Škótsky botanik Robert Brown (niekedy sa jeho priezvisko prepisuje ako Brown) počas svojho života ako najlepší odborník na rastliny získal titul „Princ botanikov“. Urobil veľa úžasných objavov. V roku 1805, po štvorročnej expedícii do Austrálie, priviezol do Anglicka asi 4000 pre vedcov neznámych druhov austrálskych rastlín a strávil ich mnoho rokov ich štúdiom. Popísané rastliny privezené z Indonézie a strednej Afriky. Študoval fyziológiu rastlín a prvýkrát podrobne opísal jadro rastlinnej bunky. Petrohradská akadémia vied z neho urobila čestného člena. Ale meno vedca je teraz všeobecne známe nie kvôli týmto dielam.

V roku 1827 Brown uskutočnil výskum rastlinného peľu. Zaujímalo ho najmä to, ako sa peľ podieľa na procese oplodnenia. Raz sa pozrel pod mikroskopom na bunky peľu zo severoamerickej rastliny. Clarkia pulchella(pretty clarkia) predĺžené cytoplazmatické zrná suspendované vo vode. Zrazu Brown videl, že tie najmenšie pevné zrnká, ktoré sotva bolo vidieť v kvapke vody, sa neustále chvejú a presúvajú z miesta na miesto. Zistil, že tieto pohyby, podľa jeho slov, „nesúvisia ani s prúdmi v kvapaline, ani s jej postupným vyparovaním, ale sú vlastné časticiam samotným“.

Brownove pozorovanie potvrdili aj ďalší vedci. Najmenšie častice sa správali ako živé a „tanec“ častíc sa zrýchľoval so zvyšujúcou sa teplotou a zmenšujúcou sa veľkosťou častíc a zreteľne sa spomalil, keď sa voda nahradila viskóznejším médiom. Tento úžasný fenomén sa nikdy nezastavil: bolo ho možné pozorovať tak dlho, ako si želali. Brown si spočiatku dokonca myslel, že do poľa mikroskopu skutočne spadli živé bytosti, najmä preto, že peľ sú samčie reprodukčné bunky rastlín, ale boli tam aj čiastočky z odumretých rastlín, dokonca aj z tých, ktoré boli vysušené o sto rokov skôr v herbároch. Potom Brown uvažoval, či ide o „elementárne molekuly živých bytostí“, o ktorých hovoril známy francúzsky prírodovedec Georges Buffon (1707 – 1788), autor 36-zväzkovej knihy. Prírodná história. Tento predpoklad vypadol, keď Brown začal skúmať zjavne neživé predmety; najprv to boli veľmi malé čiastočky uhlia, ako aj sadze a prach z londýnskeho vzduchu, potom jemne mleté ​​anorganické látky: sklo, veľa rôznych minerálov. „Aktívne molekuly“ boli všade: „V každom minerále,“ napísal Brown, „ktorý sa mi podarilo rozdrviť do takej miery, že môže byť nejaký čas suspendovaný vo vode, som našiel tieto molekuly vo väčších či menších množstvách. ."

Treba povedať, že Brown nemal ani jeden z najnovších mikroskopov. Vo svojom článku konkrétne zdôrazňuje, že mal obyčajné bikonvexné šošovky, ktoré používal niekoľko rokov. A pokračuje: „Počas celej štúdie som pokračoval v používaní tých istých šošoviek, s ktorými som začal pracovať, aby som dodal svojim tvrdeniam väčšiu dôveryhodnosť a aby boli čo najprístupnejšie pre bežné pozorovania.“

Teraz na zopakovanie Brownovho pozorovania stačí mať nie príliš silný mikroskop a skúmať ním dym v sčernenej skrinke, osvetlenej cez bočný otvor lúčom intenzívneho svetla. V plyne sa jav prejavuje oveľa zreteľnejšie ako v kvapaline: sú viditeľné malé kúsky popola alebo sadzí (v závislosti od zdroja dymu), ktoré rozptyľujú svetlo a neustále poskakujú tam a späť.

Ako sa to vo vede často stáva, o mnoho rokov neskôr historici zistili, že v roku 1670 vynálezca mikroskopu, Holanďan Antonie Leeuwenhoek, zjavne pozoroval podobný jav, ale vzácnosť a nedokonalosť mikroskopov, embryonálny stav vtedajšej molekulárnej vedy Leeuwenhoekovo pozorovanie neupútalo pozornosť, preto sa objav právom pripisuje Brownovi, ktorý ho ako prvý podrobne preštudoval a opísal.

Brownov pohyb a atómovo-molekulárna teória.

Fenomén pozorovaný Brownom sa rýchlo stal všeobecne známym. Sám ukázal svoje experimenty početným kolegom (Brown uvádza dve desiatky mien). Ale ani Brown sám, ani mnohí iní vedci po mnoho rokov nedokázali vysvetliť tento záhadný jav, ktorý sa nazýval „Brownovo hnutie“. Pohyby častíc boli úplne náhodné: náčrty ich polôh urobené v rôznych časových bodoch (napríklad každú minútu) na prvý pohľad neumožňovali nájsť v týchto pohyboch žiadny vzor.

Vysvetlenie Brownovho pohybu (ako sa tento jav nazýval) pohybom neviditeľných molekúl bolo podané až v poslednej štvrtine 19. storočia, ale nebolo okamžite prijaté všetkými vedcami. V roku 1863 učiteľ deskriptívnej geometrie z Karlsruhe (Nemecko), Ludwig Christian Wiener (1826–1896), navrhol, že tento jav súvisí s oscilačnými pohybmi neviditeľných atómov. Toto bolo prvé, aj keď veľmi vzdialené od moderného, ​​vysvetlenie Brownovho pohybu vlastnosťami samotných atómov a molekúl. Je dôležité, že Wiener videl príležitosť využiť tento fenomén na preniknutie do tajov štruktúry hmoty. Ako prvý sa pokúsil zmerať rýchlosť pohybu Brownových častíc a jej závislosť od ich veľkosti. Je zaujímavé, že v roku 1921 Správy Národnej akadémie vied USA Bola publikovaná práca o Brownovom pohybe iného Wienera - Norberta, slávneho zakladateľa kybernetiky.

Myšlienky L. K. Wienera prijalo a rozvíjalo množstvo vedcov - Sigmund Exner v Rakúsku (a o 33 rokov neskôr - jeho syn Felix), Giovanni Cantoni v Taliansku, Karl Wilhelm Negeli v Nemecku, Louis Georges Gouy vo Francúzsku, traja belgickí kňazi - Jezuiti Carbonelli, Delso a Tirion a ďalší. Medzi týchto vedcov patril aj neskorší slávny anglický fyzik a chemik William Ramsay. Postupne sa ukázalo, že do najmenších zrniek hmoty zo všetkých strán narážajú ešte menšie častice, ktoré už mikroskopom nie je vidieť – tak ako vlny, ktoré hojdajú vzdialenú loď, nie sú viditeľné z brehu, zatiaľ čo pohyby lode samotné sú viditeľné celkom jasne. Ako napísali v jednom z článkov v roku 1877, „...zákon veľkých čísel už neznižuje účinok zrážok na priemerný rovnomerný tlak, ich výslednica sa už nebude rovnať nule, ale bude neustále meniť svoj smer a jeho rozsah."

Kvalitatívne bol obraz celkom vierohodný a dokonca aj vizuálny. Malá vetvička alebo chrobáčik by sa mal pohybovať približne rovnakým spôsobom, tlačený (alebo ťahaný) mnohými mravcami v rôznych smeroch. Tieto menšie častice boli skutočne v slovníku vedcov, ale nikto ich nikdy nevidel. Nazývali sa molekuly; V preklade z latinčiny toto slovo znamená „malá hmotnosť“. Úžasné je, že presne takto vysvetlil podobný jav rímsky filozof Titus Lucretius Carus (asi 99 – 55 pred Kr.) vo svojej slávnej básni O povahe vecí. Najmenšie častice, ktoré sú okom neviditeľné, v ňom nazýva „prvotnými princípmi“ vecí.

Princípy vecí sa najprv hýbu samy sebou,
Za nimi nasledujú telá z ich najmenšej kombinácie,
Akoby v sile k základným princípom,
Skryté pred nimi, dostávajú šoky, začínajú sa snažiť,
Sami sa hýbať a potom povzbudzovať väčšie telá.
Takže od začiatku, pohyb postupne
Dotýka sa našich pocitov a stáva sa tiež viditeľným
Nám a v škvrnách prachu, ktoré sa pohybujú v slnečnom svetle,
Aj keď otrasy, z ktorých vzniká, sú nepostrehnuteľné...

Následne sa ukázalo, že Lucretius sa mýlil: nie je možné pozorovať Brownov pohyb voľným okom a prachové častice v slnečnom lúči, ktorý prenikol do tmavej miestnosti, „tancujú“ v dôsledku vírivých pohybov vzduchu. Ale navonok majú oba javy isté podobnosti. A to až v 19. storočí. Mnohým vedcom bolo jasné, že pohyb Brownových častíc je spôsobený náhodnými dopadmi molekúl média. Pohybujúce sa molekuly sa zrážajú s prachovými časticami a inými pevnými časticami, ktoré sú vo vode. Čím vyššia teplota, tým rýchlejší pohyb. Ak je zrnko prachu veľké, napríklad má veľkosť 0,1 mm (priemer je miliónkrát väčší ako molekula vody), potom je veľa súčasných nárazov naň zo všetkých strán vzájomne vyvážených a prakticky to nie je „Cítiť“ ich - približne rovnako ako kus dreva veľkosti taniera „necíti“ úsilie mnohých mravcov, ktoré ho budú ťahať alebo tlačiť rôznymi smermi. Ak je prachová častica relatívne malá, bude sa pod vplyvom nárazov okolitých molekúl pohybovať jedným alebo druhým smerom.

