Что такое броуновское движение примеры
Броуновское движение
7 класс, без форм заявки
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Молекулярно-кинетическая теория
Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из… Ладно, пока достаточно атомов. И молекулы, и атомы подчиняются законам, которые описаны в молекулярно-кинетической теории.
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:
Броуновское движение
Во второй половине ХIХ века в научных кругах разгорелась нешуточная дискуссия о природе атомов. На одной стороне дискуссии утверждали, что атомы — просто математические функции, удачно описывающие физические явления и не имеющие под собой реальной физической основы.С другой стороны настаивали, что атомы — это реально существующие физические объекты.
Самое смешное в этих спорах то, что за десять лет до их начала ботаник Роберт Броун уже провел эксперимент, который доказал физическое существование атомов. Вот, как это было:
Как Броун проводил эксперимент
Броун изучал поведение цветочной пыльцы под микроскопом и обнаружил, что отдельные споры совершают абсолютно хаотичные движения.
Представьте себе, что мы издалека наблюдаем, как плотная толпа людей толкает над собой большой мяч. Причём каждый толкает мяч, куда хочет. Мы не видим отдельных игроков, потому что поле далеко от нас, но мяч мы видим — и замечаем, что перемещается он очень беспорядочно.
Мяч постоянно меняет направление своего движения, и пойти в какую-нибудь определенную сторону не желает. Предсказать его местоположение через заданное время — нельзя.
Вот что-то похожее на это Броун увидел при изучении пыльцы.
В первую очередь он начал грешить на движение потоков воды или ее испарение, но проверив эту гипотезу, отмел ее. Проведя множество экспериментов, Броун установил, что такое хаотичное движение свойственно любым микроскопическим частицам — будь то пыльца растений, взвеси минералов или вообще любая измельченная субстанция. Но причины этого явления он выяснить не смог (не в обиду ботаникам, но все же, это не его специализация).
А теперь угадайте, кто смог применить этот эксперимент в доказательстве атомной теории строения вещества. Альберт Эйнштейн, кто же еще. 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 частица, в силу чисто случайных отклонений сначала она получает импульс со стороны молекулы, ударившей ее с одной стороны, а затем — со стороны молекулы, ударившей ее с другой. И так далее.
Чуть позже, через 3 года после открытия Эйнштейна, в 1908 году французский физик Жан Батист Перрен провел серию опытов, которые подтвердили правильность эйнштейновского объяснения броуновского движения. Стало окончательно ясно, что наблюдаемое «хаотичное» движение броуновских частиц происходит вследствие межмолекулярных соударений. Поскольку вывод о том, что несуществующие в природе математические функции не могут привести к физическому взаимодействию, напрашивается сам собой, стало окончательно ясно, что спор о реальности атомов окончен: они существуют в природе.
Также, если еще раз посмотреть на второе положение молекулярно-кинетической теории, можно заметить, что броуновское движение очень хорошо его доказывает: Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.
Диффузия
Явление, которое доказывает первое и второе положения молекулярно-кинетической теории называется диффузия.
Диффузия в газах
Если в комнате открыть флакон с духами или зажечь ароматизированную свечу, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов проникают между молекулами воздуха. На самом деле, в этом процессе очень большую роль играет такой вид теплопередачи, как конвекция, но и без диффузии не обошлось.
На самом деле, молекулы вокруг нас движутся очень быстро — со скоростью в сотни метров в секунду — это напрямую зависит от температуры.
Давайте проверим это сами несложным экспериментом:
Замерьте температуру воздуха в помещении. Распылите освежитель воздуха в одном углу, встаньте в другой и включите секундомер. А лучше проведите эксперимент вдвоем, чтобы один человек распылял, а другой включал секундомер — так не будет погрешности, но будет веселье 😉
Как только почувствуете аромат освежителя в противоположном от места распыления, выключите секундомер. Запишите результат измерения. А потом проветрите помещение и проделайте все то же самое. Время, через которое до вас дойдет запах, будет другим. Во втором случае аромат будет распространяться медленнее.
То есть, чем выше температура, тем больше скорость диффузии.
Диффузия в жидкостях
Если диффузия в газах происходит быстро — чаще всего за считанные секунды — то диффузия в жидкостях занимает минуты или в некоторых случаях часы. Зачастую это зависит от температуры (как и в эксперименте выше) и плотности вещества.
