Brownian pohyb: definice. Brownian hnutí - co to je?

Dnes budeme podrobně zvážit důležité téma - pojďme definovat Brownian pohyb malých kusů hmoty v kapalině nebo plynu.

Mapa a souřadnice

Někteří studenti, kteří jsou mučeni nudnými lekcemi, nechápou, proč studovat fyziku. A přesto byla tato věda jednou umožněna objevovat Ameriku!

Začněme z dálky. Starověké civilizace Středozemního moře byly určitým způsobem štěstí: vyvíjely se na břehu uzavřené vnitrozemské vodní nádrže. Středozemní moře je tak nazvané, že je obklopeno všemi stranami po zemi. A starobylí cestující mohli doprovázet svou expedici poměrně daleko, aniž by ztratili zrak na břehy. Obrysy země pomohly k navigaci. A první mapy byly vytvořeny popisnější než geograficky. Díky těmto relativně nepřístupným cestám se Řekové, Féničané a Egypťané naučili dobře stavět lodě. A kde je nejlepší vybavení, je touha posunout hranice vašeho světa.

Jednoho dne se evropské mocnosti rozhodly jít ven do oceánu. Během plavby po rozsáhlých oblastech mezi kontinenty námořníci po mnoho měsíců viděli pouze vodu a museli nějak navigovat. Určení jejich souřadnic pomohlo vynalezu přesných hodinek a kvalitního kompasu.

Sledujte a kompas

Vynález malých ručních chronometrů značně pomohl námořníkům. Aby zjistili, kde se nacházejí, potřebují mít jednoduchý nástroj, který měří výšku slunce nad obzorem a vědět, kdy přesně uplynulo. A díky kompasu kapitáni lodí věděli, kam jdou. Hodiny i vlastnosti magnetické jehly byly studovány a vytvořeny fyziky. Díky této Evropě byl otevřen celý svět.

Nové kontinenty byly terra incognita, neprozkoumaná země. Na nich rostly podivné rostliny a neznámé zvířata.

Rostliny a fyzika

Všichni přírodovědci civilizovaného světa se vrhli ke studiu těchto nových podivných ekologických systémů. A samozřejmě, chtěli je využít.

Robert Browne byl anglický botanik. Cestoval do Austrálie a Tasmánie, tam sbíral rostlinné sbírky. Již doma, v Anglii, tvrdě pracoval na popisu a klasifikaci importovaného materiálu. A ten vědec byl velmi pečlivý. Jednoho dne sledoval pohyb pylů v šťávě z rostlin a všiml si, že malé částice neustále vytvářejí chaotické cikcaky. Toto je definice Brownova pohybu malých prvků v plynech a kapalinách. Díky objevu napsal ohromující botanik své jméno v historii fyziky!

Brown a Gui

V evropské vědě je obvyklé: nazvat účinek nebo jev jménem osoby, která ho objevila. Ale často se to stane náhodou. Ale osoba, která popisuje, odhaluje význam nebo důkladněji zkoumá fyzický zákon, je ve stínu. Tak se to stalo s Francouzem Louisem Georgesem Guyem. Byl to ten, kdo definoval Brownianské hnutí (sedmá třída o tom neslyší, když studuje toto téma ve fyzice).

Guyovy vyšetřování a vlastnosti Brownova pohybu

Francouzský experimentátor Louis Georges Gui pozoroval pohyb různých typů částic v několika kapalinách, včetně roztoků. Věda té doby už věděla, jak přesně určit velikost kusů hmoty na desetinu mikrometru. Vyšetřování toho, co Brownian pohyb je (definice ve fyzice k tomuto jevu byla dána přesně Gui), vědec uvědomil: intenzita pohybujících se částic se zvyšuje, pokud jsou umístěny v méně viskózním médiu. Být experimentem širokého spektra, podrobil pozastavení působení světla a elektromagnetických polí různého výkonu. Vědec zjistil, že tyto faktory žádným způsobem neovlivňují chaotické cikcaktické skoky částic. Gui jednoznačně ukázal, že Brownianův pohyb dokazuje: tepelné přemístění molekul kapaliny nebo plynu.

