginii adevărate a mișcării browniene.

Conform ipotezei lui Perrin, granulele soluției, identice ca mărime, ar trebui să fie localizate în conformitate cu legea distribuției numărului de particule cu înălțime. Pentru a studia distribuția particulelor în înălțime, experimentatorul a făcut o adâncitură cilindrică în lama de sticlă. A umplut această locașă cu emulsie, apoi a acoperit-o cu o lamă. Pentru a observa efectul, J. B. Perrin a folosit un microscop cu o adâncime mică a imaginii.

Perrin și-a început cercetările testând ipoteza principală a teoriei statistice a lui Einstein. Înarmat cu un microscop și un cronometru, el a observat și a înregistrat în camera iluminată pozițiile aceleiași particule de emulsie la intervale regulate.

Observațiile au arătat că mișcarea aleatorie a particulelor browniene a dus la faptul că acestea se mișcau în spațiu foarte lent. Particulele au făcut numeroase mișcări de întoarcere. Ca rezultat, suma segmentelor dintre prima și ultima poziție a particulei a fost mult mai mare decât deplasarea directă a particulei de la primul punct la ultimul.

Perrin a notat și apoi a schițat pe o foaie de hârtie la scară poziția particulelor la intervale regulate de timp. Observațiile au fost făcute la fiecare 30 de secunde. Conectând punctele obținute cu linii drepte, el a obținut traiectorii rupte complicate.

Apoi, Perrin a determinat numărul de particule din straturi de emulsie de diferite adâncimi. Pentru a face acest lucru, a concentrat succesiv microscopul pe straturi individuale de suspensie. Selecția fiecărui strat ulterior a fost efectuată la fiecare 30 de microni. Astfel, Perrin a putut observa numărul de particule dintr-un strat foarte subțire de emulsie. În acest caz, particulele altor straturi nu au căzut în focarul microscopului. Folosind această metodă, omul de știință ar putea cuantifica modificarea numărului de particule browniene cu înălțimea.

Pe baza rezultatelor acestui experiment, Perrin a putut determina valoarea constantei Avogadro N DAR.

Relațiile pentru mișcarea browniană de rotație au fost, de asemenea, confirmate de experimentele lui Perrin, deși acest efect este mult mai dificil de observat decât mișcarea browniană de translație.

Mișcarea browniană ca proces aleator non-Markovian

Teoria mișcării browniene, bine dezvoltată în ultimul secol, este aproximativă. Deși în majoritatea cazurilor de importanță practică teoria existentă dă rezultate satisfăcătoare, în unele cazuri poate necesita o rafinare. 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-Markov, iar pentru descrierea sa mai precisă este necesar să se utilizeze ecuații stocastice integrale.

Vezi si

Note

1. Mișcarea browniană / V. P. Pavlov // Marea Enciclopedie Rusă: [în 35 de volume] / cap. ed.

Mișcarea browniană- în știința naturii, mișcarea aleatorie a particulelor microscopice, vizibile, ale unei substanțe solide suspendate într-un lichid (sau gaz), cauzată de mișcarea termică a particulelor unui lichid (sau gaz).

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 cu dimensiuni mai mari de 5 microni practic nu participă la mișcarea browniană, particulele mai mici (mai puțin de 3 microni) 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.

Principiul fizic de bază care stă la baza mișcării browniene este că energia cinetică medie a mișcării moleculelor unui lichid (sau gaz) este egală cu energia cinetică medie a oricărei particule suspendate în acest mediu. Prin urmare, energia cinetică medie< E> mișcarea de translație a unei particule browniene este egală cu:

< E> =m<v 2 >/ 2 = 3kT/2,

Unde m este masa particulei browniene, v- viteza ei k este constanta Boltzmann, T- temperatura. Din această formulă putem observa că energia cinetică medie a unei particule browniene și, prin urmare, intensitatea mișcării sale, crește odată cu creșterea temperaturii.

