Сьогодні ми детально розглянемо важливу тему - дамо визначення броунівського руху маленьких шматочків матерії в рідині або газі.

Карта і координати

Деякі школярі, замучені нудними уроками, не розуміють, навіщо вивчати фізику. А між тим, саме ця наука колись дозволила відкрити Америку! Почнемо здалеку. Давніх цивілізацій Середземномор'я в якомусь сенсі пощастило: вони розвивалися на березі закритого внутрішнього водойми. Середземне море тому так і називається, що воно з усіх боків оточене сушею. І стародавні мандрівники могли досить далеко просунутися зі своєю експедицією, не втрачаючи з види берегів. Обриси суші допомагали орієнтуватися. І перші карти складалися швидше описово, ніж географічно. Завдяки цим щодо недалеким плаванням греки, фінікійці і єгиптяни добре навчилися будувати кораблі. А де найкраще обладнання – там і прагнення розсунути межі свого світу.


Тому в один прекрасний день європейські держави вирішили вийти в океан. Під час плавання по безкрайніх просторах між материками моряки довгі місяці бачили тільки воду, і їм треба було якось орієнтуватися. Визначити свої координати допомогло винахід точних годин і якісного компаса.

Годинник і компас

Винахід маленьких ручних хронометрів дуже виручило мореплавців. Щоб точно визначити, де вони перебувають, їм треба було мати простий інструмент, який виміряв висоту сонця над горизонтом, і знати, коли саме полудень. А завдяки компасом капітани суден знали, куди вони направляються. І годинник, і властивості магнітної стрілки вивчали і створювали фізики. Завдяки цьому європейцям був відкритий весь світ.


Нові континенти представляли собою terra incognita, незвідані землі. На них зростали дивні рослини і водилися незрозумілі тварини.

Рослини і фізика

Всі дослідники цивілізованого світу кинулися вивчати ці нові дивні екологічні системи. І звичайно ж, вони прагнули отримати з них вигоду. Роберт Броун був англійським ботаніком. Він здійснював поїздки до Австралії і на Тасманії, збирав там колекції рослин. Вже вдома, в Англії, він багато працював над описом і класифікацією привезеного матеріалу. І цей вчений був дуже допитливим. Одного разу, спостерігаючи за рухом пилку в соку рослин, він зауважив: дрібні частинки постійно здійснюють хаотичні зигзагоподібні переміщення. В цьому і полягає визначення броунівського руху дрібних елементів у газах і рідинах. Завдяки відкриттю приголомшливий ботанік вписав своє ім'я в історію фізики!

Броун і Дуі

В європейській науці прийнято: називати ефект або явище іменем того, хто його виявив. Але часто це буває випадково. А ось чоловік, який описує, відкриває важливість або більш докладно досліджує фізичний закон, опиняється в тіні. Так сталося і з французом Луї Жоржем Гуи. Саме він дав визначення броунівського руху (7 клас про нього точно не чує, коли вивчає цю тему з фізики).

Дослідження Дуі і властивості броунівського руху

Французький експериментатор Луї-Жорж Гуі спостерігав рух різного типу частинок в декількох рідинах, у тому числі і в розчинах. Наука того часу вже вміла точно визначати розмір шматочків речовини до десятих часток мікрометра. Досліджуючи, що таке броунівський рух (визначення у фізиці цьому явищу дав саме Гуі), учений зрозумів: інтенсивність переміщення частинок збільшується, якщо їх помістити в менш в'язке середовище. Будучи експериментатором широкого спектру, він піддавав суспензія дії світла і електромагнітних полів різної потужності. Учений з'ясував, що ці чинники ніяк не впливають на хаотичні зигзагоподібні стрибки частинок. Гуі однозначно показав, що доводить броунівський рух: теплове переміщення молекул рідини або газу.

Колектив і маса

А тепер докладніше опишемо механізм зигзагоподібних стрибків невеликих шматочків матерії в рідині. Будь-яка речовина складається з атомів або молекул. Ці елементи світу дуже маленькі, жоден оптичний мікроскоп не здатний їх побачити. В рідині вони весь час коливаються і переміщаються. Коли будь-яка видима частинка потрапляє в розчин, її маса в тисячі разів більше одного атома. Броунівський рух молекул рідини відбувається хаотично. Але тим не менше всі атоми або молекули являють собою колектив, вони пов'язані один з одним, як люди, які взялися за руки. Тому іноді так трапляється, що атоми рідини з одного боку частинки рухаються так, що «тиснуть» на неї, при цьому з іншого боку від частинки створюється менш щільне середовище. Тому порошинка переміщається в просторі розчину. В іншому місці колективний рух молекул рідини випадково діє на іншу сторону більш масивного компонента. Саме так і відбувається броунівський рух частинок.

Час і Ейнштейн

Якщо речовина має ненульовий температурою, його атоми здійснюють теплові коливання. Тому навіть у дуже холодної або переохолодженої рідини існує броунівський рух. Ці хаотичні перескакування маленьких зважених частинок ніколи не припиняються. Альберт Ейнштейн, мабуть, самий знаменитий учений двадцятого століття. Всім, хто хоч скільки-небудь цікавиться фізикою, відома формула E = mc 2 . Також багато хто може згадати про фотоефекті, за який йому дали Нобелівську премію, і про спеціальної теорії відносності. Але мало хто знає, що Ейнштейн розробив формулу для броунівського руху.
На підставі молекулярно-кінетичної теорії вчений вивів коефіцієнт дифузії зважених частинок в рідині. І сталося це в 1905 році. Формула виглядає так: D = (R * T) /(6 * N A * a * ? * ?), де D – шуканий коефіцієнт, R – це універсальна газова постійна, T — абсолютна температура (виражається в Кельвінах), N A — постійна Авогадро (відповідає одному молю речовини, або приблизно 10 23 молекул), a — приблизний середній радіус частинок, ? — динамічна в'язкість рідини або розчину. А вже в 1908 році французький фізик Жан Перрен зі своїми студентами експериментально довели вірність обчислень Ейнштейна.

Одна частинка в полі воїн

Вище ми описували колективне вплив середовища на багато частинок. Але і один чужорідний елемент в рідині може дати деякі закономірності і залежності. Наприклад, якщо спостерігати за броунівської частки довгий час, то можна зафіксувати всі її переміщення. І з цього хаосу виникне струнка система. Середня просування броунівської частинки вздовж якогось одного напрямку пропорційно часу. При експериментах над часткою в рідині були уточнені наступні величини:

постійна Больцмана;

число Авогадро.

Крім лінійного руху броунівської частинки також притаманно хаотичне обертання. І середнє кутове зміщення також пропорційно часу спостереження.

Розміри і форми

Після таких міркувань може виникнути закономірне питання: чому цей ефект не спостерігається для великих тіл? Тому що коли протяжність зануреного в рідину об'єкта більше певної величини, то всі ці випадкові колективні «поштовхи» молекул перетворюються в постійний тиск, так як усереднюються. І на тіло вже діє загальна виштовхувальна сила Архімеда. Таким чином, великий шматок заліза тоне, а металева пил плаває у воді. Розмір частинок, на прикладі яких виявляється флуктуація молекул рідини, не повинен перевищувати 5 мікрометрів. Що стосується об'єктів з великими розмірами, то тут цей ефект помітний не буде.