Броуновское движение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Тепловое движение частиц вещества, таких как атомы и молекулы — причина броуновского движения
Silk-film.png Внешние видеофайлы
Silk-film.png Броуновское движение в воде

Бро́уновское движе́ние — беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных в жидкости или газе частиц твёрдого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Броуновское движение никогда не прекращается. Оно связано с тепловым движением, но не следует смешивать эти понятия. Броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения.

Броуновское движение является наглядным экспериментальным подтверждением хаотического теплового движения атомов и молекул, являющегося фундаментальным положением молекулярно-кинетической теории. Если промежуток наблюдения гораздо больше, чем характерное время изменения силы, действующей на частицу со стороны молекул среды, и прочие внешние силы отсутствуют, то средний квадрат проекции смещения частицы на какую-либо ось пропорционален времени. Это положение иногда называют законом Эйнштейна.

Кроме поступательного броуновского движения, существует также вращательное броуновское движение — беспорядочное вращение броуновской частицы под влиянием ударов молекул среды. Для вращательного броуновского движения среднее квадратичное угловое смещение частицы пропорционально времени наблюдения.

Сущность явления[править | править вики-текст]

Броуновское движение происходит из-за того, что все жидкости и газы состоят из атомов или молекул — мельчайших частиц, которые находятся в постоянном хаотическом тепловом движении, и потому непрерывно толкают броуновскую частицу с разных сторон. Было установлено, что крупные частицы с размерами более 5 мкм в броуновском движении практически не участвуют (они неподвижны или седиментируют), более мелкие частицы (менее 3 мкм) двигаются поступательно по весьма сложным траекториям или вращаются.

Когда в среду погружено крупное тело, то толчки, происходящие в огромном количестве, усредняются и формируют постоянное давление. Если крупное тело окружено средой со всех сторон, то давление практически уравновешивается, остаётся только подъёмная сила Архимеда — такое тело плавно всплывает или тонет.

Если же тело мелкое, как броуновская частица, то становятся заметны флуктуации давления, которые создают заметную случайно изменяющуюся силу, приводящую к колебаниям частицы. Броуновские частицы обычно не тонут и не всплывают, а находятся в среде во взвешенном состоянии.

Открытие[править | править вики-текст]

В 1827 году Роберт Броун открыл движение пыльцевых зёрен в жидкости (позднее названное его именем). Исследуя пыльцу под микроскопом, он установил, что в растительном соке плавающие пыльцевые зёрна двигаются совершенно хаотически зигзагообразно во все стороны.

Наиболее точные исследования броуновского движения в XIX веке провёл французский физик Луи Жорж Гуи. Он установил, что интенсивность броуновского движения возрастает с уменьшением внутреннего трения жидкости, никак не зависит от интенсивности освещения и внешнего электромагнитного поля. Он также пришёл к выводу, что броуновское движение вызвано влиянием теплового движения молекул. Л. Ж. Гуи оценил скорость броуновских частиц, она оказалась равной приблизительно одной стомиллионной молекулярной скорости[1].

Теория броуновского движения[править | править вики-текст]

Построение классической теории[править | править вики-текст]

В 1905 году Альбертом Эйнштейном была создана молекулярно-кинетическая теория для количественного описания броуновского движения[2]. В частности, он вывел формулу для коэффициента диффузии сферических броуновских частиц[3]:

где  — коэффициент диффузии,  — универсальная газовая постоянная,  — абсолютная температура,  — постоянная Авогадро,  — радиус частиц,  — динамическая вязкость.

При выводе закона Эйнштейна предполагается, что смещения частицы в любом направлении равновероятны и что можно пренебречь инерцией броуновской частицы по сравнению с влиянием сил трения (это допустимо для достаточно больших времён). Формула для коэффициента D основана на применении закона Стокса для гидродинамического сопротивления движению сферы радиусом a в вязкой жидкости.

Коэффициент диффузии броуновской частицы связывает средний квадрат её смещения x (в проекции на произвольную фиксированную ось) и время наблюдения τ:

Среднеквадратичный угол поворота броуновской частицы φ (относительно произвольной фиксированной оси) также пропорционален времени наблюдения:

Здесь Dr — вращательный коэффициент диффузии, который для сферической броуновской частицы равен

Экспериментальное подтверждение[править | править вики-текст]

Воспроизведение рисунка из книги Перрена Les Atomes, показывающего движение трёх коллоидальных частиц радиусом 0,53 мкм, наблюдавшееся под микроскопом. Последовательные положения частицы отмечены через каждые 30 секунд, шаг сетки 3,2 мкм[4]

Формула Эйнштейна была подтверждена опытами Жана Перрена[2] и его студентов в 1908—1909 гг., а также T. Сведберга[5]. В качестве броуновских частиц Перрен использовал зёрнышки смолы мастикового дерева и гуммигута — густого млечного сока деревьев рода гарциния[6]. Справедливость формулы была установлена для различных размеров частиц — от 0,212 мкм до 5,5 мкм, для различных растворов (раствор сахара, глицерин), в которых двигались частицы[7].

Из этих измерений экспериментально определены постоянная Больцмана k и постоянная Авогадро NА.

Соотношения для вращательного броуновского движения были также подтверждены опытами Перрена, хотя этот эффект гораздо труднее наблюдать, чем поступательное броуновское движение.

Броуновское движение как немарковский случайный процесс[править | править вики-текст]

Хорошо разработанная за последнее столетие теория броуновского движения является приближенной. Хотя в большинстве практически важных случаев существующая теория даёт удовлетворительные результаты, в некоторых случаях она может потребовать уточнения. Так, экспериментальные работы, проведённые в начале XXI века в Политехническом университете Лозанны, Университете Техаса и Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гейдельберге (под руководством С. Дженей) показали отличие поведения броуновской частицы от теоретически предсказываемого теорией Эйнштейна — Смолуховского, что было особенно заметным при увеличении размеров частиц. Исследования затрагивали также анализ движения окружающих частиц среды и показали существенное взаимное влияние движения броуновской частицы и вызываемое ею движение частиц среды друг на друга, то есть наличие «памяти» у броуновской частицы, или, другими словами, зависимость её статистических характеристик в будущем от всей предыстории её поведения в прошлом. Данный факт не учитывался в теории Эйнштейна — Смолуховского.

Процесс броуновского движения частицы в вязкой среде, вообще говоря, относится к классу немарковских процессов, и для более точного его описания необходимо использование интегральных стохастических уравнений.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Опыт Перрена: броуновское движение
  2. 1 2 Б. Б. Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г. Я. Мякишев. Физика. Учебник для 9 класса средней школы. — 3 изд., переработанное. — М.: Просвещение, 1986. — С. 13. — 3 210 000 экз.
  3. Einstein, Albert (May 1905). «Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen» (PDF). Annalen der Physik 322 (8): 549—560. DOI:10.1002/andp.19053220806. Проверено 2010-09-21.
    Перевод на русский: Эйнштейн, А. О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты.
  4. Perrin Jean. Atoms. — 1914. — P. 115.
  5. И Сведберг, и Перрен получили в 1926 году Нобелевские премии за исследования взвесей, но первый по химии, а второй — по физике.
  6. Гуммигут — статья из Большой советской энциклопедии
  7. Perrin, J. Atoms. — London: Constable & Company, 1916. — P. 109—133.
    Один из самых ранних переводов на русский: Перрен, Ж. Атомы. — М.: Госиздат, 1921. — 254 с. — (Современные проблемы естествознания).

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]