Какое свойство броуновского движения указывает на то что
Определение броуновского движения
Броуновским движением называется хаотическое и беспорядочное движение маленьких частиц, как правило, молекул в разных жидкостях или газах. Причиной возникновения броуновского движения является столкновение одних (более мелких частиц) с другими частицами (уже более крупными). Какая история открытия броуновского движения, его значение в физике, и в частности в атомно-молекулярной теории? Какие примеры броуновского движения есть в реальной жизни? Обо всем этом читайте далее в нашей статье.
Открытие броуновского движения
Первооткрывателем броуновского движения был английский ботаник Роберт Броун (1773-1858), собственно именно в его честь оно и названо «броуновским». В 1827 году Роберт Броун занимался активными исследованиями пыльцы разных растений. Особенно сильно его интересовало, то, какое участие пыльца принимает в размножении растений. И вот как то, наблюдая в микроскоп движение пыльцы в овощном соке, ученый заметил, что мелкие частицы то и дело совершают случайные извилистые движения.
Наблюдение Броуна подтвердили и другие ученые. В частности было подмечено, что частицы имеют свойство ускоряться с увеличением температуры, а также с уменьшением размера самих частиц. А при увеличении вязкости среды, в которой они находились, их движение наоборот, замедлялось.
Роберт Броун, открыватель броуновского движения.
Сначала Роберт Броун подумал, что он наблюдает движение, даже «танец» каких-то живых микроорганизмов, ведь и сама пыльца – это, по сути, мужские половые клетки растений. Но похожее движение имели и частицы мертвых растений, и даже растений засушенных сто лет назад в гербариях. Еще больше удивился ученый, когда стал исследовать неживую материю: мелкие частицы угля, сажи, и даже частички пыли лондонского воздуха. Затем под микроскоп исследователя попало стекло, различные и разнообразные минералы. И везде были замечены эти «активные молекулы», пребывающие в постоянном и хаотичном движении.
Это интересно: вы и сами можете наблюдать броуновское движение своими глазами, для этого вам понадобится не сильный микроскоп (ведь во время жизни Роберта Броуна еще не было мощных современных микроскопов). Если рассматривать через этот микроскоп, например, дым в зачерненной коробке и освещенный боковым лучом света, то можно будет увидеть маленькие кусочки сажи и пепла, которые будут непрерывно скакать туда-сюда. Это и есть броуновское движение.
Броуновское движение и атомно-молекулярная теория
Открытое Броуном движение вскоре стало очень известным в научных кругах. Сам первооткрыватель с удовольствием показывал его многим своим коллегам. Однако долгие годы и сам Роберт Броун, ни его коллеги не могли объяснить причины возникновения броуновского движения, то почему оно вообще происходит. Тем более что броуновское движение было совершенно беспорядочным и не поддавалось никакой логике.
Его пояснение было дано лишь в конце ХIX века и оно не сразу было принято научным сообществом. В 1863 году немецкий математик Людвиг Кристиан Винер предположил, что броуновское движение обусловлено колебательными движениями неких невидимых атомов. По сути это было первое объяснение этого странного явления, связанное со свойствами атомов и молекул, первая попытка при помощи броуновского движения проникнуть в тайну строения материи. В частности Винер попытался измерить зависимость скорости движения частиц от их размера.
Впоследствии идеи Винера были развиты другими учеными, среди них был известный шотландский физик и химик Уильям Рамзай. Именно ему удалось доказать, что причиной броуновского движения мелких частиц являются удары на них еще более мелких частиц, которые в обычный микроскоп уже не видны, подобно тому, как не видны с берега волны качающие далекую лодку, хотя движение самой лодки видно вполне ясно.
Уильям Рамзай в своей лаборатории.
Таким образом броуновское движение стало одной из составных частей атомно-молекулярной теории и одновременно важным доказательством того факта, что вся материя, состоит из мельчайших частиц: атомов и молекул. В это трудно поверить, но еще в начале ХХ века часть ученых отрицала атомно-молекулярную теорию, и не верила в существование молекул и атомов. Научные работы Рамзая связанные с броуновским движением нанесли сокрушительный удар противникам атомизма, и заставили всех ученых окончательно убедиться, что вот смотрите сами, атомы и молекулы существуют, и их действие можно видеть собственным глазами.
Теория броуновского движения
Несмотря на внешний беспорядок хаотического движения частиц, их случайные перемещения все-таки попытались описать математическими формулами. Так родилась теория броуновского движения.
