Броуновское движение

Малые частицы взвеси хаотично движутся под воздействием ударов молекул жидкости.

Во второй половине ХIХ века в научных кругах разгорелась нешуточная дискуссия о природе атомов. На одной стороне выступали неопровержимые авторитеты, такие как Эрнст Мах (см. Ударные волны), который утверждал, что атомы — суть просто математические функции, удачно описывающие наблюдаемые физические явления и не имеющие под собой реальной физической основы. С другой стороны, ученые новой волны — в частности, Людвиг Больцман (см. Постоянная Больцмана) — настаивали на том, что атомы представляют собой физические реалии. И ни одна из двух сторон не сознавала, что уже за десятки лет до начала их спора получены экспериментальные результаты, раз и навсегда решающие вопрос в пользу существования атомов как физической реальности, — правда, получены они в смежной с физикой дисциплине естествознания ботаником Робертом Броуном.

Еще летом 1827 года Броун, занимаясь изучением поведения цветочной пыльцы под микроскопом (он изучал водную взвесь пыльцы растения Clarkia pulchella), вдруг обнаружил, что отдельные споры совершают абсолютно хаотичные импульсные движения. Он доподлинно определил, что эти движения никак не связаны ни с завихрениями и токами воды, ни с ее испарением, после чего, описав характер движения частиц, честно расписался в собственном бессилии объяснить происхождение этого хаотичного движения. Однако, будучи дотошным экспериментатором, Броун установил, что подобное хаотичное движение свойственно любым микроскопическим частицам, — будь то пыльца растений, взвеси минералов или вообще любая измельченная субстанция.

Лишь в 1905 году не кто иной, как Альберт Эйнштейн, впервые осознал, что это таинственное, на первый взгляд, явление служит наилучшим экспериментальным подтверждением правоты атомной теории строения вещества. Он объяснил его примерно так: взвешенная в воде спора подвергается постоянной «бомбардировке» со стороны хаотично движущихся молекул воды. В среднем, молекулы воздействуют на нее со всех сторон с равной интенсивностью и через равные промежутки времени. Однако, как бы ни мала была спора, в силу чисто случайных отклонений сначала она получает импульс со стороны молекулы, ударившей ее с одной стороны, затем — со стороны молекулы, ударившей ее с другой и т. д. В результате усреднения таких соударений получается, что в какой-то момент частица «дергается» в одну сторону, затем, если с другой стороны ее «толкнуло» больше молекул — в другую и т. д. Использовав законы математической статистики и молекулярно-кинетической теории газов, Эйнштейн вывел уравнение, описывающее зависимость среднеквадратичного смещения броуновской частицы от макроскопических показателей. (Интересный факт: в одном из томов немецкого журнала «Анналы физики» (Annalen der Physik) за 1905 год были опубликованы три статьи Эйнштейна: статья с теоретическим разъяснением броуновского движения, статья об основах специальной теории относительности и, наконец, статья с описанием теории фотоэлектрического эффекта. Именно за последнюю Альберт Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году.)

В 1908 году французский физик Жан Батист Перрен (Jean-Baptiste Perrin, 1870–1942) провел блестящую серию опытов, подтвердивших правильность эйнштейновского объяснения феномена броуновского движения. Стало окончательно ясно, что наблюдаемое «хаотичное» движение броуновских частиц — следствие межмолекулярных соударений. Поскольку «полезные математические условности» (по Маху) не могут привести к наблюдаемым и совершенно реальным перемещениям физических частиц, стало окончательно ясно, что спор о реальности атомов окончен: они существуют в природе. В качестве «призовой игры» Перрену досталась выведенная Эйнштейном формула, которая позволила французу проанализировать и оценить среднее число атомов и/или молекул, соударяющихся с взвешенной в жидкости частицей за заданный промежуток времени и, через этот показатель, рассчитать молярные числа различных жидкостей. В основе этой идеи лежал тот факт, что в каждый данный момент времени ускорение взвешенной частицы зависит от числа соударений с молекулами среды (см. Законы механики Ньютона), а значит, и от числа молекул в единице объема жидкости. А это не что иное, как число Авогадро (см. Закон Авогадро) — одна из фундаментальных постоянных, определяющих строение нашего мира.

См. также:
Закон Авогадро
Роберт БРОУН
Роберт БРОУН
Robert Brown, 1773–1858

Шотландский ботаник. Родился в Монтроузе (Montrose) в семье священника. Получил медицинское образование в Эдинбургском университете, работал военно-полевым хирургом. В 1798 году, познакомившись с Джозефом Бэнксом (Joseph Banks, 1743–1820), выдающимся ботаником своего времени, настолько заинтересовался этой наукой, что решил в корне изменить свою карьеру и достиг в ботанике высот, которым его учитель позавидовал бы. В качестве натуралиста Броун плавал к берегам Австралии. Со временем занял пост главы ботанического отдела Британского музея. Открыл, идентифицировал, классифицировал и изучил морфологию множества растений. Однако прославился прежде всего благодаря открытию им броуновского движения.


