Факти за Брауновото движење. Откритието на Роберт Браун. Набљудувања од Роберт Браун

Шкотскиот ботаничар Роберт Браун (понекогаш неговото презиме се препишува како Браун) за време на неговиот живот, како најдобар експерт за растенија, ја доби титулата „Принц на ботаничарите“. Тој направи многу прекрасни откритија. Во 1805 година, по четиригодишна експедиција во Австралија, тој донел во Англија околу 4.000 видови австралиски растенија непознати за научниците и поминал многу години проучувајќи ги. Опишани растенија донесени од Индонезија и Централна Африка. Студирал физиологија на растенијата и за прв пат детално го опишал јадрото на растителна клетка. Академијата на науките во Санкт Петербург го направи почесен член. Но, името на научникот сега е нашироко познато не поради овие дела.

Во 1827 година Браун спроведе истражување за полен од растенија. Тој беше особено заинтересиран за тоа како поленот учествува во процесот на оплодување. Еднаш под микроскоп погледнал во клетките на полен од растение во Северна Америка. Кларкија пулчела(прилично кларкија) издолжени цитоплазматски зрна суспендирани во вода. Одеднаш Браун виде дека најмалите цврсти зрна, кои едвај се гледаа во капка вода, постојано треперат и се движат од место до место. Тој открил дека овие движења, според неговите зборови, „не се поврзани ниту со протокот во течноста ниту со нејзиното постепено испарување, туку се својствени за самите честички“.

Набљудувањето на Браун беше потврдено од други научници. Најмалите честички се однесуваа како да се живи, а „танцот“ на честичките се забрзуваше со зголемување на температурата и намалувањето на големината на честичките и јасно забави кога водата се замени со повискозен медиум. Овој неверојатен феномен никогаш не престана: можеше да се набљудува онолку долго колку што сакате. На почетокот, Браун дури мислел дека живите суштества всушност паднале во полето на микроскопот, особено затоа што поленот е машките репродуктивни клетки на растенијата, но имало и честички од мртвите растенија, дури и од оние што биле исушени сто години порано во хербариуми. Тогаш Браун размислуваше дали тоа се „елементарни молекули на живи суштества“, за кои зборуваше познатиот француски натуралист Жорж Буфон (1707–1788), автор на книга од 36 тома. Природна историја. Оваа претпоставка паднала кога Браун почнал да испитува навидум неживи предмети; на почетокот тоа беа многу мали честички јаглен, како и саѓи и прашина од лондонскиот воздух, а потоа фино мелени неоргански материи: стакло, многу различни минерали. „Активните молекули“ беа насекаде: „Во секој минерал“, напиша Браун, „кој успеав да го исправам во прав до таа мера што може да биде суспендиран во вода некое време, ги најдов, во поголеми или помали количини, овие молекули. .

Мора да се каже дека Браун немаше ниту еден од најновите микроскопи. Во својата статија тој конкретно нагласува дека имал обични биконвексни леќи, кои ги користел неколку години. И тој продолжува: „Во текот на целата студија продолжив да ги користам истите леќи со кои ја започнав работата, со цел да им дадам поголем кредибилитет на моите изјави и да ги направам што е можно подостапни за обичните набљудувања“.

Сега, за да го повториме набљудувањето на Браун, доволно е да имате не многу силен микроскоп и да го користите за да го испитате чадот во поцрнета кутија, осветлена преку странична дупка со зрак на интензивна светлина. Во гас, феноменот се манифестира многу појасно отколку во течност: мали парчиња пепел или саѓи (во зависност од изворот на чадот) се видливи, расфрлајќи светлина и постојано скокаат напред-назад.

Како што често се случува во науката, многу години подоцна историчарите открија дека уште во 1670 година, пронаоѓачот на микроскопот, Холанѓанецот Антоние Леувенхук, очигледно забележал сличен феномен, но реткоста и несовршеноста на микроскопите, ембрионската состојба на молекуларната наука во тоа време не привлече внимание на набљудувањето на Leeuwenhoek, затоа откритието со право му се припишува на Браун, кој прв го проучувал и детално го опишал.

Брауново движење и атомско-молекуларна теорија.

Феноменот забележан од Браун брзо стана широко познат. Тој самиот им ги покажал своите експерименти на бројни колеги (Браун наведува дваесетина имиња). Но објасни го мистериозна појава, кое беше наречено „брауново движење“, не беше возможно ниту од самиот Браун, ниту од многу други научници долги години. Движењата на честичките беа сосема случајни: направени скици на нивните позиции различни моментивремето (на пример, секоја минута) на прв поглед не дава можност да се најде некаков образец во овие движења.

Објаснувањето на брауновото движење (како што беше наречено овој феномен) со движењето на невидливите молекули беше дадено дури во последната четвртина од 19 век, но не беше веднаш прифатено од сите научници. Во 1863 година, учителот по описна геометрија од Карлсруе (Германија), Лудвиг Кристијан Винер (1826–1896), сугерираше дека феноменот е поврзан со осцилаторни движењаневидливи атоми. Ова беше првото, иако многу далеку од модерното, објаснување на брауновото движење со својствата на самите атоми и молекули. Важно е што Винер виде можност да го искористи овој феномен за да навлезе во тајните на структурата на материјата. Тој беше првиот што се обиде да ја измери брзината на движење на Брауновите честички и нејзината зависност од нивната големина. Интересно е што во 1921 г Извештаи на Националната академија на науките на САДБеше објавено дело за брауновото движење на друг Винер - Норберт, познатиот основач на кибернетиката.

Идеите на Л.К.Винер беа прифатени и развиени од голем број научници - Зигмунд Екснер во Австрија (и 33 години подоцна - неговиот син Феликс), Џовани Кантони во Италија, Карл Вилхелм Негели во Германија, Луј Жорж Гоу во Франција, тројца белгиски свештеници - Језуитите Карбонели, Делсо и Тирион и други. Меѓу овие научници бил и подоцна познатиот англиски физичар и хемичар Вилијам Ремзи. Постепено стана јасно дека најмалите зрна материја од сите страни ги погодуваат уште помали честички, кои повеќе не се видливи преку микроскоп - исто како што брановите што нишаат далечен брод не се видливи од брегот, додека движењата на бродот самите се видливи сосема јасно. Како што напишале во еден од написите од 1877 година, „... законот големи бројкисега не го намалува ефектот на судирите на просечен рамномерен притисок, нивниот резултат повеќе нема да биде еднаков на нула, туку континуирано ќе ја менува својата насока и нејзината големина“.

Квалитативно, сликата беше доста веродостојна, па дури и визуелна. Приближно на ист начин како мало гранче или бубачка треба да се движи кога ќе се турка (или ќе се повлече) во различни странимногу мравки. Овие помали честички всушност биле во речникот на научниците, но никој никогаш не ги видел. Тие беа наречени молекули; Преведено од латински, овој збор значи „мала маса“. Зачудувачки, тоа е токму објаснувањето дадено на сличен феномен од римскиот филозоф Тит Лукрециј Карус (околу 99–55 п.н.е.) во неговата позната песна. За природата на нештата. Во него, тој ги нарекува најмалите честички невидливи за окото „исконски принципи“ на нештата.

