سننظر اليوم في موضوع مهم بالتفصيل - سنحدد الحركة البراونية لقطع صغيرة من المادة في سائل أو غاز.
الخريطة والإحداثيات
بعض تلاميذ المدارس ، الذين تعذبهم الدروس المملة ، لا يفهمون لماذا يجب عليهم دراسة الفيزياء. في هذه الأثناء ، كان هذا العلم هو الذي جعل من الممكن اكتشاف أمريكا!
لنبدأ من بعيد. بمعنى ما ، كانت الحضارات القديمة في البحر الأبيض المتوسط محظوظة: فقد تطورت على شواطئ خزان داخلي مغلق. سمي البحر الأبيض المتوسط بذلك لأنه محاط من جميع الجهات بالبر. ويمكن للمسافرين القدامى التقدم بعيدًا في رحلتهم الاستكشافية دون إغفال الشواطئ. ساعدت الخطوط العريضة للأرض على الإبحار. وقد تم رسم الخرائط الأولى بشكل وصفي أكثر منها جغرافيًا. بفضل هذه الرحلات القصيرة نسبيًا ، تعلم الإغريق والفينيقيون والمصريون كيفية بناء السفن جيدًا. وحيث توجد أفضل المعدات ، تكون هناك رغبة في دفع حدود عالمك.
لذلك ، ذات يوم ، قررت القوى الأوروبية الخروج إلى المحيط. أثناء الإبحار عبر المساحات الشاسعة بين القارات ، رأى البحارة الماء فقط لعدة أشهر ، وكان عليهم الإبحار بطريقة ما. ساعد اختراع ساعة دقيقة وبوصلة عالية الجودة في تحديد إحداثياتها.
الساعة والبوصلة
ساعد اختراع الكرونومتر الصغير المحمول كثيرًا الملاحين. لتحديد مكانهم بالضبط ، كانوا بحاجة إلى أداة بسيطة تقيس ارتفاع الشمس فوق الأفق ، ويعرفون بالضبط وقت الظهيرة. وبفضل البوصلة ، عرف قباطنة السفن إلى أين يتجهون. تمت دراسة كل من الساعة وخصائص الإبرة المغناطيسية وصنعها علماء الفيزياء. بفضل هذا ، انفتح العالم كله على الأوروبيين.
كانت القارات الجديدة عبارة عن أرض مجهولة ، أراضي مجهولة. نمت عليها نباتات غريبة ووجدت حيوانات غير مفهومة.
النباتات والفيزياء
سارع جميع علماء الطبيعة في العالم المتحضر إلى دراسة هذه الأنظمة البيئية الغريبة الجديدة. وبالطبع أرادوا الاستفادة منها.
كان روبرت براون عالم نبات إنجليزي. قام برحلات إلى أستراليا وتسمانيا ، وجمع مجموعات النباتات هناك. بالفعل في المنزل ، في إنجلترا ، عمل بجد على وصف وتصنيف المواد التي تم إحضارها. وكان هذا العالم دقيقًا جدًا. ذات مرة ، أثناء مراقبة حركة حبوب اللقاح في عصارة النبات ، لاحظ أن الجزيئات الصغيرة تقوم باستمرار بحركات متعرجة فوضوية. هذا هو تعريف الحركة البراونية للعناصر الصغيرة في الغازات والسوائل. بفضل الاكتشاف ، كتب عالم النبات المذهل اسمه في تاريخ الفيزياء!
براون ولوي
في العلم الأوروبي ، من المعتاد تسمية تأثير أو ظاهرة باسم الشخص الذي اكتشفها. لكن في كثير من الأحيان يحدث ذلك عن طريق الصدفة. لكن الشخص الذي يصف القانون الفيزيائي أو يكتشف أهميته أو يستكشفه بمزيد من التفصيل ، يجد نفسه في الظل. هكذا حدث مع الفرنسي لويس جورج غوي. كان هو الذي قدم تعريفًا للحركة البراونية (الصف السابع بالتأكيد لا يسمع عنه عندما يدرس هذا الموضوع في الفيزياء).
أبحاث جوي وخصائص الحركة البراونية
لاحظ المجرب الفرنسي لويس جورج جوي حركة أنواع مختلفة من الجسيمات في عدة سوائل ، بما في ذلك المحاليل. كان العلم في ذلك الوقت يعرف بالفعل كيفية تحديد حجم قطع المادة بدقة حتى أعشار الميكرومتر. من خلال استكشاف ماهية الحركة البراونية (كان Gouy هو الذي أعطى تعريفًا في الفيزياء لهذه الظاهرة) ، أدرك العالم أن شدة حركة الجسيمات تزداد إذا تم وضعها في وسط أقل لزوجة. لكونه مجربًا واسع الطيف ، فقد عرّض التعليق لتأثير الضوء والمجالات الكهرومغناطيسية لمختلف القوى. وجد العالم أن هذه العوامل لا تؤثر على القفزات المتعرجة الفوضوية للجسيمات. أظهر Gouy بشكل لا لبس فيه ما أثبتته الحركة البراونية: الحركة الحرارية لجزيئات السائل أو الغاز.
الجماعية والجماعية
والآن سنصف بمزيد من التفصيل آلية القفزات المتعرجة لقطع صغيرة من المادة في سائل.
