Linija UMK A. V. Grachev. fizika (7-9)

Linija UMK A. V. Grachev. Fizika (10-11) (osnovni, napredni)

Brownovo kretanje

Smo dobili novi format! Sada možete poslušati članak.

1. Čestice

Znamo da se sva materija sastoji od ogromnog broja vrlo, vrlo malih čestica koje su u neprekidnom i nasumičnom kretanju. Kako smo to znali? Kako su naučnici mogli saznati o postojanju čestica tako malih da ih nijedan optički mikroskop ne može vidjeti? I još više, kako su uspjeli otkriti da su te čestice u neprekidnom i nasumičnom kretanju? Dva fenomena pomogla su naučnicima da to shvate - Brownovo kretanje i difuzija. O ovim fenomenima ćemo govoriti detaljnije.

2. Braunovo kretanje

Engleski naučnik Robert Braun nije bio ni fizičar ni hemičar. Bio je botaničar. I uopće nije očekivao da će otkriti tako važan fenomen za fizičare i hemičare. I nije mogao ni slutiti da će u svojim prilično jednostavnim eksperimentima uočiti rezultat haotičnog kretanja molekula. I bilo je upravo tako.

Šta su to bili eksperimenti? Bile su skoro iste kao što učenici rade na časovima biologije kada pokušavaju da ispitaju, na primer, biljne ćelije mikroskopom. Robert Brown je želio da ispita polen biljaka pod mikroskopom. Gledajući zrnca polena u kapi vode, primijetio je da zrnca ne miruju, već se neprestano trzaju, kao da su živa. Vjerovatno je tako mislio u početku, ali kao naučnik, naravno, odbacio je ovu pomisao. Nije shvatio zašto se ova polenova zrnca ponašaju na tako čudan način, ali je opisao sve što je vidio, a ovaj opis je pao u ruke fizičara, koji su odmah shvatili da imaju vizualne dokaze kontinuiranog i nasumičnog kretanja čestica.

Ovo kretanje, koje opisuje Brown, objašnjava se na sljedeći način: polenova zrna su dovoljno velika da ih možemo vidjeti običnim mikroskopom, ali ne vidimo molekule vode, ali su, istovremeno, polenova zrna dovoljno mala da zbog na udare duž njih, molekuli vode koji su ih okruživali sa svih strana, pomjerali su se prvo u jednom smjeru, zatim u drugom. Odnosno, ovaj haotičan „ples“ polenovih zrnaca u kapi vode pokazao je da molekuli vode neprekidno i nasumično udaraju u polenova zrna sa različitih strana i istiskuju ih. Od tada se naziva kontinuirano i haotično kretanje malih čvrstih čestica u tekućini ili plinu braunovsko kretanje. Najvažnija karakteristika ovog kretanja je da je kontinuirano, odnosno da nikada ne prestaje.

3. Difuzija

Difuzija je još jedan primjer jasnih dokaza o kontinuiranom i nasumičnom kretanju molekula. A leži u činjenici da se plinovite tvari, tekućine, pa čak i čvrste tvari, iako mnogo sporije, mogu same miješati jedna s drugom. Na primjer, mirisi razne supstanceširio se u zraku čak iu odsustvu vjetra upravo zbog ovog samomiješanja. Ili evo još jednog primjera - ako bacite nekoliko kristala kalijum permanganata u čašu vode i pričekate oko jedan dan bez miješanja vode, tada ćemo vidjeti da će sva voda u čaši biti ravnomjerno obojena. To je zbog kontinuiranog kretanja molekula koje mijenjaju mjesta, a tvari se postupno miješaju same od sebe bez vanjskog utjecaja.

Knjiga je namenjena srednjoškolcima, studentima, nastavnicima i nastavnicima fizike, kao i svima onima koji žele da razumeju šta se dešava u svetu oko nas, i da neguju naučni pogled na svu raznolikost prirodnih pojava. Svaki dio knjige je zapravo skup fizički zadaci, rješavanjem kojih će čitalac ojačati svoje razumijevanje fizičkih zakona i naučiti ih primijeniti u slučajevima od praktičnog interesa.