Brownove častice majú veľkosť rádovo 0,1–1 μm, t.j. od jednej tisíciny do jednej desaťtisíciny milimetra, preto Brown dokázal rozpoznať ich pohyb, pretože sa pozeral na drobné cytoplazmatické zrnká, a nie na samotný peľ (o ktorom sa často mylne píše). Problém je, že bunky peľu sú príliš veľké. V peli lúčnych tráv, ktorý je unášaný vetrom a spôsobuje u človeka alergické ochorenia (senná nádcha), je teda veľkosť buniek zvyčajne v rozmedzí 20 - 50 mikrónov, t.j. sú príliš veľké na pozorovanie Brownovho pohybu. Je tiež dôležité poznamenať, že jednotlivé pohyby Brownovej častice sa vyskytujú veľmi často a na veľmi krátke vzdialenosti, takže ich nie je možné vidieť, ale pod mikroskopom sú viditeľné pohyby, ktoré sa udiali za určitý čas.

Zdalo by sa, že samotný fakt existencie Brownovho pohybu jednoznačne dokazoval molekulárnu štruktúru hmoty, ale ešte na začiatku 20. storočia. Boli vedci, vrátane fyzikov a chemikov, ktorí neverili v existenciu molekúl. Atómovo-molekulárna teória len pomaly a ťažko získavala uznanie. Popredný francúzsky organický chemik Marcelin Berthelot (1827–1907) teda napísal: „Koncept molekuly je z hľadiska našich vedomostí neistý, zatiaľ čo iný pojem – atóm – je čisto hypotetický.“ Slávny francúzsky chemik A. Saint-Clair Deville (1818–1881) sa vyjadril ešte jasnejšie: „Neuznávam Avogadrov zákon, ani atóm, ani molekulu, pretože odmietam veriť tomu, čo nemôžem vidieť ani pozorovať. “ A nemecký fyzikálny chemik Wilhelm Ostwald (1853 – 1932), laureát Nobelovej ceny, jeden zo zakladateľov fyzikálnej chémie, ešte začiatkom 20. storočia. rezolútne poprel existenciu atómov. Podarilo sa mu napísať trojdielnu učebnicu chémie, v ktorej sa slovo „atóm“ nikdy ani len nespomína. Vo svojom prejave 19. apríla 1904, s veľkou správou v Royal Institution členom Anglickej chemickej spoločnosti, sa Ostwald pokúsil dokázať, že atómy neexistujú a „to, čo nazývame hmotou, je len súbor energií zhromaždených spolu v danom miesto.”

Ale ani fyzici, ktorí akceptovali molekulárnu teóriu, nemohli uveriť, že platnosť atómovo-molekulárnej teórie bola dokázaná takým jednoduchým spôsobom, takže na vysvetlenie tohto javu boli predložené rôzne alternatívne dôvody. A to je celkom v duchu vedy: kým nie je jednoznačne identifikovaná príčina javu, je možné (a dokonca nevyhnutné) predpokladať rôzne hypotézy, ktoré by sa podľa možnosti mali experimentálne alebo teoreticky testovať. A tak v roku 1905 vyšiel v Brockhaus and Efron Encyclopedic Dictionary krátky článok profesora fyziky z Petrohradu N. A. Gezekhusa, učiteľa slávneho akademika A. F. Ioffeho. Gesehus napísal, že podľa niektorých vedcov je Brownov pohyb spôsobený „lúčmi svetla alebo tepla prechádzajúcimi kvapalinou“ a scvrkáva sa na „jednoduché toky v kvapaline, ktoré nemajú nič spoločné s pohybmi molekúl“, a tieto toky. môže byť spôsobené „vyparovaním, difúziou a inými dôvodmi“. Veď už bolo známe, že veľmi podobný pohyb prachových častíc vo vzduchu spôsobujú práve vírivé prúdy. Ale vysvetlenie, ktoré poskytol Gesehus, by sa dalo ľahko experimentálne vyvrátiť: ak sa pozriete na dve Brownove častice umiestnené veľmi blízko seba cez silný mikroskop, ich pohyby sa ukážu ako úplne nezávislé. Ak by tieto pohyby boli spôsobené akýmikoľvek tokmi v kvapaline, potom by sa takéto susedné častice pohybovali spoločne.

Teória Brownovho pohybu.

Na začiatku 20. stor. väčšina vedcov pochopila molekulárnu podstatu Brownovho pohybu. Ale všetky vysvetlenia zostali čisto kvalitatívne, žiadna kvantitatívna teória nemohla odolať experimentálnemu testovaniu. Navyše, samotné experimentálne výsledky boli nejasné: fantastické predstavenie nepretržite sa rútiacich častíc experimentátorov hypnotizovalo a nevedeli presne, aké charakteristiky javu je potrebné merať.

Napriek zjavnej úplnej poruche bolo stále možné opísať náhodné pohyby Brownových častíc matematickým vzťahom. Po prvý raz rigorózne vysvetlenie Brownovho pohybu podal v roku 1904 poľský fyzik Marian Smoluchowski (1872 – 1917), ktorý v tých rokoch pôsobil na Ľvovskej univerzite. Zároveň teóriu tohto javu vypracoval Albert Einstein (1879–1955), vtedy málo známy odborník 2. triedy na Patentovom úrade švajčiarskeho mesta Bern. Jeho článok, publikovaný v máji 1905 v nemeckom časopise Annalen der Physik, mal názov O pohybe častíc suspendovaných v pokojovej kvapaline, ktorý vyžaduje molekulárna kinetická teória tepla. Týmto názvom chcel Einstein ukázať, že molekulárna kinetická teória štruktúry hmoty nevyhnutne predpokladá existenciu náhodného pohybu najmenších pevných častíc v kvapalinách.

Je zvláštne, že na samom začiatku tohto článku Einstein píše, že je oboznámený so samotným javom, aj keď povrchne: „Je možné, že predmetné pohyby sú totožné s takzvaným Brownovým molekulárnym pohybom, ale dostupné údaje sú pre mňa, pokiaľ ide o posledné uvedené, také nepresné, že som nedokázal sformulovať a toto je jednoznačný názor. A o desaťročia neskôr, už vo svojom neskorom živote, Einstein napísal vo svojich memoároch niečo iné – že o Brownovom pohybe vôbec nevedel a v skutočnosti ho „znovu objavil“ čisto teoreticky: „Netušiac, že ​​pozorovania „Brownovho pohybu“ sú už dlho známe. Známy, zistil som, že atómová teória vedie k existencii pozorovateľného pohybu mikroskopických suspendovaných častíc.“ Nech je to akokoľvek, Einsteinov teoretický článok sa skončil priamou výzvou experimentátorom, aby experimentálne otestovali jeho závery: „Ak by nejaký výskumník mohol čoskoro odpovedať otázky tu položené otázky!" – končí svoj článok takým nezvyčajným výkričníkom.

Odpoveď na Einsteinovu vášnivú výzvu nenechala na seba dlho čakať.

Podľa Smoluchowski-Einsteinovej teórie je priemerná hodnota štvorcového posunutia Brownovej častice ( s 2) na čas t priamo úmerné teplote T a nepriamo úmerné viskozite kvapaliny h, veľkosti častíc r a Avogadrova konštanta

N A: s 2 = 2RTt/6ph rN A,

Kde R– plynová konštanta. Ak sa teda za 1 minútu častica s priemerom 1 μm posunie o 10 μm, potom za 9 minút - o 10 = 30 μm, za 25 minút - o 10 = 50 μm atď. Za podobných podmienok sa častica s priemerom 0,25 μm za rovnaký časový úsek (1, 9 a 25 min) posunie o 20, 60 a 100 μm, pretože = 2. Je dôležité, aby vyššie uvedený vzorec zahŕňal Avogadrovu konštantu, teda , možno určiť kvantitatívnym meraním pohybu Brownovej častice, ktoré vykonal francúzsky fyzik Jean Baptiste Perrin (1870–1942).

V roku 1908 začal Perrin s kvantitatívnym pozorovaním pohybu Brownových častíc pod mikroskopom. Použil ultramikroskop, vynájdený v roku 1902, ktorý umožnil odhaliť najmenšie častice rozptýlením svetla z výkonného bočného iluminátora. Perrin získal drobné guľôčky takmer guľového tvaru a približne rovnakej veľkosti z gumy, kondenzovanej šťavy niektorých tropických stromov (používa sa aj ako žltá akvarelová farba). Tieto drobné guľôčky sa suspendovali v glycerole obsahujúcom 12 % vody; viskózna kvapalina zabránila vzniku vnútorných tokov, ktoré by rozmazali obraz. Perrin, vyzbrojený stopkami, si v pravidelných intervaloch, napríklad každú polminútu, všimol a potom načrtol (samozrejme vo značne zväčšenej mierke) na grafickom hárku papiera polohu častíc. Spojením výsledných bodov s rovnými čiarami získal zložité trajektórie, niektoré z nich sú znázornené na obrázku (sú prevzaté z Perrinovej knihy Atómy, vydané v roku 1920 v Paríži). Takýto chaotický, neusporiadaný pohyb častíc vedie k tomu, že sa pohybujú v priestore dosť pomaly: súčet segmentov je oveľa väčší ako posun častice od prvého bodu po posledný.

