UMK A.V. Grachev hattı. Fizik (7-9)

UMK A.V. Grachev hattı. Fizik (10-11) (temel, ileri)

Brown hareketi

biz var yeni biçim! Artık makaleyi dinleyebilirsiniz.

1. Parçacıklar

Tüm maddelerin sürekli ve rastgele hareket eden çok, çok küçük parçacıklardan oluştuğunu biliyoruz. Bunu nasıl bildik? Bilim adamları, hiçbir optik mikroskobun göremediği kadar küçük parçacıkların varlığını nasıl öğrendiler? Ve dahası, bu parçacıkların sürekli ve rastgele hareket halinde olduklarını nasıl buldular? İki fenomen bilim adamlarının bunu anlamalarına yardımcı oldu - Brown hareketi ve yayılma. Bu fenomenleri daha ayrıntılı olarak tartışacağız.

2. Brown hareketi

İngiliz bilim adamı Robert Brown bir fizikçi ya da kimyager değildi. O bir botanikçiydi. Ve fizikçiler ve kimyagerler için böylesine önemli bir fenomeni keşfedeceğini hiç beklemiyordu. Ve oldukça basit deneylerinde moleküllerin kaotik hareketinin sonucunu gözlemleyeceğinden bile şüphelenemezdi. Ve tam olarak böyleydi.

Neydi bu deneyler? Öğrencilerin biyoloji derslerinde, örneğin bitki hücrelerini mikroskopla incelemeye çalıştıklarında yaptıklarının hemen hemen aynısıydı. Robert Brown, bitki polenlerini mikroskop altında incelemek istedi. Bir damla sudaki polen tanelerine baktığında, tanelerin hareketsiz olmadığını, sanki canlıymış gibi sürekli seğirdiklerini fark etti. İlk başta muhtemelen öyle düşündü, ancak bir bilim adamı olarak elbette bu düşünceden vazgeçti. Bu polen tanelerinin neden böyle garip bir şekilde davrandığını anlayamadı, ancak gördüğü her şeyi tarif etti ve bu açıklama, parçacıkların sürekli ve rastgele hareketinin görsel kanıtlarına sahip olduklarını hemen fark eden fizikçilerin eline geçti.

Brown tarafından açıklanan bu hareket şu şekilde açıklanmaktadır: polen taneleri, sıradan bir mikroskopla görebildiğimiz kadar büyüktür, ancak su moleküllerini görmeyiz, ancak aynı zamanda polen taneleri yeterince küçüktür, çünkü etraflarındaki çarpmalara, onları her taraftan çevreleyen su moleküllerine, önce bir yöne, sonra diğer yöne kaymışlar. Yani bir damla sudaki polen tanelerinin bu kaotik “dansı”, su moleküllerinin sürekli ve rastgele olarak polen tanelerine farklı yönlerden vurduğunu ve yer değiştirdiğini gösterdi. O zamandan beri, bir sıvı veya gaz içindeki küçük katı parçacıkların sürekli ve kaotik hareketi olarak adlandırılmıştır. kahverengi hareket. Bu hareketin en önemli özelliği sürekli olmasıdır, yani hiç durmamasıdır.

3. Difüzyon

Difüzyon, moleküllerin sürekli ve rastgele hareketinin açık kanıtının bir başka örneğidir. Ve gaz halindeki maddelerin, sıvıların ve hatta katıların çok daha yavaş olmasına rağmen kendi kendine karışabilmesi gerçeğinde yatmaktadır. Örneğin, kokular çeşitli maddeler bu kendi kendine karışma nedeniyle rüzgar yokluğunda bile havada yayılır. Veya başka bir örnek - bir bardak suya birkaç kristal potasyum permanganat atarsanız ve suyu karıştırmadan yaklaşık bir gün beklerseniz, bardaktaki tüm suyun eşit şekilde renklendiğini göreceğiz. Bunun nedeni, yer değiştiren moleküllerin sürekli hareketidir ve maddeler dış etki olmaksızın yavaş yavaş kendi başlarına karışır.

Kitap lise öğrencilerine, öğrencilere, öğretmenlere ve fizik öğretmenlerine olduğu kadar çevremizdeki dünyada neler olup bittiğini anlamak ve doğal olayların tüm çeşitliliğine dair bilimsel bir görüş geliştirmek isteyen herkese hitap ediyor. Kitabın her bölümü aslında bir dizi fiziksel görevler Okuyucunun çözerek, fiziksel yasalar hakkındaki anlayışını güçlendirecek ve pratik ilgi durumlarında bunları uygulamayı öğrenecektir.