أي مادة تتكون من ذرات أو جزيئات. هذه العناصر من العالم صغيرة جدًا ، ولا يستطيع مجهر ضوئي واحد رؤيتها. في السائل ، يهتزون ويتحركون طوال الوقت. عندما يدخل أي جسيم مرئي في المحلول ، تكون كتلته أكبر بآلاف المرات من ذرة واحدة. تحدث الحركة البراونية للجزيئات السائلة بشكل عشوائي. لكن مع ذلك ، فإن كل الذرات أو الجزيئات عبارة عن مجموعة ، فهي مرتبطة ببعضها البعض ، مثل الأشخاص الذين يتكاتفون. لذلك ، يحدث أحيانًا أن تتحرك ذرات السائل على جانب واحد من الجسيم بطريقة "تضغط" عليه ، بينما يتم إنشاء وسط أقل كثافة على الجانب الآخر من الجسيم. لذلك ، يتحرك جسيم الغبار في مساحة المحلول. في مكان آخر ، تعمل الحركة الجماعية لجزيئات السوائل بشكل عشوائي على الجانب الآخر من المكون الأكثر ضخامة. هذه هي بالضبط الطريقة التي تحدث بها الحركة البراونية للجسيمات.
الوقت وأينشتاين
إذا كانت مادة ما بدرجة حرارة غير صفرية ، فإن ذراتها تؤدي اهتزازات حرارية. لذلك ، حتى في حالة السوائل شديدة البرودة أو فائقة التبريد ، توجد الحركة البراونية. هذه القفزات الفوضوية من الجسيمات الصغيرة العالقة لا تتوقف أبدًا.
ربما يكون ألبرت أينشتاين أشهر عالم في القرن العشرين. كل من يهتم بالفيزياء إلى حد ما على الأقل يعرف الصيغة E = mc 2. أيضًا ، قد يتذكر الكثيرون التأثير الكهروضوئي ، الذي من أجله حصل على جائزة نوبل ، والنظرية النسبية الخاصة. لكن قلة من الناس يعرفون أن أينشتاين طور معادلة الحركة البراونية.
بناءً على النظرية الحركية الجزيئية ، اشتق العالم معامل انتشار الجسيمات المعلقة في سائل. وحدث ذلك في عام 1905. تبدو الصيغة كما يلي:
D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ) ،
حيث D هو المعامل المطلوب ، R هو ثابت الغاز العالمي ، T هو درجة الحرارة المطلقة (معبرًا عنها في كلفن) ، NA هو ثابت أفوجادرو (المقابل لمول واحد من مادة ، أو حوالي 10 23 جزيء) ، أ هو التقريبي متوسط نصف قطر الجسيم ، هو اللزوجة الديناميكية لسائل أو محلول.
وبالفعل في عام 1908 ، أثبت الفيزيائي الفرنسي جان بيرين وطلابه بشكل تجريبي صحة حسابات أينشتاين.
جسيم واحد في حقل المحارب
أعلاه ، وصفنا العمل الجماعي للوسط على العديد من الجسيمات. ولكن حتى عنصر أجنبي واحد في السائل يمكن أن يعطي بعض الانتظام والتبعيات. على سبيل المثال ، إذا لاحظت جسيمًا براونيًا لفترة طويلة ، فيمكنك إصلاح جميع تحركاته. ومن هذه الفوضى ، سيظهر نظام متماسك. يتناسب متوسط تقدم الجسيم البراوني على طول أي اتجاه مع الوقت.
خلال التجارب التي أجريت على جسيم في سائل ، تم تنقية الكميات التالية:
- ثابت بولتزمان
- رقم أفوجادرو.
بالإضافة إلى الحركة الخطية ، فإن الدوران الفوضوي مميز أيضًا. ومتوسط الإزاحة الزاوية يتناسب أيضًا مع زمن الملاحظة.
الأحجام والأشكال
بعد هذا التفكير ، قد ينشأ سؤال منطقي: لماذا لا يُلاحظ هذا التأثير على الأجسام الكبيرة؟ لأنه عندما يكون طول جسم مغمور في سائل أكبر من قيمة معينة ، فإن كل هذه "الصدمات" الجماعية العشوائية للجزيئات تتحول إلى ضغط ثابت ، كما يتم حساب متوسطها. والجنرال أرخميدس يعمل بالفعل على الجسد. وهكذا ، تغرق قطعة كبيرة من الحديد ، ويطفو الغبار المعدني في الماء.
يجب ألا يتجاوز حجم الجسيمات ، على سبيل المثال الذي تم الكشف عن تذبذب جزيئات السائل ، 5 ميكرومتر. أما بالنسبة للكائنات ذات مقاسات كبيرة، فلن يكون هذا التأثير ملحوظًا.
عند ملاحظة تعليق حبوب لقاح الأزهار في الماء تحت المجهر ، لاحظ براون حركة فوضوية للجسيمات التي تنشأ "ليس من حركة السائل وليس من تبخره". الجسيمات المعلقة بحجم 1 ميكرومتر أو أقل ، المرئية فقط تحت المجهر ، تؤدي حركات مستقلة مضطربة ، تصف مسارات متعرجة معقدة. لا تضعف الحركة البراونية بمرور الوقت ولا تعتمد عليها الخواص الكيميائيةمتوسط ، تزداد شدته مع زيادة درجة حرارة الوسط وانخفاض في اللزوجة وحجم الجسيمات. حتى التفسير النوعي لأسباب الحركة البراونية كان ممكنًا بعد 50 عامًا فقط ، عندما بدأ سبب الحركة البراونية في الارتباط بتأثير الجزيئات السائلة على سطح الجسيم المعلق فيه.