4. Svojstva Brownovog kretanja i difuzije

Kada su fizičari počeli pažljivije da promatraju fenomen koji je opisao Robert Brown, primijetili su da se, kao i difuzija, ovaj proces može ubrzati povećanjem temperature. To jest, u vruća voda i bojenje kalijum permanganatom će se dogoditi brže, a kretanje malih čvrstih čestica, na primjer, grafitnih čipova ili istih polenovih zrna, događa se s većim intenzitetom. Time je potvrđena činjenica da brzina haotičnog kretanja molekula direktno ovisi o temperaturi. Ne ulazeći u detalje, navodimo faktore od kojih mogu ovisiti i intenzitet Brownovog kretanja i brzina difuzije:

1) o temperaturi;

2) o vrsti materije u kojoj se ti procesi odvijaju;

3) iz agregatnog stanja.

To jest, u jednaka temperaturi difuzija gasovitih supstanci odvija se mnogo brže od tečnosti, a da ne govorimo o difuziji čvrstih materija, koja se odvija tako sporo da se njen rezultat, pa čak i tada vrlo beznačajan, može primetiti ili veoma visoke temperature, ili veoma dugo - godinama ili čak decenijama.

5. Praktična primjena

Difuzija je, čak i bez praktične primjene, od velike važnosti ne samo za ljude, već i za sav život na Zemlji: zahvaljujući difuziji kisik ulazi u našu krv kroz pluća, upravo difuzijom biljke izvlače vodu iz tla, upijaju ugljični dioksid iz atmosfere i oslobađaju ga u njoj kisik, a ribe udišu kisik u vodi, koji iz atmosfere difuzijom ulazi u vodu.

Fenomen difuzije se također koristi u mnogim područjima tehnologije, a to je difuzija u čvrste materije. Na primjer, postoji takav proces - difuzijsko zavarivanje. U tom procesu se dijelovi vrlo snažno pritiskaju jedan na drugi, zagrijavaju do 800°C i difuzijom se međusobno povezuju. Zahvaljujući difuziji, Zemljina atmosfera, koja se sastoji od velikog broja različitih gasova, nije po sastavu podeljena na zasebne slojeve, već je svuda približno homogena - a da je drugačije, teško bismo mogli da dišemo.

Postoji ogroman broj primjera utjecaja difuzije na naše živote i na cijelu prirodu, koje svako od vas može pronaći ako želi. Ali malo se može reći o primjeni Brownovog kretanja, osim da se sama teorija, koja opisuje ovo kretanje, može primijeniti na druge naizgled potpuno nepovezane fenomene, fenomene. Na primjer, ova teorija se koristi za opisivanje nasumičnih procesa, koristeći veliku količinu podataka i statistike – kao što su promjene cijena. Brownova teorija kretanja se koristi za stvaranje realistične kompjuterske grafike. Zanimljivo je da se osoba izgubljena u šumi kreće na isti način kao i Brownove čestice - luta s jedne strane na drugu, više puta prelazeći svoju putanju.

1) Prilikom pričanja razreda o Brownovom kretanju i difuziji potrebno je naglasiti da ove pojave ne dokazuju postojanje molekula, već dokazuju činjenicu njihovog kretanja i da je ono nesređeno – haotično.

2) Posebno obratite pažnju da se radi o kontinuiranom kretanju ovisno o temperaturi, odnosno o toplinskom kretanju koje nikada ne može prestati.

3) Demonstrirajte difuziju pomoću vode i kalijum permanganata tako što ćete najradoznaliju djecu uputiti da provedu sličan eksperiment kod kuće i fotografirati vodu s kalijum permanganatom svakih sat ili dva u toku dana (vikendom će djeca to raditi sa zadovoljstvom, i oni će vam poslati fotografiju). Bolje je ako u takvom eksperimentu postoje dvije posude s vodom - hladnom i toplom, tako da možete jasno pokazati ovisnost brzine difuzije o temperaturi.