Принципите на нештата прво се движат сами по себе,
По нив се тела од нивната најмала комбинација,
Блиску, како што беше, во сила до примарните принципи,
Скриени од нив, добивајќи шокови, тие почнуваат да се стремат,
Самите да се движат, а потоа поттикнувајќи поголеми тела.
Значи, почнувајќи од почеток, движењето малку по малку
Тоа ги допира нашите чувства и исто така станува видливо
За нас и во дамките прашина што се движат на сончева светлина,
Иако потресите од кои се јавува се незабележливи...

Последователно, се покажа дека Лукрециј погрешил: невозможно е да се набљудува брауновото движење со голо око и честичките прашина во сончевиот зрак што навлезе во темна соба, „танцуваат“ поради вителските движења на воздухот. Но, однадвор и двата феномени имаат некои сличности. И тоа само во 19 век. На многу научници им стана очигледно дека движењето на Брауновите честички е предизвикано од случајни влијанија на молекулите на медиумот. Подвижните молекули се судираат со честички од прашина и други цврсти честички кои се наоѓаат во водата. Колку е поголема температурата, толку е побрзо движењето. Ако една дамка прашина е голема, на пример, има големина од 0,1 mm (дијаметарот е милион пати поголем од оној на молекулата на водата), тогаш многу истовремени удари врз неа од сите страни се взаемно избалансирани и практично не „Почувствувајте ги“ - приближно исто како и парче дрво со големина на чинија нема да ги „чувствува“ напорите на многу мравки кои ќе го повлечат или туркаат во различни насоки. Ако честичката прашина е релативно мала, таа ќе се движи во една или друга насока под влијание на ударите од околните молекули.

Брауновите честички имаат големина од редот од 0,1–1 μm, т.е. од една илјадити до десет илјадити дел од милиметарот, поради што Браун можеше да го препознае нивното движење бидејќи гледаше ситни цитоплазматски зрна, а не самиот полен (за кој често погрешно се пишува). Проблемот е што клетките на поленот се премногу големи. Така, кај поленот од ливадската трева, кој го носи ветрот и предизвикува алергиски заболувања кај луѓето (леновска треска), големината на клетката обично е во опсег од 20 - 50 микрони, т.е. тие се премногу големи за да го набљудуваат Брауновото движење. Исто така, важно е да се забележи дека поединечните движења на брауновата честичка се случуваат многу често и на многу кратки растојанија, така што е невозможно да се видат, но под микроскоп се видливи движењата што се случиле во одреден временски период.

Се чини дека самиот факт за постоењето на Брауново движење јасно се докажа молекуларна структураматерија, сепак, дури и на почетокот на 20 век. Имаше научници, вклучително и физичари и хемичари, кои не веруваа во постоењето на молекули. Атомско-молекуларната теорија само бавно и со тешкотии се здоби со признание. Така, водечкиот француски органски хемичар Марселин Бертело (1827–1907) напишал: „Концептот на молекула, од гледна точка на нашето знаење, е несигурен, додека друг концепт - атом - е чисто хипотетички“. Познатиот француски хемичар А. Сен Клер Девил (1818–1881) зборувал уште појасно: „Не го прифаќам законот на Авогадро, ниту атом, ниту молекула, бидејќи одбивам да верувам во она што ниту можам да го видам ниту да го набљудувам. ” И германскиот физички хемичар Вилхелм Оствалд (1853–1932), добитник на Нобеловата награда, еден од основачите физичка хемија, уште на почетокот на 20 век. одлучно го негираше постоењето на атоми. Успеал да напише учебник по хемија во три тома во кој зборот „атом“ никогаш не се ни спомнува. Говорејќи на 19 април 1904 година со голем извештај во Кралската институција до членовите на англискиот Хемиско друштво, Оствалд се обиде да докаже дека атомите не постојат и „она што ние го нарекуваме материја е само збирка на енергии собрани заедно на дадено место“.

Но, дури и оние физичари кои ја прифатија молекуларната теорија не можеа да веруваат дека таквата на едноставен начинВалидноста на атомско-молекуларната теорија беше докажана, па беа изнесени различни алтернативни причини за да се објасни феноменот. И ова е сосема во духот на науката: додека не се идентификува недвосмислено причината за феноменот, можно е (па дури и неопходно) да се претпостават различни хипотези, кои, ако е можно, треба да се тестираат експериментално или теоретски. Така, уште во 1905 г Енциклопедиски речникБрокхаус и Ефрон објавија кратка статија на професорот по физика во Санкт Петербург Н.А. Гезехус, учител на познатиот академик А.Ф. Јофе. Гесехус напишал дека, според некои научници, Брауновото движење е предизвикано од „светлините или топлинските зраци кои минуваат низ течноста“ и се сведуваат на „едноставни текови во течност што немаат никаква врска со движењата на молекулите“, и овие текови може да биде предизвикана од „испарување, дифузија и други причини“. На крајот на краиштата, веќе беше познато дека многу слично движење на честичките прашина во воздухот е предизвикано токму од вителските текови. Но, објаснувањето дадено од Гесехус лесно може да се побие експериментално: ако погледнете две брауни честички лоцирани многу блиску една до друга преку силен микроскоп, нивните движења ќе испаднат целосно независни. Доколку овие движења се предизвикани од некакви текови во течноста, тогаш таквите соседни честички би се движеле заедно.

Теорија на Брауново движење.

На почетокот на 20 век. повеќето научници ја разбрале молекуларната природа на Брауновото движење. Но, сите објаснувања останаа чисто квалитативни; ниту една квантитативна теорија не можеше да издржи експериментална верификација. Покрај тоа, вие самите експериментални резултатибеа нејасни: фантастичниот спектакл на непрекинато брзање честички ги хипнотизираше експериментаторите и тие не знаеја точно кои карактеристики на феноменот треба да се измерат.

И покрај очигледното целосно нарушување, сè уште беше можно да се опишат случајните движења на Брауновите честички со математичка врска. За прв пат, ригорозно објаснување за брауновото движење било дадено во 1904 година од полскиот физичар Маријан Смолучовски (1872–1917), кој во тие години работел на Универзитетот во Лавов. Во исто време, теоријата за овој феномен ја разви Алберт Ајнштајн (1879–1955), тогаш малку познат експерт од втора класа во Канцеларијата за патенти на швајцарскиот град Берн. Неговата статија, објавена во мај 1905 година во германското списание Annalen der Physik, беше со наслов За движењето на честичките суспендирани во течност во мирување, што го бара молекуларната кинетичка теорија на топлина. Со ова име, Ајнштајн сакал да покаже дека молекуларната кинетичка теорија за структурата на материјата нужно подразбира постоење на случајно движење на најмалите цврсти честички во течностите.

Интересно е што на самиот почеток на оваа статија, Ајнштајн пишува дека е запознаен со самиот феномен, иако површно: „Можно е движењата за кои станува збор да се идентични со таканареченото брауново молекуларно движење, но достапните податоци За мене во однос на второто се толку неточни што не можев да формулирам дека ова е дефинитивно мислење“. И неколку децении подоцна, веќе во доцниот живот, Ајнштајн напиша нешто различно во своите мемоари - дека воопшто не знаел за брауновото движење и всушност го „повторно открил“ чисто теоретски: „Не знаејќи дека набљудувањата на „брауновото движење“ одамна се познато, открив дека атомската теорија води до постоење на забележливо движење на микроскопски суспендирани честички.“ Како и да е, теоретскиот напис на Ајнштајн заврши со директен повик до експериментаторите експериментално да ги тестираат неговите заклучоци: „Ако некој истражувач наскоро може да одговори прашањата покренати овде се прашуваат!“ – ја завршува својата статија со толку необичен извик.