Postupné pozície každých 30 sekúnd troch Brownových častíc - guľôčok gumy s veľkosťou asi 1 mikrón. Jedna bunka zodpovedá vzdialenosti 3 µm. Ak by Perrin dokázal určiť polohu Brownových častíc nie po 30, ale po 3 sekundách, potom by sa priame čiary medzi jednotlivými susednými bodmi zmenili na rovnakú zložitú cik-cak prerušovanú čiaru, len v menšom meradle.

Pomocou teoretického vzorca a jeho výsledkov získal Perrin hodnotu pre Avogadroovo číslo, ktorá bola v tom čase celkom presná: 6,8 . 1023. Perrin tiež použil mikroskop na štúdium vertikálnej distribúcie Brownových častíc ( cm. AVOGADROOV ZÁKON) a ukázali, že napriek pôsobeniu gravitácie zostávajú v roztoku suspendované. Perrin vlastní aj ďalšie významné diela. V roku 1895 dokázal, že katódové lúče sú záporné elektrické náboje (elektróny), av roku 1901 prvýkrát navrhol planetárny model atómu. V roku 1926 mu bola udelená Nobelova cena za fyziku.

Výsledky získané Perrinom potvrdili Einsteinove teoretické závery. Urobilo to silný dojem. Ako napísal americký fyzik A. Pais o mnoho rokov neskôr, „neprestanete žasnúť nad týmto výsledkom získaným tak jednoduchým spôsobom: stačí pripraviť suspenziu guľôčok, ktorých veľkosť je v porovnaní s veľkosťou jednoduchých molekúl, vezmite si stopky a mikroskop a môžete určiť Avogadrovu konštantu!“ Niekto by mohol byť prekvapený: popisy nových experimentov s Brownovým pohybom sa stále z času na čas objavujú vo vedeckých časopisoch (Nature, Science, Journal of Chemical Education)! Po zverejnení Perrinových výsledkov Ostwald, bývalý odporca atomizmu, priznal, že „zhoda Brownovho pohybu s požiadavkami kinetickej hypotézy... teraz dáva najopatrnejším vedcom právo hovoriť o experimentálnom dôkaze atómovej teórie. hmoty. Tak bola atómová teória povýšená na úroveň vedeckej, dobre podloženej teórie.“ Pripomína ho aj francúzsky matematik a fyzik Henri Poincaré: „Brilantné určenie počtu atómov od Perrina zavŕšilo triumf atomizmu... Atóm chemikov sa teraz stal realitou.“

Brownov pohyb a difúzia.

Pohyb Brownových častíc je vzhľadom veľmi podobný pohybu jednotlivých molekúl v dôsledku ich tepelného pohybu. Tento pohyb sa nazýva difúzia. Ešte pred prácou Smoluchowského a Einsteina boli stanovené zákony molekulárneho pohybu v najjednoduchšom prípade plynného skupenstva hmoty. Ukázalo sa, že molekuly v plynoch sa pohybujú veľmi rýchlo - rýchlosťou strely, ale nemôžu letieť ďaleko, pretože sa veľmi často zrážajú s inými molekulami. Napríklad molekuly kyslíka a dusíka vo vzduchu, ktoré sa pohybujú priemernou rýchlosťou približne 500 m/s, zažívajú každú sekundu viac ako miliardu zrážok. Preto, ak by bolo možné po nej ísť, dráha molekuly by bola zložitou prerušovanou čiarou. Brownove častice tiež opisujú podobnú trajektóriu, ak je ich poloha zaznamenaná v určitých časových intervaloch. Difúzia aj Brownov pohyb sú dôsledkom chaotického tepelného pohybu molekúl, a preto sú opísané podobnými matematickými vzťahmi. Rozdiel je v tom, že molekuly v plynoch sa pohybujú v priamom smere, kým sa nezrazia s inými molekulami, potom zmenia smer. Brownova častica na rozdiel od molekuly nevykonáva žiadne „voľné lety“, ale zažíva veľmi časté malé a nepravidelné „chvenie“, v dôsledku čoho sa chaoticky posúva jedným alebo druhým smerom. Výpočty ukázali, že pre časticu s veľkosťou 0,1 µm nastáva jeden pohyb za tri miliardtiny sekundy na vzdialenosť iba 0,5 nm (1 nm = 0,001 µm). Ako výstižne hovorí jeden autor, pripomína to premiestňovanie prázdnej plechovky od piva na námestí, kde sa zhromaždil dav ľudí.

Difúziu je možné pozorovať oveľa ľahšie ako Brownov pohyb, pretože nevyžaduje mikroskop: pohyby sa nepozorujú jednotlivých častíc, ale ich obrovských hmôt, stačí sa uistiť, že difúziu neprekrýva konvekcia – miešanie hmoty ako výsledkom vírivých prúdov (takéto prúdenia si ľahko všimnete tak, že do pohára s horúcou vodou vložíte kvapku farebného roztoku, ako je atrament).

Difúziu je vhodné pozorovať v hustých géloch. Takýto gél sa dá pripraviť napríklad v penicilínovej nádobe tak, že sa v nej pripraví 4–5 % roztok želatíny. Želatína musí najskôr niekoľko hodín napučať a potom sa za miešania úplne rozpustí tak, že sa nádoba vloží do horúcej vody. Po ochladení sa získa netečúci gél vo forme priehľadnej, mierne zakalenej hmoty. Ak pomocou ostrej pinzety opatrne vložíte malý kryštál manganistanu draselného („manganistanu draselného“) do stredu tejto hmoty, kryštál zostane visieť na mieste, kde zostal, pretože gél bráni jeho pádu. V priebehu niekoľkých minút okolo kryštálu začne rásť fialová guľa, ktorá sa postupom času zväčšuje a zväčšuje, až steny nádoby narušia jej tvar. Rovnaký výsledok je možné dosiahnuť pomocou kryštálu síranu meďnatého, iba v tomto prípade nebude guľa fialová, ale modrá.

Je jasné, prečo dopadla guľôčka: MnO 4 – ióny vznikajúce pri rozpustení kryštálu prechádzajú do roztoku (gél je hlavne voda) a v dôsledku difúzie sa pohybujú rovnomerne vo všetkých smeroch, pričom gravitácia nemá prakticky žiadny vplyv na rýchlosť difúzie. Difúzia v kvapaline je veľmi pomalá: potrvá veľa hodín, kým guľa narastie o niekoľko centimetrov. V plynoch je difúzia oveľa rýchlejšia, no napriek tomu, ak by sa vzduch nezmiešal, vôňa parfumu či čpavku by sa šírila v miestnosti celé hodiny.

Brownova teória pohybu: náhodné prechádzky.

Smoluchowski-Einsteinova teória vysvetľuje zákony difúzie aj Brownovho pohybu. Tieto vzory môžeme zvážiť pomocou príkladu difúzie. Ak je rýchlosť molekuly u, potom, pohybujúce sa v priamej línii, v čase t prejde vzdialenosť L = ut, ale v dôsledku zrážok s inými molekulami sa táto molekula nepohybuje priamočiaro, ale plynule mení smer svojho pohybu. Ak by bolo možné načrtnúť dráhu molekuly, v podstate by sa nelíšila od nákresov, ktoré získal Perrin. Z týchto obrázkov je zrejmé, že v dôsledku chaotického pohybu je molekula posunutá o vzdialenosť s, výrazne menej ako L. Tieto veličiny sú spojené vzťahom s= , kde l je vzdialenosť, ktorú molekula preletí od jednej zrážky k druhej, stredná voľná dráha. Merania ukázali, že pre molekuly vzduchu pri normálnom atmosférickom tlaku l ~ 0,1 μm, čo znamená, že pri rýchlosti 500 m/s molekula dusíka alebo kyslíka preletí vzdialenosť za 10 000 sekúnd (menej ako tri hodiny) L= 5000 km a posunie sa z pôvodnej polohy iba o s= 0,7 m (70 cm), preto sa látky v dôsledku difúzie pohybujú tak pomaly, dokonca aj v plynoch.

Dráha molekuly ako výsledok difúzie (alebo dráha Brownovej častice) sa nazýva náhodná prechádzka. Vtipní fyzici tento výraz reinterpretovali ako opilcova chôdza – „cesta opilca.“ Pohyb častice z jednej polohy do druhej (alebo dráha molekuly, ktorá prechádza mnohými zrážkami) pripomína pohyb opitého človeka. táto analógia tiež umožňuje celkom jednoducho odvodiť, že základná rovnica takéhoto procesu je založená na príklade jednorozmerného pohybu, ktorý sa dá ľahko zovšeobecniť na trojrozmerný.

