Linja UMK A. V. Grachev. Fizikë (7-9)

Linja UMK A. V. Grachev. Fizikë (10-11) (bazë, e avancuar)

Lëvizja Browniane

Ne kemi marrë format i ri! Tani mund ta dëgjoni artikullin.

1. Grimcat

Ne e dimë se e gjithë lënda përbëhet nga një numër i madh grimcash shumë, shumë të vogla që janë në lëvizje të vazhdueshme dhe të rastësishme. Si e dinim këtë? Si arritën shkencëtarët të mësonin për ekzistencën e grimcave kaq të vogla sa që asnjë mikroskop optik nuk mund të shohë? Dhe aq më tepër, si arritën të zbulonin se këto grimca janë në lëvizje të vazhdueshme dhe të rastësishme? Dy fenomene i ndihmuan shkencëtarët ta kuptojnë këtë - Lëvizja Browniane dhe difuzionit. Ne do t'i diskutojmë këto fenomene më në detaje.

2. Lëvizja Browniane

Shkencëtari anglez Robert Brown nuk ishte fizikan apo kimist. Ai ishte botanist. Dhe nuk e priste aspak që do të zbulonte një fenomen kaq të rëndësishëm për fizikantët dhe kimistët. Dhe ai as nuk mund të dyshonte se në eksperimentet e tij mjaft të thjeshta do të vëzhgonte rezultatin e lëvizjes kaotike të molekulave. Dhe ishte pikërisht kështu.

Cilat ishin këto eksperimente? Ato ishin pothuajse të njëjta me atë që bëjnë studentët në klasat e biologjisë kur përpiqen të ekzaminojnë, për shembull, qelizat bimore me mikroskop. Robert Brown donte të ekzaminonte polenin e bimëve nën një mikroskop. Duke parë kokrrat e polenit në një pikë uji, vuri re se kokrrat nuk ishin në qetësi, por vazhdimisht dridheshin, sikur të ishin gjallë. Ai ndoshta mendoi kështu në fillim, por duke qenë shkencëtar, natyrisht, ai e hodhi poshtë këtë mendim. Ai nuk arriti të kuptonte pse këto kokrra polene sillen në një mënyrë kaq të çuditshme, por ai përshkroi gjithçka që pa dhe ky përshkrim ra në duart e fizikantëve, të cilët menjëherë kuptuan se kishin prova vizuale të lëvizjes së vazhdueshme dhe të rastësishme të grimcave.

Kjo lëvizje, e përshkruar nga Brown, shpjegohet si më poshtë: kokrrat e polenit janë mjaft të mëdha, saqë ne mund t'i shohim ato me një mikroskop të zakonshëm, por ne nuk shohim molekulat e ujit, por, në të njëjtën kohë, kokrrat e polenit janë mjaft të vogla që për shkak të tek ndikimet përgjatë tyre, molekulat e ujit që i rrethonin nga të gjitha anët, ato u zhvendosën fillimisht në një drejtim, pastaj në tjetrin. Kjo do të thotë, kjo "valle" kaotike e kokrrave të polenit në një pikë uji tregoi se molekulat e ujit vazhdimisht dhe rastësisht godasin kokrrat e polenit nga anët e ndryshme dhe i zhvendosin ato. Që atëherë, është quajtur lëvizja e vazhdueshme dhe kaotike e grimcave të vogla të ngurta në një lëng ose gaz lëvizje browniane. Karakteristika më e rëndësishme e kësaj lëvizjeje është se ajo është e vazhdueshme, pra nuk ndalet kurrë.

3. Difuzioni

Difuzioni është një shembull tjetër i dëshmisë së qartë të lëvizjes së vazhdueshme dhe të rastësishme të molekulave. Dhe qëndron në faktin se substancat e gazta, lëngjet dhe madje edhe lëndët e ngurta, edhe pse shumë më ngadalë, mund të vetëpërzihen me njëra-tjetrën. Për shembull, aromat substancave të ndryshme përhapet në ajër edhe në mungesë të erës pikërisht për shkak të kësaj vetëpërzierjeje. Ose ja një shembull tjetër - nëse hidhni disa kristale permanganat kaliumi në një gotë me ujë dhe prisni rreth një ditë pa e trazuar ujin, atëherë do të shohim që i gjithë uji në gotë do të ngjyroset në mënyrë të barabartë. Kjo është për shkak të lëvizjes së vazhdueshme të molekulave që ndryshojnë vendet, dhe substancat gradualisht përzihen vetë pa ndikim të jashtëm.

Libri u drejtohet nxënësve të shkollave të mesme, studentëve, mësuesve dhe mësuesve të fizikës, si dhe të gjithë atyre që duan të kuptojnë se çfarë po ndodh në botën përreth nesh, dhe të kultivojnë një këndvështrim shkencor për të gjithë diversitetin e fenomeneve natyrore. Çdo pjesë e librit është, në fakt, një grup detyrat fizike, duke zgjidhur të cilat lexuesi do të forcojë të kuptuarit e tij për ligjet fizike dhe do të mësojë t'i zbatojë ato në rastet me interes praktik.

