Броуновское движение

Изучая молекулярную физику, мы познакомились с таким явлением, как беспорядочное движение частиц, которое называется броуновским движением. Оно названо в честь Роберта Броуна, который и открыл данное явление. Роберт Броун исследовал пыльцу растения в воде. Для осуществления своих наблюдений он размешал пыльцу в воде, а потом каплю воды рассмотрел под микроскопом.

По его заключению, перемещения мельчайших крупинок внутри жидкости, которую он рассматривал под микроскопом, были совершенно хаотичными, то есть не подчинялись никаким закономерностям. Впоследствии правота Роберта Броуна была неоднократно подтверждена. На сегодняшний день броуновское движение считается главным доказательством основных положений молекулярно-кинетической теории. Хотя есть и другое, весомое доказательство — это диффузия. Как вы уже знаете, диффузия — это явление проникновения молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого, то есть перемешивание вещества. Тот факт, что вещества перемешиваются, уже свидетельствует о том, что они состоят из частиц.

Проведем простой опыт: возьмем некое вещество и добавим в него краситель. Через какое-то время это вещество поменяет цвет.

Как вы знаете из курса физики девятого класса, цвет тела обусловлен тем, какую часть спектра световых лучей тело поглощает, а какую — отражает. Значит, молекулы красителя перемешиваются с молекулами исходного вещества. Это и означает то, что тела состоят из частиц, и что эти частицы находятся в движении.

Если мы попытаемся проследить за движением одной из частиц, то убедимся, что её траектория совершенно непредсказуема, то есть частица двигается хаотично, беспорядочно.

Давайте попытаемся разобраться, что может служить причиной подобного движения. Вся траектория представляет собой совокупность случайных перемещений. Начнем с того, что если частица меняет скорость, то на неё действуют некие внешние силы, равнодействующая сила которых не равна нулю. Причем, направление равнодействующей силы изменяется практически мгновенно. Вспомним теперь, что равнодействующую силу можно определить, как мгновенное изменение импульса:

Такие изменения могут быть обусловлены тем, что огромное количество малых частиц соударяется с более крупной частицей. Суммарный импульс этих соударений не равен нулю, поэтому частица начинает двигаться в определенном направлении. Но в следующее мгновение, суммарный импульс будет направлен в каком-то другом направлении, поэтому, частица изменит направление движения. Так будет происходить снова и снова, в результате чего, будет наблюдаться хаотичное движение частиц.

Необходимо отметить, что движение частиц становится интенсивнее с повышением температуры. Хотя правильнее будет сказать, что более интенсивное движение частиц — это и есть более высокая температура. Из курса физики восьмого класса вы знаете, что температура — это мера средней кинетической энергии молекул тела. Именно поэтому броуновское движение иногда называют тепловым.

Заметим, что броуновское движение подтверждает все основные положения молекулярно-кинетической теории. Напомним эти три положения:

1)  Все тела состоят из частиц — действительно, беспорядочное движение частиц внутри тела подтверждает то, что тело состоит из частиц.

2) Частицы находятся в беспорядочном движении — в этом мы уже убедились, поскольку это подтверждается наблюдениями.

3) Частицы взаимодействуют — мы объяснили, что беспорядочное движение может быть вызвано множеством соударений частиц. А соударение — это один из видов взаимодействия.

Таким образом, броуновское движение является доказательством основных положений молекулярно-кинетической теории. Ещё одно подтверждение справедливости молекулярно-кинетической теории было получено после опытов Перрена.

Ж. Б. Перрен

Перрен основывал свои опыты на том факте, что концентрация молекул газа в атмосфере уменьшается с высотой. Дело в том, что молекулы находятся в тепловом движении, но, вместе с тем, на каждую молекулу действует сила притяжения со стороны Земли. Это приводит к тому, что все молекулы газа не могут упасть на Землю, но и при этом газ не может неограниченно расширяться. В результате этого происходит распределение молекул по высоте, которое подчиняется определенному закону. Этот закон был известен уже на то время. Перрен же провел свои опыты на жидкости, рассматривая очень тонкие слои в микроскоп.

Он предположил, что распределение молекул жидкости должно подчиняться тому же закону, что и распределение молекул газа. Проводя свои опыты, Перрен подсчитывал концентрацию молекул каждого слоя жидкости. Его гипотеза оказалась верна, только концентрация молекул жидкости убывала с высотой значительно быстрее, чем концентрация молекул газа. Это обусловлено значительно большей массой броуновских частиц жидкости.

Напомним, что концентрация — это количество частиц в единице объёма. Поскольку Перрен рассматривал очень тонкие слои жидкости, имеющие одинаковую толщину, справедливо было предположить, что эти слои имели одинаковый объём, содержащий одинаковое количество вещества. Таким образом, Перрен смог измерить число Авогадро абсолютно другим способом. Результаты измерений совпали с уже известным числом Авогадро. Таким образом, опыты Перрена полностью развеяли сомнения о справедливости теории броуновского движения.