Danes bomo podrobno obravnavali pomembno temo - definirali bomo Brownovo gibanje majhnih koščkov snovi v tekočini ali plinu.
Zemljevid in koordinate
Nekateri šolarji, ki jih mučijo dolgočasne lekcije, ne razumejo, zakaj bi morali študirati fiziko. Medtem je prav ta znanost nekoč omogočila odkrivanje Amerike!
Začnimo od daleč. V nekem smislu so imele sredozemske starodavne civilizacije Sredozemlja: razvile so se na obalah zaprtega celinskega rezervoarja. Sredozemsko morje se imenuje tako, ker je z vseh strani obdano s kopnim. In starodavni popotniki so lahko s svojo odpravo napredovali precej daleč, ne da bi izgubili iz vida obale. Obrisi zemlje so pomagali pri navigaciji. In prvi zemljevidi so bili narisani bolj opisno kot geografsko. Zahvaljujoč tem razmeroma kratkim plovbam so se Grki, Feničani in Egipčani naučili dobro graditi ladje. In kjer je najboljša oprema, obstaja želja po premikanju meja svojega sveta.
Zato so se nekega lepega dne evropske sile odločile, da gredo v ocean. Med plovbo po prostranih prostranstvih med celinami so mornarji več mesecev videli samo vodo in morali so nekako krmariti. Izum natančne ure in visokokakovostnega kompasa sta pomagala določiti njihove koordinate.
Ura in kompas
Izum majhnih ročnih kronometrov je navigatorjem zelo pomagal. Da bi natančno ugotovili, kje so, so morali imeti preprost instrument, ki je meril višino sonca nad obzorjem in točno vedel, kdaj je poldne. In zahvaljujoč kompasu so kapitani ladij vedeli, kam gredo. Tako uro kot lastnosti magnetne igle so preučevali in ustvarili fiziki. Zahvaljujoč temu se je Evropejcem odprl ves svet.
Nove celine so bile terra incognita, neznane dežele. Na njih so rasle čudne rastline in našle so se nerazumljive živali.
Rastline in fizika
Vsi naravoslovci civiliziranega sveta so hiteli preučevati te čudne nove ekološke sisteme. In seveda so jih želeli izkoristiti.
Robert Brown je bil angleški botanik. Potoval je v Avstralijo in Tasmanijo ter tam zbiral zbirke rastlin. Že doma, v Angliji, je trdo delal na opisu in klasifikaciji prinesenega gradiva. In ta znanstvenik je bil zelo natančen. Nekoč je med opazovanjem gibanja cvetnega prahu v rastlinskem soku opazil, da majhni delci nenehno delajo kaotične cikcakaste premike. To je definicija Brownovega gibanja majhnih elementov v plinih in tekočinah. Zahvaljujoč odkritju je neverjetni botanik svoje ime zapisal v zgodovino fizike!
Rjava in Gooey
V evropski znanosti je običajno, da se učinek ali pojav imenuje po imenu tistega, ki ga je odkril. Toda pogosto se to zgodi po naključju. Toda oseba, ki opisuje, odkrije pomen ali podrobneje raziskuje fizikalni zakon, se znajde v senci. Tako se je zgodilo s Francozom Louisom Georgesom Guijem. Prav on je dal definicijo Brownovega gibanja (7. razred zagotovo ne sliši zanj, ko preučuje to temo v fiziki).
Gouyeve raziskave in lastnosti Brownovega gibanja
Francoski eksperimentator Louis Georges Gouy je opazoval gibanje različnih vrst delcev v več tekočinah, vključno z raztopinami. Znanost tistega časa je že znala natančno določiti velikost kosov snovi do desetink mikrometra. Ko je raziskovalec, kaj je Brownovo gibanje (gouy je bil tisti, ki je v fiziki dal definicijo tega pojava), je znanstvenik ugotovil, da se intenzivnost gibanja delcev poveča, če jih postavimo v manj viskozen medij. Kot eksperimentator širokega spektra je suspenzijo izpostavil delovanju svetlobe in elektromagnetnih polj različnih moči. Znanstvenik je ugotovil, da ti dejavniki ne vplivajo na kaotične cikcak skoke delcev. Gouy je nedvoumno pokazal, kaj dokazuje Brownovo gibanje: toplotno gibanje molekul tekočine ali plina.
Kolektivno in množično
In zdaj bomo podrobneje opisali mehanizem cikcak skokov majhnih kosov snovi v tekočini.