أول نظرية كمية للحركة البراونية قدمها أ. أينشتاين وم. سمولوتشوفسكي في 1905-06. على أساس النظرية الحركية الجزيئية. تبين أن المسارات العشوائية للجسيمات البراونية مرتبطة بمشاركتها في الحركة الحرارية جنبًا إلى جنب مع جزيئات الوسط الذي يتم تعليقها فيه. تمتلك الجسيمات في المتوسط نفس الطاقة الحركية ، ولكن نظرًا للكتلة الأكبر ، فإن سرعتها أقل. تشرح نظرية الحركة البراونية الحركة العشوائية للجسيم بفعل القوى العشوائية من الجزيئات وقوى الاحتكاك. وفقًا لهذه النظرية ، تكون جزيئات السائل أو الغاز في حركة حرارية ثابتة ، ونبضات الجزيئات المختلفة ليست متماثلة في الحجم والاتجاه. إذا كان سطح الجسيم الموضوع في مثل هذا الوسط صغيرًا ، كما هو الحال بالنسبة للجسيم البراوني ، فلن يتم تعويض التأثيرات التي يتعرض لها الجسيم من الجزيئات المحيطة تمامًا. لذلك ، نتيجة "القصف" بالجزيئات ، يبدأ الجسيم البراوني في التحرك بشكل عشوائي ، ويغير حجم واتجاه سرعته تقريبًا 10 14 مرة في الثانية. يتبع من هذه النظرية أنه من خلال قياس إزاحة الجسيم خلال فترة زمنية معينة ومعرفة نصف قطرها ولزوجة السائل ، يمكن للمرء حساب رقم أفوجادرو.
عند مراقبة الحركة البراونية ، يتم تثبيت موضع الجسيم على فترات منتظمة. كلما كانت الفترات الزمنية أقصر ، كلما بدا مسار الجسيم مكسورًا.
تعمل أنماط الحركة البراونية بمثابة تأكيد واضح للأحكام الأساسية لنظرية الحركية الجزيئية. ثبت أخيرًا أن الشكل الحراري لحركة المادة ناتج عن الحركة الفوضوية للذرات أو الجزيئات التي تشكل أجسامًا عيانية.
لعبت نظرية الحركة البراونية دورًا مهمًا في إثبات الميكانيكا الإحصائية ؛ فهي أساس النظرية الحركية لتخثر المحاليل المائية. بالإضافة إلى ذلك ، لها أيضًا أهمية عملية في علم القياس ، نظرًا لأن الحركة البراونية تعتبر العامل الرئيسي الذي يحد من الدقة. أدوات القياس. على سبيل المثال ، يتم تحديد حد دقة قراءات الجلفانومتر المرآة عن طريق اهتزاز المرآة ، مثل جسيم براوني تقصفه جزيئات الهواء. تحدد قوانين الحركة البراونية الحركة العشوائية للإلكترونات التي تسبب ضوضاء في الدوائر الكهربائية. يتم تفسير الخسائر العازلة في المواد العازلة من خلال الحركات العشوائية للجزيئات ثنائية القطب التي تشكل العازل. تزيد الحركات العشوائية للأيونات في محاليل الإلكتروليت من مقاومتها الكهربائية.
ما هي الحركة البراونية؟
الآن سوف تتعرف على الدليل الأكثر وضوحًا للحركة الحرارية للجزيئات (الموضع الرئيسي الثاني للنظرية الحركية الجزيئية). تأكد من محاولة النظر من خلال المجهر ومعرفة كيفية تحرك ما يسمى بالجسيمات البراونية.
في السابق ، تعلمت ماذا تعريف، أي خلط الغازات والسوائل والمواد الصلبة في اتصالها المباشر. يمكن تفسير هذه الظاهرة بالحركة العشوائية للجزيئات واختراق جزيئات مادة واحدة في الفراغ بين جزيئات مادة أخرى. يمكن أن يفسر هذا ، على سبيل المثال ، حقيقة أن حجم خليط الماء والكحول أقل من حجم مكوناته. ولكن يمكن الحصول على الدليل الأكثر وضوحًا على حركة الجزيئات من خلال مراقبة أصغر جزيئات أي مادة صلبة معلقة في الماء تحت المجهر. هذه الجسيمات تتحرك بشكل عشوائي ، وهو ما يسمى براوني.
هذه هي الحركة الحرارية للجسيمات العالقة في سائل (أو غاز).
مراقبة الحركة البراونية
لاحظ عالم النبات الإنجليزي ر. براون (1773-1858) هذه الظاهرة لأول مرة في عام 1827 ، بفحص جراثيم الطحالب المعلقة في الماء تحت المجهر. في وقت لاحق ، نظر في الجسيمات الصغيرة الأخرى ، بما في ذلك جزيئات الحجر من الأهرامات المصرية. الآن ، لمراقبة الحركة البراونية ، يتم استخدام جزيئات طلاء صمغ غير قابل للذوبان في الماء. هذه الجسيمات تتحرك بشكل عشوائي. الأمر الأكثر لفتًا للنظر والأكثر غرابة بالنسبة لنا هو أن هذه الحركة لا تتوقف أبدًا. لقد اعتدنا على حقيقة أن أي جسم متحرك يتوقف عاجلاً أم آجلاً. اعتقد براون في البداية أن جراثيم طحلب النادي تظهر عليها علامات الحياة.
