Brownian motion: definicija. Brownian pokret - što je to?

Danas ćemo detaljno razmotriti važnu temu - definiramo Brownovo gibanje malih komada materije u tekućini ili plinu.

Karta i koordinate

Neki učenici, mučeni s dosadnim poukom, ne razumiju zašto studirati fiziku. Pa ipak, ta je znanost nekoć dopustila da otkrijemo Ameriku!

Počnimo s daljine. Drevne civilizacije Mediterana bile su na neki način sretne: razvile su se na obali zatvorenog kopnenog rezervoara. Sredozemno more je tzv. Tako da je sa svih strana okruženo kopnom. I drevni putnici mogli su napredovati sasvim daleko sa svojom ekspedicijom, bez gubljenja pogleda na obale. Obrisi zemlje su pomogli navigaciju. A prve mape napravljene su više opisno nego geografski. Zahvaljujući tim relativno nedostupnim putovanjima, Grci, Feničani i Egipćani naučili su dobro izgraditi brodove. I gdje je najbolja oprema, postoji želja da gura granice vašeg svijeta.

Tako su jednog dana europske vlasti odlučile izaći u ocean. Tijekom putovanja na prostranim prostranstvima između kontinenata mornari su već mjesecima vidjeli samo vodu, i morali su nekako ploviti. Utvrđivanje njihovih koordinata pomoglo je pronalaženju točnih satova i kvalitetnog kompasa.

Gledajte i kompas

Izum malih ručnih kronometara uvelike je pomogao pomorcima. Da bi odredili gdje su, trebali su imati jednostavan alat koji je izmjerio visinu sunca iznad horizonta i znati kada točno podne. Zahvaljujući kompasu, kapetani brodova znali su kamo idu. I sat i svojstva magnetske igle proučili su i stvorili fizičari. Zahvaljujući ovoj Europi otvoren je cijeli svijet.

Novi kontinenti bili su terra incognita, neistražena zemlja. Na njima su rasle čudne biljke i nepoznate životinje.

Biljke i fizika

Svi prirodni znanstvenici civiliziranog svijeta požurili su proučavati ove nove neobične ekološke sustave. Naravno, htjeli su ih iskoristiti.

Robert Browne bio je engleski botaničar. Putovao je u Australiju i Tasmaniju, tamo prikupljao zbirke biljaka. Već kod kuće, u Engleskoj, naporno je radio na opisivanju i razvrstavanju uvezenog materijala. I ovaj je znanstvenik bio vrlo pedantan. Jednog dana, promatrajući kretanje peludi u soku biljaka, primijetio je: male čestice stalno stvaraju kaotične pokretove cik-cak. Ovo je definicija Brownovog gibanja malih elemenata u plinovima i tekućinama. Zahvaljujući otkriću, zapanjujući botaničar napisao je svoje ime u povijesti fizike!

Brown i Gui

U europskoj je znanosti uobičajeno: nazvati učinak ili fenomen po imenu osobe koja ju je otkrila. Ali često se događa slučajno. Ali osoba koja opisuje, otkriva važnost ili detaljnije istražuje fizički zakon, nalazi se u sjeni. Tako se to dogodilo s francuskim Louisom Georgesom Guyem. To je onaj koji je definirao Brownian pokret (7. razred to baš i ne čuje kad studira ovu temu u fizici).

Guyove istrage i svojstva Brownianskog pokreta

Francuski eksperimenter Louis Georges Gui promatrao je gibanje različitih vrsta čestica u nekoliko tekućina, uključujući rješenja. Znanost tog vremena već je znala točno odrediti veličinu komada materije na desetinu mikrometra. Istražujući što je Brownianov prijedlog (definicija u fizici ovom fenomenu daje upravo Gui), znanstvenik je shvatio: intenzitet pokretnih čestica povećava se ako se stave u manje viskozni medij. Biti experimentator širokog spektra, podvrgnuo je suspenziju djelovanju svjetlosti i elektromagnetskih polja različite snage. Znanstvenik je otkrio kako ti čimbenici nikako ne utječu na kaotične cik-cakove skokove čestica. Gui nedvosmisleno je pokazao da Brownian pokret dokazuje: toplinsko pomicanje molekula tekućine ili plina.