Particula browniană se va deplasa pe o cale în zig-zag, îndepărtându-se treptat de punctul de plecare. Calculele arată că valoarea pătratului mediu a deplasării unei particule browniene r 2 =X 2 +y 2 +z 2 este descris prin formula:

< r 2 > = 6kTBt

Unde B- mobilitatea particulelor, care este invers proporțională cu vâscozitatea mediului și mărimea particulelor. Această formulă, numită formula lui Einstein, a fost confirmată experimental cu toată atenția posibilă de către fizicianul francez Jean Perrin (1870-1942). Pe baza măsurării parametrilor de mișcare ai unei particule browniene, Perrin a obținut valorile constantei Boltzmann și ale numărului Avogadro, care sunt în bună concordanță cu valorile obținute prin alte metode în limitele erorilor de măsurare.

15. Prima lege a termodinamicii. Muncă, căldură, energie internă.

Formulare: cantitatea de căldură primită de sistem duce la schimbarea energiei sale interne și la lucru împotriva forțelor externe.

Prima lege (prima lege) a termodinamicii poate fi formulată după cum urmează: „Schimbarea energiei totale a sistemului în proces cvasistatic este egală cu cantitatea de căldură Q raportată sistemului, în total cu modificarea energiei asociată cu cantitatea de substanță N la potențialul chimic și cu munca A „efectuată asupra sistemului de către forțele și câmpurile externe, minus munca A realizat de sistemul însuși împotriva forțelor externe":.

Pentru o cantitate elementară de căldură, lucru elementar și un mic increment (diferența totală) de energie internă, prima lege a termodinamicii are forma:

Împărțirea muncii în două părți, dintre care una descrie munca efectuată asupra sistemului, iar a doua - munca efectuată de sistemul însuși, subliniază faptul că aceste lucrări pot fi efectuate de forțe de natură diferită datorită diferitelor surse de forțe. .

Energie internacorp este energia totală a acestui corp minus energia cinetică a corpului în ansamblu și energia potențială a corpului în câmpul extern de forțe. Energia internă este o funcție cu o singură valoare a stării sistemului. Aceasta înseamnă că ori de câte ori un sistem se găsește într-o stare dată, energia sa internă își asumă valoarea inerentă acestei stări, indiferent de istoria sistemului. În consecință, schimbarea energiei interne în timpul tranziției de la o stare la alta va fi întotdeauna egală cu diferența dintre valorile sale în starea finală și inițială, indiferent de calea pe care s-a făcut tranziția.

Energia internă a unui corp nu poate fi măsurată direct. Puteți determina doar modificarea energiei interne: unde este căldura furnizată corpului, măsurată în jouli, este munca efectuată de corp împotriva forțelor externe, măsurată în jouli

Energia internă a unui gaz ideal depinde numai de temperatura acestuia și nu depinde de volum.Teoria cinetică moleculară duce la următoarea expresie pentru energia internă a unui mol dintr-un gaz ideal monoatomic (heliu, neon etc.), ale căror molecule efectuează numai mișcare de translație:

Deoarece energia potențială a interacțiunii moleculelor depinde de distanța dintre ele, în cazul general, energia internă U a corpului depinde, alături de temperatura T, și de volumul V: U = U (T, V) .

Energia internă a unui corp se poate modifica dacă forțele externe care acționează asupra acestuia funcționează (pozitive sau negative). De exemplu, dacă un gaz este comprimat într-un cilindru sub un piston, atunci forțele externe fac un lucru pozitiv A asupra gazului. În același timp, forțele de presiune care acționează asupra pistonului din gaz lucrează A = -A". Dacă volumul gazului s-a modificat cu o cantitate mică ΔV, atunci gazul funcționează pSΔx = pΔV, unde p este presiunea gazului, S este aria pistonului, Δx este deplasarea acestuia (Fig. 3.8.1). La expansiune, munca efectuată de gaz este pozitivă, în timp ce la comprimare, este negativă. În cazul general, în timpul trecerii de la o stare inițială (1) la starea finală (2), lucrul gazului este exprimat prin formula:

sau în limita ca ΔV i → 0:

Lucrul este numeric egal cu aria de sub graficul procesului de pe diagramă (p, V). Cantitatea de muncă depinde de modul în care s-a făcut trecerea de la starea inițială la starea finală. Pe fig. 3.8.2 prezintă trei procese diferite care schimbă gazul din starea (1) în starea (2). În toate cele trei cazuri, gazul face o activitate diferită.