4. Brownian hareket ve difüzyonun özellikleri

Fizikçiler Robert Brown tarafından açıklanan fenomene daha yakından bakmaya başladıklarında, difüzyon gibi bu sürecin de sıcaklığın arttırılmasıyla hızlandırılabileceğini fark ettiler. İçinde sıcak su ve potasyum permanganat ile renklendirme daha hızlı gerçekleşir ve örneğin grafit yongaları veya aynı polen taneleri gibi küçük katı parçacıkların hareketi daha yoğun bir şekilde gerçekleşir. Bu, moleküllerin kaotik hareketinin hızının doğrudan sıcaklığa bağlı olduğu gerçeğini doğruladı. Ayrıntılara girmeden, hem Brown hareketinin yoğunluğunun hem de yayılma hızının bağlı olabileceği faktörleri listeliyoruz:

1) sıcaklıkta;

2) bu süreçlerin meydana geldiği maddenin türü hakkında;

3) toplama durumundan.

yani sıcaklığa eşit Gaz halindeki maddelerin difüzyonu, sıvılardan çok daha hızlı ilerler, katıların difüzyonundan bahsetmiyorum bile, o kadar yavaş meydana gelir ki, sonucu ve o zaman bile çok önemsiz, fark edilebilir veya çok az. yüksek sıcaklıklar, ya da çok uzun bir süre - yıllar hatta on yıllar boyunca.

5. Pratik uygulama

Difüzyon, pratik uygulaması olmasa bile, sadece insanlar için değil, Dünya üzerindeki tüm yaşam için de büyük önem taşır: oksijenin kanımıza akciğerler yoluyla girmesi, difüzyon sayesinde, bitkilerin topraktan suyu çekmesi, difüzyon yoluyla olur. atmosferden karbondioksiti emer ve içinde salıverir oksijen ve balıklar, atmosferden difüzyon yoluyla suya giren sudaki oksijeni solurlar.

Difüzyon olgusu teknolojinin birçok alanında da kullanılmaktadır ve difüzyon katılar. Örneğin, böyle bir süreç var - difüzyon kaynağı. Bu işlemde parçalar birbirine çok kuvvetli bastırılır, 800 °C'ye kadar ısıtılır ve difüzyon yoluyla birbirine bağlanır. Difüzyon sayesinde, çok sayıda farklı gazdan oluşan dünya atmosferi, bileşimde ayrı katmanlara bölünmez, ancak her yerde yaklaşık olarak homojendir - ve başka türlü olsaydı, nefes alamazdık.

Difüzyonun hayatımız ve tüm doğa üzerindeki etkisine dair çok sayıda örnek var, isterseniz herhangi birinizin de bulabileceği. Ancak Brown hareketinin uygulanması hakkında, bu hareketi tanımlayan teorinin kendisinin, görünüşte tamamen ilgisiz diğer fenomenlere, fenomenlere uygulanabilmesi dışında çok az şey söylenebilir. Örneğin, bu teori, fiyat değişiklikleri gibi büyük miktarda veri ve istatistik kullanarak rastgele süreçleri tanımlamak için kullanılır. Brownian hareket teorisi, gerçekçi bilgisayar grafikleri oluşturmak için kullanılır. İlginç bir şekilde, ormanda kaybolan bir kişi, Brown parçacıklarıyla aynı şekilde hareket eder - bir yandan diğer yana dolaşarak, yörüngesini tekrar tekrar geçerek.

1) Brown hareketi ve difüzyonu sınıfa anlatırken, bu fenomenlerin moleküllerin varlığı gerçeğini kanıtlamadığını, ancak hareketlerinin gerçeğini ve rastgele - kaotik olduğunu kanıtladığını vurgulamak gerekir.

2) Bunun sıcaklığa bağlı sürekli bir hareket, yani asla duramayacak bir termal hareket olduğuna özellikle dikkat edin.

3) En meraklı çocuklara evde benzer bir deney yapmaları talimatını vererek ve gün boyunca bir veya iki saatte bir potasyum permanganatlı suyun fotoğrafını çekerek su ve potasyum permanganat kullanarak difüzyonu gösterin (hafta sonları çocuklar bunu zevkle yapacaklardır, ve size bir fotoğraf gönderecekler). Böyle bir deneyde, difüzyon hızının sıcaklığa bağımlılığını açıkça gösterebilmeniz için, soğuk ve sıcak su içeren iki kap varsa daha iyidir.