الحركة الحرارية ، ولا يمكن أن تتوقف. مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد شدتها. يوضح الشكل 8.3 مخططًا لحركة الجسيمات البراونية. يتم تحديد مواضع الجسيمات المميزة بالنقاط على فترات منتظمة تبلغ 30 ثانية. ترتبط هذه النقاط بخطوط مستقيمة. في الواقع ، مسار الجسيمات أكثر تعقيدًا.يمكن أيضًا ملاحظة الحركة البراونية في الغاز. يتم تنفيذه بواسطة جزيئات الغبار أو الدخان العالقة في الهواء.
يصف الفيزيائي الألماني ر. هنا يُسمح للمراقب بالنظر وراء الكواليس لما يحدث في الطبيعة. يفتح أمامه عالم جديد - صخب بلا توقف لعدد هائل من الجسيمات. أصغر الجسيمات تطير بسرعة في مجال رؤية المجهر ، وتغير اتجاه الحركة على الفور تقريبًا. تتحرك الجسيمات الأكبر بشكل أبطأ ، لكنها أيضًا تغير اتجاهها باستمرار. الجسيمات الكبيرة تتزاحم عمليا في مكانها. تظهر نتوءاتهم بوضوح دوران الجسيمات حول محورها ، والذي يغير اتجاهه باستمرار في الفضاء. لا يوجد أي أثر للنظام أو النظام. هيمنة الفرصة العمياء - هذا هو الانطباع القوي الساحق الذي تتركه هذه الصورة على المراقب.
في الوقت الحاضر ، المفهوم الحركة البراونيةتستخدم بمعنى أوسع. على سبيل المثال ، الحركة البراونية هي ارتعاش أسهم أدوات القياس الحساسة ، والذي يحدث بسبب الحركة الحرارية لذرات أجزاء الجهاز والبيئة.
شرح الحركة البراونية
يمكن تفسير الحركة البراونية فقط على أساس النظرية الحركية الجزيئية. سبب الحركة البراونية للجسيم هو أن تأثيرات الجزيئات السائلة على الجسيم لا تلغي بعضها البعض.. يوضح الشكل 8.4 بشكل تخطيطي موضع جسيم براوني والجزيئات الأقرب إليه. عندما تتحرك الجزيئات بشكل عشوائي ، فإن النبضات التي تنقلها إلى جسيم براوني ، على سبيل المثال ، من اليسار ومن اليمين ، ليست هي نفسها. لذلك ، فإن قوة الضغط الناتجة للجزيئات السائلة على الجسيم البراوني تكون غير صفرية. تسبب هذه القوة تغيرًا في حركة الجسيم.
متوسط الضغط له قيمة معينة في كل من الغاز والسائل. ولكن هناك دائمًا انحرافات عشوائية طفيفة عن هذا المتوسط. كلما صغرت مساحة سطح الجسم ، زادت ملاحظة التغيرات النسبية في قوة الضغط المؤثرة على هذه المنطقة. لذلك ، على سبيل المثال ، إذا كان حجم المنطقة بترتيب عدة أقطار من الجزيء ، فإن قوة الضغط المؤثرة عليها تتغير فجأة من الصفر إلى قيمة معينة عندما يدخل الجزيء هذه المنطقة.
تم إنشاء النظرية الحركية الجزيئية للحركة البراونية في عام 1905 من قبل أ. أينشتاين (1879-1955).
أكمل بناء نظرية الحركة البراونية وتأكيدها التجريبي من قبل الفيزيائي الفرنسي جي بيرين أخيرًا انتصار نظرية الحركية الجزيئية.
تجارب بيرين
الفكرة من تجارب Perrin هي كما يلي. من المعروف أن تركيز جزيئات الغاز في الغلاف الجوي يتناقص مع الارتفاع. إذا لم تكن هناك حركة حرارية ، فسوف تسقط جميع الجزيئات على الأرض ويختفي الغلاف الجوي. ومع ذلك ، إذا لم يكن هناك جاذبية للأرض ، فبسبب الحركة الحرارية ، ستغادر الجزيئات الأرض ، لأن الغاز قادر على التمدد غير المحدود. نتيجة لتأثير هذه العوامل المعاكسة ، تم إنشاء توزيع معين للجزيئات على طول الارتفاع ، كما ذكر أعلاه ، أي أن تركيز الجزيئات يتناقص بسرعة مع الارتفاع. علاوة على ذلك ، كلما زادت كتلة الجزيئات ، كلما انخفض تركيزها بشكل أسرع مع الارتفاع.
تشارك الجسيمات البراونية في الحركة الحرارية. نظرًا لأن تفاعلها ضئيل ، يمكن اعتبار مجموع هذه الجسيمات في غاز أو سائل غازًا مثاليًا للجزيئات الثقيلة جدًا. وبالتالي ، يجب أن ينخفض تركيز الجسيمات البراونية في غاز أو سائل في مجال الجاذبية الأرضية وفقًا لنفس قانون تركيز جزيئات الغاز. هذا القانون معروف.
لاحظ بيرين ، باستخدام مجهر عالي التكبير وعمق مجال صغير (عمق مجال صغير) ، الجسيمات البراونية في طبقات رقيقة جدًا من السائل. بحساب تركيز الجسيمات على ارتفاعات مختلفة ، وجد أن هذا التركيز يتناقص مع الارتفاع وفقًا لنفس قانون تركيز جزيئات الغاز. الفرق هو أنه بسبب الكتلة الكبيرة للجسيمات البراونية ، يحدث الانخفاض بسرعة كبيرة.
علاوة على ذلك ، فإن حساب الجسيمات البراونية على ارتفاعات مختلفة سمح لبيرين بتحديد ثابت أفوجادرو بطريقة جديدة تمامًا. تزامنت قيمة هذا الثابت مع القيمة المعروفة.