Predpokladajme, že opitý námorník vyšiel neskoro v noci z krčmy a zamieril po ulici. Po ceste l k najbližšej lampe si oddýchol a išiel... buď ďalej, k ďalšej lampe, alebo späť do krčmy - napokon si nepamätá, odkiaľ prišiel. Otázkou je, či cuketu niekedy opustí, alebo sa po nej bude len túlať, teraz sa vzďaľuje, teraz sa k nej približuje? (Iná verzia problému uvádza, že na oboch koncoch ulice, kde končia pouličné osvetlenie, sú špinavé priekopy, a pýta sa, či sa námorník dokáže vyhnúť pádu do jednej z nich.) Intuitívne sa zdá, že druhá odpoveď je správna. Ale je to nesprávne: ukazuje sa, že námorník sa bude postupne vzďaľovať od nulového bodu, hoci oveľa pomalšie, ako keby kráčal iba jedným smerom. Tu je návod, ako to dokázať.

Po prvom prejdení k najbližšej lampe (vpravo alebo vľavo) bude námorník v určitej vzdialenosti s 1 = ± l od počiatočného bodu. Keďže nás zaujíma iba jeho vzdialenosť od tohto bodu, ale nie jeho smer, zbavíme sa znakov umocnením tohto výrazu: s 1 2 = l 2. Po nejakom čase námorník už dokončil N"putovanie", bude na diaľku

s N= od začiatku. A znova som kráčal (jedným smerom) k najbližšej lampe na diaľku s N+1 = s N± l alebo pomocou druhej mocniny výtlaku, s 2 N+1 = s 2 N± 2 s N l + l 2. Ak námorník zopakuje tento pohyb mnohokrát (od N predtým N+ 1), potom v dôsledku spriemerovania (prechádza s rovnakou pravdepodobnosťou N krok doprava alebo doľava), člen ± 2 s N Zruším, takže s 2 N+1 = s2 N+ l 2> (uhlové zátvorky označujú priemernú hodnotu) L = 3600 m = 3,6 km, pričom posunutie od nulového bodu za rovnaký čas sa bude rovnať iba s= = 190 m. Za tri hodiny to prejde L= 10,8 km a posunie sa o s= 330 m atď.

Práca u l vo výslednom vzorci možno porovnať s koeficientom difúzie, ktorý, ako ukázal írsky fyzik a matematik George Gabriel Stokes (1819–1903), závisí od veľkosti častíc a viskozity média. Na základe podobných úvah odvodil Einstein svoju rovnicu.

Teória Brownovho pohybu v reálnom živote.

Teória náhodných prechádzok má dôležité praktické aplikácie. Hovorí sa, že pri absencii orientačných bodov (slnko, hviezdy, hluk diaľnice alebo železnice atď.) sa človek túla v lese, po poli v snehovej búrke alebo v hustej hmle v kruhoch a vždy sa vracia k svojmu pôvodné miesto. V skutočnosti nechodí v kruhoch, ale približne rovnakým spôsobom, akým sa pohybujú molekuly alebo Brownove častice. Môže sa vrátiť na svoje pôvodné miesto, ale len náhodou. Veľakrát mu však skríži cestu. Hovorí sa tiež, že ľudia zamrznutí v snehovej búrke boli nájdení „niekoľko kilometrov“ od najbližšieho domu alebo cesty, ale v skutočnosti nemali šancu prejsť tento kilometer a tu je dôvod.

Na výpočet toho, o koľko sa človek posunie v dôsledku náhodných prechádzok, potrebujete poznať hodnotu l, t.j. vzdialenosť, ktorú môže človek prejsť po priamke bez akýchkoľvek orientačných bodov. Túto hodnotu nameral doktor geologických a mineralogických vied B.S. Gorobets s pomocou študentských dobrovoľníkov. Samozrejme, nenechal ich v hustom lese ani na zasneženom ihrisku, všetko bolo jednoduchšie - študenta umiestnili do stredu prázdneho štadióna, so zaviazanými očami ho požiadali, aby prešiel na koniec futbalového ihriska v r. úplné ticho (vylúčiť orientáciu zvukmi). Ukázalo sa, že v priemere študent prešiel po priamke len asi 20 metrov (odchýlka od ideálnej priamky nepresiahla 5°), a potom sa začal čoraz viac odkláňať od pôvodného smeru. Nakoniec sa zastavil, ďaleko od dosiahnutia okraja.

Teraz nech človek kráča (alebo skôr blúdi) v lese rýchlosťou 2 kilometre za hodinu (pre cestu je to veľmi pomalé, ale pre hustý les je to veľmi rýchle), potom ak je hodnota l 20 metrov, potom za hodinu prejde 2 km, ale presunie sa iba 200 m, za dve hodiny - asi 280 m, za tri hodiny - 350 m, za 4 hodiny - 400 m atď. A pohybuje sa v priamom smere pri takouto rýchlosťou by človek prešiel 8 kilometrov za 4 hodiny, preto v bezpečnostných pokynoch pre prácu v teréne je nasledovné pravidlo: ak sa stratia orientačné body, musíte zostať na mieste, postaviť prístrešok a počkať na koniec zlého počasia (môže vyjsť slnko) alebo o pomoc. V lese vám orientačné body - stromy alebo kríky - pomôžu pohybovať sa v priamom smere a zakaždým sa musíte držať dvoch takýchto orientačných bodov - jeden vpredu, druhý vzadu. Najlepšie je však, samozrejme, vziať si so sebou kompas...

Ilya Leenson

Literatúra:

Mario Liozzi. História fyziky. M., Mir, 1970
Kerker M. Brownove pohyby a molekulárna realita pred rokom 1900. Journal of Chemical Education, 1974, roč. 51, č. 12
Leenson I.A. Chemické reakcie. M., Astrel, 2002



Interakčné sily medzi molekulami …………………………4

Prečo bol Giordano Bruno upálený?................................................ 7

Vzdal sa Galileo Galilei svojich vedeckých názorov? .................................................. .. ......9

Bibliografia……………………………......... ........................... .. .13

Brownov pohyb
Brownov pohyb, náhodný pohyb malých častíc suspendovaných v kvapaline alebo plyne, vyskytujúci sa pod vplyvom otrasov z molekúl prostredia. Otvoril Robert Hnedá v roku 1827. Suspendované častice viditeľné iba pod mikroskopom sa pohybujú nezávisle od seba a opisujú zložité kľukaté trajektórie. Brownov pohyb časom nezoslabne a nezávisí od chemických vlastností média. Intenzita Brownovho pohybu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou média a so znižovaním jeho viskozity a veľkosti častíc.
Pri pozorovaní Brownovho pohybu sa v pravidelných intervaloch zaznamenáva poloha častice. Samozrejme, medzi pozorovaniami sa častica nepohybuje priamočiaro, ale spojenie po sebe nasledujúcich pozícií s priamymi čiarami poskytuje konvenčný obraz pohybu.
Teória Brownovho pohybu vysvetľuje náhodné pohyby častice pôsobením náhodných síl od molekúl a trecích síl. Náhodný charakter sily znamená, že jej pôsobenie počas časového intervalu t 1 je úplne nezávislé od pôsobenia počas intervalu t 2, ak sa tieto intervaly neprekrývajú. Priemerná sila počas dostatočne dlhého času je nulová a priemerné posunutie Brownovej častice sa tiež rovná nule.
Teória Brownovho pohybu zohrala dôležitú úlohu pri založení štatistickej mechaniky. Okrem toho má aj praktický význam. V prvom rade Brownov pohyb obmedzuje presnosť meracích prístrojov. Napríklad hranica presnosti údajov zrkadlového galvanometra je určená vibráciou zrkadla, ako je Brownova častica bombardovaná molekulami vzduchu. Zákony Brownovho pohybu určujú náhodný pohyb elektrónov, čo spôsobuje zvuky v elektrických obvodoch. Dielektrické straty v dielektriká sa vysvetľujú náhodnými pohybmi molekúl dipólu, ktoré tvoria dielektrikum. Náhodné pohyby iónov v roztokoch elektrolytov zvyšujú ich elektrický odpor.
Interakčné sily medzi molekulami

Intermolekulárna interakcia je interakcia medzi elektricky neutrálnymi molekuly alebo atómy . Po prvýkrát boli zohľadnené sily medzimolekulovej interakcieJ. D. van der Waals (1873 ) vysvetliť vlastnosti reálnych plynov a kvapalín.
Orientačné sily pôsobiť medzi polárnymi molekulami, teda tými selektrické dipólové momenty. Príťažlivá sila medzi dvoma polárnymi molekulami je najväčšia, keď sú ich dipólové momenty zarovnané pozdĺž tej istej čiary. Táto sila vzniká v dôsledku skutočnosti, že vzdialenosti medzi rozdielnymi nábojmi sú o niečo menšie ako medzi podobnými. Výsledkom je, že príťažlivosť dipólov prevyšuje ich odpudivosť. Interakcia dipólov závisí od ich vzájomnej orientácie, a preto sa sily dipólovej interakcie nazývajú orientačné. Chaotický tepelný pohyb neustále mení orientáciu polárnych molekúl, ale ako ukazujú výpočty, priemerná hodnota sily vo všetkých možných orientáciách má určitú hodnotu, ktorá sa nerovná nule.