4) Örneğin bir deodorant kullanarak sınıfta difüzyon oranını ölçmeye çalışın - sınıfın bir ucuna az miktarda aerosol püskürtüyoruz ve buradan 3-5 metre uzakta, öğrenci kronometre ile zamanı düzeltiyor bundan sonra koku alacaktır. Hem eğlenceli hem de ilginç ve çocuklar tarafından uzun süre hatırlanacak!

5) Çocuklarla kaos kavramını ve kaotik süreçlerde bile bilim adamlarının bazı kalıplar bulduğunu tartışın.

Brown hareketi - bir sıvı veya gaz içinde asılı duran mikroskobik görünür parçacıkların rastgele hareketi sağlam sıvı veya gaz parçacıklarının termal hareketinden kaynaklanır. Brown hareketi asla durmaz. Brownian hareketi termal hareketle ilişkilidir, ancak bu kavramlar karıştırılmamalıdır. Brown hareketi, termal hareketin varlığının bir sonucu ve kanıtıdır.

Brown hareketi, moleküler kinetik teorinin atomların ve moleküllerin kaotik termal hareketi hakkındaki fikirlerinin en bariz deneysel doğrulamasıdır. Gözlem aralığı, ortamın moleküllerinden parçacığa etki eden kuvvetlerin yönünü birçok kez değiştirecek kadar büyükse, o zaman bir eksen üzerindeki yer değiştirmesinin izdüşümünün ortalama karesi (diğerinin yokluğunda) dış kuvvetler) zamanla orantılıdır.
Einstein yasasını türetirken, herhangi bir yönde parçacık yer değiştirmelerinin eşit derecede olası olduğu ve sürtünme kuvvetlerinin etkisiyle karşılaştırıldığında Brownian parçacığının eylemsizliğinin ihmal edilebileceği varsayılır (bu, yeterince uzun süreler için kabul edilebilir). D katsayısının formülü, viskoz bir sıvıda a yarıçaplı bir kürenin hareketine karşı hidrodinamik direnç için Stokes yasasının uygulanmasına dayanır. ve D arasındaki ilişkiler, J. Perrin ve T. Svedberg'in ölçümleriyle deneysel olarak doğrulandı. Bu ölçümlerden Boltzmann sabiti k ve Avogadro sabiti NA deneysel olarak belirlenir. Translasyonel Brownian hareketine ek olarak, bir Brownian parçacığının ortamın moleküllerinin etkilerinin etkisi altında rastgele dönüşü olan bir dönme Brownian hareketi de vardır. Dönel Brownian hareketi için, bir parçacığın rms açısal yer değiştirmesi gözlem süresi ile orantılıdır. Bu ilişkiler, Perrin'in deneyleriyle de doğrulandı, ancak bu etkiyi gözlemlemek, öteleme Brownian hareketinden çok daha zor.

fenomenin özü

Brown hareketi, tüm sıvıların ve gazların atomlardan veya moleküllerden oluşması nedeniyle oluşur - en küçük parçacıklar, sabit kaotik termal hareket halindedir ve bu nedenle Brown parçacığını sürekli olarak farklı yönlerden iter. 5 µm'den büyük büyük partiküllerin Brown hareketine pratik olarak katılmadığı (hareketsiz veya tortul), daha küçük partiküllerin (3 µm'den küçük) çok karmaşık yörüngeler boyunca aşamalı olarak hareket ettiği veya döndüğü bulundu. Büyük bir cisim ortama daldırıldığında, çok sayıda meydana gelen şokların ortalaması alınır ve sabit basınç. Büyük bir gövde her taraftan bir ortamla çevriliyse, basınç pratik olarak dengelenir, sadece kaldırma kuvveti Arşimet - böyle bir vücut sorunsuz bir şekilde yüzer veya batar. Gövde küçükse, bir Brown partikülü gibi, basınç dalgalanmaları fark edilir hale gelir ve bu da fark edilir şekilde rastgele değişen bir kuvvet oluşturarak partikülün salınımlarına yol açar. Brown partikülleri genellikle batmaz veya yüzmez, ancak bir ortamda askıda kalır.

Brownian hareket teorisi

1905 yılında Albert Einstein moleküler Kinetik teori Brownian hareketinin nicel bir tanımı için, özellikle, küresel Brownian parçacıklarının difüzyon katsayısı için bir formül türetmiştir:

nerede D- difüzyon katsayısı, R evrensel gaz sabitidir, T - mutlak sıcaklık,NA Avogadro sabitidir, a- parçacık yarıçapı, ξ - dinamik viskozite.