К слову, одним из тех, кто разрабатывал эту теорию, был польский физик и математик Мариан Смолуховский, который как раз в то время работал во Львовском университете и жил в родном городе автора этой статьи, в прекрасном украинском городе Львове.
Львовский университет, ныне университет им. И. Франка.
Параллельно с Смолуховским теорией броуновского движения занимался один из светочей мировой науки – знаменитый Альберт Эйнштейн, который в то время еще был молодым и никому известным работником в Патентном бюро швейцарского города Берна.
Оба ученых в результате создали свою теорию, которую можно также называть теорией Смолуховского-Эйнштейна. В частности была сформирована математическая формула, согласно нее среднее значение квадрата смещения броуновской частицы (s2) за время t прямо пропорционально температуре Т и обратно пропорционально вязкости жидкости n, размеру частицы r и постоянной Авогадро.
NA: s2 = 2RTt/6phrNA – так выглядит эта формула.
R в формуле – газовая постоянная. Так, если за 1 мин частица диаметром 1 мкм сместится на 10 мкм, то за 9 мин – на 10 = 30 мкм, за 25 мин – на 10= 50 мкм и т.д. В аналогичных условиях частица диаметром 0,25 мкм за те же отрезки времени (1, 9 и 25 мин) сместится соответственно на 20, 60 и 100 мкм, так как = 2. Важно, что в приведенную формулу входит постоянная Авогадро, которую таким образом, можно определить путем количественных измерений перемещения броуновской частицы, что и сделал французский физик Жан Батист Перрен.
Для наблюдений за броуновскими частицами Перрен использовал новейший на то время ультрамикроскоп, через который уже были видны мельчайшие частицы вещества. В своих опытах ученый, вооружившись секундомером, отмечал положения тех или иных броуновских частиц через равные интервалы времени (например, через 30 секунд). Затем соединяя положения частиц прямыми линями, получались разнообразные замысловатые траектории их движения. Все это зарисовывались на специальном разграфленном листе.
Так выглядели эти рисунки.
Составляя теоретическую формулу Эйнштейна со своими наблюдениями Перрен смог получить максимально точное для того времени значение числа Авогадро: 6,8.1023
Своими опытами он подтвердил теоретические выводы Эйнштейна и Смолуховского.
Броуновское движение и диффузия
Перемещения частиц при броуновском движении, внешне очень похоже с движением частиц при диффузии – взаимному проникновению молекул разных веществ под действием температуры. Тогда в чем же различие между броуновским движением и диффузией? В действительности, и диффузия и броуновское движение происходят по причине хаотического теплового движения молекул, и как результат описываются похожими математическими правилами.
Разница между ними в том, что при диффузии молекула всегда движется по прямой линии, пока не столкнется с другой молекулой, после чего она изменит траекторию своего движения. Броуновская частица «свободного полета» не совершает, а испытывает очень мелкие и частые как бы «дрожания», вследствие которых она хаотически перемещается то туда, то сюда. Говоря образным языком, броуновская частица подобна пустой банки пива, валяющейся на площади, где собралась большая толпа народу. Люди снуют туда-сюда, задевают банку своими ногами и она летает хаотически в разные стороны подобно броуновской частице. А движение самих людей в толпе уже более характерно для движения частиц при диффузии.
Если же смотреть на микро уровне, то причиной движения броуновской частицы является ее столкновение с более мелкими частицами, в то время как при диффузии частицы сталкиваются с себе подобными другими частицами.
И диффузия и броуновское движение происходит под действием температуры. С уменьшением температуры, как скорость частиц при броуновском движении, так и скорость движения частиц при диффузии замедляются.
Примеры броуновского движения в реальной жизни
Теория броуновского движения, этих случайных блужданий имеет и практическое воплощение в нашей реальной жизни. Например, почему, человек, который заблудился в лесу, периодически возвращается на одно и то же место? Потому, что он ходит не кругами, а примерно так, как движется обычно броуновская частица. Поэтому свой собственный путь он пересекает сам много раз.
Поэтому, не имея четких ориентиров и направлений движения, заблудившийся человек уподобляется броуновской частице, совершающей хаотические движения. Но чтобы выйти из леса нужно иметь четкие ориентиры, разработать систему, вместо того, чтобы совершать разные бессмысленные действия. Одним словом, не стоит вести себя в жизни подобно броуновской частице, бросаясь из стороны в сторону, а знать свое направление, цель и призвание, иметь мечты, смелость и упорство их достигать. Вот так из физики мы плавно перешли к философии. На этом заканчиваем эту статью.