Indukčné (alebo polarizačné) sily pôsobia medzi polárnymi a nepolárnymi molekulami. Vytvára sa polárna molekulaelektrické pole, ktorý polarizuje molekulu elektrickými nábojmi rovnomerne rozloženými v celom objeme. Kladné náboje sú posunuté v smere elektrického poľa (to znamená preč od kladného pólu) a záporné náboje sú posunuté proti (smerom ku kladnému pólu). V dôsledku toho sa v nepolárnej molekule indukuje dipólový moment.
Táto energia sa nazýva indukcia, pretože sa objavuje v dôsledku polarizácie molekúl spôsobenejelektrostatická indukcia. Indukčné sily ( F ind ?r? 7) pôsobia aj medzi polárnymi molekulami.
Pôsobí medzi nepolárnymi molekulami disperzná medzimolekulová interakcia. Povaha tejto interakcie bola úplne objasnená až po vytvoreníkvantová mechanika. V atómoch a molekulách elektróny pohybovať sa okolo jadier komplexným spôsobom. V priemere v priebehu času sa dipólové momenty nepolárnych molekúl ukážu ako nulové. Ale v každom okamihu elektróny zaujímajú nejakú pozíciu. Preto je okamžitá hodnota dipólového momentu (napríklad pre atóm vodíka) iná ako nula. Okamžitý dipól vytvára elektrické pole, ktoré polarizuje susedné molekuly. Výsledkom je interakcia okamžité dipóly. Energia interakcie medzi nepolárnymi molekulami je priemerným výsledkom interakcie všetkých možných okamžitých dipólov s dipólovými momentmi, ktoré indukujú v susedných molekulách v dôsledku indukcie.
Medzimolekulové interakcie tohto typu sa nazývajú disperzný pretože rozptyl svetla v látke je určená rovnakými vlastnosťami molekúl ako táto interakcia. Disperzné sily pôsobia medzi všetkými atómami a molekulami, pretože mechanizmus ich vzniku nezávisí od toho, či molekuly (atómy) majú trvalé dipólové momenty alebo nie. Zvyčajne tieto sily presahujú veľkosť orientačných aj indukčných. Iba pri interakcii molekúl s veľkými dipólovými momentmi, napríklad molekuly vody, F alebo > F disp(3 krát pre molekuly vody). Pri interakcii s takými polárnymi molekulami, ako sú CO, HI, HBr a iné, disperzné sily sú desiatky a stokrát väčšie ako všetky ostatné.
Je veľmi dôležité, že všetky tri typy medzimolekulových interakcií klesajú rovnakým spôsobom so vzdialenosťou:
U = U alebo + U ind + U disp ?r ? 6
Odpudivé sily pôsobia medzi molekulami na veľmi krátke vzdialenosti, keď sú naplnenéelektronické mušleatómy, ktoré tvoria molekuly. Existujúce v kvantovej mechanike Pauliho princíp zakazuje prienik naplnených elektrónových obalov do seba. Odpudivé sily, ktoré vznikajú, závisia vo väčšej miere ako príťažlivé sily od individuality molekúl

Prečo bol Giordano Bruno upálený?
Bruno Giordano Filippe (1548, Nola, - 17.2.1600, Rím), taliansky filozof a básnik, predstav. panteizmu . Prenasledovaný duchovenstvom za svoje názory odišiel z Talianska a žil vo Francúzsku, Anglicku a Nemecku. Po návrate do Talianska (1592) bol obvinený z kacírstva a voľnomyšlienkárstva a po ôsmich rokoch väzenia bol upálený na hranici.
V myšlienkach Brunovej filozofie Novoplatonizmus (najmä myšlienky o jedinom začiatku a svetovej duši ako hnacom princípe Vesmíru, ktoré viedli Bruna k hylozoizmus ) skrížený so silným vplyvom názorov starovekých materialistov, ako aj pytagorejcov. Formovanie Brunovej panteistickej prírodnej filozofie, namierenej proti scholastickému aristotelizmu, bolo do značnej miery uľahčené Brunovým oboznámením sa s filozofiou Mikuláša Kuzánskeho (od ktorého sa Bruno naučil aj myšlienku „negatívnej teológie“, založenej na nemožnosti pozitívnej definície Boží). Na základe týchto prameňov považoval Bruno za cieľ filozofie poznanie nie o nadprirodzenom bohu, ale o prírode, ktorá je „bohom vo veciach“. Rozvíjanie heliocentrickej teórie N. Koperníka , ktorý mal naňho obrovský vplyv, Bruno vyjadril myšlienky o nekonečnosti prírody a nekonečnom množstve svetov, presadzoval fyzickú homogenitu sveta (náuka o 5 elementoch, z ktorých sa skladajú všetky telá – zem, voda, oheň, vzduch a éter). Bruno spájal myšlienku jedinej nekonečnej jednoduchej substancie, z ktorej veľa vecí vzniká, s myšlienkou vnútornej príbuznosti a zhody protikladov („On Cause, Beginning and One“, 1584). V nekonečne, po identifikácii, sa spája priamka a kruh, stred a periféria, forma a hmota atď. Základnou jednotkou existencie je monáda , v činnosti ktorej sa spája telesné a duchovné, objekt a subjekt. Najvyššou substanciou je „monáda monád“ alebo Boh; ako celok sa prejavuje vo všetkom individuálnom – „všetko vo všetkom“. Tieto myšlienky mali veľký vplyv na vývoj modernej filozofie: myšlienku jedinej látky vo vzťahu k jednotlivým veciam rozvinul Bruno Spinoza, myšlienku monády - G. Leibniz, myšlienku ​jednota existencie a „zhoda protikladov“ - v dialektike F. Schellinga a G. Hegela. Brunova filozofia bola teda prechodným článkom od stredovekých filozofických systémov k filozofickým koncepciám modernej doby.
V.V. Sokolov.
V kozmológii Bruno vyjadril množstvo dohadov, ktoré predbehli jeho éru a boli odôvodnené až následnými astronomickými objavmi: o existencii planét v jeho dobe neznámych v našej slnečnej sústave, o rotácii Slnka a hviezd okolo osi („“ On the Immeasurable and Inumerable“, 1591), o tom, že vo Vesmíre je nespočetné množstvo telies podobných nášmu Slnku atď. iných svetov.
Bruno ako básnik patril k odporcom klasicizmu. Brunovo vlastné umelecké dielo: antiklerikálna satirická báseň „Noemova archa“, filozofické sonety, komédia „Sviečka“ (1582, ruský preklad 1940), v ktorej sa Bruno rozchádza s kánonmi „učenej komédie“ a vytvára slobodnú dramatická forma, ktorá umožňuje realistické zobrazenie života a zvykov neapolskej ulice. Bruno v tejto komédii zosmiešňuje pedantnosť a poverčivosť a so štipľavým sarkazmom útočí na hlúpu a pokryteckú nemorálnosť, ktorú so sebou priniesla katolícka reakcia.
R. I. Chlodovskij