Одговорот на страсниот апел на Ајнштајн не се чекаше долго.

Според теоријата Смолучовски-Ајнштајн, просечната вредност на квадратното поместување на брауновата честичка ( с 2) за време тдиректно пропорционална на температурата Ти обратно пропорционален на вискозноста на течноста h, големина на честички ри константата на Авогадро

НА: с 2 = 2RTt/ 6 ч rNА,

Каде Р– константа на гас. Значи, ако за 1 минута честичка со дијаметар од 1 μm се движи за 10 μm, тогаш за 9 минути - за 10 = 30 μm, за 25 минути - за 10 = 50 μm, итн. Под слични услови, честичка со дијаметар од 0,25 μm во исти временски периоди (1, 9 и 25 мин) ќе се движи за 20, 60 и 100 μm, соодветно, бидејќи = 2. Важно е горната формула да вклучува Авогадроовата константа, која на тој начин може да се одреди со квантитативни мерења на движењето на брауновата честичка, што ги направил францускиот физичар Жан Батист Перин (1870–1942).

Во 1908 година, Перин започнал квантитативно набљудување на движењето на брауновите честички под микроскоп. Тој користел ултрамикроскоп, измислен во 1902 година, кој овозможил да се детектираат најмалите честички со расфрлање светлина врз нив од моќен страничен илуминатор. Перин добил ситни топчиња со речиси сферична форма и приближно иста големина од гума за џвакање, кондензиран сок од некои тропски дрвја (се користи и како жолта боја во акварел). Овие ситни зрнца беа суспендирани во глицерол кој содржи 12% вода; вискозната течност спречила појава на внатрешни текови во неа кои би ја заматиле сликата. Вооружен со стоперка, Перин ја забележал, а потоа ја скицирал (се разбира, во многу зголемена скала) на графички лист хартија положбата на честичките во редовни интервали, на пример, на секои половина минута. Со поврзување на добиените точки со прави линии, тој доби сложени траектории, некои од нив се прикажани на сликата (тие се преземени од книгата на Перин Атоми, објавена во 1920 година во Париз). Таквото хаотично, неуредно движење на честичките води до фактот дека тие се движат во просторот прилично бавно: збирот на сегментите е многу поголем од поместувањето на честичката од првата точка до последната.

Последователни позиции на секои 30 секунди на три брауни честички - топчиња за џвакање со големина од околу 1 микрон. Една ќелија одговара на растојание од 3 µm. Ако Перин би можел да ја одреди позицијата на Брауновите честички не по 30, туку по 3 секунди, тогаш правите линии помеѓу секоја соседна точка би се претвориле во истата сложена цик-цак скршена линија, само во помал размер.

Користејќи ја теоретската формула и неговите резултати, Перин ја добил вредноста за бројот на Авогадро која била доста точна за тоа време: 6,8 . 10 23 . Перин, исто така, користел микроскоп за да ја проучува вертикалната дистрибуција на Брауновите честички ( цм. ЗАКОН НА АВОГАДРО) и покажа дека и покрај дејството на гравитацијата, тие остануваат суспендирани во раствор. Перин поседува и други важна работа. Во 1895 година тој докажал дека катодните зраци се негативни електрични полнежи(електрони), во 1901 година првпат предложил планетарен модел на атомот. Во 1926 година ја доби Нобеловата награда за физика.

Резултатите добиени од Перин ги потврдија теоретските заклучоци на Ајнштајн. Тоа остави силен впечаток. Како што напиша американскиот физичар А. од едноставни молекули, земете стоперка и микроскоп и можете да ја одредите константата на Авогадро!“ Некој, исто така, би можел да биде изненаден: описите на новите експерименти за брауновото движење сè уште се појавуваат во научните списанија (Nature, Science, Journal of Chemical Education) од време на време! По објавувањето на резултатите на Перин, Оствалд, поранешен противник на атомизмот, призна дека „совпаѓањето на брауновото движење со барањата на кинетичката хипотеза... сега му дава право на највнимателниот научник да зборува за експериментален доказ за атомската теорија на материјата. Така, атомската теорија е издигната на ранг на научна, добро основана теорија“. Него го повторува францускиот математичар и физичар Анри Поенкаре: „Билијантното определување на бројот на атоми од Перин го заврши триумфот на атомизмот... Атомот на хемичарите сега стана реалност“.

Брауново движење и дифузија.

Движењето на Брауновите честички е многу слично по изглед со движењето на поединечните молекули како резултат на нивното термичко движење. Ова движење се нарекува дифузија. Дури и пред работата на Смолучовски и Ајнштајн, законите за молекуларно движење беа воспоставени во наједноставниот случај на гасовита состојба на материјата. Се покажа дека молекулите во гасовите се движат многу брзо - со брзина на куршум, но тие не можат да летаат далеку, бидејќи многу често се судираат со други молекули. На пример, молекулите на кислород и азот во воздухот, кои се движат со просечна брзина од приближно 500 m/s, доживуваат повеќе од милијарда судири секоја секунда. Според тоа, патеката на молекулата, доколку е можно да се следи, би била сложена скршена линија. Брауновите честички исто така опишуваат слична траекторија ако нивната позиција е забележана во одредени временски интервали. И дифузијата и Брауновото движење се последица на хаотичното термичко движење на молекулите и затоа се опишани со слични математички зависности. Разликата е во тоа што молекулите во гасовите се движат по права линија додека не се судрат со други молекули, по што ја менуваат насоката. Брауновата честичка, за разлика од молекулата, не врши никакви „слободни летови“, но доживува многу чести мали и неправилни „трески“, како резултат на што хаотично се поместува во една или друга насока. Пресметките покажаа дека за честичка со големина од 0,1 µm, едно движење се случува за три милијардити делови од секундата на растојание од само 0,5 nm (1 nm = 0,001 µm). Како што соодветно вели еден автор, ова потсетува на поместување на празна лименка со пиво на плоштад каде што се собрала толпа луѓе.

Дифузијата е многу полесна за набљудување од брауновото движење, бидејќи не бара микроскоп: движењата не се набљудуваат на поединечни честички, туку на нивните огромни маси, само треба да се осигурате дека дифузијата не е надредена со конвекција - мешање на материјата како резултат на струење на вител (таквите текови лесно се забележуваат, ставајќи капка обоен раствор, како мастило, во чаша со топла вода).

Дифузијата е погодна за набљудување во дебели гелови. Таков гел може да се подготви, на пример, во тегла со пеницилин со подготовка на 4-5% раствор на желатин во неа. Желатинот мора прво да набабри неколку часа, а потоа целосно се раствора со мешање со спуштање на теглата во топла вода. По ладењето се добива гел што не тече во форма на проѕирна, малку заматена маса. Ако, со помош на остри пинцети, внимателно внесете мал кристал од калиум перманганат („калиум перманганат“) во центарот на оваа маса, кристалот ќе остане да виси на местото каде што е оставен, бидејќи гелот го спречува да падне. За неколку минути, околу кристалот ќе почне да расте виолетова топка; со текот на времето, таа станува се поголема и поголема додека ѕидовите на теглата не ја искриват нејзината форма. Истиот резултат може да се добие со помош на кристал од бакар сулфат, само во овој случај топката ќе испадне не виолетова, туку сина.