4. Vetitë e lëvizjes dhe difuzionit Brown

Kur fizikanët filluan të shikonin më nga afër fenomenin e përshkruar nga Robert Brown, ata vunë re se, ashtu si difuzioni, ky proces mund të përshpejtohet duke rritur temperaturën. Kjo është, në ujë i nxehtë dhe ngjyrosja me permanganat kaliumi do të ndodhë më shpejt, dhe lëvizja e grimcave të vogla të ngurta, për shembull, patate të skuqura grafiti ose të njëjtat kokrra polene, ndodh me intensitet më të madh. Kjo konfirmoi faktin se shpejtësia e lëvizjes kaotike të molekulave varet drejtpërdrejt nga temperatura. Pa hyrë në detaje, ne rendisim faktorët nga të cilët mund të varet intensiteti i lëvizjes Brownian dhe shpejtësia e difuzionit:

1) në temperaturë;

2) për llojin e substancës në të cilën ndodhin këto procese;

3) nga gjendja e grumbullimit.

Kjo është, në e barabartë me temperaturën Difuzioni i substancave të gazta ecën shumë më shpejt se lëngjet, për të mos përmendur difuzionin e lëndëve të ngurta, i cili ndodh aq ngadalë sa rezultati i tij, madje edhe atëherë shumë i parëndësishëm, mund të vërehet ose shumë. temperaturat e larta, ose për një kohë shumë të gjatë - vite apo edhe dekada.

5. Zbatim praktik

Difuzioni, edhe pa aplikim praktik, ka një rëndësi të madhe jo vetëm për njerëzit, por edhe për të gjithë jetën në Tokë: është falë difuzionit që oksigjeni hyn në gjakun tonë përmes mushkërive, është përmes difuzionit që bimët nxjerrin ujin nga toka. thithin dioksidin e karbonit nga atmosfera dhe e lëshojnë atë në të.oksigjen dhe peshqit thithin oksigjenin në ujë, i cili nga atmosfera përmes difuzionit hyn në ujë.

Fenomeni i difuzionit përdoret gjithashtu në shumë fusha të teknologjisë, dhe është difuzioni në të ngurta. Për shembull, ekziston një proces i tillë - saldimi me difuzion. Në këtë proces, pjesët shtypen shumë fort kundër njëra-tjetrës, nxehen deri në 800 ° C dhe, përmes difuzionit, ato lidhen me njëra-tjetrën. Është falë difuzionit që atmosfera e tokës, e përbërë nga një numër i madh gazesh të ndryshëm, nuk ndahet në shtresa të veçanta në përbërje, por është afërsisht homogjene kudo - dhe nëse do të ishte ndryshe, vështirë se do të mund të merrnim frymë.

Ka një numër të madh shembujsh të ndikimit të difuzionit në jetën tonë dhe në të gjithë natyrën, të cilat secili prej jush mund t'i gjejë nëse dëshiron. Por pak mund të thuhet për zbatimin e lëvizjes Brownian, përveç se vetë teoria, e cila përshkruan këtë lëvizje, mund të zbatohet për fenomene, fenomene të tjera në dukje krejtësisht të palidhura. Për shembull, kjo teori përdoret për të përshkruar procese të rastësishme, duke përdorur një sasi të madhe të dhënash dhe statistikash - të tilla si ndryshimet e çmimeve. Teoria e lëvizjes Brownian përdoret për të krijuar grafikë realiste kompjuterike. Është interesante se një person i humbur në pyll lëviz në të njëjtën mënyrë si grimcat Brownian - endet nga njëra anë në tjetrën, duke kaluar vazhdimisht trajektoren e saj.

1) Kur i tregohet klasës për lëvizjen dhe difuzionin Brown, është e nevojshme të theksohet se këto dukuri nuk vërtetojnë ekzistencën e molekulave, por vërtetojnë faktin e lëvizjes së tyre dhe se ajo është e çrregullt - kaotike.

2) Sigurohuni t'i kushtoni vëmendje të veçantë faktit që kjo është një lëvizje e vazhdueshme e varur nga temperatura, domethënë një lëvizje termike që nuk mund të ndalet kurrë.

3) Demonstroni difuzionin duke përdorur ujë dhe permanganat kaliumi duke udhëzuar fëmijët më kureshtarë të kryejnë një eksperiment të ngjashëm në shtëpi dhe duke fotografuar ujin me permanganat kaliumi çdo orë ose dy gjatë ditës (në fundjavë, fëmijët do ta bëjnë këtë me kënaqësi, dhe ata do t'ju dërgojnë një foto). Është më mirë nëse në një eksperiment të tillë ka dy enë me ujë - të ftohtë dhe të nxehtë, në mënyrë që të mund të demonstroni qartë varësinë e shkallës së difuzionit nga temperatura.