Броуновское движение, видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Brownian Motion.
Источник
В 1828 году английский ботаник Роберт Броун, проверяя в действии только что полученный им усовершенствованный микроскоп обнаружил удивительное явление – самопроизвольное движение твердых частичек пыльцы внутри жидкости.
Источник: myscienceportfolio2012.blogspot.com
Надо отдать должное Броуну, он в силу своих возможностей достаточно полно исследовал это движение, чтобы установить то, что оно не останавливается (даже в течение тысячелетий). То что движутся похожим образом любые твердые частички, взвешенные в газе или жидкости. Но понять и объяснить причину Роберт Броун не смог.
Источник: physicsinmyview.com
Целая череда ученых маленькими шажочками подбиралась к раскрытию тайны явления.
Французский физик Гуи, проделал ряд опытов, убедивших всех в том, что причина броуновского движения была скрыта внутри самой жидкости и не связана с внешним воздействием. Опыты Гуи были прелюбопытными. Французский ученый исследовал движение сначала в лаборатории, расположенной на шумной улице, по которой проходили тяжелые конные экипажи. Настолько тяжелые, что столы в лаборатории дрожали. Затем он перенес свои опыты в изолированный подвал деревенского дома, чтобы исключить внешнее воздействие.
Луи Жорж Гуи. Автор: неизвестен – revue La Nature, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3215393
Оказалось, что толчки экипажей действую на всю каплю воды целиком и никак не влияют на броуновское движение в целом, что в лаборатории, что в подвале его характер оставался неизменным.
Большая заслуга Гуи в том, что он установил прямую зависимость интенсивности броуновского движения от температуры, чем выше температура жидкости, тем интенсивнее происходит движение частиц.
В 70-х годах 19 века бельгиец Карбонэль угадал причину броуновского движения. Вот, что он писал:
…микроскопические частицы вещества движутся потому, что они испытывают толчки со стороны невидимых молекул и атомов окружающей жидкости.
В 1881 году польский физик Бодашевский поставил еще одну значимую веху в изучении броуновского движения. Он открыл броуновское движение в газах. Для этого он при боковом освещении рассматривал частички табачного дыма и установил, что мельчайшие угольки табака движутся в точь-точь как микрочастицы в жидкости.
Дальше больше. Австрийский химик Жигмонди (Зигмонди) (Нобелевский лауреат по химии) изобретает ультрамикроскоп. В нем он смог пронаблюдать ничтожно малые (меньше 0,000 001 см) частицы золота и их движение в коллоидном растворе.
Ричард Адольф Жигмонди. Автор: Unnamed photographer in employ of Bain News Service. Walter Gircke[1] – https://www.loc.gov/pictures/item/ggb2006004936/, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24305862
Опыты Жигмонди подтверждали догадку Карбонэля. Чем меньше частицы, тем легче молекулам сдвинуть их с места, тем с большими скоростями они движутся. Такие мелкие частицы двигались настолько быстро, что Жигмонди увидел лишь сплошное мелькание. Вот что он пишет.
Это какое-то непрерывное прыганье, пляска, скакание, столкновения и разлетания, так что трудно разобраться в этой путанице.
Швед Теодор Сведберг (Нобелевский лауреат по химии) приспособил к ультрамикроскопу фотографический затвор с освещением, чтобы можно было более ясно наблюдать картину движения. Опыты Сведберга подтвердили опыты Гуи. Начинался 20 век.
Теодор Сведберг. Автор: неизвестен – https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1926/svedberg.html, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=550336
Чем выше была температура раствора, тем с большей частотой приходилось открывать и закрывать фотографический затвор.
Самые замечательные эксперименты провел французский физик Ж.Перрен. Но об этом в следующей статье.
Подписывайтесь, ставьте лайки. Делитесь в соцсетях. Спасибо.
Источник
Здесь мы рассмотрим уникальное явление Природы, которое известно нам уже почти два века, но его причина до сих пор не имеет внятного объяснения.
Итак, в 1827 году шотландский ботаник (Почётный член Петербургской Академии наук) Роберт Броун, разглядывая под микроскопом взвешенные в воде мельчайшие частички цветочной пыльцы, неожиданно обнаружил, что эти частички непрерывно дрожат и передвигаются с места на место.