С диффузией в жидкостях вы встречаетесь, когда, например, размешиваете краску. Или когда смешиваете любые две жидкости, например, газировку с сиропом. Также из-за диффузии происходит загрязнение рек (да и в целом окружающей среды).
Ну или вот пример диффузии в жидкостях, с которым вы точно не встречались — акулы ищут свою жертву по запаху крови, который распространяется в океане за счет диффузии.
Диффузия в твёрдых телах
Диффузия в твёрдых телах происходит очень медленно. Например, при комнатной температуре (около 20 °С) за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм.
Кстати, если вы проведете такой эксперимент, то увидите, что в свинец проникло малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более одного миллиметра. Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.
Этот процесс можно ускорить за счет нагревания, как в жидкостях и газах. Если на тонкий свинцовый цилиндр нанести очень тонкий слой золота, и поместить эту конструкцию в печь на неделю при температуре воздуха в печи 200 градусов Цельсия, то после разрезания цилиндра на тонкие диски, очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.
Броуновская частица: понятие, размер, движение
Если размешать в воде тушь или краску, а потом посмотреть на эту воду под микроскопом, то можно увидеть быстрое перемещение мельчайших частичек сажи или краски в различных направлениях. Что провоцирует такие перемещения?
Кто и когда обнаружил
В 1827 году английский биолог Роберт Броун наблюдал в микроскоп за каплей воды, в которую случайно попало небольшое количество цветочной пыльцы. Он увидел, что мельчайшие частицы пыльцы приплясывают, двигаясь хаотично в жидкости. Так было открыто названное именем этого ученого броуновское движение – движение мельчайших частиц, растворенных в жидкости или газе. После наблюдения за различными видами пыльцы, имевшимися в его коллекции, биолог растворял в воде перетертые в порошок минералы.
Вам будет интересно: Булгарский язык: история, особенности изучения
В итоге Броун был убежден, что такое беспорядочное движение вызвано никак не самой жидкостью и не воздействием на жидкость извне, а непосредственно внутренним движением самой мелкой частицы. Эта частичка по аналогии с наблюдаемым движением получила название «броуновская частица».
Развитие теории, ее последователи
В дальнейшем открытие Броуна подтвердили, расширили и конкретизировали, основываясь на молекулярно-кинетической теории, А. Эйнштейн и М. Смолуховский. А французский физик Перрен спустя двадцать лет благодаря усовершенствованию микроскопов в процессе изучения беспорядочного движения броуновской частицы подтвердил существование собственно молекул. Наблюдение за броуновским движением позволило Перрену просчитать количество молекул в 1 моль любого газа и вывести барометрическую формулу.
Открытие движения броуновской частицы послужило доказательством существования гораздо более мелких, не видимых даже в микроскоп частичек – молекул жидкости и любого другого вещества. Именно молекулы своим постоянным движением заставляют перемещаться частички пыльцы, сажи или краски.
Определение и размер
Если смотреть в микроскоп на взвешенные в воде частицы туши, то можно заметить, что крупинки различного размера ведут себя по-разному. Относительно объемные частицы, испытывая за определенный отрезок времени одинаковое количество толчков со всех сторон, не начинают двигаться. А малые частицы за такой же временной интервал получают односторонние нескомпенсированные удары, толкающие их в сторону, и перемещаются.
Каков же размер броуновской частицы, подвергающейся воздействию молекул? Опытным путем доказано, что в движение приходят цитоплазматические зерна пыльцы размером не более 3 микрометров (мкм), или 10-6 метра, или 10-3 миллиметра. Частицы большего размера не становятся участниками обнаруженного Броуном постоянного движения.
Итак, ответим на вопрос «что такое броуновская частица». Это мельчайшие зерна вещества размером не более 3 мкм, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкости или газе, совершающие постоянное хаотичное движение под воздействием молекул той среды, в которой они находятся.
Молекулярно-кинетическая теория
Броуновское движение не прекращается, не замедляется во времени. Это объясняет концепция молекулярно-кинетической теории, говорящей о том, что молекулы любого вещества находятся в постоянном тепловом движении. С повышением температуры среды скорость движения молекул увеличивается, соответственно ускоряется и броуновская частица, подвергающаяся ударам молекул.