4) Mundohuni të matni shkallën e difuzionit në klasë duke përdorur, për shembull, një deodorant - në njërën skaj të klasës ne spërkasim një sasi të vogël aerosoli dhe 3-5 metra nga ky vend, studenti me një kronometër rregullon kohën. pas së cilës ai do të nuhasë. Është argëtuese dhe interesante dhe do të mbahet mend nga fëmijët për një kohë të gjatë!

5) Diskutoni me fëmijët konceptin e kaosit dhe faktin që edhe në proceset kaotike, shkencëtarët gjejnë disa modele.

Lëvizja Browniane - Lëvizja e rastësishme e grimcave të dukshme mikroskopike të pezulluara në një lëng ose gaz të ngurta shkaktuar nga lëvizja termike e grimcave të një lëngu ose gazi. Lëvizja Brownian nuk ndalet kurrë. Lëvizja Brownian është e lidhur me lëvizjen termike, por këto koncepte nuk duhet të ngatërrohen. Lëvizja Brownian është pasojë dhe dëshmi e ekzistencës së lëvizjes termike.

Lëvizja Brownian është konfirmimi eksperimental më i dukshëm i ideve të teorisë kinetike molekulare për lëvizjen termike kaotike të atomeve dhe molekulave. Nëse intervali i vëzhgimit është mjaft i madh në mënyrë që forcat që veprojnë në grimcë nga molekulat e mediumit të ndryshojnë drejtimin e tyre shumë herë, atëherë katrori mesatar i projeksionit të zhvendosjes së tij në një aks (në mungesë të të tjerëve forcat e jashtme) është në përpjesëtim me kohën.
Kur nxjerrim ligjin e Ajnshtajnit, supozohet se zhvendosjet e grimcave në çdo drejtim janë po aq të mundshme dhe se inercia e një grimce Brownian mund të neglizhohet në krahasim me ndikimin e forcave të fërkimit (kjo është e pranueshme për kohë mjaft të gjata). Formula për koeficientin D bazohet në zbatimin e ligjit të Stokes për rezistencën hidrodinamike ndaj lëvizjes së një sfere me rreze a në një lëng viskoz. Marrëdhëniet për dhe D u konfirmuan eksperimentalisht nga matjet e J. Perrin dhe T. Svedberg. Nga këto matje përcaktohen eksperimentalisht konstanta e Boltzmann-it k dhe konstanta e Avogadro-s NA. Përveç lëvizjes Brownian përkthimore, ekziston edhe një lëvizje Browniane rrotulluese - rrotullim i rastësishëm i një grimce Brownian nën ndikimin e ndikimeve të molekulave të mediumit. Për lëvizjen rrotulluese Brownian, zhvendosja këndore rms e një grimce është proporcionale me kohën e vëzhgimit. Këto marrëdhënie u konfirmuan gjithashtu nga eksperimentet e Perrin, megjithëse ky efekt është shumë më i vështirë për t'u vëzhguar sesa lëvizja përkthimore Brownian.

Thelbi i fenomenit

Lëvizja Brownian ndodh për shkak të faktit se të gjitha lëngjet dhe gazrat përbëhen nga atome ose molekula - grimcat më të vogla që janë në lëvizje të vazhdueshme kaotike termike, dhe për këtë arsye vazhdimisht e shtyjnë grimcën Brownian nga anët e ndryshme. U zbulua se grimcat e mëdha më të mëdha se 5 μm praktikisht nuk marrin pjesë në lëvizjen Brownian (ato janë të palëvizshme ose sedimente), grimcat më të vogla (më pak se 3 μm) lëvizin në mënyrë progresive përgjatë trajektoreve shumë komplekse ose rrotullohen. Kur një trup i madh zhytet në medium, goditjet që ndodhin në numër të madh vlerësohen dhe formohen presion konstant. Nëse një trup i madh është i rrethuar nga një medium nga të gjitha anët, atëherë presioni praktikisht është i balancuar, vetëm forcë ngritëse Arkimedi - një trup i tillë noton ose fundoset pa probleme. Nëse trupi është i vogël, si një grimcë Brownian, atëherë luhatjet e presionit bëhen të dukshme, të cilat krijojnë një forcë të dukshme që ndryshon rastësisht, duke çuar në lëkundje të grimcave. Grimcat Brownian zakonisht nuk fundosen ose notojnë, por pezullohen në një medium.

Teoria e lëvizjes Brownian

Në vitin 1905 Albert Einstein krijoi molekularin teoria kinetike për një përshkrim sasior të lëvizjes Brownian. Në veçanti, ai nxori një formulë për koeficientin e difuzionit të grimcave sferike Brownian:

ku D- koeficienti i difuzionit, Rështë konstanta universale e gazit, T - temperaturë absolute,N Aështë konstanta e Avogadro, a- rrezja e grimcave, ξ - viskoziteti dinamik.