Vzdal sa Galileo Galilei svojich vedeckých názorov?
V roku 1609, na základe informácií, ktoré sa k nemu dostali o ďalekohľade vynájdenom v Holandsku, Galileo zostrojil svoj prvý ďalekohľad s približne 3-násobným zväčšením. Činnosť ďalekohľadu bola demonštrovaná z veže sv. Známka bola v Benátkach a urobila obrovský dojem. Galileo čoskoro zostrojil ďalekohľad s 32-násobným zväčšením. Pozorovania uskutočnené s jeho pomocou zničili Aristotelove „ideálne sféry“ a dogmu o dokonalosti nebeských telies: povrch Mesiaca sa ukázal byť pokrytý horami a posiaty krátermi, hviezdy stratili svoju zdanlivú veľkosť a bola pochopená ich obrovská vzdialenosť. prvýkrát. Jupiter objavil 4 satelity a na oblohe sa objavilo obrovské množstvo nových hviezd. Mliečna dráha sa rozpadla na jednotlivé hviezdy. Galileo opísal svoje pozorovania v diele „Hviezdny posol“ (1610-11), ktoré urobilo ohromujúci dojem. V tom istom čase sa začala ostrá polemika. Galileo bol obvinený zo skutočnosti, že všetko, čo videl, bola optická ilúzia; argumentovali tiež jednoducho tým, že jeho pozorovania sú v rozpore s Aristotelom, a preto sú mylné.
Astronomické objavy boli prelomovým bodom v Galileovom živote: bol oslobodený od vyučovania a na pozvanie vojvodu Cosima II. de’ Medici sa presťahoval do Florencie. Tu sa stáva dvorným „filozofom“ a „prvým matematikom“ univerzity, bez povinnosti prednášať.
Pokračovaním teleskopických pozorovaní Galileo objavil fázy Venuše, slnečné škvrny a rotáciu Slnka, študoval pohyb satelitov Jupitera a pozoroval Saturn. V roku 1611 Galileo odcestoval do Ríma, kde sa mu dostalo nadšeného prijatia na pápežskom dvore a kde nadviazal priateľstvo s princom Cesim, zakladateľom Accademia dei Lincei („Akadémia s rysmi očami“), ktorej sa stal členom. . Na naliehanie vojvodu Galileo publikoval svoju prvú antiaristotelovskú prácu „Rozprava o telesách vo vode a tých, ktoré sa v nej pohybujú“ (1612), kde aplikoval princíp rovnakých momentov na odvodenie rovnovážnych podmienok v tekutých telesách. .
V roku 1613 sa však stal známym list Galilea opátovi Castellimu, v ktorom obhajoval Kopernikove názory. List slúžil ako dôvod na priame vypovedanie Galilea inkvizícii. V roku 1616 jezuitská kongregácia vyhlásila Kopernikovo učenie za kacírske a Kopernikova kniha bola zaradená do zoznamu zakázaných kníh. Galileo nebol v dekréte menovaný, ale súkromne mu bolo nariadené vzdať sa obhajoby tejto doktríny. Galileo formálne predložil dekrétu. Niekoľko rokov bol nútený o koperníkovskom systéme mlčať alebo o ňom hovoriť v náznakoch. Galileo cestuje do Ríma v roku 1616. Teológovia, takzvaní „prípravcovia prípadov pre inkvizíciu“, sa zhromažďujú v pápežskom paláci, aby prediskutovali a otestovali Koperníkovu doktrínu a potom vydali edikt zakazujúci kázanie Kopernikovho názoru. Toto bol prvý oficiálny zákaz. Galileo sa však svojich názorov nevzdal. Len som bol opatrnejší. Keď bol zbavený práva kázať Kopernikovo učenie, namieril svoju kritiku proti Aristotelovi. Jediným Galileovým veľkým dielom v tomto období bol The Assayer, polemické pojednanie o troch kométach, ktoré sa objavilo v roku 1618. Z hľadiska literárnej formy, vtipu a sofistikovanosti štýlu ide o jedno z Galileových najpozoruhodnejších diel.
Presvedčený o platnosti kopernikovského systému začal Galileo pracovať na veľkom astronomickom pojednaní „Dialóg o dvoch najdôležitejších systémoch sveta – ptolemaiovskom a koperníkovskom“ (1632). Toto dielo tak presvedčivo dokazuje prednosti kopernikovského učenia a pápež, vykreslený pod maskou prostoduchého lúzera Simplicia, zástancu aristotelovskej koncepcie, vyzerá ako taký blázon, že hromy neudierali pomaly. Otec sa urazil. Galileiho nepriatelia to využili a bol predvolaný pred súd. Duch sedemdesiatročného Galilea bol zlomený. Starší vedec bol prinútený k verejnému pokániu a posledné roky svojho života strávil v domácom väzení a pod dohľadom inkvizície. V roku 1635 sa zriekol „svojho heretického učenia“. Vedec Galileo nebol hrdina. Priznal porážku. Ale v dejinách vedy zostal veľkým vedcom a súdny proces s Galileom, dokonca aj slovami prívržencov katolíckeho náboženstva, „bol tou najosudnejšou chybou, akú kedy cirkevné autority vo vzťahu k vede urobili“.
V roku 1623 nastúpil na pápežský stolec Galileov priateľ kardinál Maffeo Barberini pod menom Urban VIII. Pre Galilea sa táto udalosť zdala rovná oslobodeniu sa z väzieb interdiktu (dekrétu). V roku 1630 prišiel do Ríma s hotovým rukopisom „Dialógu o odlivu a odlivu“ (prvý názov „Dialógu o dvoch hlavných systémoch sveta“), v ktorom sú systémy Koperníka a Ptolemaios sú prezentované v rozhovoroch medzi tromi účastníkmi rozhovoru: Sagredo, Salviati a Simplicio.
atď.................

Čo je Brownov pohyb?

Teraz sa zoznámite s najzrejmejšími dôkazmi tepelného pohybu molekúl (druhá hlavná pozícia molekulárnej kinetickej teórie). Určite sa skúste pozrieť cez mikroskop a uvidíte, ako sa pohybujú takzvané Brownove častice.

Predtým ste sa dozvedeli, čo to je difúzia t.j. miešanie plynov, kvapalín a pevných látok v priamom kontakte. Tento jav možno vysvetliť náhodným pohybom molekúl a prenikaním molekúl jednej látky do priestoru medzi molekulami inej látky. To môže vysvetliť napríklad skutočnosť, že objem zmesi vody a alkoholu je menší ako objem jej zložiek. Najzrejmejší dôkaz pohybu molekúl však možno získať pozorovaním najmenších častíc akejkoľvek pevnej látky suspendovanej vo vode mikroskopom. Tieto častice podliehajú náhodnému pohybu, ktorý je tzv Brownian.

Ide o tepelný pohyb častíc suspendovaných v kvapaline (alebo plyne).

Pozorovanie Brownovho pohybu

Anglický botanik R. Brown (1773-1858) prvýkrát pozoroval tento jav v roku 1827, keď mikroskopom skúmal spóry machu suspendované vo vode. Neskôr sa pozrel na ďalšie malé častice, vrátane kúskov kameňa z egyptských pyramíd. V súčasnosti na pozorovanie Brownovho pohybu používajú častice gumovej farby, ktorá je nerozpustná vo vode. Tieto častice sa pohybujú náhodne. Pre nás najúžasnejšie a nezvyčajné je, že tento pohyb sa nikdy nezastaví. Sme zvyknutí na to, že každé pohybujúce sa teleso sa skôr či neskôr zastaví. Brown si spočiatku myslel, že spóry machu vykazujú známky života.

tepelný pohyb a nemôže sa zastaviť. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje jej intenzita. Obrázok 8.3 ukazuje diagram pohybu Brownových častíc. Polohy častíc označené bodkami sa určujú v pravidelných intervaloch 30 s. Tieto body sú spojené rovnými čiarami. V skutočnosti je trajektória častíc oveľa zložitejšia.

Brownov pohyb možno pozorovať aj v plyne. Spôsobujú ho čiastočky prachu alebo dymu vznášajúce sa vo vzduchu.

Nemecký fyzik R. Pohl (1884-1976) farbisto opisuje Brownov pohyb: „Máloktorý jav dokáže zaujať pozorovateľa tak ako Brownov pohyb. Tu je pozorovateľovi umožnené nahliadnuť do zákulisia diania v prírode. Otvára sa pred ním nový svet – nepretržitý ruch obrovského množstva častíc. Najmenšie častice rýchlo preletia zorným poľom mikroskopu a takmer okamžite zmenia smer pohybu. Väčšie častice sa pohybujú pomalšie, no zároveň neustále menia smer pohybu. Veľké častice sú prakticky rozdrvené na mieste. Na ich výbežkoch je zreteľne vidieť rotáciu častíc okolo svojej osi, ktorá neustále mení smer v priestore. Nikde niet ani stopy po systéme či poriadku. Dominancia slepej náhody – to je silný, ohromujúci dojem, ktorý tento obraz na pozorovateľa vyvoláva.“

V súčasnosti koncept Brownov pohyb používané v širšom zmysle. Napríklad Brownov pohyb je vibrácia ihiel citlivých meracích prístrojov, ku ktorej dochádza v dôsledku tepelného pohybu atómov častí prístroja a prostredia.

Vysvetlenie Brownovho pohybu

Brownov pohyb možno vysvetliť iba na základe molekulárnej kinetickej teórie. Dôvodom Brownovho pohybu častice je, že dopady molekúl kvapaliny na časticu sa navzájom nerušia.. Obrázok 8.4 schematicky znázorňuje polohu jednej Brownovej častice a jej najbližších molekúl. Keď sa molekuly pohybujú náhodne, impulzy, ktoré prenášajú do Brownovej častice, napríklad doľava a doprava, nie sú rovnaké. Preto je výsledná tlaková sila molekúl kvapaliny na Brownovu časticu nenulová. Táto sila spôsobuje zmenu v pohybe častice.

Priemerný tlak má určitú hodnotu v plyne aj v kvapaline. Vždy však existujú menšie náhodné odchýlky od tohto priemeru. Čím menší je povrch tela, tým výraznejšie sú relatívne zmeny v tlakovej sile pôsobiacej na túto oblasť. Ak má teda napríklad oblasť veľkosť rádovo niekoľkých priemerov molekuly, potom sa tlaková sila, ktorá na ňu pôsobí, pri dopade molekuly na túto oblasť náhle zmení z nuly na určitú hodnotu.

Molekulárnu kinetickú teóriu Brownovho pohybu vytvoril v roku 1905 A. Einstein (1879-1955).

Zostrojenie teórie Brownovho pohybu a jej experimentálne potvrdenie francúzskym fyzikom J. Perrinom napokon zavŕšilo víťazstvo molekulárnej kinetickej teórie.

Perrinove experimenty

Myšlienka Perrinových experimentov je nasledovná. Je známe, že koncentrácia molekúl plynu v atmosfére klesá s nadmorskou výškou. Ak by nedošlo k tepelnému pohybu, potom by všetky molekuly dopadli na Zem a atmosféra by zanikla. Ak by však Zem nebola priťahovaná, molekuly by v dôsledku tepelného pohybu opustili Zem, pretože plyn je schopný neobmedzenej expanzie. Pôsobením týchto protichodných faktorov dochádza k určitému rozloženiu molekúl vo výške, ako je uvedené vyššie, t. j. koncentrácia molekúl s výškou pomerne rýchlo klesá. Navyše, čím väčšia je hmotnosť molekúl, tým rýchlejšie klesá ich koncentrácia s výškou.

Brownove častice sa podieľajú na tepelnom pohybe. Keďže ich interakcia je zanedbateľne malá, zhromaždenie týchto častíc v plyne alebo kvapaline možno považovať za ideálny plyn veľmi ťažkých molekúl. V dôsledku toho by koncentrácia Brownových častíc v plyne alebo kvapaline v gravitačnom poli Zeme mala klesať podľa rovnakého zákona ako koncentrácia molekúl plynu. Tento zákon je známy.