Markovyen olmayan olarak Brown hareketi
rastgele süreç

Geçen yüzyılda iyi geliştirilmiş olan Brownian hareket teorisi yaklaşıktır. Ve çoğu durumda pratik öneme sahip olan mevcut teori tatmin edici sonuçlar verse de, bazı durumlarda açıklama gerektirebilir. Böylece, 21. yüzyılın başında gerçekleştirilen deneysel çalışmalar, Politeknik Üniversitesi Lozan, Texas Üniversitesi ve Heidelberg'deki Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı (S. Janey'nin yönetiminde), bir Brown parçacığının davranışında, Einstein-Smoluchowski teorisi tarafından teorik olarak tahmin edilenden, özellikle artan artışla farkedilenden farklı olduğunu gösterdi. parçacık boyutları. Çalışmalar ayrıca ortamı çevreleyen parçacıkların hareketinin analizine de değindi ve Brown parçacığının hareketinin ve bunun neden olduğu ortamın parçacıklarının hareketinin birbirleri üzerinde önemli bir karşılıklı etkisi olduğunu gösterdi. Brown parçacığında "hafıza"nın varlığı veya başka bir deyişle bağımlılığı istatistiksel özellikler geçmişteki davranışının tüm tarihöncesinden gelecekte. Bu gerçek Einstein-Smoluchowski teorisinde dikkate alınmadı.
Genel olarak konuşursak, bir parçacığın viskoz bir ortamdaki Brown hareketi süreci, Markovyen olmayan süreçler sınıfına aittir ve daha doğru bir açıklaması için integral stokastik denklemlerin kullanılması gerekir.

Brown, mikroskop altında suda çiçek poleninin süspansiyonunu gözlemlerken, "sıvının hareketinden ve buharlaşmasından değil" ortaya çıkan parçacıkların kaotik bir hareketini gözlemledi. Yalnızca mikroskop altında görülebilen, 1 µm veya daha küçük boyutlu asılı parçacıklar, karmaşık zikzak yörüngeleri tanımlayan düzensiz bağımsız hareketler gerçekleştirdi. Brownian hareketi zamanla zayıflamaz ve kimyasal özellikler Ortamın sıcaklığı arttıkça, viskozitesi ve partikül boyutu azaldıkça yoğunluğu artar. Brown hareketinin nedenlerinin nitel bir açıklaması bile ancak 50 yıl sonra, Brown hareketinin nedeni sıvı moleküllerin içinde asılı duran bir parçacığın yüzeyi üzerindeki etkisiyle ilişkilendirilmeye başladığında mümkün oldu.

Brownian hareketinin ilk nicel teorisi 1905-06'da A. Einstein ve M. Smoluchowski tarafından verildi. moleküler kinetik teoriye dayanmaktadır. Brown parçacıklarının rastgele yürüyüşlerinin, içinde bulundukları ortamın molekülleri ile birlikte termal harekete katılımlarıyla ilişkili olduğu gösterilmiştir. Parçacıklar ortalama olarak aynı kinetik enerji, ancak daha büyük kütle nedeniyle daha düşük bir hıza sahiptirler. Brownian hareket teorisi, bir parçacığın rastgele hareketini, moleküllerden ve sürtünme kuvvetlerinden gelen rastgele kuvvetlerin etkisiyle açıklar. Bu teoriye göre, bir sıvı veya gazın molekülleri sürekli termal hareket halindedir ve farklı moleküllerin darbeleri büyüklük ve yön bakımından aynı değildir. Brownian parçacığında olduğu gibi, böyle bir ortama yerleştirilen bir parçacığın yüzeyi küçükse, parçacığın çevredeki moleküllerden aldığı darbeler tam olarak dengelenmeyecektir. Bu nedenle, moleküllerin "bombardıman"ının bir sonucu olarak, bir Brown parçacığı rastgele hareket etmeye başlar ve hızının büyüklüğünü ve yönünü saniyede yaklaşık 10 14 kez değiştirir. Bu teoriden, bir parçacığın yer değiştirmesini ölçerek, kesin zaman ve sıvının yarıçapını ve viskozitesini bilerek, Avogadro sayısını hesaplayabilirsiniz.

Brownian hareketi gözlemlenirken, parçacığın konumu düzenli aralıklarla sabitlenir. Zaman aralıkları ne kadar kısa olursa, parçacığın yörüngesi o kadar bozuk görünecektir.