Lëvizja Browniane si jo-Markoviane
proces i rastësishëm

Teoria e lëvizjes Browniane, e zhvilluar mirë gjatë shekullit të kaluar, është e përafërt. Dhe megjithëse në shumicën e rasteve me rëndësi praktike teoria ekzistuese jep rezultate të kënaqshme, në disa raste ajo mund të kërkojë sqarime. Kështu, puna eksperimentale e kryer në fillim të shekullit të 21-të në Universiteti Politeknik Lozana, Universiteti i Teksasit dhe Laboratori Evropian i Biologjisë Molekulare në Heidelberg (nën drejtimin e S. Janey) treguan ndryshimin në sjelljen e një grimce Brownian nga ajo e parashikuar teorikisht nga teoria Einstein-Smoluchowski, e cila ishte veçanërisht e dukshme me rritjen e madhësive të grimcave. Studimet prekën gjithashtu analizën e lëvizjes së grimcave përreth të mediumit dhe treguan një ndikim të rëndësishëm të ndërsjellë të lëvizjes së grimcave Brownian dhe lëvizjes së grimcave të mediumit të shkaktuar nga ajo mbi njëra-tjetrën, domethënë, prania e një "memorie" në grimcën Brownian, ose, me fjalë të tjera, varësia e saj karakteristikat statistikore në të ardhmen nga e gjithë parahistoria e sjelljes së saj në të kaluarën. Ky fakt nuk u mor parasysh në teorinë Einstein-Smoluchowski.
Procesi i lëvizjes Brownian të një grimce në një mjedis viskoz, në përgjithësi, i përket klasës së proceseve jo-Markov, dhe për përshkrimin më të saktë të tij është e nevojshme të përdoren ekuacione stokastike integrale.

Kur vëzhgoi një pezullim të polenit të luleve në ujë nën një mikroskop, Brown vëzhgoi një lëvizje kaotike të grimcave që lindin "jo nga lëvizja e lëngut dhe jo nga avullimi i tij". Grimcat e pezulluara me përmasa 1 µm ose më pak, të dukshme vetëm nën mikroskop, kryenin lëvizje të pavarura të çrregullta, duke përshkruar trajektore komplekse zigzag. Lëvizja Brownian nuk dobësohet me kalimin e kohës dhe nuk varet nga vetitë kimike medium, intensiteti i tij rritet me rritjen e temperaturës së mediumit dhe me uljen e viskozitetit dhe madhësisë së grimcave. Edhe një shpjegim cilësor i shkaqeve të lëvizjes Brownian ishte i mundur vetëm 50 vjet më vonë, kur shkaku i lëvizjes Brownian filloi të lidhej me ndikimin e molekulave të lëngshme në sipërfaqen e një grimce të pezulluar në të.

Teoria e parë sasiore e lëvizjes Brownian u dha nga A. Einstein dhe M. Smoluchowski në 1905-06. bazuar në teorinë kinetike molekulare. U tregua se ecjet e rastësishme të grimcave Brownian shoqërohen me pjesëmarrjen e tyre në lëvizjen termike së bashku me molekulat e mediumit në të cilin ato janë pezulluar. Grimcat kanë mesatarisht të njëjtën gjë energjia kinetike, por për shkak të masës më të madhe kanë shpejtësi më të vogël. Teoria e lëvizjes Brownian shpjegon lëvizjen e rastësishme të një grimce me veprimin e forcave të rastësishme nga molekulat dhe forcat e fërkimit. Sipas kësaj teorie, molekulat e një lëngu ose gazi janë në lëvizje të vazhdueshme termike dhe impulset e molekulave të ndryshme nuk janë të njëjta në madhësi dhe drejtim. Nëse sipërfaqja e një grimce të vendosur në një mjedis të tillë është e vogël, siç është rasti për një grimcë Brownian, atëherë ndikimet e përjetuara nga grimca nga molekulat përreth nuk do të kompensohen saktësisht. Prandaj, si rezultat i "bombardimit" nga molekulat, një grimcë Brownian fillon të lëvizë rastësisht, duke ndryshuar madhësinë dhe drejtimin e shpejtësisë së saj afërsisht 10 14 herë në sekondë. Nga kjo teori doli që, duke matur zhvendosjen e një grimce për kohë të caktuar dhe duke ditur rrezen e tij dhe viskozitetin e lëngut, mund të llogarisni numrin Avogadro.

Kur vëzhgoni lëvizjen Brownian, pozicioni i një grimce fiksohet në intervale të rregullta. Sa më të shkurtra të jenë intervalet kohore, aq më e thyer do të duket trajektorja e grimcave.

Modelet e lëvizjes Brownian shërbejnë si një konfirmim i qartë i dispozitave themelore të teorisë kinetike molekulare. Më në fund u vërtetua se forma termike e lëvizjes së materies është për shkak të lëvizjes kaotike të atomeve ose molekulave që përbëjnë trupat makroskopikë.