Perrin pomocou mikroskopu s vysokým zväčšením s malou hĺbkou ostrosti (malá hĺbka ostrosti) pozoroval Brownove častice vo veľmi tenkých vrstvách kvapaliny. Výpočtom koncentrácie častíc v rôznych výškach zistil, že táto koncentrácia klesá s výškou podľa rovnakého zákona ako koncentrácia molekúl plynu. Rozdiel je v tom, že kvôli veľkej hmotnosti Brownových častíc dochádza k poklesu veľmi rýchlo.

Navyše, počítanie Brownových častíc v rôznych výškach umožnilo Perrinovi určiť Avogadrovu konštantu pomocou úplne novej metódy. Hodnota tejto konštanty sa zhodovala so známou hodnotou.

Všetky tieto skutočnosti svedčia o správnosti teórie Brownovho pohybu a teda o tom, že Brownove častice sa podieľajú na tepelnom pohybe molekúl.

Jasne ste videli existenciu tepelného pohybu; videl chaotický pohyb. Molekuly sa pohybujú ešte náhodnejšie ako Brownove častice.

Podstata javu

Teraz sa pokúsme pochopiť podstatu fenoménu Brownovho pohybu. A stáva sa to preto, že všetky absolútne kvapaliny a plyny pozostávajú z atómov alebo molekúl. Ale tiež vieme, že tieto drobné častice, ktoré sú v nepretržitom chaotickom pohybe, neustále tlačia Brownovu časticu z rôznych smerov.

Čo je však zaujímavé, vedci dokázali, že častice väčších rozmerov, ktoré presahujú 5 mikrónov, zostávajú nehybné a takmer sa nezúčastňujú Brownovho pohybu, čo sa nedá povedať o menších časticiach. Častice s veľkosťou menšou ako 3 mikróny sú schopné translačne sa pohybovať, vykonávať rotácie alebo zapisovať zložité trajektórie.

Keď je veľké teleso ponorené do prostredia, otrasy vyskytujúce sa vo veľkom množstve dosahujú priemernú úroveň a udržiavajú konštantný tlak. V tomto prípade vstupuje do hry Archimedova teória, pretože veľké teleso obklopené prostredím zo všetkých strán vyrovnáva tlak a zostávajúca zdvíhacia sila umožňuje tomuto telesu plávať alebo klesať.

Ale ak má teleso rozmery ako Brownova častica, to znamená úplne nepostrehnuteľné, potom sa stanú viditeľnými odchýlky tlaku, ktoré prispievajú k vytvoreniu náhodnej sily, ktorá vedie k vibráciám týchto častíc. Možno konštatovať, že Brownove častice v médiu sú v suspenzii, na rozdiel od veľkých častíc, ktoré klesajú alebo plávajú.

Význam Brownovho pohybu

Pokúsme sa zistiť, či má Brownov pohyb nejaký význam v prírodnom prostredí:

Po prvé, Brownov pohyb hrá významnú úlohu vo výžive rastlín z pôdy;
Po druhé, v ľudských a zvieracích organizmoch dochádza k absorpcii živín cez steny tráviacich orgánov v dôsledku Brownovho pohybu;
Po tretie, pri vykonávaní dýchania kože;
A nakoniec, Brownov pohyb je dôležitý pri distribúcii škodlivých látok vo vzduchu a vo vode.

Domáca úloha

Pozorne si prečítajte otázky a odpovedzte na ne písomne:

1. Pamätáte si, čo sa nazýva difúzia?
2. Aký je vzťah medzi difúziou a tepelným pohybom molekúl?
3. Definujte Brownov pohyb.
4. Myslíte si, že Brownov pohyb je tepelný a zdôvodnite svoju odpoveď?
5. Zmení sa povaha Brownovho pohybu pri zahrievaní? Ak sa to zmení, ako presne?
6. Aké zariadenie sa používa na štúdium Brownovho pohybu?
7. Mení sa vzor Brownovho pohybu so zvyšujúcou sa teplotou a ako presne?
8. Nastanú nejaké zmeny v Brownovom pohybe, ak sa vodná emulzia nahradí glycerolom?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fyzika 10. ročník

« Fyzika - 10. ročník"

Zapamätajte si fenomén difúzie z kurzu fyziky na základnej škole.
Ako možno tento jav vysvetliť?

Predtým ste sa dozvedeli, čo to je difúzia, teda prienik molekúl jednej látky do medzimolekulového priestoru inej látky. Tento jav je určený náhodným pohybom molekúl. To môže vysvetliť napríklad skutočnosť, že objem zmesi vody a alkoholu je menší ako objem jej zložiek.

Najzrejmejší dôkaz pohybu molekúl však možno získať pozorovaním najmenších častíc akejkoľvek pevnej látky suspendovanej vo vode mikroskopom. Tieto častice podliehajú náhodnému pohybu, ktorý je tzv Brownian.

Brownov pohyb je tepelný pohyb častíc suspendovaných v kvapaline (alebo plyne).

Pozorovanie Brownovho pohybu.

Anglický botanik R. Brown (1773-1858) prvýkrát pozoroval tento jav v roku 1827, keď mikroskopom skúmal spóry machu suspendované vo vode.

Neskôr sa pozrel na ďalšie malé častice, vrátane kúskov kameňa z egyptských pyramíd. V súčasnosti na pozorovanie Brownovho pohybu používajú častice gumovej farby, ktorá je nerozpustná vo vode. Tieto častice sa pohybujú náhodne. Pre nás najúžasnejšie a nezvyčajné je, že tento pohyb sa nikdy nezastaví. Sme zvyknutí na to, že každé pohybujúce sa teleso sa skôr či neskôr zastaví. Brown si spočiatku myslel, že spóry machu vykazujú známky života.

Brownov pohyb je tepelný pohyb a nemôže sa zastaviť. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje jej intenzita.

Obrázok 8.3 ukazuje trajektórie Brownových častíc. Polohy častíc označené bodkami sa určujú v pravidelných intervaloch 30 s. Tieto body sú spojené rovnými čiarami. V skutočnosti je trajektória častíc oveľa zložitejšia.

Vysvetlenie Brownovho pohybu.

Brownov pohyb možno vysvetliť iba na základe molekulárnej kinetickej teórie.

„Máloktorý jav dokáže zaujať pozorovateľa tak ako Brownov pohyb. Tu je pozorovateľovi umožnené nahliadnuť do zákulisia diania v prírode. Otvára sa pred ním nový svet – nepretržitý ruch obrovského množstva častíc. Najmenšie častice rýchlo preletia zorným poľom mikroskopu a takmer okamžite zmenia smer pohybu. Väčšie častice sa pohybujú pomalšie, no zároveň neustále menia smer pohybu. Veľké častice sú prakticky rozdrvené na mieste. Na ich výbežkoch je zreteľne vidieť rotáciu častíc okolo svojej osi, ktorá neustále mení smer v priestore. Nikde niet ani stopy po systéme či poriadku. Dominancia slepej náhody – to je silný, ohromujúci dojem, ktorý tento obraz na pozorovateľa vyvoláva.“ R. Paul (1884-1976).

Dôvodom Brownovho pohybu častice je, že dopady molekúl kvapaliny na časticu sa navzájom nerušia.

Obrázok 8.4 schematicky znázorňuje polohu jednej Brownovej častice a jej najbližších molekúl.

Keď sa molekuly pohybujú náhodne, impulzy, ktoré prenášajú do Brownovej častice, napríklad doľava a doprava, nie sú rovnaké. Preto je výsledná tlaková sila molekúl kvapaliny na Brownovu časticu nenulová. Táto sila spôsobuje zmenu v pohybe častice.

Molekulárnu kinetickú teóriu Brownovho pohybu vytvoril v roku 1905 A. Einstein (1879-1955). Zostrojenie teórie Brownovho pohybu a jej experimentálne potvrdenie francúzskym fyzikom J. Perrinom napokon zavŕšilo víťazstvo molekulárnej kinetickej teórie. V roku 1926 dostal J. Perrin Nobelovu cenu za štúdium štruktúry hmoty.

Perrinove experimenty.

Myšlienka Perrinových experimentov je nasledovná. Je známe, že koncentrácia molekúl plynu v atmosfére klesá s nadmorskou výškou. Ak by nedošlo k tepelnému pohybu, potom by všetky molekuly dopadli na Zem a atmosféra by zanikla. Ak by však Zem nebola priťahovaná, molekuly by v dôsledku tepelného pohybu opustili Zem, pretože plyn je schopný neobmedzenej expanzie. Pôsobením týchto protichodných faktorov dochádza k určitému rozloženiu molekúl vo výške, to znamená, že koncentrácia molekúl s výškou pomerne rýchlo klesá. Navyše, čím väčšia je hmotnosť molekúl, tým rýchlejšie klesá ich koncentrácia s výškou.

Brownove častice sa podieľajú na tepelnom pohybe. Keďže ich vzájomné pôsobenie je zanedbateľné, zhromažďovanie týchto častíc v plyne alebo kvapaline možno považovať za ideálny plyn veľmi ťažkých molekúl. V dôsledku toho by koncentrácia Brownových častíc v plyne alebo kvapaline v gravitačnom poli Zeme mala klesať podľa rovnakého zákona ako koncentrácia molekúl plynu. Tento zákon je známy.