Tim i masa

I sada ćemo detaljnije opisati mehanizam cik-cak skokova sitnih komada materije u tekućini.

Svaka tvar se sastoji od atoma ili molekula. Ti elementi svijeta vrlo su mali, a optički mikroskop ih ne može vidjeti. U tekućini, oni se cijelo vrijeme mijenjaju i kreću. Kada bilo koja vidljiva čestica ulazi u otopinu, njegova masa je tisuće puta veća od jednog atoma. Brownijski gibanje tekućih molekula je kaotičan. Ipak, svi atomi ili molekule su kolektiv, povezani su jedni s drugima, poput ljudi koji su se pridružili. Stoga se ponekad događa da se tekući atomi na jednoj strani čestice pomiču na takav način da "pritisnu" na njega, a s druge strane čestice stvara se manje gusti medij. Stoga se motori kreću u prostoru rješenja. Na drugom mjestu, kolektivni gibanje tekućih molekula slučajno djeluje na drugu stranu masivnije komponente. Upravo je to način na koji se pojavljuje Brownian gibanje čestica.

Vrijeme i Einstein

Ako tvar ima temperaturu koja nije nula, njegovi atomi stvaraju toplinske oscilacije. Stoga, čak iu vrlo hladnoj ili super hlađenoj tekućini, postoji Brownian pokret. Te kaotične skokove male suspendirane čestice nikada ne prestaju.

Albert Einstein je možda najpoznatiji znanstvenik dvadesetog stoljeća. Svatko tko je zainteresiran za fiziku na neki način zna formulu E = mc². Također, mnogi se mogu sjetiti fotoelektričnog efekta, za koji je dobio Nobelovu nagradu i posebnu teoriju relativnosti. Ali vrlo malo ljudi zna da je Einstein razvio formulu za Brownian pokret.

Na temelju molekularno-kinetičke teorije, znanstvenik je zaključio difuzijski koeficijent suspendiranih čestica u tekućini. I dogodilo se 1905. godine. Formula izgleda ovako:

D = (R * T) / (6 x N * a * pi- * XI),

gdje je D potreban koeficijent, R je univerzalna konstanta plina, T je apsolutna temperatura (izražena u Kelvin), N - konstantna Avogadro (odgovara jednom molu tvari, ili otprilike 10²³ molekule), a je približan srednji polumjer čestica, xi- je dinamička viskoznost tekućine ili otopine.

I već 1908. francuski fizičar Jean Perrin i njegovi učenici eksperimentalno su dokazali točnost Einsteinovih izračuna.

Jedna čestica u ratničkom polju

Iznad smo opisali kolektivni učinak medija na mnoge čestice. Ali čak i jedan strani element u tekućini može dati neke pravilnosti i ovisnosti. Na primjer, ako promatrate Brownian česticu dugo, možete popraviti sve njegove pokrete. I iz ovog kaosa bit će skladan sustav. Prosječan napredak Brownian čestice u jednom smjeru proporcionalan je vremenu.

U pokusima na čestici u tekućini, raščistene su sljedeće količine:

• Boltzmannova konstanta;
• Avogadro broj.

Osim linearnog gibanja, Browniansku česticu karakterizira i kaotična rotacija. A prosječni kutni pomak također je proporcionalan vremenu promatranja.

Dimenzije i oblici

Nakon takvog razmišljanja može doći do prirodnog pitanja: zašto se taj učinak ne opaža za velika tijela? Jer kad je duljina predmeta uronjenog u tekućinu veća od određene vrijednosti, sve ove slučajne kolektivne "podrhtavanje" molekula pretvaraju se u stalni pritisak, budući da su prosječni. A opća snaga šutnje Arhimeda već djeluje na tijelu. Na taj način, veliki komad željeznih umivaonika, a metalna prašina pluta u vodi.

Veličina čestica, za koju se otkrije fluktuacija tekućih molekula, ne smije prelaziti 5 mikrometara. Što se tiče predmeta s velikim dimenzijama, ovaj efekt neće biti vidljiv ovdje.