12
Показать комментарии (12)
Свернуть комментарии (12)

  • kelgoma  | 28.11.2007 | 22:50 Ответить
    Большая просьба повнимательней с датами. В начале статьи написано: вторая половина 20 века. Иногда прошу учащихся подготовить сообщения на различные темы и сталкиваюсь с неразберихой в датах.
    Прочитал пока немного, понравилось. Спасибо.
    С уважением А.В.
    Ответить
  • Истинов  | 13.04.2008 | 12:05 Ответить
    Мне кажется броуновскому движению придаётся слишком большое значение в физике. Объясните господа учёные физики, что заставляет двигаться частицы? Какая такая невидимая и неосязаемая нематериальная сила двигает и переставляет атомы, материальные в этом мире?
    Ответить
    • dpi > Истинов | 28.04.2008 | 13:58 Ответить
      Объясните господа учёные физики, что заставляет двигаться частицы? - И Вам тоже это интересно? Боюсь, современная теоретическая физика залезла в такую глубокую ... яму, что ей лучше промолчать.
      Ответить
      • toaster > dpi | 15.04.2010 | 18:30 Ответить
        Ученых здесь нет, но боитесь за физику Вы зря.
        Ответить
    • sasakosh > Истинов | 22.11.2009 | 21:27 Ответить
      Вообще-то "сила" заставляет частицы не двигаться, а изменять свою скорость или направление. Т.е. если атомы изначально двигаются, то это вам надо придумать силу, чтобы их затормозить.
      Броуновскому движению придается такое большое значение, потому что оно позволяет увидеть результат микропроцессов на макроуровне.Любой школьник с микроскопом может это увидеть. А вот электронный микроскоп есть не у любого школьника.
      Ответить
    • toaster > Истинов | 15.04.2010 | 18:28 Ответить
      А какая сила заставляет вращаться планеты? И если представить себе ситуацию, что изначально все атомы двигались, а потом остановились, вот тогда бы возник закономерный вопрос: а куда, собственно, делась вся энергия движущихся частиц? Пока они движутся - вопросов возникать не должно. Согласно закону сохранения энергии атомы не могут остановиться, пока их энергию не забрали из вне.
      Ответить
  • Владислав Киселевич  | 21.05.2010 | 14:13 Ответить
    "...от числа молекул в единице объема жидкости. А это не что иное, как число Авогадро..."
    Автор статьи не осилил школьный курс химии за 8 класс. Печально.
    Ответить
    • daria_dsm > Владислав Киселевич | 26.07.2013 | 12:42 Ответить
      Правду говорите - равные объемы газа должны содержать равное количество атомов или молекул — это утверждение известно нам как закон Авогадро. (с) Применимо только к ГАЗАМ
      Ответить
  • Пивень  | 30.09.2012 | 07:13 Ответить
    Открытие источника движения атомов. Пивень Григорий.
    Часть прошлого ускорения атомов ушла внутрь и остаётся в их пространстве - теле в виде инерции - массы, а движения в данный момент поддерживаются постоянными магнитными токами - тяжестью Вселенной, которые сталкивают их с их линий равновесий, чем возбуждают их, делают нарушителями равновесия сил тяжести и антитяжести. Это научное открытие, как и свыше 1000 других, продолжаются блокироваться недальновидной политикой президента РАН Осиповым Ю.С., в чём ему ретиво помогает созданная им комиссия по борьбе с инакомыслием в науке, т.е. политическая цензура, а оплачивает этот тормоз науки Правительство РФ. Вот на какие цели тратятся народные деньги!
    Хутор Савоськин. 30.9.2012г. Пивень Григорий.
    Ответить
    • Конечно_он > Пивень | 28.11.2012 | 17:24 Ответить
      Уважаемый Пивень) !

      Не первый раз замечаю Вас .
      Скажите, Вы что так пытаетесь потролить(пошутить)?
      Или Вы реально верите в то что написали?

      Если да, то сомневаюсь что Вы вообще школьный курс физики осилили.
      Ответить
  • VIP  | 15.08.2013 | 18:07 Ответить
    Это же надо такое придумать: меняет скорость и направление (ускоряется) под воздействием ударов и при этом не деформируется.
    Ускорение без деформации бывает только под воздействием потенциального поля.
    Подробнее здесь: http://fizika97.narod.ru/news/besedy_o_sushhnosti_fiziki_polja_beseda_14/2013-07-01-15
    Ответить
  • Филатов  | 23.02.2014 | 11:43 Ответить
    Деревья то же качаются под действием ветра и можно подсчитать, по М К Т, какую энергию ветра при этом этим создают. Молекулы газа при одинаковых условиях имеют одинаковый объём, и по этому в одинаковых объёмах - одинаковое количество молекул, и движение молекул здесь не причём. Не понятно почему вталкивают такую глупость что колебание атомов в жидкости и движение молекул газа производит один и тот же эффект - одинаковую температуру. Энергия вещества в любом агрегатном состоянии равно энергии фотона умноженной на количество фотонов. Для газа энергия молекулы равна энергии фотона при данной температуре. Количество фотонов равно количеству молекул.
    Ответить
Написать комментарий

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»