Vsaka snov je sestavljena iz atomov ali molekul. Ti elementi sveta so zelo majhni, niti en optični mikroskop jih ne more videti. V tekočini ves čas vibrirajo in se premikajo. Ko kateri koli vidni delec vstopi v raztopino, je njegova masa tisočkrat večja od enega atoma. Brownovo gibanje tekočih molekul se pojavi naključno. A kljub temu so vsi atomi ali molekule kolektiv, povezani so med seboj, kot ljudje, ki se držijo za roke. Zato se včasih zgodi, da se atomi tekočine na eni strani delca premikajo tako, da nanj »pritiskajo«, medtem ko na drugi strani delca nastane manj gost medij. Zato se prašni delci premikajo v prostoru raztopine. Drugje kolektivno gibanje molekul tekočine naključno deluje na drugi strani masivnejše komponente. Točno tako poteka Brownovo gibanje delcev.
Čas in Einstein
Če ima snov temperaturo, ki ni nič, njeni atomi izvajajo toplotne vibracije. Zato tudi v zelo hladni ali prehlajeni tekočini obstaja Brownovo gibanje. Ti kaotični skoki majhnih suspendiranih delcev nikoli ne prenehajo.
Albert Einstein je morda najbolj znan znanstvenik dvajsetega stoletja. Vsi, ki jih fizika vsaj nekoliko zanima, poznajo formulo E = mc 2 . Mnogi se morda spomnijo fotoelektričnega učinka, za katerega je prejel Nobelovo nagrado, in posebne teorije relativnosti. Toda malo ljudi ve, da je Einstein razvil formulo za Brownovo gibanje.
Na podlagi molekularne kinetične teorije je znanstvenik izpeljal difuzijski koeficient suspendiranih delcev v tekočini. In zgodilo se je leta 1905. Formula izgleda takole:
D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ),
kjer je D želeni koeficient, R je univerzalna plinska konstanta, T je absolutna temperatura (izražena v Kelvinih), NA je Avogadrova konstanta (ustreza enemu molu snovi ali približno 10 23 molekulam), a je približna povprečni polmer delcev, ξ je dinamična viskoznost tekočine ali raztopine.
In že leta 1908 so francoski fizik Jean Perrin in njegovi učenci eksperimentalno dokazali pravilnost Einsteinovih izračunov.
En delec v polju bojevnika
Zgoraj smo opisali kolektivno delovanje medija na številne delce. Toda celo en tuj element v tekočini lahko daje nekaj pravilnosti in odvisnosti. Na primer, če dolgo časa opazujete Brownov delec, potem lahko popravite vsa njegova gibanja. In iz tega kaosa bo nastal koherenten sistem. Povprečno napredovanje Brownovega delca vzdolž katere koli smeri je sorazmerno s časom.
Med poskusi na delcu v tekočini so bile očiščene naslednje količine:
- Boltzmannova konstanta;
- Avogadrovo število.
Poleg linearnega gibanja je značilno tudi kaotično vrtenje. In povprečni kotni premik je tudi sorazmeren s časom opazovanja.
Velikosti in oblike
Po takem sklepanju se lahko pojavi logično vprašanje: zakaj tega učinka ni opaziti pri velikih telesih? Kajti, ko je dolžina predmeta, potopljenega v tekočino, večja od določene vrednosti, se vsi ti naključni kolektivni "suki" molekul spremenijo v stalen tlak, saj se povprečijo. In general Arhimed že deluje na telo. Tako se velik kos železa potopi, kovinski prah pa plava v vodi.
Velikost delcev, na primeru katere se razkrije nihanje tekočih molekul, ne sme presegati 5 mikrometrov. Kar zadeva predmete z velike velikosti, potem ta učinek ne bo opazen.
Ko je pod mikroskopom opazoval suspenzijo cvetnega prahu v vodi, je Brown opazil kaotično gibanje delcev, ki nastane »ne zaradi gibanja tekočine in ne zaradi njenega izhlapevanja«. Viseči delci velikosti 1 µm ali manj, vidni le pod mikroskopom, so izvajali neurejene neodvisne premike, ki opisujejo kompleksne cikcakaste poti. Brownovo gibanje s časom ne oslabi in ni odvisno od kemične lastnosti medija, se njegova intenzivnost povečuje z naraščanjem temperature medija ter z zmanjšanjem njegove viskoznosti in velikosti delcev. Celo kvalitativna razlaga vzrokov Brownovega gibanja je bila mogoča šele 50 let pozneje, ko so vzrok za Brownovo gibanje začeli povezovati z udarcem molekul tekočine na površino v njej suspendiranega delca.