Јасно е зошто топката испадна: MnO 4 – јоните се формираат кога кристалот се раствора, влегуваат во растворот (гелот е главно вода) и, како резултат на дифузијата, се движат рамномерно во сите правци, додека гравитацијата практично нема ефект врз стапка на дифузија. Дифузијата во течноста е многу бавна: ќе бидат потребни многу часови за топката да порасне неколку сантиметри. Кај гасовите дифузијата е многу побрза, но сепак, доколку воздухот не се измешал, мирисот на парфем или амонијак би се ширел во просторијата со часови.

Браунова теорија на движење: случајни прошетки.

Теоријата Смолучовски-Ајнштајн ги објаснува законите и на дифузијата и на Брауновото движење. Можеме да ги разгледаме овие обрасци користејќи го примерот на дифузија. Ако брзината на молекулата е u, тогаш, движејќи се во права линија, во времето т ќе оди на растојание Л = ut, но поради судири со други молекули оваа молекула не се движи права линија, туку континуирано го менува правецот на движење. Кога би било можно да се скицира патеката на молекулата, таа фундаментално не би се разликувала од цртежите добиени од Перин. Од овие бројки е јасно дека поради хаотичното движење молекулата е поместена за растојание с, значително помалку од Л. Овие количини се поврзани со односот с= , каде што l е растојанието што молекулата лета од еден до друг судир, средна слободна патека. Мерењата покажаа дека за молекулите на воздухот при нормален атмосферски притисок l ~ 0,1 μm, што значи дека со брзина од 500 m/s молекула на азот или кислород ќе го прелета растојанието за 10.000 секунди (помалку од три часа) Л= 5000 km, и ќе се префрли од првобитната положба само за с= 0,7 m (70 cm), поради што супстанциите се движат толку бавно поради дифузијата, дури и во гасовите.

Патот на молекулата како резултат на дифузија (или патеката на Браунова честичка) се нарекува случајно одење. Духовитите физичари го реинтерпретираа овој израз како одење на пијаница - „патот на пијаницата“. оваа аналогија, исто така, овозможува да се заклучи сосема едноставно основната равенка на таков процес се заснова на примерот на еднодимензионално движење, што е лесно да се генерализира во тридимензионално.

Да претпоставиме дека доцна во ноќта излегол некој лут морнар од таверна и се упатил по улицата. Откако ја одеше патеката l до најблискиот фенер, се одмори и отиде... или понатаму, до следниот фенер, или назад, до таверната - на крајот на краиштата, тој не се сеќава од каде дошол. Прашањето е дали некогаш ќе ги остави тиквичките или само ќе талка околу нив, сега оддалечувајќи се, сега приоѓајќи им? (Друга верзија на проблемот вели дека има валкани ровови на двата краја на улицата, каде што завршуваат уличните светла, и прашува дали морнарот ќе може да избегне да падне во еден од нив.) Интуитивно, се чини дека вториот одговор е точен. Но, тоа е неточно: излегува дека морнарот постепено ќе се оддалечува и подалеку од нултата точка, иако многу побавно отколку ако одеше само во една насока. Еве како да го докажете тоа.

Откако го помина првиот пат до најблиската светилка (десно или лево), морнарот ќе биде на растојание с 1 = ± l од почетната точка. Бидејќи нè интересира само неговата оддалеченост од оваа точка, но не и нејзината насока, ќе се ослободиме од знаците со квадратирање на овој израз: с 1 2 = l 2. По некое време, морнарот, откако веќе заврши Н„скитници“, ќе биде на далечина

с Н= од почеток. И откако одевме повторно (во една насока) до најблискиот фенер, на далечина с Н+1 = с Н± l, или, користејќи го квадратот на поместувањето, с 2 Н+1 = с 2 Н± 2 с Н l + l 2. Ако морнарот го повторува ова движење многу пати (од Нпред Н+ 1), а потоа како резултат на просекот (поминува со еднаква веројатност Нти чекор надесно или лево), термин ± 2 с НЌе откажам, па s 2 Н+1 = s2 Н+ l 2> (аголните загради ја означуваат просечната вредност) L = 3600 m = 3,6 km, додека поместувањето од нултата точка за исто време ќе биде еднакво само на с= = 190 м За три часа ќе помине Л= 10,8 км и ќе се помести за с= 330 m итн.

Работа u l во добиената формула може да се спореди со коефициентот на дифузија, кој, како што покажа ирскиот физичар и математичар Џорџ Габриел Стоукс (1819–1903), зависи од големината на честичките и вискозноста на медиумот. Врз основа на слични размислувања, Ајнштајн ја извел својата равенка.

Теоријата на Брауново движење во реалниот живот.

Теоријата на случајни прошетки има важна практична примена. Тие велат дека во отсуство на знаменитости (сонце, ѕвезди, бучава од автопат или железницаитн.) човек талка во шума, низ поле во снежна бура или во густа магла во кругови, цело време враќајќи се на првобитното место. Всушност, тој не оди во кругови, туку приближно на ист начин како се движат молекулите или Брауновите честички. Може да се врати на првобитното место, но само случајно. Но, тој многупати го прекрстува својот пат. Тие исто така велат дека луѓето замрзнати во снежна бура биле пронајдени „некој километар“ од најблиското куќиште или пат, но во реалноста лицето немало шанси да го помине овој километар, а еве зошто.

За да пресметате колку едно лице ќе се префрли како резултат на случајни прошетки, треба да ја знаете вредноста на l, т.е. растојанието кое едно лице може да оди по права линија без никакви обележја. Оваа вредност ја измери докторот по геолошки и минералошки науки Б.С.Горобец со помош на студенти волонтери. Тој, се разбира, не ги остави во густа шума или на терен покриен со снег, сè беше поедноставно - ученикот беше сместен во центарот на празен стадион, со врзани очи и замолен да оди до крајот на фудбалското игралиште во целосна тишина (за да се исклучи ориентацијата со звуци). Се испоставило дека ученикот во просек одел во права линија само околу 20 метри (отстапувањето од идеалната права линија не надминувало 5°), а потоа почнало се повеќе да отстапува од првобитната насока. На крајот застана, далеку од тоа да дојде до работ.

Нека сега човек кој оди(или подобро, талка) во шумата со брзина од 2 километри на час (за пат ова е многу бавно, но за густа шума е многу брзо), тогаш ако вредноста на l е 20 метри, тогаш во час ќе помине 2 km, но ќе се помести само за 200 m, за два часа - приближно 280 m, за три часа - 350 m, за 4 часа - 400 m итн. И движејќи се во права линија со таква брзина, едно лице би пешачело 8 километри за 4 часа, така што во упатствата Според безбедносните мерки за работа на терен, постои следново правило: доколку се изгубат знаменитостите, треба да останете на своето место, да поставите засолниште и да го чекате крајот на лошо време (може да излезе сонце) или за помош. Во шумата, знаменитостите - дрвја или грмушки - ќе ви помогнат да се движите во права линија, и секој пат кога ќе треба да се држите до две такви знаменитости - едната напред, другата зад. Но, секако, најдобро е со себе да земете компас...