Brownian hareket kalıpları, moleküler kinetik teorinin temel hükümlerinin açık bir teyidi olarak hizmet eder. Sonunda, maddenin hareketinin termal biçiminin, makroskopik cisimleri oluşturan atomların veya moleküllerin kaotik hareketinden kaynaklandığı tespit edildi.

Brownian hareket teorisi, istatistiksel mekaniğin kanıtlanmasında önemli bir rol oynadı; sulu çözeltilerin pıhtılaşmasının kinetik teorisinin temelidir. Ek olarak, Brownian hareketi doğruluğu sınırlayan ana faktör olarak kabul edildiğinden, metrolojide de pratik öneme sahiptir. ölçü aletleri. Örneğin, bir ayna galvanometresinin okumalarının doğruluk sınırı, hava molekülleri tarafından bombalanan bir Brownian parçacığı gibi aynanın titremesiyle belirlenir. Brownian hareket yasaları, elektronların rastgele hareketini belirleyerek gürültüye neden olur. elektrik devreleri. Dielektriklerdeki dielektrik kayıplar, dielektrikleri oluşturan dipol moleküllerinin rastgele hareketleri ile açıklanır. Elektrolit çözeltilerdeki iyonların rastgele hareketleri, elektrik dirençlerini arttırır.

Brown hareketi

20. yüzyılın ikinci yarısında, bilim çevrelerinde atomların doğası hakkında ciddi bir tartışma alevlendi. Bir yanda Ernst Mach gibi reddedilemez otoriteler vardı. (santimetre.şok dalgaları), atomların basitçe matematiksel fonksiyonlar, gözlemlenenleri başarıyla tanımlayan fiziksel olaylar ve gerçek olmayan fiziksel temel. Öte yandan, yeni dalganın bilim adamları - özellikle Ludwig Boltzmann ( santimetre. Boltzmann sabiti) - atomların fiziksel gerçeklikler olduğu konusunda ısrar etti. Ve her iki taraf da, tartışmalarının başlamasından on yıllar önce, sorunun fiziksel bir gerçeklik olarak atomların varlığı lehine kesin olarak kararlaştırılan deneysel sonuçların elde edildiğinin farkında değildi - ancak, bunlar daha sonra elde edildi. botanikçi Robert Brown tarafından fiziğe bitişik doğa bilimleri disiplini.

1827 yazında Brown, mikroskop altında polenin davranışını incelerken (sulu bir bitki poleni süspansiyonu üzerinde çalıştı). Clarkia pulchella), aniden bireysel sporların kesinlikle kaotik dürtüsel hareketler yaptığını keşfetti. Bu hareketlerin ne suyun girdapları ve akıntılarıyla ne de buharlaşmasıyla hiçbir şekilde bağlantılı olmadığını kesin olarak belirledi ve ardından parçacıkların hareketinin doğasını tanımladıktan sonra, suyun kökenini açıklamak için dürüstçe kendi acizliğini imzaladı. bu kaotik hareket. Bununla birlikte, titiz bir deneyci olan Brown, böyle bir kaotik hareketin, bitki poleni, mineral süspansiyonları veya genel olarak herhangi bir ezilmiş madde olsun, herhangi bir mikroskobik parçacığın özelliği olduğunu buldu.

Sadece 1905'te, Albert Einstein'dan başkası ilk kez, bu gizemli, ilk bakışta fenomenin, maddenin yapısının atom teorisinin doğruluğunun en iyi deneysel teyidi olarak hizmet ettiğini fark etmedi. Bunu şöyle açıkladı: Suda asılı duran bir spor, rastgele hareket eden su molekülleri tarafından sürekli “bombardımana” maruz kalıyor. Ortalama olarak, moleküller ona her taraftan eşit yoğunlukta ve düzenli aralıklarla etki eder. Ancak, anlaşmazlık ne kadar küçük olursa olsun, tamamen rastgele sapmalar nedeniyle, önce kendisine bir taraftan çarpan molekülden, sonra diğer taraftan ona çarpan molekülden bir darbe alır ve bu böyle devam eder. bu tür çarpışmaların ortalamasını almanın sonucu olarak, parçacığın bir noktada bir yönde "seğirdiği", o zaman diğer tarafta daha fazla molekül tarafından "itildiyse", diğerinde vb. ortaya çıkıyor. matematiksel istatistik ve gazların moleküler kinetik teorisi, Einstein bir Brownian parçacığının ortalama kare yer değiştirmesinin makroskopik parametrelere bağımlılığını tanımlayan bir denklem türetti. ( İlginç gerçek: Alman "Annals of Physics" dergisinin ciltlerinden birinde ( Annalen der Fizik) 1905'te Einstein tarafından üç makale yayınlandı: Brown hareketinin teorik açıklamasını içeren bir makale, özel görelilik teorisinin temelleri üzerine bir makale ve son olarak fotoelektrik etki teorisini açıklayan bir makale. İkincisi için Albert Einstein verildi Nobel Ödülü 1921'de fizikte.)