كل هذه الحقائق تشهد على صحة نظرية الحركة البراونية ، وبالتالي على حقيقة أن الجسيمات البراونية تشارك في الحركة الحرارية للجزيئات.
لقد رأيت بوضوح وجود حركة حرارية ؛ رأينا الحركة الفوضوية مستمرة. تتحرك الجزيئات بشكل عشوائي أكثر من الجزيئات البراونية.
جوهر الظاهرة
الآن دعونا نحاول فهم جوهر ظاهرة الحركة البراونية. ويحدث ذلك لأن جميع السوائل والغازات تتكون من ذرات أو جزيئات. لكننا نعلم أيضًا أن هذه الجسيمات الأصغر ، كونها في حركة فوضوية مستمرة ، تدفع باستمرار الجسيم البراوني من جوانب مختلفة.
ولكن هذا مثير للاهتمام ، فقد أثبت العلماء أن الجسيمات ذات الأحجام الأكبر التي تتجاوز 5 ميكرون تظل بلا حراك وتقريباً لا تشارك في الحركة البراونية ، والتي لا يمكن قولها عن الجسيمات الأصغر. يمكن للجسيمات التي يقل حجمها عن 3 ميكرون أن تتحرك للأمام ، وتقوم بالتناوب أو كتابة مسارات معقدة.
عند الانغماس في بيئة جسم كبير يحدث فيه رقم ضخمالصدمات ، كما كانت ، تذهب إلى المستوى المتوسط وتحافظ على ضغط مستمر. في هذه الحالة ، تدخل نظرية أرخميدس حيز التنفيذ ، لأن الجسم الكبير المحاط بوسيط من جميع الجوانب يوازن الضغط وقوة الرفع المتبقية تسمح لهذا الجسم بالطفو أو الغرق.
ولكن إذا كان للجسم أبعادًا مثل الجسيم البراوني ، أي غير محسوس تمامًا ، فإن انحرافات الضغط تصبح ملحوظة ، مما يساهم في تكوين قوة عشوائية تؤدي إلى تذبذبات هذه الجسيمات. يمكن استنتاج أن الجسيمات البراونية الموجودة في الوسط في حالة تعليق ، على عكس الجسيمات الكبيرة التي تغرق أو تطفو.
أهمية الحركة البراونية
دعنا نحاول معرفة ما إذا كانت الحركة البراونية في البيئة الطبيعية لها أي معنى:
أولاً ، تلعب الحركة البراونية دورًا مهمًا في تغذية النبات من التربة ؛
ثانيًا ، في الكائنات الحية البشرية والحيوانية ، يحدث امتصاص العناصر الغذائية من خلال جدران الجهاز الهضمي بسبب الحركة البراونية ؛
ثالثا ، في تنفيذ التنفس الجلدي.
وأخيرًا ، تؤثر الحركة البراونية في انتشار المواد الضارة في الهواء والماء.
واجب منزلي
اقرأ الأسئلة بعناية وقدم إجابات مكتوبة لها:
1. تذكر ما يسمى الانتشار؟
2. ما هي العلاقة بين الانتشار والحركة الحرارية للجزيئات؟
3. تحديد الحركة البراونية.
4. ما رأيك ، هل الحركة البراونية حرارية ، وتبرر إجابتك؟
5. هل ستتغير طبيعة الحركة البراونية عند تسخينها؟ إذا تغير ، فكيف؟
6. ما هي الأداة المستخدمة في دراسة الحركة البراونية؟
7. هل يتغير نمط الحركة البراونية مع زيادة درجة الحرارة ، وكيف بالضبط؟
8. هل سيحدث أي تغيير في الحركة البراونية إذا تم استبدال المستحلب المائي بالجلسرين؟
جي يا مياكيشيف ، بي بي بوكوفتسيف ، إن إن سوتسكي ، الفيزياء للصف العاشر
الحركة البراونية هي حركة فوضوية وعشوائية للجسيمات الصغيرة ، وعادة ما تكون جزيئات في سوائل أو غازات مختلفة. سبب ظهور الحركة البراونية هو اصطدام بعض (الجسيمات الأصغر) بجزيئات أخرى (الجسيمات الأكبر بالفعل). ما هو تاريخ اكتشاف الحركة البراونية ، وأهميتها في الفيزياء ، وعلى وجه الخصوص في النظرية الذرية والجزيئية؟ ما هي أمثلة الحركة البراونية الموجودة في الحياة الواقعية؟ اقرأ عن كل هذا في مقالتنا.
اكتشاف الحركة البراونية
كان مكتشف الحركة البراونية عالم النبات الإنجليزي روبرت براون (1773-1858) ، وفي الحقيقة كان تكريمًا له أن يطلق عليها اسم "براوني". في عام 1827 ، شارك روبرت براون في بحث نشط على حبوب اللقاح من نباتات مختلفة. كان مهتمًا بشكل خاص بالجزء الذي تأخذه حبوب اللقاح في تكاثر النباتات. وبهذا الشكل ، لاحظ العالم حركة حبوب اللقاح في عصير الخضار أن الجزيئات الصغيرة تقوم بين الحين والآخر بحركات ملتوية عشوائية.
تم تأكيد ملاحظة براون من قبل علماء آخرين. على وجه الخصوص ، لوحظ أن الجسيمات تميل إلى التسارع مع زيادة درجة الحرارة ، وكذلك مع انخفاض حجم الجسيمات نفسها. ومع زيادة لزوجة الوسط الذي كانوا موجودين فيه ، تباطأت حركتهم ، على العكس من ذلك.