Prvo kvantitativno teorijo Brownovega gibanja sta leta 1905-06 podala A. Einstein in M. Smoluchowski. temelji na teoriji molekularne kinetike. Pokazalo se je, da so naključni sprehodi Brownovih delcev povezani z njihovo udeležbo pri toplotnem gibanju skupaj z molekulami medija, v katerem so suspendirani. Delci imajo v povprečju enako kinetično energijo, vendar imajo zaradi večje mase nižjo hitrost. Teorija Brownovega gibanja razlaga naključno gibanje delca z delovanjem naključnih sil molekul in sil trenja. Po tej teoriji so molekule tekočine ali plina v stalnem toplotnem gibanju, impulzi različnih molekul pa niso enaki po velikosti in smeri. Če je površina delca, postavljenega v tak medij, majhna, kot je to v primeru Brownovega delca, potem udarci, ki jih delček doživi iz okoliških molekul, ne bodo natančno kompenzirani. Zato se zaradi "bombardiranja" molekul Brownov delec začne naključno premikati, pri čemer spremeni velikost in smer svoje hitrosti približno 10 14-krat na sekundo. Iz te teorije je sledilo, da lahko z merjenjem premika delca v določenem času ter poznavanjem njegovega polmera in viskoznosti tekočine izračunamo Avogadrovo število.
Pri opazovanju Brownovega gibanja je položaj delca fiksiran v rednih intervalih. Krajši kot so časovni intervali, bolj zlomljena bo pot delca.
Vzorci Brownovega gibanja služijo kot jasna potrditev temeljnih določil molekularne kinetične teorije. Končno je bilo ugotovljeno, da je toplotna oblika gibanja snovi posledica kaotičnega gibanja atomov ali molekul, ki sestavljajo makroskopska telesa.
Teorija Brownovega gibanja je imela pomembno vlogo pri utemeljitvi statistične mehanike, je osnova za kinetično teorijo koagulacije vodnih raztopin. Poleg tega ima praktičen pomen tudi v meroslovju, saj se Brownovo gibanje šteje za glavni dejavnik, ki omejuje natančnost. merilni instrumenti. Na primer, mejo natančnosti odčitkov zrcalnega galvanometra določa tresenje zrcala, kot Brownov delec, ki ga bombardirajo molekule zraka. Zakoni Brownovega gibanja določajo naključno gibanje elektronov, kar povzroča hrup električna vezja. Dielektrične izgube v dielektrikih so razložene z naključnimi premiki dipolnih molekul, ki sestavljajo dielektrik. Naključni premiki ionov v raztopinah elektrolitov povečajo njihov električni upor.
Kaj je Brownovo gibanje?
Zdaj se boste seznanili z najbolj očitnim dokazom toplotnega gibanja molekul (drugo glavno stališče molekularno kinetične teorije). Vsekakor poskusite pogledati skozi mikroskop in videti, kako se premikajo tako imenovani Brownovi delci.
Prej ste se naučili kaj difuzijo, torej mešanje plinov, tekočin in trdnih snovi v njihovem neposrednem stiku. Ta pojav je mogoče razložiti z naključnim gibanjem molekul in prodiranjem molekul ene snovi v prostor med molekulami druge snovi. To lahko pojasni, na primer, dejstvo, da je prostornina mešanice vode in alkohola manjša od prostornine njenih sestavin. Toda najbolj očiten dokaz o gibanju molekul je mogoče dobiti z opazovanjem pod mikroskopom najmanjših delcev katere koli trdne snovi, suspendirane v vodi. Ti delci se premikajo naključno, kar se imenuje Brownov.
To je toplotno gibanje delcev, suspendiranih v tekočini (ali plinu).
Opazovanje Brownovega gibanja
Angleški botanik R. Brown (1773-1858) je ta pojav prvič opazil leta 1827, ko je pod mikroskopom preučeval spore mahu, suspendirane v vodi. Kasneje je razmišljal o drugih majhnih delcih, vključno z delci kamna iz egiptovskih piramid. Zdaj se za opazovanje Brownovega gibanja uporabljajo delci gumigut barve, ki je netopna v vodi. Ti delci se premikajo naključno. Najbolj presenetljivo in nenavadno za nas je, da se to gibanje nikoli ne ustavi. Navajeni smo, da se vsako premikajoče se telo prej ali slej ustavi. Brown je sprva menil, da spore klubskega mahu kažejo znake življenja.
toplotno gibanje in se ne more ustaviti. Ko se temperatura dvigne, se njena intenzivnost poveča. Slika 8.3 prikazuje diagram gibanja Brownovih delcev. Položaji delcev, označenih s pikami, se določijo v rednih intervalih 30 s. Te točke so povezane z ravnimi črtami. V resnici je pot delcev veliko bolj zapletena.Brownovo gibanje lahko opazimo tudi v plinu. Izvajajo ga delci prahu ali dima, suspendirani v zraku.