Илја Ленсон

Литература:

Марио Лиоци. Историја на физиката. М., Мир, 1970 година
Керкер М. Брауновите движења и молекуларната реалност пред 1900 г. Весник за хемиско образование, 1974 година, кн. 51, бр. 12
Ленсон И.А. Хемиски реакции . М., Астрел, 2002 година

Денес ќе разгледаме подетално важна тема- да го дефинираме Брауновото движење на мали парчиња материја во течност или гас.

Карта и координати

Некои ученици, измачени од здодевни лекции, не разбираат зошто учат физика. Во меѓувреме, токму оваа наука некогаш овозможи да се открие Америка!

Да почнеме од далеку. Античките цивилизации на Медитеранот, во извесна смисла, имале среќа: тие се развиле на бреговите на затворена внатрешна површина на вода. Средоземното море се нарекува така затоа што е опкружено од сите страни со копно. И древните патници можеле да патуваат доста далеку со својата експедиција без да го изгубат од вид брегот. Контурите на земјата помогнаа да се движите. И првите карти беа изготвени описно наместо географски. Благодарение на овие релативно кратки патувања, Грците, Феникијците и Египќаните станаа многу добри во изградбата на бродови. А каде што е најдобрата опрема, таму е желбата да ги поместите границите на вашиот свет.

Затоа, еден убав ден европските сили решија да влезат во океанот. Додека пловеле низ бескрајните пространства меѓу континентите, морнарите гледале само вода многу месеци и морале некако да го најдат својот пат. Пронајдокот на точни часовници и висококвалитетен компас помогна да се одредат нечии координати.

Часовник и компас

Изумот на мали рачни хронометри многу им помогна на морнарите. За да одредат точно каде се наоѓаат, требало да имаат едноставен инструмент кој ја мери висината на сонцето над хоризонтот и да знаат кога точно е пладне. И благодарение на компасот, капетаните на бродовите знаеја каде одат. И часовникот и својствата на магнетната игла биле проучувани и креирани од физичарите. Благодарение на ова, целиот свет беше отворен за Европејците.

Новите континенти беа тера инкогнита, неистражени земји. На нив израснале чудни растенија и биле пронајдени чудни животни.

Растенија и физика

Сите натуралисти од цивилизираниот свет побрзаа да ги проучуваат овие нови чудни еколошки системи. И, се разбира, тие бараа да имаат корист од нив.

Роберт Браун бил англиски ботаничар. Тој отпатувал во Австралија и Тасманија, собирајќи збирки од растенија таму. Веќе дома во Англија, тој напорно работеше на описот и класификацијата на донесениот материјал. И овој научник беше многу педантен. Еден ден, додека го набљудувал движењето на поленот во растителниот сок, забележал: малите честички постојано прават хаотични цик-цак движења. Ова е дефиниција за Брауново движење на мали елементи во гасови и течности. Благодарение на откритието, неверојатниот ботаничар го запиша своето име во историјата на физиката!

Браун и глупав

Во европската наука е вообичаено да се именува ефект или феномен по личноста што ја открила. Но, често тоа се случува случајно. Но, личноста која опишува, ја открива важноста или истражува подетално физички закон, се појавува во сенка. Ова се случи со Французинот Луј Жорж Гоу. Токму тој ја даде дефиницијата за брауново движење (7-мо одделение дефинитивно не слуша за тоа кога ја проучува оваа тема по физика).

Истражувањето на Гоу и својствата на Брауновото движење

Францускиот експериментатор Луј Жорж Гоу го набљудувал движењето различни типовичестички во неколку течности, вклучително и раствори. Науката од тоа време веќе можеше точно да ја одреди големината на парчињата материја до десетини од микрометар. Додека истражувал што е брауновско движење (Гуи ја дал дефиницијата за овој феномен во физиката), научникот сфатил: интензитетот на движењето на честичките се зголемува ако се стават во помалку вискозна средина. Бидејќи бил експериментатор со широк спектар, тој ја изложил суспензијата на светлина и електромагнетни полиња со различна јачина. Научникот открил дека овие фактори на никаков начин не влијаат на хаотичните цик-цак скокови на честичките. Gouy недвосмислено го покажа она што го докажува Брауновото движење: термичкото движење на молекулите на течност или гас.

Тим и маса

Сега да го опишеме подетално механизмот на цик-цак-скокови на мали парчиња материја во течност.

Секоја супстанција се состои од атоми или молекули. Овие елементи на светот се многу мали, ниту еден оптички микроскоп не може да ги види. Во течност тие осцилираат и се движат цело време. Кога некоја видлива честичка влегува во раствор, нејзината маса е илјадници пати поголема од еден атом. Брауново движењетечни молекули се случува хаотично. Но, сепак, сите атоми или молекули се колектив, тие се поврзани едни со други, како луѓе кои се здружуваат. Затоа, понекогаш се случува атомите на течноста од едната страна на честичката да се движат така што да „притиснат“ врз неа, додека од другата страна на честичката се создава помалку густа средина. Затоа, честичката прашина се движи во просторот на растворот. На друго место, колективното движење на молекулите на течноста случајно влијае на другата страна на помасивна компонента. Токму така се случува Брауновото движење на честичките.

Времето и Ајнштајн

Ако супстанцијата има температура не нула, нејзините атоми подлежат на топлински вибрации. Затоа, дури и во многу ладна или преладена течност, постои Брауново движење. Овие хаотични скокови на мали суспендирани честички никогаш не престануваат.

Алберт Ајнштајн е можеби најпознатиот научник на дваесеттиот век. Секој што е барем малку заинтересиран за физиката ја знае формулата E = mc 2. Исто така, многумина можат да се сетат на фото-ефектот за кој е даден Нобелова награда, и за специјалната теорија на релативноста. Но, малкумина знаат дека Ајнштајн развил формула за Брауново движење.

Врз основа на молекуларната кинетичка теорија, научникот го извел коефициентот на дифузија на суспендираните честички во течност. И ова се случи во 1905 година. Формулата изгледа вака:

D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ),

каде што D е саканиот коефициент, R е универзална гасна константа, T е апсолутна температура (изразена во Келвин), N A е константа на Авогадро (одговара на еден мол од супстанцијата, или приближно 10 23 молекули), a е приближниот просек радиус на честички, ξ е динамичкиот вискозитет на течност или раствор.

И веќе во 1908 година, францускиот физичар Жан Перин и неговите студенти експериментално ја докажаа исправноста на пресметките на Ајнштајн.

Една честичка во полето на воинот

Погоре го опишавме колективното влијание на околината врз многу честички. Но, дури и еден странски елемент во течноста може да доведе до некои модели и зависности. На пример, ако набљудувате Браунова честичка долго време, можете да ги снимите сите нејзини движења. И од овој хаос ќе произлезе хармоничен систем. Просечното движење на Браунова честичка долж која било насока е пропорционално на времето.

Во експериментите на честичка во течност, следните количини беа рафинирани:

Болцманова константа;
Бројот на Авогадро.

Покрај тоа линеарно движење, се карактеризира и со хаотична ротација. И просечното аголно поместување е исто така пропорционално на времето на набљудување.