روبرت براون ، مكتشف الحركة البراونية.
في البداية ، اعتقد روبرت براون أنه كان يراقب الحركة ، حتى "رقصة" بعض الكائنات الحية الدقيقة ، لأن حبوب اللقاح نفسها ، في الواقع ، هي الخلايا الجنسية الذكرية للنباتات. لكن جزيئات النباتات الميتة كان لها نفس الحركة ، وحتى النباتات جفت قبل مائة عام في الأعشاب. كان العالم أكثر دهشة عندما بدأ في دراسة المادة غير الحية: جزيئات صغيرة من الفحم والسخام وحتى جزيئات الغبار في هواء لندن. ثم وقع الزجاج معادن مختلفة ومتنوعة تحت مجهر الباحث. وفي كل مكان شوهدت هذه "الجزيئات النشطة" في حركة فوضوية مستمرة.
هذا مثير للاهتمام: يمكنك أنت بنفسك ملاحظة الحركة البراونية بأم عينك ، لذلك ستحتاج إلى مجهر غير قوي (بعد كل شيء ، خلال حياة روبرت براون ، لم تكن هناك مجاهر حديثة قوية حتى الآن). عندما ينظر إليه من خلال هذا المجهر ، على سبيل المثال ، دخان في صندوق أسود ويضيء بواسطة شعاع جانبي من الضوء ، سيرى المرء قطعًا صغيرة من السخام والرماد التي سترتد باستمرار ذهابًا وإيابًا. هذه حركة براونية.
الحركة البراونية والنظرية الجزيئية الذرية
سرعان ما أصبحت الحركة التي اكتشفها براون مشهورة جدًا في الأوساط العلمية. أظهرها المكتشف نفسه بكل سرور للعديد من زملائه. ومع ذلك ، لسنوات عديدة ، لم يستطع روبرت براون ولا زملائه شرح أسباب الحركة البراونية ، وسبب حدوثها على الإطلاق. علاوة على ذلك ، كانت الحركة البراونية غير منتظمة تمامًا وتتحدى أي منطق.
تم تقديم تفسيره فقط في نهاية القرن التاسع عشر ، ولم يقبله المجتمع العلمي على الفور. في عام 1863 ، اقترح عالم الرياضيات الألماني لودفيج كريستيان وينر أن الحركة البراونية ترجع إلى الحركات التذبذبية لبعض الذرات غير المرئية. في الواقع ، كان هذا هو التفسير الأول لهذه الظاهرة الغريبة ، المرتبطة بخصائص الذرات والجزيئات ، وهي المحاولة الأولى لاختراق لغز بنية المادة بمساعدة الحركة البراونية. على وجه الخصوص ، حاول وينر قياس اعتماد سرعة الجسيمات على حجمها.
بعد ذلك ، تم تطوير أفكار وينر من قبل علماء آخرين ، من بينهم الفيزيائي والكيميائي الاسكتلندي الشهير ويليام رامزي. كان هو الذي تمكن من إثبات أن سبب الحركة البراونية للجسيمات الصغيرة هو تأثير الجسيمات الصغيرة عليها ، والتي لم تعد مرئية في المجهر العادي ، تمامًا كما أن الموجات التي تهز قاربًا بعيدًا غير مرئية من الشاطئ ، على الرغم من أن حركة القارب نفسه يمكن رؤيتها بوضوح تام.
وهكذا أصبحت الحركة البراونية واحدة من الأجزاء المكونةالنظرية الجزيئية الذرية وفي نفس الوقت دليل مهم على حقيقة أن كل المادة تتكون من أصغر الجسيمات: الذرات والجزيئات. من الصعب تصديق ذلك ، ولكن حتى في بداية القرن العشرين ، أنكر بعض العلماء النظرية الجزيئية الذرية ، ولم يؤمنوا بوجود الجزيئات والذرات. وجه عمل رامزي العلمي المتعلق بالحركة البراونية ضربة ساحقة لخصوم النظرية الذرية ، وأجبر جميع العلماء أخيرًا على التأكد من أنك ترى بنفسك أن الذرات والجزيئات موجودة ، ويمكن رؤية تأثيرها بأم عينيك.
نظرية الحركة البراونية
على الرغم من الاضطراب الخارجي للحركة الفوضوية للجسيمات ، إلا أنهم ما زالوا يحاولون وصف حركاتهم العشوائية بواسطة الصيغ الرياضية. وهكذا ولدت نظرية الحركة البراونية.
بالمناسبة ، كان أحد أولئك الذين طوروا هذه النظرية هو عالم الفيزياء والرياضيات البولندي ماريان سمولوتشوفسكي ، الذي عمل في ذلك الوقت في جامعة لفيف وعاش في مسقط رأس مؤلف هذا المقال ، في مدينة لفيف الأوكرانية الجميلة.
جامعة لفيف ، الآن الجامعة. أنا فرانك.
بالتوازي مع Smoluchovsky ، تمت دراسة نظرية الحركة البراونية من قبل أحد النجوم البارزين في علوم العالم - ألبرت أينشتاين الشهير ، الذي كان في ذلك الوقت عاملًا شابًا ومعروفًا في مكتب براءات الاختراع في مدينة برن السويسرية.