Nemški fizik R. Pohl (1884-1976) slikovito opisuje Brownovo gibanje: »Le malo pojavov lahko tako očara opazovalca kot Brownovo gibanje. Tu je opazovalcu dovoljeno pogledati v zakulisje dogajanja v naravi. Pred njim se odpre nov svet - neprekinjen vrvež ogromnega števila delcev. Najmanjši delci hitro letijo v vidno polje mikroskopa in skoraj v trenutku spremenijo smer gibanja. Večji delci se premikajo počasneje, a tudi nenehno spreminjajo smer. Veliki delci se tako rekoč udarijo na svoje mesto. Njihovi izrastki jasno kažejo vrtenje delcev okoli svoje osi, ki nenehno spreminja smer v prostoru. Nikjer ni sledu sistema ali reda. Prevlada slepega naključja - to je tisto, kar naredi ta slika na opazovalca močan, osupljiv vtis.
Trenutno koncept Brownovo gibanje uporablja v širšem pomenu. Brownovo gibanje je na primer tresenje puščic občutljivih merilnih instrumentov, ki nastane zaradi toplotnega gibanja atomov delov instrumenta in okolja.
Razlaga Brownovega gibanja
Brownovo gibanje je mogoče razložiti le na podlagi molekularno-kinetične teorije. Razlog za Brownovo gibanje delca je v tem, da se udarci tekočih molekul na delec med seboj ne izničijo.. Slika 8.4 shematično prikazuje položaj enega Brownovega delca in molekul, ki so mu najbližje. Ko se molekule premikajo naključno, impulzi, ki jih posredujejo Brownovemu delcu, na primer z leve in z desne, niso enaki. Zato je nastala tlačna sila tekočih molekul na Brownov delec enaka nič. Ta sila povzroči spremembo gibanja delca.
Srednji tlak ima določeno vrednost tako v plinu kot v tekočini. Vedno pa obstajajo rahla naključna odstopanja od tega povprečja. Manjša kot je površina telesa, bolj opazne so relativne spremembe sile pritiska, ki deluje na to območje. Torej, na primer, če ima območje velikost reda več premerov molekule, se sila pritiska, ki deluje nanj, nenadoma spremeni iz nič na določeno vrednost, ko molekula vstopi v to območje.
Molekularno-kinetično teorijo Brownovega gibanja je leta 1905 ustvaril A. Einstein (1879-1955).
Konstrukcija teorije Brownovega gibanja in njena eksperimentalna potrditev s strani francoskega fizika J. Perrina je dokončno zaključila zmago molekularno-kinetične teorije.
Perrinovi poskusi
Ideja Perrinovih eksperimentov je naslednja. Znano je, da koncentracija plinskih molekul v atmosferi pada z višino. Če ne bi bilo toplotnega gibanja, bi vse molekule padle na Zemljo in atmosfera bi izginila. Če pa ne bi bilo privlačnosti do Zemlje, bi molekule zaradi toplotnega gibanja zapustile Zemljo, saj je plin sposoben neomejenega širjenja. Kot posledica delovanja teh nasprotnih dejavnikov se vzpostavi določena porazdelitev molekul po višini, kot je navedeno zgoraj, to pomeni, da se koncentracija molekul z višino precej hitro zmanjšuje. Poleg tega večja kot je masa molekul, hitreje se z višino zmanjšuje njihova koncentracija.
Brownovi delci sodelujejo pri toplotnem gibanju. Ker je njihova interakcija zanemarljiva, lahko agregat teh delcev v plinu ali tekočini štejemo za idealen plin zelo težkih molekul. Posledično se mora koncentracija Brownovih delcev v plinu ali tekočini v zemeljskem gravitacijskem polju zmanjšati po istem zakonu kot koncentracija plinskih molekul. Ta zakon je znan.
Perrin je z mikroskopom velike povečave in majhne globine polja (majhna globinska ostrina) opazoval Brownove delce v zelo tankih plasteh tekočine. Z izračunom koncentracije delcev na različnih višinah je ugotovil, da ta koncentracija pada z višino po istem zakonu kot koncentracija molekul plina. Razlika je v tem, da zaradi velike mase Brownovih delcev pride do zmanjšanja zelo hitro.