Perrin pomocou mikroskopu s vysokým zväčšením s malou hĺbkou ostrosti (malá hĺbka ostrosti) pozoroval Brownove častice vo veľmi tenkých vrstvách kvapaliny. Výpočtom koncentrácie častíc v rôznych výškach zistil, že táto koncentrácia klesá s výškou podľa rovnakého zákona ako koncentrácia molekúl plynu. Rozdiel je v tom, že kvôli veľkej hmotnosti Brownových častíc dochádza k poklesu veľmi rýchlo.

Všetky tieto skutočnosti svedčia o správnosti teórie Brownovho pohybu a o tom, že Brownove častice sa podieľajú na tepelnom pohybe molekúl.

Počítanie Brownových častíc v rôznych nadmorských výškach umožnilo Perrinovi určiť Avogadrovu konštantu pomocou úplne novej metódy. Hodnota tejto konštanty sa zhodovala s predtým známou konštantou.

Dnes sa bližšie pozrieme na dôležitú tému – zadefinujeme Brownov pohyb malých kúskov hmoty v kvapaline alebo plyne.

Mapa a súradnice

Niektorí školáci, sužovaní nudnými hodinami, nechápu, prečo študovať fyziku. Medzitým to bola táto veda, ktorá kedysi umožnila objaviť Ameriku!

Začnime z diaľky. Staroveké civilizácie Stredomoria mali v istom zmysle šťastie: vyvinuli sa na brehoch uzavretej vnútrozemskej vodnej plochy. Stredozemné more sa tak nazýva, pretože je zo všetkých strán obklopené pevninou. A starovekí cestovatelia mohli so svojou výpravou cestovať dosť ďaleko bez toho, aby stratili z dohľadu pobrežia. Obrysy krajiny pomáhali pri navigácii. A prvé mapy boli vypracované skôr popisne ako geograficky. Vďaka týmto relatívne krátkym plavbám sa Gréci, Feničania a Egypťania stali veľmi dobrými v stavaní lodí. A kde je najlepšie vybavenie, tam je túžba posúvať hranice svojho sveta.

Preto sa jedného krásneho dňa európske mocnosti rozhodli vstúpiť do oceánu. Počas plavby naprieč nekonečnými priestranstvami medzi kontinentmi videli námorníci dlhé mesiace iba vodu a museli si nejako nájsť cestu. Vynález presných hodiniek a kvalitného kompasu pomohol určiť súradnice.

Hodiny a kompas

Námorníkom výrazne pomohol vynález malých ručných chronometrov. Aby presne určili, kde sa nachádzajú, potrebovali mať jednoduchý prístroj, ktorý meral výšku slnka nad obzorom, a vedieť, kedy je presne poludnie. A vďaka kompasu kapitáni lodí vedeli, kam idú. Hodiny aj vlastnosti magnetickej ihly študovali a vytvorili fyzici. Vďaka tomu sa Európanom otvoril celý svet.

Nové kontinenty boli terra incognita, neprebádané krajiny. Rástli na nich zvláštne rastliny a našli sa zvláštne zvieratá.

Rastliny a fyzika

Všetci prírodovedci civilizovaného sveta sa ponáhľali študovať tieto nové podivné ekologické systémy. A samozrejme sa snažili z nich profitovať.

Robert Brown bol anglický botanik. Cestoval do Austrálie a Tasmánie a zbieral tam zbierky rastlín. Už doma v Anglicku usilovne pracoval na popise a klasifikácii prineseného materiálu. A tento vedec bol veľmi precízny. Jedného dňa, keď pozoroval pohyb peľu v rastlinnej šťave, si všimol: malé častice neustále robia chaotické kľukaté pohyby. Toto je definícia Brownovho pohybu malých prvkov v plynoch a kvapalinách. Vďaka objavu sa úžasný botanik zapísal do dejín fyziky!

Brown a Gooey

V európskej vede je zvykom pomenovať účinok alebo jav po osobe, ktorá ho objavila. Ale často sa to stane náhodou. Ale ten, kto opisuje, objavuje dôležitosť alebo podrobnejšie skúma fyzikálny zákon, sa ocitne v tieni. Stalo sa tak s Francúzom Louisom Georgesom Gouyom. Bol to on, kto dal definíciu Brownovho pohybu (7. ročník o ňom pri štúdiu tejto témy vo fyzike rozhodne nepočuje).

Gouyov výskum a vlastnosti Brownovho pohybu

Francúzsky experimentátor Louis Georges Gouy pozoroval pohyb rôznych typov častíc vo viacerých kvapalinách vrátane roztokov. Vtedajšia veda už dokázala presne určiť veľkosť kúskov hmoty až na desatiny mikrometra. Pri skúmaní toho, čo je Brownov pohyb (bol to Gouy, kto dal definíciu tohto javu vo fyzike), si vedec uvedomil: intenzita pohybu častíc sa zvyšuje, ak sú umiestnené v menej viskóznom médiu. Ako širokospektrálny experimentátor vystavil suspenziu svetlu a elektromagnetickým poliam rôznej sily. Vedec zistil, že tieto faktory žiadnym spôsobom neovplyvňujú chaotické kľukaté skoky častíc. Gouy jednoznačne ukázal, čo dokazuje Brownov pohyb: tepelný pohyb molekúl kvapaliny alebo plynu.

Tím a hmotnosť

Teraz si podrobnejšie popíšeme mechanizmus cikcakových skokov malých kúskov hmoty v kvapaline.

Akákoľvek látka pozostáva z atómov alebo molekúl. Tieto prvky sveta sú veľmi malé, žiadny optický mikroskop ich nevidí. V kvapaline neustále oscilujú a pohybujú sa. Keď akákoľvek viditeľná častica vstúpi do roztoku, jej hmotnosť je tisíckrát väčšia ako jeden atóm. Brownov pohyb molekúl kvapaliny prebieha chaoticky. Ale napriek tomu sú všetky atómy alebo molekuly kolektív, sú navzájom spojené, ako ľudia, ktorí si podávajú ruky. Preto sa občas stáva, že atómy kvapaliny na jednej strane častice sa pohybujú tak, že na ňu „tlačia“, pričom na druhej strane častice vzniká menej husté prostredie. Preto sa prachová častica pohybuje v priestore roztoku. Inde kolektívny pohyb molekúl tekutín náhodne ovplyvňuje druhú stranu masívnejšieho komponentu. Presne tak dochádza k Brownovmu pohybu častíc.

Čas a Einstein

Ak má látka nenulovú teplotu, jej atómy podliehajú tepelným vibráciám. Preto aj vo veľmi studenej alebo podchladenej kvapaline existuje Brownov pohyb. Tieto chaotické skoky malých suspendovaných častíc sa nikdy nezastavia.

Albert Einstein je možno najznámejším vedcom dvadsiateho storočia. Každý, kto sa aspoň trochu zaujíma o fyziku, pozná vzorec E = mc 2. Mnohí si možno spomenú aj na fotoelektrický jav, za ktorý dostal Nobelovu cenu, a špeciálnu teóriu relativity. Málokto však vie, že Einstein vyvinul vzorec pre Brownov pohyb.

Na základe molekulárnej kinetickej teórie vedec odvodil koeficient difúzie suspendovaných častíc v kvapaline. A to sa stalo v roku 1905. Vzorec vyzerá takto:

D = (R * T) / (6 * NA * a * π * ξ),

kde D je požadovaný koeficient, R je univerzálna konštanta plynu, T je absolútna teplota (vyjadrená v Kelvinoch), N A je Avogadrova konštanta (zodpovedá jednému mólu látky alebo približne 10 23 molekulám), a je približný priemer polomer častíc, ξ je dynamická viskozita kvapaliny alebo roztoku.

A už v roku 1908 francúzsky fyzik Jean Perrin a jeho študenti experimentálne dokázali správnosť Einsteinových výpočtov.

Jedna častica v poli bojovníka

Vyššie sme opísali kolektívny vplyv prostredia na mnohé častice. Ale aj jeden cudzí prvok v kvapaline môže spôsobiť vznik určitých vzorcov a závislostí. Ak napríklad dlhodobo pozorujete Brownovu časticu, môžete zaznamenať všetky jej pohyby. A z tohto chaosu vznikne harmonický systém. Priemerný pohyb Brownovej častice v akomkoľvek smere je úmerný času.

Pri pokusoch na častici v kvapaline sa spresnili tieto množstvá:

• Boltzmannova konštanta;
• Avogadroovo číslo.

Okrem lineárneho pohybu je charakteristická aj chaotická rotácia. A priemerný uhlový posun je tiež úmerný času pozorovania.

Veľkosti a tvary

Po takejto úvahe môže vzniknúť logická otázka: prečo sa tento efekt nepozoruje pri veľkých telesách? Pretože keď je rozsah objektu ponoreného do kvapaliny väčší ako určitá hodnota, potom sa všetky tieto náhodné kolektívne „stlačenia“ molekúl zmenia na konštantný tlak, ako sú spriemerované. A generál Archimedes už pôsobí na telo. Tak sa potopí veľký kus železa a vo vode pláva kovový prach.

Veľkosť častíc, ktorých príkladom je odhalenie kolísania molekúl kvapaliny, by nemala presiahnuť 5 mikrometrov. Pokiaľ ide o veľké objekty, tento efekt nebude viditeľný.