4) Pokušajte izmjeriti brzinu difuzije u učionici koristeći npr. dezodorans - na jednom kraju učionice prskamo malu količinu aerosola, a 3-5 metara od ovog mjesta učenik štopericom mjeri vrijeme nakon čega će mirisati. I zabavno je i zanimljivo, a djeci će se dugo pamtiti!

5) Razgovarajte s djecom o konceptu haosa i činjenici da čak iu haotičnim procesima naučnici pronalaze neke obrasce.

Brownovo kretanje - nasumično kretanje mikroskopskih vidljivih čestica suspendovanih u tečnosti ili gasu solidan uzrokovano toplinskim kretanjem čestica tekućine ili plina. Brownovsko kretanje nikada ne prestaje. Brownovo kretanje je povezano s toplinskim kretanjem, ali ove koncepte ne treba miješati. Braunovo kretanje je posledica i dokaz postojanja toplotnog kretanja.

Brownovo kretanje je najočitija eksperimentalna potvrda ideja molekularne kinetičke teorije o haotičnom toplinskom kretanju atoma i molekula. Ako je interval promatranja dovoljno velik da sile koje djeluju na česticu iz molekula medija mijenjaju svoj smjer mnogo puta, tada će prosječni kvadrat projekcije njenog pomaka na neku osu (u nedostatku drugih spoljne sile) je proporcionalna vremenu.
Prilikom izvođenja Einsteinovog zakona, pretpostavlja se da su pomaci čestica u bilo kojem smjeru jednako vjerovatni i da se inercija Brownove čestice može zanemariti u odnosu na utjecaj sila trenja (ovo je prihvatljivo za dovoljno duga vremena). Formula za koeficijent D temelji se na primjeni Stokesovog zakona za hidrodinamički otpor kretanju sfere polumjera a u viskoznoj tekućini. Odnos za i D eksperimentalno je potvrđen mjerenjima J. Perrina i T. Svedberga. Iz ovih mjerenja eksperimentalno se određuju Boltzmannova konstanta k i Avogadrova konstanta NA. Pored translacionog Brownovog kretanja, postoji i rotacijsko Brownovo kretanje - slučajna rotacija Brownove čestice pod utjecajem udara molekula medija. Za rotacijsko Brownovo kretanje, rms ugaoni pomak čestice je proporcionalan vremenu posmatranja. Ove veze su potvrdili i Perinovi eksperimenti, iako je ovaj efekat mnogo teže uočiti od translacionog Brownovog kretanja.

Suština fenomena

Brownovo kretanje nastaje zbog činjenice da se sve tekućine i plinovi sastoje od atoma ili molekula - najmanjih čestica koje su u stalnom haotičnom toplinskom kretanju, te stoga neprekidno guraju Brownove čestice s različitih strana. Utvrđeno je da velike čestice veće od 5 µm praktički ne učestvuju u Brownovom kretanju (nepokretne su ili sedimentne), manje čestice (manje od 3 µm) kreću se naprijed po vrlo složenim putanjama ili rotiraju. Kada je veliko tijelo uronjeno u medij, udari koji se javljaju u velikom broju se prosječuju i formiraju konstantan pritisak. Ako je veliko tijelo okruženo medijumom sa svih strana, tada je samo pritisak praktično uravnotežen sila dizanja Arhimed - takvo tijelo glatko pluta ili tone. Ako je tijelo malo, poput Brownove čestice, tada postaju primjetne fluktuacije tlaka koje stvaraju primjetnu silu koja se nasumično mijenja, što dovodi do oscilacija čestice. Brownove čestice obično ne tonu i ne plutaju, već su suspendirane u mediju.

Brownova teorija kretanja

Godine 1905. Albert Ajnštajn je stvorio molekul kinetička teorija za kvantitativni opis Brownovog kretanja, a posebno je izveo formulu za koeficijent difuzije sfernih Brownovih čestica:

gdje D- koeficijent difuzije, R je univerzalna plinska konstanta, T - apsolutna temperatura,N / A je Avogadrova konstanta, a- radijus čestice, ξ - dinamički viskozitet.