Големини и форми

По ваквото расудување, може да се појави логично прашање: зошто овој ефект не се забележува кај големите тела? Затоа што кога обемот на предметот потопен во течност е поголем од одредена вредност, тогаш сите овие случајни колективни „притискања“ на молекули се претвораат во постојан притисок, како што се просечните. А генералот Архимед веќе дејствува на телото. Така, големо парче железо тоне, а металната прашина плови во водата.

Големината на честичките, како пример за која се открива флуктуацијата на течните молекули, не треба да надминува 5 микрометри. Што се однесува до големите предмети, овој ефект нема да биде забележлив.

Што е Брауново движење?

Сега ќе се запознаете со најочигледните докази за термичкото движење на молекулите (втората главна позиција на молекуларната кинетичка теорија). Обидете се да погледнете низ микроскоп и да видите како се движат таканаречените Браунови честички.

Претходно научивте што е тоа дифузијат.е мешање гасови, течности и цврсти материипри нивниот директен контакт. Овој феномен може да се објасни со случајното движење на молекулите и пенетрацијата на молекулите на една супстанција во просторот помеѓу молекулите на друга супстанција. Ова може да го објасни, на пример, фактот дека волуменот на мешавината на вода и алкохол е помал од волуменот на нејзините составни компоненти. Но, најочигледниот доказ за движењето на молекулите може да се добие со набљудување преку микроскоп на најмалите честички од која било цврста супстанција суспендирана во вода. Овие честички се подложени на случајно движење, кое се нарекува Браун.

Ова е термичко движење на честички суспендирани во течност (или гас).

Набљудување на Брауновото движење

Англискиот ботаничар Р. Браун (1773-1858) првпат го забележал овој феномен во 1827 година, испитувајќи ги спорите на мов суспендирани во вода преку микроскоп. Подоцна погледнал и други мали честички, вклучително и парчиња камен од египетските пирамиди. Во денешно време, за да го набљудуваат движењето на Браун, тие користат честички од боја за џвакање, која е нерастворлива во вода. Овие честички се движат случајно. Најневеројатно и најнеобично за нас е тоа што ова движење никогаш не престанува. Навикнати сме на фактот дека секое тело што се движи застанува порано или подоцна. Браун првично мислеше дека спорите на мов даваат знаци на живот.

термичко движење и не може да запре. Како што се зголемува температурата, нејзиниот интензитет се зголемува. На слика 8.3 е прикажан дијаграм на движењето на Брауновите честички. Положбите на честичките, означени со точки, се одредуваат во редовни интервали од 30 секунди. Овие точки се поврзани со прави линии. Во реалноста, траекторијата на честичките е многу посложена.

Брауновото движење може да се забележи и кај гасот. Тоа е предизвикано од честички од прашина или чад суспендирани во воздухот.

Германскиот физичар Р. Пол (1884-1976) живописно го опишува Брауновото движење: „Малку феномени се способни да го заробат набљудувачот колку што е Брауновото движење. Овде на набљудувачот му е дозволено да погледне зад сцената на она што се случува во природата. Се отвора пред него нов свет- нон-стоп гужва од огромен број честички. Најмалите честички брзо летаат низ видното поле на микроскопот, речиси веднаш менувајќи ја насоката на движење. Поголемите честички се движат побавно, но и постојано ја менуваат насоката на движење. Големите честички практично се дробат на своето место. Нивните испакнатини јасно ја покажуваат ротацијата на честичките околу нивната оска, која постојано го менува правецот во вселената. Никаде нема трага од систем или ред. Доминација на слепата шанса - тоа е силниот, огромен впечаток што оваа слика го остава на набљудувачот“.

Во моментов концептот Брауново движењесе користи во повеќе во широка смисла. На пример, Брауновото движење е вибрација на иглите на чувствителните мерни инструменти, што се јавува поради термичкото движење на атомите на деловите на инструментот и околината.

Објаснување на Брауновото движење

Брауновото движење може да се објасни само врз основа на молекуларната кинетичка теорија. Причината за Брауновото движење на честичката е тоа што влијанијата на течните молекули врз честичката не се поништуваат едни со други.. Слика 8.4 шематски ја прикажува позицијата на една Браунова честичка и молекулите најблиску до неа. Кога молекулите се движат по случаен избор, импулсите што ги пренесуваат до Брауновата честичка, на пример, лево и десно, не се исти. Според тоа, добиената сила на притисок на течните молекули на честичката Браун е ненула. Оваа сила предизвикува промена во движењето на честичката.

Просечниот притисок има одредена вредност и во гас и во течност. Но, секогаш има мали случајни отстапувања од овој просек. Колку е помала површината на телото, толку позабележителни се релативните промени во силата на притисокот што делува дадена површина. Така, на пример, ако областа има големина од редот на неколку дијаметри на молекулата, тогаш силата на притисок што делува на неа нагло се менува од нула до одредена вредност кога молекулата ќе ја погоди оваа област.

Молекуларната кинетичка теорија на Брауновото движење е создадена во 1905 година од А. Ајнштајн (1879-1955).

Изградбата на теоријата за Брауново движење и нејзината експериментална потврда од францускиот физичар J. Perrin конечно ја заврши победата на молекуларната кинетичка теорија.

Експериментите на Перин

Идејата за експериментите на Перин е како што следува. Познато е дека концентрацијата на молекулите на гасот во атмосферата се намалува со надморска височина. Ако нема термичко движење, тогаш сите молекули би паднале на Земјата и атмосферата би исчезнала. Меѓутоа, ако нема привлечност кон Земјата, тогаш поради термичко движење молекулите ќе ја напуштат Земјата, бидејќи гасот е способен за неограничено ширење. Како резултат на дејството на овие спротивставени фактори, се воспоставува одредена дистрибуција на молекулите во висина, како што е споменато погоре, т.е. концентрацијата на молекулите се намалува доста брзо со висината. Покрај тоа, од поголема масамолекули, толку побрзо нивната концентрација се намалува со висината.

Брауновите честички учествуваат во термичкото движење. Бидејќи нивната интеракција е занемарливо мала, собирањето на овие честички во гас или течност може да се смета за идеален гас на многу тешки молекули. Следствено, концентрацијата на Брауновите честички во гас или течност во гравитационото поле на Земјата треба да се намали според истиот закон како и концентрацијата на молекулите на гасот. Овој закон е познат.

Перин, користејќи микроскоп со големо зголемување и плитка длабочина на поле (плитка длабочина на поле), забележа Браунови честички во многу тенки слоеви на течност. Пресметувајќи ја концентрацијата на честички на различни висини, тој открил дека оваа концентрација се намалува со висината според истиот закон како и концентрацијата на молекулите на гасот. Разликата е во тоа што поради големата маса на брауновите честички, намалувањето се случува многу брзо.

Згора на тоа, броењето на Брауновите честички на различни висини му овозможи на Перин да ја одреди константата на Авогадро користејќи сосема нов метод. Вредноста на оваа константа се совпадна со познатата.

Сите овие факти укажуваат на исправноста на теоријата за брауновото движење и, соодветно, дека Брауновите честички учествуваат во термичкото движење на молекулите.

Јасно сте го виделе постоењето на термичко движење; виде како се одвива хаотично движење. Молекулите се движат дури и послучајно од Брауновите честички.