Причём, это явление можно наблюдать не только в воде. К примеру, с помощью микроскопа можно рассмотреть и дым, освещённый лучом света. В воздухе видны рассеивающие свет маленькие клочки пепла или сажи, которые непрерывно перемещаются в разные стороны с огромными ускорениями, но без наблюдаемых деформаций. Заметьте: без наблюдаемых деформаций. Это очень важно.
Это загадочное явление было названо «броуновским движением», но объяснить его не мог ни сам Броун, ни другие учёные в течение многих лет.
И только через 36 лет (в 1863 году) Людвиг Винер предпринял первую попытку объяснить Природу броуновского движения. Он предположил, что это явление связано с колебательными движениями неких атомов, которые невидимы даже в микроскоп – как не видны с берега волны, качающие далёкую лодку без вёсел, тогда как движения самой лодки видны вполне отчётливо.
Винер даже попытался измерить скорость перемещения броуновских частиц и зависимость этой скорости от их размера. Но самое главное в идее Винера было то, что броуновская частица у него (подобно лодке на воде) двигалась свободно вместе с окружающей её средой. Специально повторю: двигалась свободно вместе с окружающей эту частицу средой.
Относительно лодки это означает, что она движется вместе с водой и нам следует, прежде всего, выяснить причину движения воды, ибо эта же причина объяснит нам и движение лодки.
Повторяю. Надо искать не причину движения лодки, а причину движения окружающей лодку среды.
Однако в дальнейшем идеи Винера о «свободном» движении, как это часто бывает, были основательно «подправлены» рядом учёных, которые посчитали, что мельчайшие крупинки вещества испытывают удары молекул, то есть, движутся не свободно вместе с молекулами, а под воздействием их ударов.
Эти учёные исходили из молекулярно-кинетической теории, согласно которой броуновская частица приходит в беспорядочное движение под воздействием молекул, как это происходит при обычном ударе. И к великому сожалению, именно так этот процесс и описан в Физическом Энциклопедическом Словаре (1983 год, раздел «Броуновское движение»):
«Удары молекул среды приводят частицу в беспорядочное движение: скорость её быстро меняется по величине и направлению».
Это, с точки зрения упомянутых учёных, означает, что броуновская частица меняет направление своего движения именно от ударов молекул среды, а не движется свободно вместе с молекулами в одном с ними направлении, как это следует из идей Винера. Эти «горе-учёные» даже не заморачивались «лежащим на поверхности» вопросом: почему большие группы молекул резко меняют направление своего движения?
Однако нам известно, что факт изменения величины или направления вектора скорости характеризует ускорение. А, вызванное ударами (воздействием поверхностных сил) ускорение, обязательно должно деформировать броуновскую частицу, чего в действительности не происходит. Ведь мы не наблюдаем этих деформаций. И этот неопровержимый факт явно не желают замечать математики и многие физико-математики.
Но факт есть факт: деформаций мы не наблюдаем. Следовательно, здесь действуют вовсе не поверхностные силы удара, а именно объёмные силы, которые деформаций не вызывают, ибо воздействуют одновременно по всему объёму броуновской частицы. Эти же объёмные силы воздействуют и на молекулы. То есть, броуновская частица движется не в результате ударов молекул, а вместе с ними.
К объёмным силам в данном случае можно отнести только силы тяготения. Это значит, что вокруг броуновской частицы в результате флуктуаций энергии хаотически возникают и тут же исчезают потенциальные поля, которые во время своего существования и увлекают частицу к своему центру.
Справка: Флуктуация (в переводе с латинского означает – колебание), это случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений.
В данном случае мы наблюдаем случайные отклонения энергии в положительную (кинетическая энергия) и отрицательную (потенциальная энергия) сторону от среднего значения. Причём, потенциальная энергия поля, отнесённая к единице объёма является объёмной плотностью энергии (Дж/м^3) или просто давлением.
Мы уже знаем, что объёмная плотность потенциальной энергии поля уменьшается с приближением к его центру. Следовательно, давление в центре поля меньше, чем на периферии. Именно поэтому всё сущее и устремляется к центру потенциального поля. Не случайно в Физическом Энциклопедическом Словаре отмечено, что «Броуновское движение обусловлено флуктуациями давления». Здесь ошибки уже нет.