Brownovo kretanje kao nemarkovsko
slučajni proces

Teorija Brownovog kretanja, dobro razvijena tokom prošlog stoljeća, je približna. I iako u većini slučajeva od praktičnog značaja postojeća teorija daje zadovoljavajuće rezultate, u nekim slučajevima može zahtijevati pojašnjenje. Tako je eksperimentalni rad izveden početkom 21 Politehnički univerzitet Lausanne, Univerzitet Teksas i Evropska laboratorija za molekularnu biologiju u Heidelbergu (pod rukovodstvom S. Janeyja) pokazali su razliku u ponašanju Brownove čestice od onog što je teorijski predviđeno teorijom Einstein-Smoluchowski, što je bilo posebno uočljivo s povećanjem veličine čestica. Studije su se dotakle i analize kretanja okolnih čestica medijuma i pokazale značajan međusobni uticaj kretanja Brownove čestice i kretanja čestica medija koje ona izaziva jedna na drugu, tj. prisustvo "memorije" u braunovskoj čestici, ili, drugim rečima, njena zavisnost statističke karakteristike u budućnosti iz čitave praistorije njenog ponašanja u prošlosti. Ova činjenica nije uzeta u obzir u teoriji Einstein-Smoluchowski.
Proces Brownovog kretanja čestice u viskoznom mediju, općenito govoreći, spada u klasu nemarkovskih procesa, a za njegov precizniji opis potrebno je koristiti integralne stohastičke jednadžbe.

Kada je pod mikroskopom promatrao suspenziju cvjetnog polena u vodi, Brown je uočio haotično kretanje čestica koje nastaje "ne iz kretanja tečnosti i ne iz njenog isparavanja". Suspendirane čestice veličine 1 µm ili manje, vidljive samo pod mikroskopom, izvodile su neuređene nezavisne pokrete, opisujući složene cik-cak putanje. Brownovo kretanje ne slabi s vremenom i ne zavisi od hemijska svojstva okoline, njegov intenzitet raste sa porastom temperature medija i sa smanjenjem njegovog viskoziteta i veličine čestica. Čak je i kvalitativno objašnjenje uzroka Brownovog kretanja bilo moguće tek 50 godina kasnije, kada se uzrok Brownovog kretanja počeo povezivati ​​s udarom molekula tekućine na površinu čestice koja je u njoj suspendirana.

Prvu kvantitativnu teoriju Brownovog kretanja dali su A. Einstein i M. Smoluchowski 1905-06. zasnovano na teoriji molekularne kinetike. Pokazalo se da su slučajni hodanja Brownovih čestica povezana s njihovim učešćem u termičkom kretanju zajedno s molekulima medija u kojem su suspendirane. Čestice imaju u prosjeku isto kinetička energija, ali zbog veće mase imaju manju brzinu. Teorija Brownovog kretanja objašnjava nasumično kretanje čestice djelovanjem nasumičnih sila molekula i sila trenja. Prema ovoj teoriji, molekuli tekućine ili plina su u stalnom toplinskom kretanju, a impulsi različitih molekula nisu isti po veličini i smjeru. Ako je površina čestice smještene u takav medij mala, kao što je slučaj s Brownovskom česticom, tada se udari koje čestica doživljava od okolnih molekula neće biti točno kompenzirani. Stoga, kao rezultat “bombardiranja” molekula, Brownova čestica počinje da se kreće nasumično, mijenjajući veličinu i smjer svoje brzine otprilike 10 14 puta u sekundi. Iz ove teorije slijedi da, mjerenjem pomaka čestice za određeno vrijeme i znajući njegov radijus i viskozitet tečnosti, možete izračunati Avogadro broj.

Kada se posmatra Brownovo kretanje, pozicija čestice je fiksirana u pravilnim intervalima. Što su vremenski intervali kraći, putanja čestice će izgledati isprekidanije.

Obrasci Brownovog kretanja služe kao jasna potvrda temeljnih odredbi molekularne kinetičke teorije. Konačno je utvrđeno da je termički oblik kretanja materije posljedica haotičnog kretanja atoma ili molekula koji čine makroskopska tijela.