Poleg tega je štetje Brownovih delcev na različnih višinah omogočilo Perrinu, da je Avogadrovo konstanto določil na popolnoma nov način. Vrednost te konstante je sovpadala z znano.
Vsa ta dejstva pričajo o pravilnosti teorije Brownovega gibanja in s tem o tem, da Brownovi delci sodelujejo pri toplotnem gibanju molekul.
Jasno ste videli obstoj toplotnega gibanja; Videli smo, kako se dogaja kaotično gibanje. Molekule se premikajo še bolj naključno kot Brownovi delci.
Bistvo pojava
Zdaj pa poskusimo razumeti bistvo pojava Brownovega gibanja. In to se zgodi, ker so vse absolutno tekočine in plini sestavljeni iz atomov ali molekul. Vemo pa tudi, da ti najmanjši delci, ki so v neprekinjenem kaotičnem gibanju, nenehno potiskajo Brownov delec z različnih strani.
Ampak tukaj je zanimivo, znanstveniki so dokazali, da delci večjih velikosti, ki presegajo 5 mikronov, ostanejo negibni in skoraj ne sodelujejo pri Brownovem gibanju, česar ne moremo reči za manjše delce. Delci z velikostjo manj kot 3 mikrone se lahko premikajo naprej, delajo rotacije ali zapisujejo zapletene poti.
Ko je potopljen v okolje velikega telesa, se pojavi v ogromno številošoki tako rekoč gredo na srednjo raven in vzdržujejo stalen pritisk. V tem primeru pride v poštev Arhimedova teorija, saj veliko telo, ki ga z vseh strani obdaja medij, uravnoteži pritisk in preostala dvižna sila omogoča temu telesu, da lebdi ali potopi.
Če pa ima telo dimenzije, kot je Brownov delec, torej popolnoma neopazno, potem postanejo opazna odstopanja tlaka, ki prispevajo k ustvarjanju naključne sile, ki vodi do nihanja teh delcev. Sklepamo lahko, da so Brownovi delci v mediju v suspenziji, v nasprotju z velikimi delci, ki potonejo ali lebdijo.
Pomen Brownovega gibanja
Poskusimo ugotoviti, ali ima Brownovo gibanje v naravnem okolju kakšen pomen:
Prvič, Brownovo gibanje igra pomembno vlogo pri prehrani rastlin iz tal;
Drugič, v človeških in živalskih organizmih pride do absorpcije hranil skozi stene prebavnih organov zaradi Brownovega gibanja;
Tretjič, pri izvajanju kožnega dihanja;
In nazadnje, Brownovo gibanje je pomembno pri širjenju škodljivih snovi v zraku in vodi.
Domača naloga
Pozorno preberi vprašanja in nanje pisno odgovori:
1. Se spomnite, kaj se imenuje difuzija?
2. Kakšno je razmerje med difuzijo in toplotnim gibanjem molekul?
3. Definiraj Brownovo gibanje.
4. Kaj menite, ali je Brownovo gibanje toplotno, in utemeljite svoj odgovor?
5. Ali se bo narava Brownovega gibanja pri segrevanju spremenila? Če se spremeni, kako potem?
6. Kateri instrument se uporablja pri preučevanju Brownovega gibanja?
7. Ali se vzorec Brownovega gibanja spreminja z naraščanjem temperature in kako natančno?
8. Ali se bo Brownovo gibanje spremenilo, če vodno emulzijo nadomestimo z glicerolom?
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizika 10. razred
Brownovo gibanje je kaotično in naključno gibanje majhnih delcev, običajno molekul v različnih tekočinah ali plinih. Razlog za nastanek Brownovega gibanja je trk nekaterih (manjših delcev) z drugimi delci (že večjimi). Kakšna je zgodovina odkritja Brownovega gibanja, njegov pomen v fiziki, zlasti v atomski in molekularni teoriji? Kateri primeri Brownovega gibanja obstajajo v resničnem življenju? Več o vsem tem preberite v našem članku.
Odkritje Brownovega gibanja
Odkritelj Brownovega gibanja je bil angleški botanik Robert Brown (1773-1858), pravzaprav so ga v njegovo čast imenovali "Brownian". Leta 1827 se je Robert Brown aktivno ukvarjal z raziskavami cvetnega prahu različnih rastlin. Zanimalo ga je predvsem, kakšen delež cvetni prah zavzema pri razmnoževanju rastlin. In prav tako je znanstvenik, opazujoč gibanje cvetnega prahu v zelenjavnem soku, opazil, da majhni delci občasno naredijo naključne vijugaste premike.