Суштината на феноменот

Сега да се обидеме да ја разбереме суштината на феноменот на Брауновото движење. И тоа се случува затоа што сите апсолутно течности и гасови се состојат од атоми или молекули. Но, исто така знаеме дека овие ситни честички, кои се во континуирано хаотично движење, постојано ја туркаат Брауновата честичка од различни правци.

Но, она што е интересно е дека научниците докажаа дека честичките се повеќе големи димензии, кои надминуваат 5 микрони остануваат неподвижни и речиси и не учествуваат во Брауновото движење, што не може да се каже за помалите честички. Честичките со големина помала од 3 микрони се способни да се движат преводно, да вршат ротации или да пишуваат сложени траектории.

Кога големо тело е потопено во околината, шоковите што се случуваат во огромен број се чини дека достигнуваат просечно нивои одржува постојан притисок. Во овој случај, теоријата на Архимед влегува во игра, бидејќи големо тело опкружено со околина од сите страни го балансира притисокот и преостанатата сила на подигање му овозможува на ова тело да лебди или да потоне.

Но, ако телото има димензии како Браунова честичка, односно сосема незабележливо, тогаш отстапувањата на притисокот стануваат забележливи, кои придонесуваат за создавање на случајна сила што доведува до вибрации на овие честички. Може да се заклучи дека Брауновите честички во медиумот се во суспензија, за разлика од големите честички кои тонат или лебдат.

Значењето на Брауновото движење

Ајде да се обидеме да откриеме дали Брауновото движење има некакво значење во природната средина:

Прво, Брауновото движење игра значајна улога во исхраната на растенијата од почвата;
Второ, во човечки и животински тела, апсорпција хранливи материисе јавува низ ѕидовите на органите за варење поради Брауновото движење;
Трето, во спроведувањето на кожното дишење;
И на крај, Брауновото движење е исто така важно во ширењето штетни материиво воздухот и во водата.

Домашна работа

Внимателно прочитајте ги прашањата и дајте писмени одговори на нив:

1. Запомни што се нарекува дифузија?
2. Каква е врската помеѓу дифузијата и термичкото движење на молекулите?
3. Дефинирајте го Брауновото движење.
4. Дали мислите дека Брауновото движење е термичко и го оправдувате вашиот одговор?
5. Дали природата на Брауновото движење ќе се промени кога ќе се загрее? Ако се промени, како точно?
6. Каков уред се користи за проучување на Брауновото движење?
7. Дали шемата на Брауновото движење се менува со зголемувањето на температурата и колку точно?
8. Дали ќе има промени во Брауновото движење ако водената емулзија се замени со глицерол?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, физика 10 одделение

За време на неговиот живот, шкотскиот ботаничар Роберт Браун, како најдобар експерт за растенија, ја доби титулата „Принц на ботаничарите“. Тој направи многу прекрасни откритија. Во 1805 година, по четиригодишна експедиција во Австралија, тој донел во Англија околу 4.000 видови австралиски растенија непознати за научниците и поминал многу години проучувајќи ги. Опишани растенија донесени од Индонезија и Централна Африка. Студирал физиологија на растенијата и за прв пат детално го опишал јадрото на растителна клетка. Но, името на научникот сега е нашироко познато не поради овие дела.

Во 1827 година Браун спроведе истражување за полен од растенија. Тој беше особено заинтересиран за тоа како поленот учествува во процесот на оплодување. Еднаш, под микроскоп, тој испитувал издолжени цитоплазматски зрна суспендирани во вода од полен клетките на северноамериканското растение Clarkia pulchella. Одеднаш Браун виде дека најмалите цврсти зрна, кои едвај се гледаа во капка вода, постојано треперат и се движат од место до место. Тој открил дека овие движења, според неговите зборови, „не се поврзани ниту со протокот во течноста ниту со нејзиното постепено испарување, туку се својствени за самите честички“.

Набљудувањето на Браун беше потврдено од други научници. Најмалите честички се однесуваа како да се живи, а „танцот“ на честичките се забрзуваше со зголемување на температурата и намалувањето на големината на честичките и јасно забави кога водата се замени со повискозен медиум. Овој неверојатен феномен никогаш не престана: можеше да се набљудува онолку долго колку што сакате. На почетокот, Браун дури мислел дека живите суштества всушност паднале во полето на микроскопот, особено затоа што поленот е машките репродуктивни клетки на растенијата, но имало и честички од мртвите растенија, дури и од оние што биле исушени сто години порано во хербариуми. Тогаш Браун се запраша дали тоа се „елементарните молекули на живите суштества“ за кои зборува познатиот француски натуралист Жорж Буфон (1707-1788), автор на 36-тома Природна историја. Оваа претпоставка паднала кога Браун почнал да испитува навидум неживи предмети; на почетокот тоа беа многу мали честички јаглен, како и саѓи и прашина од лондонскиот воздух, а потоа фино мелени неоргански материи: стакло, многу различни минерали. „Активни молекули“ беа насекаде: „Во секој минерал“, напиша Браун, „што успеав да го сомелам во прашина до таа мера што можеше некое време да биде суспендирана во вода, најдов, во поголеми или помали количини. овие молекули“.

Околу 30 години, откритието на Браун не го привлекуваше интересот на физичарите. Новиот феномен не беше даден од големо значење, верувајќи дека тоа се објаснува со треперењето на препаратот, или слично на движењето на честичките прашина, што се забележува во атмосферата кога врз нив паѓа зрак светлина, а што, како што беше познато, е предизвикано од движењето на воздухот. Но, ако движењата на Брауновите честички се предизвикани од некакви текови во течноста, тогаш таквите соседни честички би се движеле заедно, што е спротивно на податоците од набљудувањето.

Објаснувањето на брауновото движење (како што беше наречено овој феномен) со движењето на невидливите молекули беше дадено дури во последната четвртина од 19 век, но не беше веднаш прифатено од сите научници. Во 1863 година, учителот по описна геометрија од Карлсруе (Германија), Лудвиг Кристијан Винер (1826-1896), сугерираше дека феноменот е поврзан со осцилаторните движења на невидливите атоми. Важно е што Винер виде можност да го искористи овој феномен за да навлезе во тајните на структурата на материјата. Тој беше првиот што се обиде да ја измери брзината на движење на Брауновите честички и нејзината зависност од нивната големина. Но, заклучоците на Винер беа комплицирани со воведувањето на концептот на „атоми на етер“ покрај атомите на материјата. Во 1876 година, Вилијам Ремзи и во 1877 година, белгиските језуитски свештеници Карбонел, Делсо и Тирион, и конечно, во 1888 година, Гај, јасно ја покажаа топлинската природа на брауновото движење [5].

„На голема површина“, напишале Делсо и Карбонел, „влијанијата на молекулите, кои се причина за притисокот, не предизвикуваат никакво тресење на суспендираното тело, бидејќи тие заедно создаваат рамномерен притисок врз телото во сите правци. . Но, ако површината не е доволна за да се компензира нерамномерноста, потребно е да се земе предвид нееднаквоста на притисоците и нивната континуирана промена од точка до точка. Законот за големи броеви повеќе не го намалува ефектот на судирите на просечен рамномерен притисок; нивниот резултат повеќе нема да биде еднаков на нула, туку континуирано ќе ја менува својата насока и нејзината големина.