Teorija Brownovog kretanja imala je važnu ulogu u utemeljenju statističke mehanike, a na njoj se temelji kinetička teorija koagulacije vodenih otopina. Osim toga, ima i praktični značaj u mjeriteljstvu, budući da se Braunovo kretanje smatra glavnim faktorom koji ograničava tačnost. merni instrumenti. Na primjer, granica tačnosti očitavanja zrcalnog galvanometra određena je podrhtavanjem ogledala, poput Brownove čestice bombardirane molekulima zraka. Zakoni Brownovog kretanja određuju nasumično kretanje elektrona, uzrokujući buku električna kola. Dielektrični gubici u dielektricima se objašnjavaju nasumičnim kretanjima dipolnih molekula koji čine dielektrik. Nasumična kretanja jona u otopinama elektrolita povećavaju njihov električni otpor.

Brownovo kretanje

U drugoj polovini 20. veka u naučnim krugovima rasplamsala se ozbiljna rasprava o prirodi atoma. S jedne strane bili su nepobitni autoriteti poput Ernsta Macha (cm. udarni talasi), koji su tvrdili da su atomi jednostavno matematičke funkcije, koji uspješno opisuju uočeno fizičke pojave a nema prave fizičku osnovu. S druge strane, naučnici novog talasa - posebno Ludwig Boltzmann ( cm. Boltzmannova konstanta) - insistirao je da su atomi fizičke realnosti. I nijedna od dvije strane nije bila svjesna da su već decenijama prije početka njihovog spora dobiveni eksperimentalni rezultati koji su jednom za svagda riješili pitanje u korist postojanja atoma kao fizičke stvarnosti – međutim, oni su dobijeni u disciplina prirodnih nauka pored fizike botaničara Roberta Brauna.

Još u ljeto 1827., Brown je proučavajući ponašanje polena pod mikroskopom (proučavao je vodenu suspenziju biljnog polena Clarkia pulchella), iznenada otkrio da pojedinačne spore čine apsolutno haotične impulsivne pokrete. Sa sigurnošću je utvrdio da ta kretanja nisu ni na koji način povezana ni s vrtlozima i strujama vode, niti s njenim isparavanjem, nakon čega je, opisavši prirodu kretanja čestica, iskreno potpisao vlastitu nemoć da objasni porijeklo vode. ovaj haotični pokret. Međutim, kao pedantan eksperimentator, Brown je otkrio da je takav haotični pokret karakterističan za sve mikroskopske čestice, bilo da se radi o polenu biljaka, mineralnim suspenzijama ili bilo kojoj zgnječenoj tvari općenito.

Tek 1905. godine niko drugi do Albert Einstein je prvi put shvatio da ovaj misteriozni, na prvi pogled, fenomen služi kao najbolja eksperimentalna potvrda ispravnosti atomske teorije strukture materije. Objasnio je to otprilike ovako: spora suspendirana u vodi je podvrgnuta stalnom "bombardiranju" nasumično pokretnim molekulima vode. U prosjeku, molekuli djeluju na njega sa svih strana jednakim intenzitetom i u pravilnim intervalima. Međutim, koliko god bio mali spor, zbog čisto slučajnih odstupanja, prvo prima impuls sa strane molekule koja ga je udarila s jedne strane, zatim sa strane molekula koja ga je udarila s druge strane, itd. kao rezultat usrednjavanja ovakvih sudara, ispada da se u nekom trenutku čestica "trzne" u jednom smjeru, a zatim, ako je s druge strane "gurnu" više molekula, u drugom smjeru, itd. Koristeći zakone matematičke statistike i molekularne kinetičke teorije gasova, Ajnštajn je izveo jednačinu koja opisuje zavisnost srednjeg kvadrata pomaka Brownove čestice o makroskopskim parametrima. ( Zanimljiva činjenica: u jednom od tomova njemačkog časopisa "Annals of Physics" ( Annalen der Physik) 1905. godine objavljena su tri Ajnštajnova članka: članak sa teorijskim objašnjenjem Brownovog kretanja, članak o osnovama specijalne teorije relativnosti i, konačno, članak koji opisuje teoriju fotoelektričnog efekta. Za potonje je nagrađen Albert Ajnštajn nobelova nagrada na fizici 1921.)