Teoria e lëvizjes Brownian luajti një rol të rëndësishëm në vërtetimin e mekanikës statistikore; ajo është baza për teorinë kinetike të koagulimit të tretësirave ujore. Për më tepër, ajo ka gjithashtu një rëndësi praktike në metrologji, pasi lëvizja Brownian konsiderohet si faktori kryesor që kufizon saktësinë. instrumente matëse. Për shembull, kufiri i saktësisë së leximeve të një galvanometri pasqyre përcaktohet nga dridhja e pasqyrës, si një grimcë Browniane e bombarduar nga molekulat e ajrit. Ligjet e lëvizjes Brownian përcaktojnë lëvizjen e rastësishme të elektroneve, duke shkaktuar zhurmë brenda qarqet elektrike. Humbjet dielektrike në dielektrikë shpjegohen me lëvizje të rastësishme të molekulave të dipolit që përbëjnë dielektrikën. Lëvizjet e rastësishme të joneve në tretësirat e elektrolitit rrisin rezistencën e tyre elektrike.

Lëvizja Browniane

Në gjysmën e dytë të shekullit të 20-të, një diskutim serioz rreth natyrës së atomeve u ndez në qarqet shkencore. Nga njëra anë ishin autoritete të pakundërshtueshme si Ernst Mach (cm. valët goditëse), të cilët argumentuan se atomet janë thjesht funksionet matematikore, të cilat përshkruajnë me sukses të vëzhguarit dukuritë fizike dhe duke mos pasur të vërtetë bazë fizike. Nga ana tjetër, shkencëtarët e valës së re - në veçanti, Ludwig Boltzmann ( cm. Konstanta Boltzmann) - këmbënguli që atomet janë realitete fizike. Dhe asnjëra nga të dy palët nuk ishte në dijeni se tashmë dekada para fillimit të mosmarrëveshjes së tyre, ishin marrë rezultate eksperimentale që vendosën një herë e përgjithmonë çështjen në favor të ekzistencës së atomeve si një realitet fizik - megjithatë, ato u morën në disiplinë e shkencave natyrore ngjitur me fizikën nga botanisti Robert Brown.

Në verën e vitit 1827, Brown, ndërsa studionte sjelljen e polenit nën një mikroskop (ai studioi një pezullim ujor të polenit të bimëve Clarkia pulchella), zbuloi papritur se sporet individuale bëjnë lëvizje impulsive absolutisht kaotike. Ai vendosi me siguri se këto lëvizje nuk ishin në asnjë mënyrë të lidhura me vorbullat dhe rrymat e ujit ose me avullimin e tij, pas së cilës, pasi përshkroi natyrën e lëvizjes së grimcave, ai nënshkroi sinqerisht pafuqinë e tij për të shpjeguar origjinën e kësaj. lëvizje kaotike. Megjithatë, duke qenë një eksperimentues i përpiktë, Brown zbuloi se një lëvizje e tillë kaotike është karakteristike për çdo grimcë mikroskopike, qoftë pjalmi i bimëve, suspensione minerale ose ndonjë substancë e grimcuar në përgjithësi.

Vetëm në vitin 1905 askush tjetër përveç Albert Ajnshtajnit e kuptoi për herë të parë se ky fenomen misterioz, në shikim të parë, shërben si konfirmimi më i mirë eksperimental i korrektësisë së teorisë atomike të strukturës së materies. Ai e shpjegoi diçka si kjo: një spore e pezulluar në ujë i nënshtrohet "bombardimit" të vazhdueshëm nga molekulat e ujit që lëvizin rastësisht. Mesatarisht, molekulat veprojnë mbi të nga të gjitha anët me intensitet të barabartë dhe në intervale të rregullta. Megjithatë, sado i vogël të jetë mosmarrëveshja, për shkak të devijimeve thjesht të rastësishme, ai fillimisht merr një impuls nga ana e molekulës që e goditi atë nga njëra anë, pastaj nga ana e molekulës që e goditi nga ana tjetër, etj. si rezultat i mesatarizimit të përplasjeve të tilla, rezulton se në një moment grimca "dridhet" në një drejtim, atëherë, nëse në anën tjetër "shtyhet" nga më shumë molekula, në anën tjetër, etj. Duke përdorur ligjet statistika matematikore dhe teoria kinetike molekulare e gazeve, Ajnshtajni nxori një ekuacion që përshkruan varësinë e zhvendosjes mesatare katrore të një grimce Brownian nga parametrat makroskopikë. ( Fakt interesant: në një nga vëllimet e revistës gjermane "Annals of Physics" ( Annalen der Fizik) në vitin 1905, u botuan tre artikuj nga Ajnshtajni: një artikull me një shpjegim teorik të lëvizjes Brownian, një artikull mbi themelet e teorisë speciale të relativitetit dhe, së fundi, një artikull që përshkruan teorinë e efektit fotoelektrik. Pikërisht për këtë të fundit u shpërblye Albert Einstein Çmimi Nobël në fizikë në 1921.)