Brownovo opazovanje so potrdili drugi znanstveniki. Zlasti je bilo opaženo, da se delci nagibajo k pospeševanju s povečanjem temperature, pa tudi z zmanjšanjem velikosti samih delcev. In s povečanjem viskoznosti medija, v katerem so se nahajali, se je njihovo gibanje, nasprotno, upočasnilo.
Robert Brown, odkritelj Brownovega gibanja.
Robert Brown je sprva mislil, da opazuje gibanje, celo »ples« nekaterih živih mikroorganizmov, saj je cvetni prah sam v resnici moške spolne celice rastlin. Toda delci odmrlih rastlin so imeli podobno gibanje in celo rastline, posušene pred sto leti v herbarijih. Znanstvenik je bil še bolj presenečen, ko je začel preučevati nežive snovi: majhne delce premoga, saj in celo prašne delce londonskega zraka. Nato so pod raziskovalčev mikroskop padli steklo, različni in raznoliki minerali. In povsod so bile videti te "aktivne molekule", ki so bile v nenehnem in kaotičnem gibanju.
To je zanimivo: sami lahko opazujete Brownovo gibanje z lastnimi očmi, za to boste potrebovali nezmogljiv mikroskop (navsezadnje v življenju Roberta Browna še ni bilo močnih sodobnih mikroskopov). Ko gledamo skozi ta mikroskop, na primer dim v zatemnjeni škatli in osvetljen s stranskim snopom svetlobe, bomo videli majhne koščke saj in pepela, ki se bodo nenehno odbijali naprej in nazaj. To je Brownovo gibanje.
Brownovo gibanje in atomsko-molekularna teorija
Gibanje, ki ga je odkril Brown, je kmalu postalo zelo znano v znanstvenih krogih. Odkritelj sam ga je z veseljem pokazal številnim svojim kolegom. Vendar dolga leta niti Robert Brown niti njegovi sodelavci niso mogli razložiti vzrokov za Brownovsko gibanje, zakaj se sploh pojavlja. Poleg tega je bilo Brownovsko gibanje popolnoma nesmiselno in kljubovalo vsaki logiki.
Njegova razlaga je bila podana šele ob koncu 19. stoletja, znanstvena skupnost pa je ni takoj sprejela. Leta 1863 je nemški matematik Ludwig Christian Wiener predlagal, da je Brownovo gibanje posledica oscilatornih gibanj nekaterih nevidnih atomov. Pravzaprav je bila to prva razlaga tega nenavadnega pojava, povezanega z lastnostmi atomov in molekul, prvi poskus prodreti v skrivnost zgradbe snovi s pomočjo Brownovega gibanja. Zlasti je Wiener poskušal izmeriti odvisnost hitrosti delcev od njihove velikosti.
Kasneje so Wienerjeve ideje razvili drugi znanstveniki, med njimi je bil slavni škotski fizik in kemik William Ramsay. Prav on je uspel dokazati, da je vzrok za Brownovo gibanje majhnih delcev udarec nanje še manjših delcev, ki jih v navadnem mikroskopu ni več vidno, tako kot valovi, ki tresejo oddaljeni čoln, niso vidni iz obale, čeprav je gibanje samega čolna precej jasno vidno.
Tako je Brownovo gibanje postalo eno izmed sestavni deli atomsko-molekularna teorija in hkrati pomemben dokaz dejstva, da je vsa snov sestavljena iz najmanjših delcev: atomov in molekul. Težko je verjeti, a tudi na začetku 20. stoletja so nekateri znanstveniki zanikali atomsko-molekularno teorijo in niso verjeli v obstoj molekul in atomov. Ramsayjevo znanstveno delo, povezano z Brownovim gibanjem, je zadalo močan udarec nasprotnikom atomizma in prisililo vse znanstvenike, da so se končno prepričali, da sami vidite, da atomi in molekule obstajajo, njihovo delovanje pa lahko vidite na lastne oči.
Brownova teorija gibanja
Kljub zunanji neurejenosti kaotičnega gibanja delcev so njihova naključna gibanja še vedno poskušali opisati z matematičnimi formulami. Tako se je rodila teorija Brownovega gibanja.
Mimogrede, eden od tistih, ki je razvil to teorijo, je bil poljski fizik in matematik Marian Smoluchowski, ki je takrat delal na univerzi Lviv in živel v domačem kraju avtorja tega članka, v čudovitem ukrajinskem mestu Lviv.
Univerza Lviv, zdaj univerza. I. Frank.