Procesele descrise în fig. 3.8.2 poate fi efectuată și în sens opus; atunci jobul A va pur și simplu semn invers. Procesele de acest fel, care se pot desfășura în ambele sensuri, se numesc reversibile.Spre deosebire de un gaz, lichidele și solidele își schimbă puțin volumul, astfel încât în ​​multe cazuri se poate neglija munca efectuată în timpul expansiunii sau contracției. Cu toate acestea, energia internă a corpurilor lichide și solide se poate modifica și ca urmare a muncii. În timpul prelucrării mecanice a pieselor (de exemplu, la găurire), acestea se încălzesc. Aceasta înseamnă că energia lor internă se schimbă. Un alt exemplu este experimentul lui Joule (1843) privind determinarea echivalentului mecanic al căldurii. Când un filător scufundat într-un lichid se rotește, forțele externe efectuează un lucru pozitiv (A "\u003e 0); în acest caz, lichidul se încălzește datorită prezenței forțele interne de frecare, adică energia sa internă crește. În aceste două exemple, procesele nu pot fi efectuate în direcția opusă. Astfel de procese sunt numite ireversibile.

MIȘCARE BROWNIANĂ(Mișcarea browniană) - mișcare haotică a particulelor mici suspendate într-un lichid sau gaz, care se produce sub influența impactului moleculelor de mediu. Investigat în 1827 de P. Brown (Brown; R. Brown), to-ry a observat la microscop mișcarea polenului suspendat în apă. Particulele observate (browniene) cu o dimensiune de ~ 1 μm și mai puțin fac mișcări independente dezordonate, descriind traiectorii complexe în zig-zag. Intensitatea B. d. nu depinde de timp, ci crește odată cu creșterea temperaturii mediului, o scădere a vâscozității acestuia și a dimensiunii particulelor (indiferent de natura lor chimică). Teoria completă a lui B. d. a fost dată de A. Einstein și M. Smoluchowski în 1905-06.

Cauzele B. D. sunt mișcarea termică a moleculelor mediului și absența compensării exacte pentru impacturile experimentate de particule din moleculele din jurul acesteia, adică B. D. se datorează fluctuatii presiune. Impactul moleculelor mediului determină particulele în mișcare aleatorie: viteza acesteia se schimbă rapid în mărime și direcție. Dacă poziția particulelor este fixată la intervale de timp egale mici, atunci traiectoria construită prin această metodă se dovedește a fi extrem de complexă și confuză (Fig.).

B. d. - Naib. experiment vizual. confirmarea reprezentărilor molecular-cinetice. teorii despre haos. mișcarea termică a atomilor și moleculelor. Dacă intervalul de observație t este suficient de mare încât forțele care acționează asupra particulei din moleculele mediului își schimbă direcția de multe ori, atunci cf. pătratul proiecției deplasării sale pe to-l. axa (în absența altor forțe externe) este proporțională cu timpul t (legea lui Einstein):

Mișcarea browniană - Mișcarea aleatorie a particulelor microscopice dintr-o substanță solidă, vizibile, suspendate într-un lichid sau gaz, cauzată de mișcarea termică a particulelor unui 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 efectul forțelor de frecare (acest lucru este acceptabil pentru perioade suficient de lungi). Formula pentru coeficientul D se bazează pe aplicarea legii lui Stokes pentru rezistența hidrodinamică la mișcarea unei sfere cu raza a într-un fluid vâscos. Relațiile pentru și D au fost confirmate experimental prin măsurătorile lui J. Perrin și T. Svedberg. Din aceste măsurători, constanta Boltzmann k și constanta Avogadro NA sunt determinate experimental. Pe lângă mișcarea browniană de translație, există și o mișcare browniană de rotație - rotația 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.

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.

Teoria mișcării browniene

În 1905, Albert Einstein a creat o teorie cinetică moleculară pentru o descriere cantitativă a mișcării browniene. În special, a derivat o formulă pentru coeficientul de difuzie al particulelor browniene sferice:

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

Mișcarea browniană ca non-markoviană
proces aleatoriu

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-Markov, iar pentru descrierea sa mai precisă este necesar să se utilizeze ecuații stocastice integrale.

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 apare din cauza 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