Në vitin 1908, fizikani francez Jean-Baptiste Perrin (Jean-Baptiste Perrin, 1870-1942) kreu një seri të shkëlqyer eksperimentesh që konfirmuan saktësinë e shpjegimit të Ajnshtajnit për fenomenin e lëvizjes Brownian. Më në fund u bë e qartë se lëvizja "kaotike" e vëzhguar e grimcave Brownian është pasojë e përplasjeve ndërmolekulare. Meqenëse "konventat e dobishme matematikore" (sipas Mach) nuk mund të çojnë në lëvizje të vëzhgueshme dhe krejtësisht reale grimcat fizike, më në fund u bë e qartë se debati për realitetin e atomeve ka përfunduar: ato ekzistojnë në natyrë. Si një "lojë bonus", Perrin mori formulën e nxjerrë nga Ajnshtajni, e cila i lejoi francezit të analizonte dhe vlerësonte numrin mesatar të atomeve dhe/ose molekulave që përplaseshin me një grimcë të pezulluar në një lëng gjatë një periudhe të caktuar kohe dhe, duke përdorur këtë tregues, llogaritni numrat molarë të lëngjeve të ndryshme. Kjo ide bazohej në faktin se çdo ky moment koha, nxitimi i një grimce të pezulluar varet nga numri i përplasjeve me molekulat e mediumit ( cm. ligjet e mekanikës së Njutonit), dhe kështu në numrin e molekulave për njësi vëllimi të lëngut. Dhe kjo nuk është gjë tjetër veçse Numri i Avogadros (cm. Ligji i Avogadro) është një nga konstantet themelore që përcaktojnë strukturën e botës sonë.

Lëvizja Brownian është lëvizja kaotike dhe e rastësishme e grimcave të vogla, zakonisht molekula në lëngje ose gazra të ndryshëm. Arsyeja e shfaqjes së lëvizjes Brownian është përplasja e disa (grimcave më të vogla) me grimca të tjera (tashmë ato më të mëdha). Cila është historia e zbulimit të lëvizjes Brownian, rëndësia e saj në fizikë, dhe në veçanti në teorinë atomike dhe molekulare? Në cilët shembuj të lëvizjes Brownian gjenden jeta reale? Lexoni për të gjitha këto më tej në artikullin tonë.

Zbulimi i lëvizjes Brownian

Zbuluesi i lëvizjes Brownian ishte botanisti anglez Robert Brown (1773-1858), në fakt ishte për nder të tij që u quajt "Brownian". Në 1827, Robert Brown ishte i angazhuar në kërkime aktive mbi polenin e bimëve të ndryshme. Ai ishte veçanërisht i interesuar se çfarë pjesë merr poleni në riprodhimin e bimëve. Dhe pikërisht kështu, duke vëzhguar lëvizjen e polenit në lëngun e perimeve, shkencëtari vuri re se grimcat e vogla herë pas here bëjnë lëvizje të rastësishme dredha-dredha.

Vëzhgimi i Brown u konfirmua nga shkencëtarë të tjerë. Në veçanti, u vu re se grimcat priren të përshpejtohen me një rritje të temperaturës, si dhe me një ulje të madhësisë së vetë grimcave. Dhe me një rritje të viskozitetit të mediumit në të cilin ishin vendosur, lëvizja e tyre, përkundrazi, u ngadalësua.

Robert Brown, zbulues i lëvizjes Brownian.

Në fillim, Robert Brown mendoi se po vëzhgonte lëvizjen, madje edhe "vallen" e disa mikroorganizmave të gjallë, sepse vetë poleni është, në fakt, qelizat seksuale mashkullore të bimëve. Por grimcat e bimëve të ngordhura kishin një lëvizje të ngjashme, madje edhe bimët u thanë njëqind vjet më parë në herbariume. Shkencëtari u befasua edhe më shumë kur filloi të studionte lëndën e pajetë: grimcat e vogla të qymyrit, blozës dhe madje edhe grimcat e pluhurit të ajrit të Londrës. Më pas në mikroskopin e studiuesit ranë qelqi, minerale të ndryshme dhe të ndryshme. Dhe kudo shiheshin këto “molekula aktive”, duke qenë në lëvizje të vazhdueshme dhe kaotike.

Kjo është interesante: ju vetë mund të vëzhgoni lëvizjen Brownian me sytë tuaj, për këtë do t'ju duhet një mikroskop jo i fuqishëm (në fund të fundit, gjatë jetës së Robert Brown nuk kishte ende mikroskopë të fuqishëm modernë). Kur shikohet përmes këtij mikroskopi, për shembull, tymi në një kuti të nxirë dhe i ndriçuar nga një rreze anësore drite, mund të shihen copa të vogla bloze dhe hiri që vazhdimisht kërcejnë përpara dhe mbrapa. Kjo është lëvizje Brownian.

