Броуновское движение в физике

Немного истории

Роберт Броун был британским ботаником. Однажды, после движения пыльцы в овощном соке, он обнаружил, что мелкие частички совершают случайные, извилистые движения каждый раз. Броуновское явление предопределено для микроскопических частиц объёмом менее микрометра. Молекулы движутся ежедневно. Их перемещения хаотичны. Скорость движения более мелких частиц другая.

Комментарий о броуновском смещении был предложен в 1877 году Джозефом Десольнье. Их математическое описание дано в работах Альберта Эйнштейна (1905) и Мариана Смолуховского (1906). Фактически оба учёных отметили, что частей в воде много, и они движутся довольно быстро.

Исследования Л. Ж. Гуи

Француз Луи Жорж Гуи отслеживал движение различных типов частиц в жидкостях. Он уже знал, что такое броуновское движение в физике, как определить размер частиц вещества. Исследуя это явление, учёный понял, что смещение частей действительно увеличивается, если они помещаются в наименее вязкую среду.

Будучи экспериментатором, он подвергал класс частиц воздействию света и электрических полей различной мощности. Учёный заметил, что на самом деле эти моменты не влияют на беспорядочные извилистые скачки частей.

Открытие Эйнштейна

Эйнштейн придумал формулу для броуновского движения. Учёный считал, что если вещество имеет ненулевую температуру, его атомы образуют тепловые элементы. В результате в достаточно прохладной или переохлаждённой воде происходит броуновское смещение. Эти случайные скачки мелких взвешенных частей никогда не прекращаются.

На основании молекулярно-кинетической доктрины учёный вывел коэффициент диффузии частичек в воде в 1905 году. А в 1908 году физик Жан Перрен и его ученики экспериментально обосновали правильность расчётов Эйнштейна.

Описание явления

Каждое вещество состоит из атомов или молекул. Эти компоненты довольно малы: даже микроскоп неспособен их увидеть. В воде они хаотично колеблются и двигаются всегда. Броуновское движение молекул происходит случайно.

Выявлено важное определение:

• все атомы или молекулы являются коллективными;
• эти части связаны друг с другом.

Иногда атомы воды на одной стороне частей движутся по определённой траектории и прижимают молекулу. В результате частичка движется вместе с раствором.

Броуновское явление носит чисто материальный характер. С точки зрения кинетической и молекулярной доктрин, комментарий прост: атомы и молекулы в результате бесконечного хаотического движения создают твёрдую частичку и могут столкнуться.

Однако, если частичка мала, то число молекул, сталкивающихся с одной стороны, в какой-то момент будет удалено от частей, ударяющихся о другую сторону. В результате частичка иногда получает более мощный импульс в направлении, определяемом характерным эффектом большей (на данный момент) группы молекул.

Пример броуновского движения можно увидеть на рисунке. В какой-то момент это приводит к тому, что на самом деле огромная часть материи (красный шарик), очевидно, получает больше «конфликта» с одной стороной. Они направят шар немного вправо.

Учёные заметили, что блуждание пыльцы через воду случайно. Молекулы намного меньше, их много, они двигаются очень быстро. Различия в скорости движения и количестве молекул с отдельных сторон являются причиной движений пыльцы в жидкости.

Исследователи хотели определить, чем обусловлено броуновское движение, наблюдая за крошечными частицами под микроскопом, видя их перемещение, вызванное конфликтами со случайно движущимися частицами. Однако они сами не имели возможность видеть молекулы (они даже не знали о их существовании).

Коллективное влияние практически на всё частицы может заключаться в очевидном расположении. Но инородное вещество в воде может обеспечить некоторые признаки закономерности и зависимости. Например, если долго следить за броуновской частью, можно рассмотреть все её движения. И из этого беспорядка появится гармоническая система.

Во время экспериментов частицам в воде были присвоены соответствующие упорядочивающие значения:

1. неизменная Больцмана;
2. сумма Авогадро.

В дополнение к линейному уравнению смещения, броуновское явление характеризуется хаотическим вращением.

Размеры частиц

Впоследствии всех размышлений на эту тему появляется возможность задать естественный вопрос: почему этот эффект недоступен для крупных тел? Из-за того факта, что, когда длина объекта, погруженного в жидкость, имеет малый размер, все эти случайные «толчки» молекул преобразуются в систематическое давление.

Размер частиц, на случай которых в шарике обнаружены колебания молекул воды, не должен превышать 5 микрометров.

Особенности явления

Теоретически исследованное движение никогда не останавливается. В капле воды (если ей не дают высохнуть) можно проследить движение частиц в течение многих дней, месяцев, лет. Интенсивность броуновского смещения увеличивается с ростом температуры, понижением вязкости среды, уменьшением объема частиц. Это не зависит от природы частичек и времени исследования.

Броуновское смещение работает, подтверждая жизнь еще более мелких частиц — молекул воды, которые не видны даже в мощных оптических микроскопах.

Эксперименты Перрина, в которых он определил положение одного конкретного фрагмента на 30 секунд, подтвердили теоретические выводы. Перрин также провел эксперименты, чтобы проверить зависимость концентрации молекул газа от высоты и барометрическую формулу для зависимости атмосферного давления.

Фактически он предположил, что:

1. Хаотичные броуновские частицы, которые в молекулах, должны подчиняться законам атомов атмосферы.
2. Концентрация частиц должна падать с высотой.

Его эксперименты полностью доказали броуновское движение.