Помимо температуры вещества, скорость броуновского движения зависит также от вязкости среды и размера взвешенной частицы. Максимальной скорости движение достигнет в том случае, когда будет высокая температура окружающего частицы вещества, само вещество не будет вязким, а пылинки будут наименьшего размера.
Молекулы вещества, в котором находятся мельчайшие частички, случайным образом сталкиваясь, прикладывают равнодействующую силу (производят толчок), вызывающую смену направления движения пыльцы. Но такие флуктуации очень непродолжительны во времени, и практически сразу направление прикладываемой силы меняется, что приводит к смене направления движения.
Самым простым и наглядным примером, позволяющим понять, что такое броуновская частица, является движение пылинок, видимое в косом солнечном луче. В 99-55 гг. до н. э. древнеримский поэт Лукреций совершенно точно объяснил причину беспорядочного движения в философской поэме «О природе вещей».
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света.
Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно
Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся.
Так о великих вещах помогают составить понятье
Малые вещи, пути намечая для их постиженья.
Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движения,
Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора.
Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют
Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно,
Вечно туда и сюда разбегаясь во всех направленьях.
Задолго до появления современной увеличительной техники Лукреций, наблюдая аналог увиденного Броуном движения, пришел к выводу о существовании мельчайших частиц вещества. Броун подтвердил это, совершив одно из важнейших научных открытий.
Броуновское движение
Содержание
Возьмём краску, разотрём её до мельчайших крупинок и добавим в воду. Рассматривая полученную смесь в микроскоп, можно увидеть, что крупинки краски непрерывно движутся.
Самые мелкие частички беспорядочно перемещаются с одного места на другое, а более крупные только беспорядочно колеблются.
Подобный опыт первым наблюдал в 1827 году английский ботаник Роберт Броун.
Он поместил частички цветочной пыльцы в воду и наблюдал в микроскоп. При наблюдении обнаружил, что частицы пыльцы оживленно и беспорядочно двигались с места на место.
Движение очень мелких частиц, находящихся в жидкости, и называют броуновским движением, а сами частицы называют броуновскими.
Наблюдения показывают, что броуновское движение никогда не прекращается. Движение не прекращается ни зависимо от времени суток, ни от времени года.
Причина Броуновского движения
Причина броуновского движения заключается в непрерывном движении молекул жидкости, в которой находятся крупинки твердого тела.
Разумеется, эти крупинки во много раз крупнее самих молекул, и когда мы видим под микроскопом движение крупинок, то не следует думать, что мы видим движение молекул. Ведь все мы знаем, что молекулы нельзя увидеть в обычный микроскоп, но от их толчков непрерывно и беспорядочно двигаются крупинки.
Так как молекулы движутся хаотично, то броуновские частицы получают толчки с разных сторон, и совершают движение столь причудливой формы.
В 1905 году Альберт Эйнштейн осознал, что броуновское движение служит экспериментальным подтверждением атомной теории строения вещества.
Объясняя его так: взвешенная в воде частичка подвергается постоянному столкновению со стороны хаотично движущихся молекул воды. Молекулы воздействуют на нее со всех сторон с равной интенсивностью и равные промежутки времени. Частичка пыльцы (или другого мельчайшего вещества) получает импульс со стороны молекулы, ударившей ее с одной стороны, потом с другой стороны и т.д. что и приводит к хаотичному движению частиц в жидкости.
В 1908 году французский физик Жан Батист Перрен провел серию опытов, подтвердивших правильность эйнштейновского объяснения броуновского движения. Окончательно стало ясно, что наблюдаемое хаотичное движение броуновских частиц – не что иное, как следствие межмолекулярных соударений.
Броуновское движение – это движение взвешенных в жидкости или газе частиц.
Благодаря открытию броуновского движения стало более ясно строение вещества. Оно показало, что тела состоят из отдельных частиц – молекул и что эти молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении.
Отличие броуновского движение от теплового
Тепловое движение – движение частиц, образующих вещество. Например, хаотичное движение молекул – пример теплового движения.
Броуновские частицы, например крупинки твёрдого тела, не являются частицами вещества, они плавают в жидкости и движутся из-за ударов молекул с разных сторон.
