Броуновское движение

Броуновское движение.

Описание броуновского движения, данное немецким педагогом Робертом Полем: «Немногие физические явления способны так увлечь наблюдателя, как броуновское движение. Здесь наблюдателю позволяется заглянуть за кулисы совершающегося в природе. Перед ним открывается новый мир, безостановочная, ошеломляющая сутолока необозримого числа особей. Быстро, как стрела, пролетают в поле зрения мельчайшие частицы, дикими зигзагами бросаясь из стороны в сторону. Важно и медленно продвигаются более крупные частицы, но и они постоянно меняют направление. Большие частицы толкутся практически на одном месте. Их зубцы и углы ясно указывают на вращение около осей с постоянно меняющимся направлением. Нигде нет ни следа системы или порядка. Господство беспорядочного слепого случая – вот какое сильное подавляющее впечатление производит эта картина на всякого непредубеждённого наблюдателя. Броуновское явление принадлежит к значительнейшим явлениям области современного естествознания. Никакое словесное описание не может даже приблизительно заменить действия собственного наблюдения».

Каждая броуновская частица движется совершенно независимо от других частиц и это движение не ослабевает со временем. Его интенсивность растёт с повышением температуры и уменьшением вязкости среды. Попытки объяснить броуновское движение неравномерным освещением частиц, конвекцией, электрическими или химическими явлениями оказались несостоятельными. Правильное качественное объяснение этого явления с точки зрения молекулярно-кинетических представлений было дано рядом учёных во второй половине  века, но полная его теория разработана только 1905-1906 гг.Эйнштейном и Смолуховским.

Причиной броуновского движения является тепловое движение молекул окружающей среды и отсутствие точной компенсации производимых ими ударов.

Броуновская частица подвергается ударам молекул окружающей среды. Эти удары создают на неё всестороннее давление. Но так как движение носит совершенно случайный характер, то удары в каждый момент времени оказываются некомпенсированными, и в результате давление с какой-либо стороны оказывается больше или меньше среднего. Поэтому броуновская частица приходит в движение.

Отклонения величины давления от среднего значения носят случайный характер. Случайные отклонения физических величин от средних значений называют флуктуациями.

В данном случае мы имеем дело с флуктуациями давления. Флуктуации давления проявляются именно тогда, когда оно создаётся сравнительно небольшим числом молекул газа или жидкости. Если давление создаётся очень большим числом молекул, то флуктуации ничтожны по сравнению со средним значением давления и никакой роли не играют.

Таким образом, причиной броуновского движения является тепловое движение молекул среды и флуктуации производимого им давления.

Броуновское движение совершают лишь достаточно малые частицы:

Согласно второму закону Ньютона ускорение, приобретаемое частицей, прямо пропорционально действующей на неё силе и обратно пропорционально массе частицы:

Предположим, что частица имеет форму шарика радиусом R. Суммарная сила ударов всех молекул о её поверхность пропорциональна числу ударов, т.е. пропорциональна величине поверхности, а масса частицы пропорциональна её объёму. Таким образом, ускорение частицы пропорционально

Уже этот грубый расчёт показывает, что с увеличением размеров частицы её ускорение убывает. Однако в действительности это убывание происходит ещё быстрее.

Дело в том, что в формуле закона Ньютона берётся не суммарная сила ударов всех молекул, а лишь суммарная сила некомпенсированных ударов, т.е разность между суммарными силами всех ударов, скажем, справа и слева. Эта разность пропорциональна не R², а R¹,следовательно, ускорение, приобретаемое частицей, оказывается пропорциональным

т.е быстро падает с увеличением её размеров.

Броуновское движение является убедительным доказательством существования молекул и их хаотического движения.

Литература:

1. Подгорнова И.И. Молекулярная физика в средней школе. - М.: Просвещение, 1970

2. Спасский Б.И. Физика в ее развитии. – М.: Просвещение, 1970

3. Хрестоматия по физике / Сост.: А.С.Енохович и др. – М.: Просвещение, 1982