Ако го прифатиме ова објаснување, тогаш феноменот на термичко движење на течностите, постулиран од кинетичката теорија, може да се каже дека е докажан ad oculos (визуелно). Како што е можно, без да се разликуваат брановите во далечината на морето, да се објасни лулањето на брод на хоризонтот со бранови, на ист начин, без да се види движењето на молекулите, може да се суди според движењето на суспендираните честички. во течност.

Ова објаснување на брауновото движење е значајно не само како потврда на кинетичката теорија, туку повлекува и важни теоретски последици. Според законот за зачувување на енергијата, промената на брзината на суспендираната честичка мора да биде придружена со промена на температурата во непосредна близина на оваа честичка: оваа температура се зголемува ако брзината на честичката се намалува, а се намалува ако брзината на честичката се зголемува. Така, топлинската рамнотежа на течноста е статистичка рамнотежа.

Уште позначајно набљудување беше направено во 1888 година од Гај: Брауновото движење, строго кажано, не го почитува вториот закон на термодинамиката. Всушност, кога суспендираната честичка спонтано се крева во течност, дел од топлината на нејзината околина спонтано се претвора во механичка работа, што е забрането со вториот закон на термодинамиката. Набљудувањата, сепак, покажаа дека подигнувањето на честичката се случува поретко, толку е потешка честичката. За честички од материја со нормална големина, оваа веројатност за таков пораст е практично нула.

Така, вториот закон на термодинамиката станува закон на веројатност наместо закон на неопходност. Ниту едно претходно искуство не ја поддржа оваа статистичка интерпретација. Доволно беше да се негира постоењето на молекули, како што беше направено, на пример, од школата за енергетика, која процвета под водство на Мах и Оствалд, за вториот закон на термодинамиката да стане закон на неопходност. Но, по откривањето на брауновото движење, строгото толкување на вториот закон стана невозможно: имаше вистинско искуство кое покажа дека вториот закон на термодинамиката постојано се нарушува во природата, дека машина за постојано движењеВториот вид не само што не е исклучен, туку постојано се случува пред нашите очи.

Затоа, на крајот на минатиот век, проучувањето на Брауновото движење доби огромно теоретско значење и го привлече вниманието на многу теоретски физичари, а особено на Ајнштајн.

« Физика - 10 одделение“

Сетете се на феноменот на дифузија од основниот училишен курс по физика.
Како може да се објасни овој феномен?

Претходно научивте што е тоа дифузијат.е. пенетрација на молекули на една супстанција во интермолекуларниот простор на друга супстанција. Овој феномен се одредува со случајно движење на молекулите. Ова може да го објасни, на пример, фактот дека волуменот на мешавината на вода и алкохол е помал од волуменот на нејзините составни компоненти.

Но, најочигледниот доказ за движењето на молекулите може да се добие со набљудување преку микроскоп на најмалите честички од која било супстанција суспендирана во вода. солидна. Овие честички се подложени на случајно движење, кое се нарекува Браун.

Брауново движењее термичко движење на честички суспендирани во течност (или гас).

Набљудување на Брауновото движење.

Англискиот ботаничар Р. Браун (1773-1858) првпат го забележал овој феномен во 1827 година, испитувајќи ги спорите на мов суспендирани во вода преку микроскоп.

Подоцна погледнал и други мали честички, вклучително и парчиња камен од египетските пирамиди. Во денешно време, за да го набљудуваат движењето на Браун, тие користат честички од боја за џвакање, која е нерастворлива во вода. Овие честички се движат случајно. Најневеројатно и најнеобично за нас е тоа што ова движење никогаш не престанува. Навикнати сме на фактот дека секое тело што се движи застанува порано или подоцна. Браун првично мислеше дека спорите на мов даваат знаци на живот.

Брауновото движење е термичко движење и не може да запре. Како што се зголемува температурата, нејзиниот интензитет се зголемува.

Слика 8.3 ги прикажува траекториите на Брауновите честички. Положбите на честичките, означени со точки, се одредуваат во редовни интервали од 30 секунди. Овие точки се поврзани со прави линии. Во реалноста, траекторијата на честичките е многу посложена.

Објаснување на Брауновото движење.

Брауновото движење може да се објасни само врз основа на молекуларната кинетичка теорија.

„Малку феномени можат да го воодушеват набљудувачот колку Брауновото движење. Овде на набљудувачот му е дозволено да погледне зад сцената на она што се случува во природата. Пред него се отвора нов свет - нон-стоп врева од огромен број честички. Најмалите честички брзо летаат низ видното поле на микроскопот, речиси веднаш менувајќи ја насоката на движење. Поголемите честички се движат побавно, но и постојано ја менуваат насоката на движење. Големите честички практично се дробат на своето место. Нивните испакнатини јасно ја покажуваат ротацијата на честичките околу нивната оска, која постојано го менува правецот во вселената. Никаде нема трага од систем или ред. Доминација на слепата шанса - тоа е силниот, огромен впечаток што оваа слика го остава на набљудувачот“. R. Paul (1884-1976).

Причината за Брауновото движење на честичката е тоа што влијанијата на течните молекули врз честичката не се поништуваат едни со други.

Слика 8.4 шематски ја прикажува позицијата на една Браунова честичка и молекулите најблиску до неа.

Кога молекулите се движат по случаен избор, импулсите што ги пренесуваат до Брауновата честичка, на пример, лево и десно, не се исти. Според тоа, добиената сила на притисок на течните молекули на честичката Браун е ненула. Оваа сила предизвикува промена во движењето на честичката.

Молекуларната кинетичка теорија на Брауновото движење е создадена во 1905 година од А. Ајнштајн (1879-1955). Изградбата на теоријата за Брауново движење и нејзината експериментална потврда од францускиот физичар J. Perrin конечно ја заврши победата на молекуларната кинетичка теорија. Во 1926 година, Ј. Перин ја доби Нобеловата награда за неговото проучување на структурата на материјата.

Експериментите на Перин.

Идејата за експериментите на Перин е како што следува. Познато е дека концентрацијата на молекулите на гасот во атмосферата се намалува со надморска височина. Ако нема термичко движење, тогаш сите молекули би паднале на Земјата и атмосферата би исчезнала. Меѓутоа, ако нема привлечност кон Земјата, тогаш поради термичко движење молекулите ќе ја напуштат Земјата, бидејќи гасот е способен за неограничено ширење. Како резултат на дејството на овие спротивставени фактори, се воспоставува одредена дистрибуција на молекулите во висина, т.е. концентрацијата на молекулите се намалува доста брзо со висината. Покрај тоа, колку е поголема масата на молекулите, толку побрзо нивната концентрација се намалува со висината.

Брауновите честички учествуваат во термичкото движење. Бидејќи нивната интеракција е занемарлива, собирањето на овие честички во гас или течност може да се смета како идеален гас на многу тешки молекули. Следствено, концентрацијата на Брауновите честички во гас или течност во гравитационото поле на Земјата треба да се намали според истиот закон како и концентрацијата на молекулите на гасот. Овој закон е познат.

Сите овие факти укажуваат на исправноста на теоријата за брауновото движење и дека Брауновите честички учествуваат во термичкото движење на молекулите.

Броењето на Брауновите честички на различни височини му овозможи на Перин да ја одреди константата на Авогадро користејќи сосема нов метод. Вредноста на оваа константа се совпадна со претходно познатата.