Таким образом, тепловое движения является причиной броуновского движения.
Броуновское движение в физике
Содержание:
Определение
Броуновским движением называется хаотическое и беспорядочное движение маленьких частиц, как правило, молекул в разных жидкостях или газах. Причиной возникновения броуновского движения является столкновение одних (более мелких частиц) с другими частицами (уже более крупными). Какая история открытия броуновского движения, его значение в физике, и в частности в атомно-молекулярной теории? Какие примеры броуновского движения есть в реальной жизни? Обо всем этом читайте далее в нашей статье.
Открытие
Первооткрывателем броуновского движения был английский ботаник Роберт Броун (1773-1858), собственно именно в его честь оно и названо «броуновским». В 1827 году Роберт Броун занимался активными исследованиями пыльцы разных растений. Особенно сильно его интересовало, то, какое участие пыльца принимает в размножении растений. И вот как то, наблюдая в микроскоп движение пыльцы в овощном соке, ученый заметил, что мелкие частицы то и дело совершают случайные извилистые движения.
Наблюдение Броуна подтвердили и другие ученые. В частности было подмечено, что частицы имеют свойство ускоряться с увеличением температуры, а также с уменьшением размера самих частиц. А при увеличении вязкости среды, в которой они находились, их движение наоборот, замедлялось.
Роберт Броун, открыватель броуновского движения.
Сначала Роберт Броун подумал, что он наблюдает движение, даже «танец» каких-то живых микроорганизмов, ведь и сама пыльца – это, по сути, мужские половые клетки растений. Но похожее движение имели и частицы мертвых растений, и даже растений засушенных сто лет назад в гербариях. Еще больше удивился ученый, когда стал исследовать неживую материю: мелкие частицы угля, сажи, и даже частички пыли лондонского воздуха. Затем под микроскоп исследователя попало стекло, различные и разнообразные минералы. И везде были замечены эти «активные молекулы», пребывающие в постоянном и хаотичном движении.
Это интересно: вы и сами можете наблюдать броуновское движение своими глазами, для этого вам понадобится не сильный микроскоп (ведь во время жизни Роберта Броуна еще не было мощных современных микроскопов). Если рассматривать через этот микроскоп, например, дым в зачерненной коробке и освещенный боковым лучом света, то можно будет увидеть маленькие кусочки сажи и пепла, которые будут непрерывно скакать туда-сюда. Это и есть броуновское движение.
Атомно-молекулярная теория
Открытое Броуном движение вскоре стало очень известным в научных кругах. Сам первооткрыватель с удовольствием показывал его многим своим коллегам. Однако долгие годы и сам Роберт Броун, ни его коллеги не могли объяснить причины возникновения броуновского движения, то почему оно вообще происходит. Тем более что броуновское движение было совершенно беспорядочным и не поддавалось никакой логике.
Его пояснение было дано лишь в конце ХIX века и оно не сразу было принято научным сообществом. В 1863 году немецкий математик Людвиг Кристиан Винер предположил, что броуновское движение обусловлено колебательными движениями неких невидимых атомов. По сути это было первое объяснение этого странного явления, связанное со свойствами атомов и молекул, первая попытка при помощи броуновского движения проникнуть в тайну строения материи. В частности Винер попытался измерить зависимость скорости движения частиц от их размера.
Впоследствии идеи Винера были развиты другими учеными, среди них был известный шотландский физик и химик Уильям Рамзай. Именно ему удалось доказать, что причиной броуновского движения мелких частиц являются удары на них еще более мелких частиц, которые в обычный микроскоп уже не видны, подобно тому, как не видны с берега волны качающие далекую лодку, хотя движение самой лодки видно вполне ясно.
Уильям Рамзай в своей лаборатории.
Теория броуновского движения
Несмотря на внешний беспорядок хаотического движения частиц, их случайные перемещения все-таки попытались описать математическими формулами. Так родилась теория броуновского движения.
К слову, одним из тех, кто разрабатывал эту теорию, был польский физик и математик Мариан Смолуховский, который как раз в то время работал во Львовском университете и жил в родном городе автора этой статьи, в прекрасном украинском городе Львове.
Львовский университет, ныне университет им. И. Франка.