نتيجة لذلك ، ابتكر كلا العالمين نظريتهما الخاصة ، والتي يمكن أن تسمى أيضًا نظرية سمولوتشوفسكي-أينشتاين. على وجه الخصوص ، تم تشكيل صيغة رياضية ، والتي بموجبها متوسط قيمة الإزاحة التربيعية لجسيم براوني ( س 2) بمرور الوقت تتناسب t طرديًا مع درجة الحرارة T وتتناسب عكسًا مع لزوجة المائع n وحجم الجسيمات r وثابت.
نأ: س 2 = 2RTt/ 6 س rNأ - هذا ما تبدو عليه هذه الصيغة.
R في الصيغة هو ثابت الغاز. لذلك ، إذا تم إزاحة جسيم يبلغ قطره 1 ميكرومتر بمقدار 10 ميكرومتر في دقيقة واحدة ، ثم في 9 دقائق - بمقدار 10 = 30 ميكرومتر ، في 25 دقيقة - بمقدار 10 = 50 ميكرومتر ، إلخ. في ظل ظروف مماثلة ، فإن الجسيم الذي يبلغ قطره 0.25 ميكرومتر سوف ينزاح بمقدار 20 و 60 و 100 ميكرومتر ، على التوالي ، في نفس الفترات الزمنية (1 ، 9 ، و 25 دقيقة) ، منذ = 2. تتضمن الصيغة ثابت أفوجادرو ، وبالتالي ، يمكن تحديده من خلال القياسات الكمية لحركة الجسيم البراوني ، والتي قام بها الفيزيائي الفرنسي جان بابتيست بيرين.
لمراقبة الجسيمات البراونية ، استخدم بيرين أحدث مجهر فائق الدقة في ذلك الوقت ، والذي من خلاله كانت أصغر جسيمات المادة مرئية بالفعل. في تجاربه ، لاحظ العالم ، المسلح بساعة توقيت ، مواقع بعض الجسيمات البراونية على فترات منتظمة (على سبيل المثال ، بعد 30 ثانية). بعد ذلك ، عند ربط مواضع الجسيمات بخطوط مستقيمة ، تم الحصول على مسارات معقدة مختلفة لحركتها. تم رسم كل هذا على ورقة بيانية خاصة.
هذا ما بدت عليه الرسومات.
من خلال تجميع صيغة أينشتاين النظرية مع ملاحظاته ، تمكن بيرين من الحصول على القيمة الأكثر دقة لرقم أفوجادرو في ذلك الوقت: 6.8 . 10 23
من خلال تجاربه ، أكد الاستنتاجات النظرية لأينشتاين وسمولوتشوفسكي.
الحركة البراونية والانتشار
تشبه حركة الجسيمات أثناء الحركة البراونية ظاهريًا إلى حد كبير حركة الجسيمات أثناء - الاختراق المتبادل لجزيئات المواد المختلفة تحت تأثير درجة الحرارة. ثم ما هو الفرق بين الحركة البراونية والانتشار؟ في الواقع ، يحدث كل من الانتشار والحركة البراونية بسبب الحركة الحرارية العشوائية للجزيئات ، ونتيجة لذلك يتم وصفها بقواعد رياضية مماثلة.
الفرق بينهما هو أنه أثناء الانتشار ، يتحرك الجزيء دائمًا في خط مستقيم حتى يصطدم بجزيء آخر ، وبعد ذلك يغير مسار حركته. الجسيم البراوني لا "يطير بحرية" ، ولكنه يعاني من "توترات" صغيرة جدًا ومتكررة ، كما كانت ، ونتيجة لذلك يتحرك بشكل عشوائي هنا وهناك. من الناحية المجازية ، يشبه الجسيم البراوني علبة بيرة فارغة ملقاة في ساحة تجمع حشد كبير من الناس. يندفع الناس ذهابًا وإيابًا ، ويلمسون الجرة بأقدامهم ويطير بشكل عشوائي في اتجاهات مختلفة مثل الجسيمات البراونية. وحركة الناس أنفسهم في الحشد هي بالفعل أكثر سمات حركة الجسيمات أثناء الانتشار.
إذا نظرت إلى المستوى الجزئي ، فإن سبب حركة الجسيم البراوني هو اصطدامه بجزيئات أصغر ، بينما أثناء الانتشار ، تصطدم الجسيمات بجزيئات أخرى مماثلة.
يحدث كل من الانتشار والحركة البراونية تحت تأثير درجة الحرارة. مع انخفاض درجة الحرارة ، تتباطأ سرعة الجسيمات أثناء الحركة البراونية وسرعة حركة الجسيمات أثناء الانتشار.
أمثلة على الحركة البراونية في الحياة الواقعية
إن نظرية الحركة البراونية ، هذه المسيرات العشوائية ، لها تطبيق عملي في حياتنا الحقيقية. على سبيل المثال ، لماذا يعود الشخص الذي يضيع في الغابة بشكل دوري إلى نفس المكان؟ لأنه لا يتحرك في دوائر ، ولكن تقريبًا بنفس الطريقة التي يتحرك بها الجسيم البني عادة. لذلك ، يعبر طريقه بنفسه عدة مرات.
لذلك ، في ظل عدم وجود إرشادات واتجاهات واضحة للحركة ، يتم تشبيه الشخص المفقود بجسيم براوني يقوم بحركات فوضوية. ولكن من أجل الخروج من الغابة ، يجب أن يكون لديك إرشادات واضحة ، وأن تطور نظامًا ، بدلاً من القيام بالعديد من الإجراءات التي لا معنى لها. باختصار ، لا يجب أن تتصرف في الحياة مثل جسيم براوني ، يندفع من جانب إلى آخر ، ولكن يجب أن تعرف اتجاهك وهدفك ودعوتك ، ولديك أحلام وشجاعة ومثابرة لتحقيقها. هذه هي الطريقة التي انتقلنا بها بسلاسة من الفيزياء إلى الفلسفة. هذا يختتم هذه المقالة.