Godine 1908. francuski fizičar Jean-Baptiste Perrin (Jean-Baptiste Perrin, 1870-1942) izveo je briljantnu seriju eksperimenata koji su potvrdili ispravnost Ajnštajnovog objašnjenja fenomena Brownovog kretanja. Konačno je postalo jasno da je uočeno "haotično" kretanje Brownovih čestica posljedica intermolekularnih sudara. Budući da "korisne matematičke konvencije" (prema Machu) ne mogu dovesti do vidljivih i savršeno stvarnih kretanja fizičke čestice, postalo je konačno jasno da je rasprava o stvarnosti atoma završena: oni postoje u prirodi. Kao “bonus igru”, Perrin je dobio formulu koju je izveo Ajnštajn, koja je omogućila Francuzu da analizira i proceni prosečan broj atoma i/ili molekula koji se sudaraju sa česticom suspendovanom u tečnosti tokom datog vremenskog perioda i koristeći ovaj indikator, izračunajte molarne brojeve različitih tečnosti. Ova ideja se zasnivala na činjenici da svaki ovog trenutka vrijeme, ubrzanje suspendirane čestice ovisi o broju sudara s molekulima medija ( cm. Newtonovi zakoni mehanike), a time i na broj molekula po jedinici zapremine tečnosti. A ovo nije ništa drugo Avogadrov broj (cm. Avogadrov zakon) jedna je od temeljnih konstanti koje određuju strukturu našeg svijeta.

Brownovo kretanje je haotično i nasumično kretanje malih čestica, obično molekula u različitim tekućinama ili plinovima. Razlog za nastanak Brownovog kretanja je sudar jednih (manjih čestica) s drugim česticama (već većim). Kakva je istorija otkrića Brownovog kretanja, njegov značaj u fizici, a posebno u teoriji atoma i molekula? Koji primjeri Brownovog kretanja postoje pravi zivot? O svemu tome pročitajte dalje u našem članku.

Otkriće Brownovog kretanja

Pronalazač Brownovog pokreta bio je engleski botaničar Robert Brown (1773-1858), zapravo u njegovu čast nazvan je "Brownian". Godine 1827. Robert Brown se bavio aktivnim istraživanjem polena raznih biljaka. Posebno ga je zanimalo koliki udio polen ima u reprodukciji biljaka. I baš tako, posmatrajući kretanje polena u soku od povrća, naučnik je primetio da male čestice povremeno prave nasumične vijugave pokrete.

Braunovo zapažanje potvrdili su i drugi naučnici. Konkretno, uočeno je da čestice imaju tendenciju ubrzavanja s povećanjem temperature, kao i sa smanjenjem veličine samih čestica. A s povećanjem viskoznosti medija u kojem su se nalazili, njihovo kretanje se, naprotiv, usporavalo.

Robert Brown, otkrivač Brownovog kretanja.

Robert Brown je isprva mislio da posmatra kretanje, čak i "ples" nekih živih mikroorganizama, jer je sam polen, u stvari, muške polne ćelije biljaka. Ali čestice mrtvih biljaka imale su slično kretanje, pa čak i biljke osušene prije stotinu godina u herbarijumima. Naučnik je bio još više iznenađen kada je počeo proučavati neživu materiju: male čestice uglja, čađi, pa čak i čestice prašine londonskog vazduha. Zatim su staklo, razni i raznovrsni minerali pali pod mikroskop istraživača. I svuda su se viđali ti "aktivni molekuli" koji su u stalnom i haotičnom kretanju.

Ovo je zanimljivo: sami možete promatrati Brownovo kretanje vlastitim očima, za to će vam trebati nemoćan mikroskop (uostalom, za života Roberta Browna još nije bilo moćnih modernih mikroskopa). Kada se posmatra kroz ovaj mikroskop, na primjer, dim u pocrnjeloj kutiji i obasjan bočnim snopom svjetlosti, mogu se vidjeti sitni komadići čađi i pepela koji će se neprestano odbijati naprijed-nazad. Ovo je Brownovo kretanje.