Теперь давайте вспомним о том, что в прошлом веке человечество мечтало о полётах в Космос. Но человек в далёкий Космос так и не полетел. Как Вы думаете, почему?
А, ответ довольно прост: для полётов в далёком Космосе требуются очень большие скорости и, соответственно, огромные ускорения. Однако ускорение ракеты за счёт поверхностной силы влечёт деформацию самой ракеты и всего, что в ней находится.
Какое ускорение, при этом, может выдержать человек? Всего в десять (максимум, в двадцать) раз больше ускорения свободного падения у поверхности Земли, ибо во столько же раз увеличивается и обычный вес человека.
Далеко ли мы улетим с ускорением 200 м/с^2?
Будем летать только в пределах Солнечной системы, ибо разгон и торможение окажутся слишком продолжительны. И эта проблема для поверхностных сил неразрешима. Значит, освоение далёкого Космоса с реактивной тягой невозможно по определению.
Но выход есть и, как это ни странно, он был предложен нам более ста лет назад. Именно тогда Никола Тесла (1856-1943) предложил использовать в качестве тяги объёмные силы. Напомню, что такие силы приложены одновременно к каждой элементарной частице по всему объёму тела и деформаций в нём не вызывают.
Не трудно догадаться, что в этом случае мы можем использовать огромные ускорения и достигать маршевых скоростей за считанные секунды (или доли секунды).
Как видите, разница между поверхностными и объёмными силами огромна. Правильное понимание и использование этой разницы имеет большое практическое значение. Но мы будто не замечаем, что сама Природа использует объёмные силы в броуновском движении, которое основано, как мы уже говорили, на хаотически возникающих флуктуациях энергии.
Известны, к примеру, флуктуации электрические, связанные с хаотическими изменениями потенциалов, токов и зарядов в электрических цепях и линиях связи. Иногда их называют «тепловым шумом». Кроме этого, теория броуновского движения находит приложение в обосновании статистической механики, в теории равновесия дисперсных систем в поле тяготения и центробежной силы, объясняет диэлектрические потери в диэлектриках и электрическое сопротивление в проводниках и электролитах.
Известна так же и флуктуационная гипотеза Больцмана, согласно которой весь наблюдаемый звёздный мир, включая Солнечную систему, является одной из грандиозных флуктуаций во Вселенной, находящейся в целом в состоянии термодинамического равновесия. Причём, отношение радиуса потенциального поля (R) ко времени его жизни (T) имеет постоянное значение, которое мы называем скоростью света: R/T = c, м/с.
В результате флуктуаций энергии в капле воды образуются и тут же исчезают очень малые по размерам потенциальные поля, которые успевают «втянуть» броуновскую частицу в направлении своего центра.
Появление и исчезновение полей происходит с огромной частотой. Примерно с такой же частотой броуновская частица меняет направление своего движения, подвергаясь каждый раз значительному ускорению. Однако деформаций она не испытывает, ибо всё время находится в «свободном падении».
Если в качестве среды использовать не каплю воды, а открытый Космос и взамен броуновской частицы – космический аппарат (летающую тарелку), то нам останется лишь управлять процессом флуктуации энергии в данной среде с тем, чтобы хаотическое движение превратить в направленное. Для этого Тесла и предложил использовать внешнюю энергию в резонансе с собственными колебаниями данной среды. Известно, что для резонанса много энергии не требуется, а эффект поразительный (вспомните «плачевный» результат с мостом, когда по нему шагала «в ногу» рота солдат).
Справедливости ради необходимо сказать, что эта проблема нами уже частично решена в полупроводниках. Ещё немного (всего шажок) и мы бы не только летали на огромные расстояния за пределы Солнечной системы, но и легко перемещали бы любые грузы. Причём, «летательным аппаратом» в данном случае был бы сам перемещаемый груз.
Однако, как принято говорить, «вкралась досадная ошибка» и мы реальное природное явление объяснили не действием объёмных сил, а ударами по броуновской частице (удар – действие поверхностных сил). Допустили грубейшую ошибку и потеряли всякий интерес к данной проблеме.
Такое, к сожалению, с нами происходит довольно часто. Например, профессор математики и астрономии Тюбингенской академии Михаэль Мёстлин частным образом знакомил Кеплера с гелиоцентрической системой Коперника, хотя сам был вынужден преподавать астрономию в соответствии с геоцентрической системой Птолемея.
Первоисточник: https://www.youtube.com/watch?v=BdOQbkFUmjg
На главную
Источник