Параллельно с Смолуховским теорией броуновского движения занимался один из светочей мировой науки – знаменитый Альберт Эйнштейн, который в то время еще был молодым и никому известным работником в Патентном бюро швейцарского города Берна.
Оба ученых в результате создали свою теорию, которую можно также называть теорией Смолуховского-Эйнштейна. В частности была сформирована математическая формула, согласно нее среднее значение квадрата смещения броуновской частицы (s 2 ) за время t прямо пропорционально температуре Т и обратно пропорционально вязкости жидкости n, размеру частицы r и постоянной Авогадро.
R в формуле – газовая постоянная. Так, если за 1 мин частица диаметром 1 мкм сместится на 10 мкм, то за 9 мин – на 10 = 30 мкм, за 25 мин – на 10= 50 мкм и т.д. В аналогичных условиях частица диаметром 0,25 мкм за те же отрезки времени (1, 9 и 25 мин) сместится соответственно на 20, 60 и 100 мкм, так как = 2. Важно, что в приведенную формулу входит постоянная Авогадро, которую таким образом, можно определить путем количественных измерений перемещения броуновской частицы, что и сделал французский физик Жан Батист Перрен.
Для наблюдений за броуновскими частицами Перрен использовал новейший на то время ультрамикроскоп, через который уже были видны мельчайшие частицы вещества. В своих опытах ученый, вооружившись секундомером, отмечал положения тех или иных броуновских частиц через равные интервалы времени (например, через 30 секунд). Затем соединяя положения частиц прямыми линями, получались разнообразные замысловатые траектории их движения. Все это зарисовывались на специальном разграфленном листе.
Так выглядели эти рисунки.
Составляя теоретическую формулу Эйнштейна со своими наблюдениями Перрен смог получить максимально точное для того времени значение числа Авогадро: 6,8 . 10 23
Своими опытами он подтвердил теоретические выводы Эйнштейна и Смолуховского.
Диффузия
Перемещения частиц при броуновском движении, внешне очень похоже с движением частиц при диффузии – взаимному проникновению молекул разных веществ под действием температуры. Тогда в чем же различие между броуновским движением и диффузией? В действительности, и диффузия и броуновское движение происходят по причине хаотического теплового движения молекул, и как результат описываются похожими математическими правилами.
Разница между ними в том, что при диффузии молекула всегда движется по прямой линии, пока не столкнется с другой молекулой, после чего она изменит траекторию своего движения. Броуновская частица «свободного полета» не совершает, а испытывает очень мелкие и частые как бы «дрожания», вследствие которых она хаотически перемещается то туда, то сюда. Говоря образным языком, броуновская частица подобна пустой банки пива, валяющейся на площади, где собралась большая толпа народу. Люди снуют туда-сюда, задевают банку своими ногами и она летает хаотически в разные стороны подобно броуновской частице. А движение самих людей в толпе уже более характерно для движения частиц при диффузии.
Если же смотреть на микро уровне, то причиной движения броуновской частицы является ее столкновение с более мелкими частицами, в то время как при диффузии частицы сталкиваются с себе подобными другими частицами.
И диффузия и броуновское движение происходит под действием температуры. С уменьшением температуры, как скорость частиц при броуновском движении, так и скорость движения частиц при диффузии замедляются.
Примеры в реальной жизни
Теория броуновского движения, этих случайных блужданий имеет и практическое воплощение в нашей реальной жизни. Например, почему, человек, который заблудился в лесу, периодически возвращается на одно и то же место? Потому, что он ходит не кругами, а примерно так, как движется обычно броуновская частица. Поэтому свой собственный путь он пересекает сам много раз.
Поэтому, не имея четких ориентиров и направлений движения, заблудившийся человек уподобляется броуновской частице, совершающей хаотические движения. Но чтобы выйти из леса нужно иметь четкие ориентиры, разработать систему, вместо того, чтобы совершать разные бессмысленные действия. Одним словом, не стоит вести себя в жизни подобно броуновской частице, бросаясь из стороны в сторону, а знать свое направление, цель и призвание, иметь мечты, смелость и упорство их достигать. Вот так из физики мы плавно перешли к философии. На этом заканчиваем эту статью.
Видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Brownian Motion.