Brownovo kretanje i atomsko-molekularna teorija

Pokret koji je otkrio Brown ubrzo je postao vrlo poznat u naučnim krugovima. Sam pronalazač je to sa zadovoljstvom pokazao mnogim svojim kolegama. Međutim, dugi niz godina ni Robert Brown ni njegove kolege nisu mogli objasniti uzroke Braunovskog pokreta, zašto se on uopće pojavljuje. Štaviše, Brownov pokret je bio potpuno nestalan i prkosio je svakoj logici.

Njegovo objašnjenje dato je tek krajem 19. veka, a naučna zajednica ga nije odmah prihvatila. Godine 1863., njemački matematičar Ludwig Christian Wiener je sugerirao da je Braunovo kretanje posljedica oscilatorna kretanja neki nevidljivi atomi. Zapravo, ovo je bilo prvo objašnjenje ovog čudnog fenomena, povezanog sa svojstvima atoma i molekula, prvi pokušaj da se pronikne u misteriju strukture materije uz pomoć Brownovog kretanja. Konkretno, Wiener je pokušao da izmeri zavisnost brzine čestica od njihove veličine.

Nakon toga, Wienerove ideje razvili su drugi naučnici, među njima je bio i poznati škotski fizičar i hemičar William Ramsay. Upravo je on uspio dokazati da je uzrok Brownovskog kretanja malih čestica udar na njih još manjih čestica, koje više nisu vidljive u običnom mikroskopu, kao što se valovi koji tresu udaljeni čamac ne vide iz obale, iako se sasvim jasno vidi samo kretanje čamca.

Tako je Brownovo kretanje postalo jedno od sastavni dijelovi atomsko-molekularna teorija i ujedno važan dokaz činjenice da se sva materija sastoji od najmanjih čestica: atoma i molekula. Teško je poverovati, ali čak i početkom 20. veka neki naučnici su poricali atomsko-molekularnu teoriju, i nisu verovali u postojanje molekula i atoma. Naučni radovi Ramsay povezan s Brownovskim kretanjem zadao je stravičan udarac protivnicima atomizma i učinio da se svi naučnici konačno uvjere da sami vidite da atomi i molekuli postoje, a njihovo djelovanje možete vidjeti vlastitim očima.

Brownova teorija kretanja

Usprkos vanjskom neredu haotičnog kretanja čestica, oni su i dalje pokušavali opisati njihova nasumična kretanja matematičkim formulama. Tako je rođena teorija Brownovog kretanja.

Inače, jedan od onih koji su razvili ovu teoriju bio je poljski fizičar i matematičar Marian Smoluchowski, koji je u to vrijeme radio na Lavovskom univerzitetu i živio u rodnom gradu autor ovog članka, u prekrasnom ukrajinskom gradu Lavovu.

Lavovski univerzitet, sada Univerzitet. I. Frank.

Paralelno sa Smoluchovskim, teoriju Brownovog kretanja proučavao je i jedan od svjetonazora svjetske nauke - slavni Albert Einstein, koji je u to vrijeme još bio mlad i poznati radnik u Uredu za patente švicarskog grada Berna.

Kao rezultat toga, oba naučnika su kreirala vlastitu teoriju, koja se također može nazvati teorijom Smoluchowski-Einstein. Konkretno, formirana je matematička formula prema kojoj je prosječna vrijednost kvadrata pomaka Brownove čestice ( s 2) tokom vremena t je direktno proporcionalno temperaturi T i obrnuto proporcionalno viskoznosti fluida n, veličini čestice r i konstanti .

N O: s 2 = 2RTt/6ph rN A - ovako ova formula izgleda.

R u formuli je plinska konstanta. Dakle, ako se za 1 min čestica promjera 1 μm pomakne za 10 μm, onda za 9 min - za 10 = 30 μm, za 25 min - za 10 = 50 μm, itd. U sličnim uslovima, čestica prečnika 0,25 µm će se pomeriti za 20, 60, odnosno 100 µm, respektivno, u istim vremenskim intervalima (1, 9 i 25 min), pošto je = 2. Važno je da je gore navedeno formula uključuje Avogadrovu konstantu, koja se tako može odrediti kvantitativnim mjerenjima kretanja braunovske čestice, koje je uradio francuski fizičar Jean Baptiste Perrin.