Lëvizja Brownian dhe teoria atomike-molekulare

Lëvizja e zbuluar nga Brown shpejt u bë shumë e famshme në qarqet shkencore. Vetë zbuluesi ua tregoi me kënaqësi shumë kolegëve të tij. Sidoqoftë, për shumë vite, as vetë Robert Brown dhe as kolegët e tij nuk mund të shpjegonin shkaqet e lëvizjes Brownian, pse ndodh fare. Për më tepër, lëvizja Brownian ishte krejtësisht e çrregullt dhe sfidoi çdo logjikë.

Shpjegimi i tij u dha vetëm në fund të shekullit të 19-të dhe nuk u pranua menjëherë nga komuniteti shkencor. Në vitin 1863, matematikani gjerman Ludwig Christian Wiener sugjeroi se lëvizja Brownian është për shkak të lëvizjet osciluese disa atome të padukshme. Në fakt, ky ishte shpjegimi i parë i këtij fenomeni të çuditshëm, i lidhur me vetitë e atomeve dhe molekulave, përpjekja e parë për të depërtuar në misterin e strukturës së materies me ndihmën e lëvizjes Browniane. Në veçanti, Wiener u përpoq të matë varësinë e shpejtësisë së grimcave nga madhësia e tyre.

Më pas, idetë e Wiener u zhvilluan nga shkencëtarë të tjerë, midis tyre ishte fizikani dhe kimisti i famshëm skocez William Ramsay. Ishte ai që arriti të provojë se shkaku i lëvizjes Brownian të grimcave të vogla është ndikimi mbi to i grimcave edhe më të vogla, të cilat nuk janë më të dukshme në një mikroskop të zakonshëm, ashtu si valët që tundin një varkë të largët nuk janë të dukshme nga breg, megjithëse lëvizja e vetë varkës mund të shihet mjaft qartë.

Kështu lëvizja Brownian u bë një nga pjesë përbërëse teoria atomike-molekulare dhe në të njëjtën kohë një dëshmi e rëndësishme e faktit se e gjithë materia përbëhet nga grimcat më të vogla: atomet dhe molekulat. Është e vështirë të besohet, por edhe në fillim të shekullit të 20-të, disa shkencëtarë e mohuan teorinë atomike-molekulare dhe nuk besuan në ekzistencën e molekulave dhe atomeve. Punime shkencore Ramsay i lidhur me lëvizjen Brownian u dha një goditje dërrmuese kundërshtarëve të atomizmit dhe i bëri të gjithë shkencëtarët më në fund të binden se e shihni vetë, atomet dhe molekulat ekzistojnë dhe veprimi i tyre mund të shihet me sytë tuaj.

Teoria e lëvizjes Brownian

Pavarësisht nga çrregullimi i jashtëm i lëvizjes kaotike të grimcave, ata megjithatë u përpoqën të përshkruanin lëvizjet e tyre të rastësishme me formula matematikore. Kështu lindi teoria e lëvizjes Browniane.

Nga rruga, një nga ata që zhvilluan këtë teori ishte fizikani dhe matematikani polak Marian Smoluchowski, i cili në atë kohë punonte në Universitetin e Lviv dhe jetonte në vendlindja autori i këtij artikulli, në qytetin e bukur ukrainas të Lviv.

Universiteti Lviv, tani Universiteti. I. Frank.

Paralelisht me Smoluchovsky, teoria e lëvizjes Brownian u studiua nga një nga ndriçuesit e shkencës botërore - i famshëm Albert Einstein, i cili në atë kohë ishte ende një punëtor i ri dhe i njohur në Zyrën e Patentave të qytetit zviceran të Bernës.

Si rezultat, të dy shkencëtarët krijuan teorinë e tyre, e cila mund të quhet edhe teoria Smoluchowski-Einstein. Në veçanti, u formua një formulë matematikore, sipas së cilës vlera mesatare e zhvendosjes në katror të një grimce Brownian ( s 2) me kalimin e kohës t është drejtpërdrejt proporcionale me temperaturën T dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me viskozitetin e lëngut n, madhësinë e grimcave r dhe konstante .

N A: s 2 = 2RTt/ 6 ph rN A - kjo është se si duket kjo formulë.

R në formulë është konstanta e gazit. Pra, nëse në 1 min një grimcë me diametër 1 μm zhvendoset me 10 μm, atëherë në 9 min - me 10 = 30 μm, në 25 min - me 10 = 50 μm, etj. Në kushte të ngjashme, një grimcë me një diametër prej 0,25 µm do të zhvendoset përkatësisht me 20, 60 dhe 100 µm, në të njëjtat intervale kohore (1, 9 dhe 25 min), pasi = 2. Është e rëndësishme që sa më sipër. formula përfshin konstanten Avogadro, e cila është kështu , mund të përcaktohet nga matjet sasiore të lëvizjes së një grimce Brownian, e cila është bërë nga fizikani francez Jean Baptiste Perrin.