الحركة البراونية ، فيديو
وأخيرا فيديو تعليمي عن موضوع مقالتنا.
عند كتابة المقال ، حاولت أن أجعله ممتعًا ومفيدًا وذو جودة عالية قدر الإمكان. سأكون ممتنا لأية ملاحظات ونقد بناء في شكل تعليقات على المقال. يمكنك أيضًا كتابة رغبتك / سؤالك / اقتراحك على بريدي الإلكتروني [بريد إلكتروني محمي]أو على الفيسبوك ، مع احترام المؤلف.
الحركة البراونية هي الحركة الفوضوية لأصغر الجسيمات المرئية للمادة الصلبة في الغاز أو السائل. إذن ما هو الجوهر ، وما الذي يسبب الحركة البراونية للجسيمات؟
اكتشاف الحركة البراونية
في عام 1827 ، لاحظ عالم النبات روبرت براون حركة حبوب اللقاح في السائل. اكتشف أن هذه الجسيمات الدقيقة تتحرك بلا توقف وبشكل عشوائي في الماء. فاجأته هذه الحالة كثيرًا ، وكان أول رد فعل له هو التصريح بأن حبوب اللقاح ، على الأرجح ، على قيد الحياة ، لأنها يمكن أن تتحرك. لذلك ، قام بنفس التجربة مع المواد غير العضوية. وبناءً على هذا المثال ، اكتشفت أن الجسيمات ذات الأحجام المعينة ، بغض النظر عما إذا كانت عضوية أو غير عضوية ، تتحرك بشكل عشوائي ودون توقف في السوائل والغازات.
أرز. 1. الحركة البراونية.
وقد ثبت بالفعل لاحقًا ، اعتمادًا على الحجم ، أن الجسيمات تشارك أو لا تشارك في الحركة البراونية. إذا كان حجم الجسيمات أكثر من 5 ميكرون ، فإن هذه الجسيمات عمليًا لا تشارك في الحركة البراونية. إذا كان حجم الجسيمات أقل من 3 ميكرون ، فإن هذه الجسيمات تتحرك بشكل عشوائي أو تدريجي أو تدور.
عادةً لا تغرق الجسيمات البراونية الموجودة في البيئة المائية ، ولكنها لا تطفو على السطح أيضًا. يتم تعليقها في السائل
في القرن التاسع عشر ، درس الفيزيائي الفرنسي لويس جورج جوي الحركة البراونية. وجد أنه كلما انخفض الاحتكاك الداخلي للسائل ، أصبحت الحركة البراونية أكثر شدة.
أرز. 2. صورة لويس جورج غوي.
لا تعتمد الحركة البراونية على الإضاءة والمجال الكهرومغناطيسي الخارجي. وهو ناتج عن تأثير الحركة الحرارية للجزيئات.
الخصائص العامة للحركة البراونية
تحدث الحركة البراونية ، لأن جميع السوائل والغازات تتكون من ذرات وجزيئات تتحرك باستمرار. وبالتالي ، فإن الجسيم البراوني الذي يدخل إلى وسط سائل أو غازي يتعرض لتأثير هذه الذرات والجزيئات التي تتحرك وتدفعه.
عندما يوضع جسم كبير في وسط سائل أو غازي ، تشكل الصدمات ضغطًا ثابتًا. إذا كان الوسط يحيط بجسم كبير من جميع الجوانب ، فإن الضغط يكون متوازنًا ، وتؤثر قوة أرخميدس فقط على الجسم. مثل هذا الجسم إما يطفو أو يغرق.
أرز. 3. مثال على الحركة البراونية.
المبدأ الفيزيائي الأساسي الذي تقوم عليه قوانين الحركة البراونية هو أن متوسط الطاقة الحركية لحركة جزيئات مادة سائلة أو غازية يساوي متوسط الطاقة الحركية لأي جسيم معلق في هذا الوسط. لذلك ، يمكن حساب متوسط الطاقة الحركية $ E $ للحركة الانتقالية لجسيم براوني بالصيغة: $ E = (m \ over2) = (3kT \ over2) $ ، حيث m هي كتلة الجسيم البراوني ، v هي سرعة الجسيم البراوني ، k ثابت بولتزمان ، T هي درجة الحرارة. من هذه الصيغة ، يتضح أن متوسط الطاقة الحركية لجسيم براوني ، وبالتالي شدة حركته ، يزدادان مع زيادة درجة الحرارة.
يتم تفسير الحركة البراونية من خلال حقيقة أنه نظرًا للاختلاف العشوائي في عدد تأثيرات جزيئات السائل على جسيم من اتجاهات مختلفة ، تنشأ قوة ناتجة عن اتجاه معين.
ماذا تعلمنا؟
الحركة البراونية هي الحركة الفوضوية التي لا نهاية لها لجزيئات ذات حجم معين في غاز أو سائل ، حيث تعمل جزيئات وذراتها على تحريك هذه الجسيمات. تقدم هذه المقالة تعريفًا للحركة البراونية ، وتشرح أيضًا أسباب حدوثها.
اختبار الموضوع
تقييم التقرير
متوسط تقييم: 4.3 مجموع التصنيفات المستلمة: 236.