Za promatranje Brownovih čestica, Perrin je koristio najnoviji u to vrijeme ultramikroskop, kroz koji su već bile vidljive najsitnije čestice materije. U svojim eksperimentima, naučnik je, naoružan štopericom, zabilježio položaj određenih Brownovih čestica u pravilnim intervalima (na primjer, nakon 30 sekundi). Zatim su, povezujući položaje čestica pravim linijama, dobijene različite zamršene putanje njihovog kretanja. Sve je to skicirano na posebnom grafičkom listu.

Ovako su izgledali crteži.

Sastavljajući Ajnštajnovu teorijsku formulu sa svojim zapažanjima, Perrin je uspeo da dobije najtačniju vrednost Avogadrovog broja za to vreme: 6,8 . 10 23

Svojim eksperimentima je potvrdio teorijske zaključke Einsteina i Smoluchowskog.

Brownovo kretanje i difuzija

Kretanje čestica pri Brownovom kretanju je spolja vrlo slično kretanju čestica tokom - međusobnog prodiranja molekula različitih supstanci pod uticajem temperature. Koja je onda razlika između Brownovog kretanja i difuzije? U stvari, i difuzija i Brownovo kretanje nastaju zbog slučajnog termičkog kretanja molekula, i kao rezultat toga se opisuju sličnim matematičkim pravilima.

Razlika između njih je u tome što se tokom difuzije molekul uvijek kreće pravolinijski sve dok se ne sudari s drugim molekulom, nakon čega mijenja putanju svog kretanja. Braunova čestica ne "slobodno leti", već doživljava vrlo male i česte "treme", kao rezultat toga, nasumično se kreće tu i tamo. Slikovito rečeno, braunovska čestica je poput prazne limenke piva koja leži okolo na trgu gdje se okupila velika gomila ljudi. Ljudi jure naprijed-nazad, dodiruju teglu nogama i ona nasumično leti u različitim smjerovima poput braunovske čestice. A kretanje samih ljudi u gomili već je više karakteristično za kretanje čestica tokom difuzije.

Ako pogledate na mikro nivou, onda je razlog za kretanje Brownove čestice njen sudar sa manjim česticama, dok se prilikom difuzije čestice sudaraju sa drugim sličnim česticama.

I difuzija i Brownovo kretanje se javljaju pod uticajem temperature. Kako temperatura opada, usporavaju se i brzina čestica u Brownovom kretanju i brzina gibanja čestica u difuziji.

Primjeri Brownovog kretanja u stvarnom životu

Teorija Brownovog kretanja, ovih nasumičnih hoda, ima praktičnu primjenu u našem stvarnom životu. Na primjer, zašto se osoba koja se izgubi u šumi povremeno vraća na isto mjesto? Zato što se ne kreće u krug, već otprilike na isti način kao što se obično kreće Brownova čestica. Stoga on sam sebi mnogo puta prelazi.

Stoga, bez jasnih smjernica i smjerova kretanja, izgubljena osoba se upoređuje s Brownovskom česticom koja izvodi haotične pokrete. Ali da biste izašli iz šume, morate imati jasne smjernice, razviti sistem, umjesto da izvodite razne besmislene radnje. Jednom riječju, ne treba se ponašati u životu kao braunovska čestica koja juri s jedne na drugu stranu, već treba znati svoj pravac, cilj i poziv, imati snove, hrabrost i upornost da ih ostvariš. Tako smo glatko prešli sa fizike na filozofiju. Ovim je ovaj članak završen.

Braunovo kretanje, video

I na kraju, edukativni video na temu našeg članka.

Prilikom pisanja članka trudio sam se da bude što zanimljiviji, korisniji i kvalitetniji. Bio bih zahvalan za svaku povratnu informaciju i konstruktivnu kritiku u obliku komentara na članak. Svoju želju/pitanje/prijedlog također možete napisati na moj mail [email protected] ili na Fejsbuku, uz poštovanje, autor.