Për të vëzhguar grimcat Brownian, Perrin përdori ultramikroskopin më të fundit të asaj kohe, përmes të cilit grimcat më të vogla të materies tashmë ishin të dukshme. Në eksperimentet e tij, shkencëtari, i armatosur me një kronometër, vuri në dukje pozicionet e grimcave të caktuara Brownian në intervale të rregullta (për shembull, pas 30 sekondash). Më pas, duke lidhur pozicionet e grimcave me vija të drejta, u morën trajektore të ndryshme të ndërlikuara të lëvizjes së tyre. E gjithë kjo ishte skicuar në një fletë të veçantë grafike.

Kështu dukeshin vizatimet.

Duke përpiluar formulën teorike të Ajnshtajnit me vëzhgimet e tij, Perrin ishte në gjendje të merrte vlerën më të saktë të numrit Avogadro për atë kohë: 6.8 . 10 23

Me eksperimentet e tij, ai konfirmoi përfundimet teorike të Ajnshtajnit dhe Smoluchowskit.

Lëvizja dhe difuzioni Brownian

Lëvizja e grimcave gjatë lëvizjes Brownian nga jashtë është shumë e ngjashme me lëvizjen e grimcave gjatë - depërtimit të ndërsjellë të molekulave të substancave të ndryshme nën ndikimin e temperaturës. Atëherë cili është ndryshimi midis lëvizjes Brownian dhe difuzionit? Në fakt, si difuzioni ashtu edhe lëvizja Brownian ndodhin për shkak të lëvizjes termike të rastësishme të molekulave, dhe si rezultat përshkruhen nga rregulla të ngjashme matematikore.

Dallimi midis tyre është se gjatë difuzionit, një molekulë lëviz gjithmonë në një vijë të drejtë derisa të përplaset me një molekulë tjetër, pas së cilës ndryshon trajektoren e lëvizjes së saj. Një grimcë Brownian nuk është "fluturim i lirë", por përjeton "dridhje" shumë të vogla dhe të shpeshta, si të thuash, si rezultat i të cilave lëviz rastësisht aty-këtu. Në mënyrë figurative, një grimcë Brownian është si një kanaçe bosh birre e shtrirë përreth në një shesh ku është mbledhur një turmë e madhe njerëzish. Njerëzit vrapojnë përpara dhe mbrapa, prekin kavanozin me këmbët e tyre dhe ai fluturon rastësisht në drejtime të ndryshme si një grimcë Brownian. Dhe lëvizja e vetë njerëzve në turmë është tashmë më karakteristike për lëvizjen e grimcave gjatë difuzionit.

Nëse shikoni në nivelin mikro, atëherë arsyeja e lëvizjes së një grimce Brownian është përplasja e saj me grimca më të vogla, ndërsa gjatë difuzionit grimcat përplasen me grimca të tjera të ngjashme.

Si difuzioni ashtu edhe lëvizja Brownian ndodhin nën ndikimin e temperaturës. Ndërsa temperatura zvogëlohet, shpejtësia e grimcave gjatë lëvizjes Browniane dhe shpejtësia e lëvizjes së grimcave gjatë difuzionit ngadalësohen.

Shembuj të lëvizjes Brownian në jetën reale

Teoria e lëvizjes Brownian, këto ecje të rastësishme, ka një zbatim praktik në jetën tonë reale. Për shembull, pse një person që humbet në pyll kthehet periodikisht në të njëjtin vend? Sepse nuk lëviz në rrathë, por përafërsisht në të njëjtën mënyrë si zakonisht lëviz një grimcë Browniane. Prandaj, ai vetë e kalon shumë herë rrugën e tij.

Prandaj, duke mos pasur udhëzime dhe drejtime të qarta lëvizjeje, një person i humbur krahasohet me një grimcë Brownian që kryen lëvizje kaotike. Por për të dalë nga pylli, duhet të keni udhëzime të qarta, të zhvilloni një sistem, në vend që të kryeni veprime të ndryshme të pakuptimta. Me një fjalë, nuk duhet të silleni në jetë si një grimcë Browniane, duke nxituar nga njëra anë në tjetrën, por duhet të dini drejtimin, qëllimin dhe thirrjen tuaj, të keni ëndrra, guxim dhe këmbëngulje për t'i arritur ato. Kështu kaluam pa probleme nga fizika në filozofi. Kjo përfundon këtë artikull.

Lëvizje Brownian, video

Dhe së fundi, një video edukative mbi temën e artikullit tonë.

Kur shkruaja artikullin, u përpoqa ta bëja atë sa më interesant, të dobishëm dhe me cilësi të lartë. Do të isha mirënjohës për çdo reagim dhe kritikë konstruktive në formën e komenteve mbi artikullin. Ju gjithashtu mund të shkruani dëshirën / pyetjen / sugjerimin tuaj në postën time [email i mbrojtur] ose ne Facebook, me respekt autori.