Vzporedno s Smoluchovskim je teorijo Brownovega gibanja preučeval eden od svetilnikov svetovne znanosti - slavni Albert Einstein, ki je bil takrat še mlad in znan delavec v patentnem uradu švicarskega mesta Bern.
Kot rezultat, sta oba znanstvenika ustvarila svojo teorijo, ki jo lahko imenujemo tudi teorija Smoluchowski-Einstein. Zlasti je bila oblikovana matematična formula, po kateri je povprečna vrednost kvadrata premika Brownovega delca ( s 2) skozi čas je t neposredno sorazmeren s temperaturo T in obratno sorazmeren z viskoznostjo tekočine n, velikostjo delcev r in konstanto .
N O: s 2 = 2RTt/6.p rN A - tako izgleda ta formula.
R v formuli je plinska konstanta. Torej, če se v 1 minuti delec s premerom 1 μm premakne za 10 μm, potem v 9 minutah - za 10 = 30 μm, v 25 minutah - za 10 = 50 μm itd. Pod podobnimi pogoji se bo delec s premerom 0,25 µm premaknil za 20, 60 oziroma 100 µm v istih časovnih intervalih (1, 9 in 25 min), saj je = 2. Pomembno je, da je zgoraj navedeno formula vključuje Avogadrovo konstanto, ki jo je torej mogoče določiti s kvantitativnimi meritvami gibanja Brownovega delca, ki jih je opravil francoski fizik Jean Baptiste Perrin.
Za opazovanje Brownovih delcev je Perrin uporabil takrat najnovejši ultramikroskop, skozi katerega so bili že vidni najmanjši delci snovi. V svojih poskusih je znanstvenik, oborožen s štoparico, v rednih intervalih (na primer po 30 sekundah) zabeležil položaje določenih Brownovih delcev. Nato smo s povezovanjem položajev delcev z ravnimi črtami dobili različne zapletene poti njihovega gibanja. Vse to je bilo skicirano na posebnem grafičnem listu.
Takole so izgledale risbe.
Ko je sestavil Einsteinovo teoretično formulo s svojimi opazovanji, je Perrin uspel dobiti najbolj natančno vrednost Avogadrove številke za tisti čas: 6,8 . 10 23
S svojimi poskusi je potrdil teoretične zaključke Einsteina in Smoluchowskega.
Brownovo gibanje in difuzija
Gibanje delcev pri Brownovem gibanju je navzven zelo podobno gibanju delcev med - medsebojnim prodiranjem molekul različnih snovi pod vplivom temperature. Kakšna je potem razlika med Brownovim gibanjem in difuzijo? Pravzaprav se tako difuzija kot Brownovo gibanje pojavita zaradi naključnega toplotnega gibanja molekul in ju posledično opisujejo podobna matematična pravila.
Razlika med njima je v tem, da se med difuzijo molekula vedno premika v ravni črti, dokler ne trči v drugo molekulo, nato pa spremeni pot svojega gibanja. Brownov delec ne "prosti let", ampak doživlja tako rekoč zelo majhne in pogoste "trese", zaradi katerih se naključno premika sem in tja. Slikovito rečeno, Brownov delec je kot prazna pločevinka piva, ki leži na trgu, kjer se je zbrala velika množica ljudi. Ljudje švigajo sem ter tja, se z nogami dotikajo kozarca in ta naključno leti v različne smeri kot Brownov delec. In gibanje samih ljudi v množici je že bolj značilno za gibanje delcev med difuzijo.
Če pogledate na mikro nivo, potem je razlog za gibanje Brownovega delca njegov trk z manjšimi delci, medtem ko med difuzijo delci trčijo z drugimi podobnimi delci.
Tako difuzija kot Brownovo gibanje se pojavita pod vplivom temperature. Ko se temperatura znižuje, se tako hitrost delcev med Brownovim gibanjem kot hitrost gibanja delcev med difuzijo upočasni.
Primeri Brownovega gibanja v resničnem življenju
Teorija Brownovega gibanja, ti naključni sprehodi, ima praktično izvedbo v našem resničnem življenju. Na primer, zakaj se oseba, ki se izgubi v gozdu, občasno vrača na isto mesto? Ker se ne giblje v krogih, ampak približno na enak način, kot se običajno giblje Brownov delec. Zato si večkrat sam prekriža pot.
Zato je izgubljena oseba brez jasnih smernic in smeri gibanja primerjana z Brownovim delcem, ki izvaja kaotične premike. A da bi prišli iz gozda, morate imeti jasne smernice, razviti sistem, namesto da izvajate razna nesmiselna dejanja. Z eno besedo, v življenju se ne bi smel obnašati kot Brownov delec, ki hiti od strani do strani, ampak moraš poznati svojo smer, cilj in poklic, imeti sanje, pogum in vztrajnost, da jih dosežeš. Tako smo gladko prešli iz fizike v filozofijo. S tem se ta članek zaključi.