Tým a hromada

A teď podrobněji popíšeme mechanismus cikcakových skoků malých kusů hmoty v kapalině.

Každá látka se skládá z atomů nebo molekul. Tyto prvky světa jsou velmi malé a žádný optický mikroskop je nemůže vidět. V tekutině se stále mění a pohybují. Když do roztoku vstoupí nějaká viditelná částice, její hmotnost je tisíckrát větší než jeden atom. Brownian pohyb kapalných molekul je chaotický. Ale přesto jsou všechny atomy nebo molekuly kolektivní, jsou navzájem propojeny, jako lidé, kteří se připojili k ruce. Proto se někdy stává, že kapalné atomy na jedné straně částice se pohybují tak, že na ni "tlačí", zatímco na druhé straně částice se vytvoří méně husté médium. Mety se proto pohybují v prostoru řešení. Na jiném místě kolektivní pohyb kapalných molekul náhodně působí na druhé straně masivnější složky. To je právě způsob, jakým Brownean pohyb částic nastane.

Čas a Einstein

Pokud má látka nenulovou teplotu, její atomy způsobují tepelné oscilace. Proto i ve velmi chladné nebo podchlazené kapalině existuje Brownianův pohyb. Tyto chaotické skoky malých suspendovaných částic se nikdy nezastaví.

Albert Einstein je možná nejslavnějším vědcem 20. století. Každý, kdo má zájem o fyziku alespoň nějakým způsobem zná vzor E = mc². Také mnozí si mohou vzpomenout na fotoelektrický efekt, za nějž získal Nobelovu cenu a zvláštní teorii relativity. Jen velmi málo lidí ví, že Einstein vyvinul vzorec pro Brownian pohyb.

Na základě molekulárně-kinetické teorie vědec odvodil difúzní koeficient suspendovaných částic v kapalině. A stalo se to v roce 1905. Vzorec vypadá takto:

D = (R * T) / (6 x N_A * a * pi- * xi),

kde D je požadovaný koeficient, R je univerzální plynová konstanta, T je absolutní teplota (vyjádřená v kelvinách), N_A - konstantní Avogadro (odpovídá jednomu mólu látky nebo přibližně 10²³ molekuly), a je přibližný střední poloměr částic, xi je dynamická viskozita kapaliny nebo roztoku.

A již v roce 1908 francouzský fyzik Jean Perrin a jeho studenti experimentálně prokázali správnost Einsteinových výpočtů.

Jedna částice v poli bojovníka

Dále jsme popsali kolektivní působení média na mnoho částic. Ale i jeden cizí prvek v kapalině může poskytnout nějaké pravidelnosti a závislosti. Například pokud pozorujete Brownianskou částici po dlouhou dobu, můžete opravit všechny její pohyby. A z tohoto chaosu bude harmonický systém. Průměrný pokrok Brownian částice v jednom směru je úměrný času.

V experimentech na částice v kapalině byly rafinovány následující množství:

• konstanta Boltzmanna;
• číslo Avogadro.

Vedle lineárního pohybu je Brownian částic také charakterizována chaotickou rotací. Průměrný úhlový posun je také úměrný době pozorování.

Rozměry a tvary

Po takovém uvažování může vzniknout přirozená otázka: proč tento účinek není pozorován u velkých těl? Protože když je délka objektu ponořeného do kapaliny větší než určitá hodnota, pak se všechny tyto náhodné kolektivní "třesy" molekul přeměňují na stálý tlak, protože jsou zprůměrovány. A obecná tlačná síla Archimedes již působí na těle. Tak se potopí velký kus železa a ve vodě se vznáší kovový prach.

Velikost částic, u kterých je zjištěna kolísání kapalinových molekul, by neměla přesáhnout 5 mikrometrů. Pokud jde o objekty s velkými rozměry, tento efekt zde nebude viditelný.