Brownovo gibanje, video
In končno, izobraževalni video na temo našega članka.
Pri pisanju članka sem se trudil, da je čim bolj zanimiv, uporaben in kakovosten. Hvaležen bi bil za vse povratne informacije in konstruktivne kritike v obliki komentarjev na članek. Svojo željo/vprašanje/predlog lahko napišete tudi na moj mail [email protected] ali na Facebooku, s spoštovanjem, avtor.
Brownovo gibanje je kaotično gibanje najmanjših vidnih delcev trdne snovi v plinu ali tekočini. Kaj je torej bistvo in kaj povzroča Brownovo gibanje delcev?
Odkritje Brownovega gibanja
Leta 1827 je botanik Robert Brown opazoval gibanje cvetnega prahu v tekočini. Odkril je, da se ti drobni delci gibljejo neprekinjeno in naključno v vodi. Ta primer ga je zelo presenetil, njegova prva reakcija je bila izjava, da je verjetno cvetni prah živ, saj se lahko premika. Zato je enak poskus naredil z anorganskimi snovmi. In že na podlagi tega primera sem ugotovil, da se delci določenih velikosti, ne glede na to, ali so organski ali anorganski, gibljejo naključno in neprekinjeno v tekočinah in plinih.
riž. 1. Brownovo gibanje.
Že pozneje je bilo ugotovljeno, da delci glede na velikost sodelujejo ali ne sodelujejo pri Brownovem gibanju. Če je velikost delcev večja od 5 mikronov, potem ti delci praktično ne sodelujejo pri Brownovem gibanju. Če je velikost delcev manjša od 3 mikronov, se ti delci premikajo naključno, postopoma ali vrtijo.
Brownovi delci v vodnem okolju običajno ne potonejo, ampak tudi ne priplavajo na površje. V tekočini so suspendirani
Že v 19. stoletju je francoski fizik Louis Georges Gouy preučeval Brownovo gibanje. Ugotovil je, da manjše je notranje trenje tekočine, bolj intenzivno postane Brownovo gibanje.
riž. 2. Portret Louisa Georgesa Guija.
Brownovo gibanje ni odvisno od osvetlitve in zunanjega elektromagnetnega polja. Nastane zaradi vpliva toplotnega gibanja molekul.
Splošne značilnosti Brownovega gibanja
Poteka Brownovo gibanje, saj so vse tekočine in plini sestavljeni iz atomov in molekul, ki so nenehno v gibanju. Posledično je Brownov delec, ki vstopi v tekoči ali plinasti medij, izpostavljen delovanju teh atomov in molekul, ki ga premikajo in potiskajo.
Ko je veliko telo postavljeno v tekoči ali plinasti medij, udarci tvorijo stalen tlak. Če medij obdaja veliko telo z vseh strani, je pritisk uravnotežen in na telo deluje le Arhimedova sila. Takšno telo bodisi plava ali se potopi.
riž. 3. Primer Brownovega gibanja.
Osnovno fizikalno načelo, na katerem temeljijo zakoni Brownovega gibanja, je, da je povprečna kinetična energija gibanja molekul tekoče ali plinaste snovi enaka povprečni kinetični energiji katerega koli delca, suspendiranega v tem mediju. Zato lahko povprečno kinetično energijo $E$ translacijskega gibanja Brownovega delca izračunamo po formuli: $E = (m \over2) = (3kT \over2)$, kjer je m masa Brownovega delca, v je hitrost Brownovega delca, k je Boltzmannova konstanta, T je temperatura. Iz te formule postane jasno, da se povprečna kinetična energija Brownovega delca in s tem intenzivnost njegovega gibanja povečuje z naraščanjem temperature.
Brownovo gibanje je razloženo z dejstvom, da zaradi naključne razlike v številu udarcev tekočih molekul na delec iz različnih smeri nastane rezultantna sila določene smeri.
Kaj smo se naučili?
Brownovo gibanje je neskončno in kaotično gibanje delcev določene velikosti v plinu ali tekočini, katerih molekule in atomi poganjajo te delce v gibanje. Ta članek daje definicijo Brownovega gibanja in pojasnjuje razloge za njegovo pojavljanje.
Tematski kviz
Ocenjevanje poročila
Povprečna ocena: 4.3. Skupno prejetih ocen: 236.