1908'de Fransız fizikçi Jean-Baptiste Perrin (Jean-Baptiste Perrin, 1870-1942), Einstein'ın Brownian hareket fenomeni açıklamasının doğruluğunu onaylayan bir dizi parlak deney gerçekleştirdi. Brown parçacıklarının gözlemlenen "kaotik" hareketinin moleküller arası çarpışmaların bir sonucu olduğu nihayet anlaşıldı. "Faydalı matematiksel kurallar" (Mach'e göre) gözlemlenebilir ve kusursuz gerçek hareketlere yol açamayacağından fiziksel parçacıklar, atomların gerçekliği hakkındaki tartışmanın sona erdiği nihayet anlaşıldı: doğada varlar. Perrin, bir "bonus oyun" olarak, Einstein tarafından türetilen ve Fransız'ın belirli bir süre boyunca bir sıvı içinde asılı duran bir parçacıkla çarpışan ortalama atom ve / veya molekül sayısını analiz etmesine ve tahmin etmesine izin veren formülü aldı. Bu gösterge, çeşitli sıvıların molar sayılarını hesaplar. Bu fikir, her şu an zaman, asılı bir parçacığın ivmesi, ortamın molekülleri ile çarpışmaların sayısına bağlıdır ( santimetre. Newton'un mekanik yasaları) ve dolayısıyla birim sıvı hacmi başına molekül sayısı. Ve bu başka bir şey değil Avogadro'nun numarası (santimetre. Avogadro yasası), dünyamızın yapısını belirleyen temel sabitlerden biridir.

Brownian hareketi, genellikle farklı sıvı veya gazlardaki moleküller olmak üzere küçük parçacıkların kaotik ve rastgele hareketidir. Brownian hareketinin ortaya çıkmasının nedeni, bazı (daha küçük parçacıklar) diğer parçacıklar (zaten daha büyük olanlar) ile çarpışmasıdır. Brown hareketinin keşfinin tarihi, fizikte ve özellikle atom ve moleküler teorideki önemi nedir? Brownian hareketinin hangi örnekleri var? gerçek hayat? Tüm bunları makalemizde daha fazla okuyun.

Brown hareketinin keşfi

Brownian hareketinin kaşifi İngiliz botanikçi Robert Brown (1773-1858) idi, aslında onun onuruna "Brownian" deniyordu. 1827'de Robert Brown, çeşitli bitkilerin polenleri üzerinde aktif araştırmalar yaptı. Özellikle bitkilerin üremesinde polenlerin hangi kısmı aldığıyla ilgilendi. Ve aynen böyle, sebze suyundaki polenin hareketini gözlemleyen bilim adamı, küçük parçacıkların ara sıra rastgele kıvrımlı hareketler yaptığını fark etti.

Brown'ın gözlemi diğer bilim adamları tarafından doğrulandı. Özellikle, parçacıkların kendi boyutlarındaki bir azalmanın yanı sıra sıcaklıktaki bir artışla hızlanma eğiliminde oldukları fark edildi. Ve bulundukları ortamın viskozitesindeki bir artışla, aksine hareketleri yavaşladı.

Robert Brown, Brownian hareketinin kaşifi.

İlk başta, Robert Brown bazı canlı mikroorganizmaların hareketini, hatta "dansını" gözlemlediğini düşündü, çünkü polenin kendisi aslında bitkilerin erkek cinsiyet hücreleridir. Ancak ölü bitki parçacıklarının benzer bir hareketi vardı ve bitkiler bile yüz yıl önce herbaryumlarda kurutuldu. Bilim adamı cansız maddeleri incelemeye başladığında daha da şaşırdı: küçük kömür parçacıkları, kurum ve hatta Londra havasının toz parçacıkları. Ardından cam, çeşitli ve çeşitli mineraller araştırmacının mikroskobunun altına düştü. Ve her yerde bu "aktif moleküller" görüldü, sürekli ve kaotik hareket halindeydiler.

Bu ilginç: Brown hareketini kendi gözlerinizle kendiniz gözlemleyebilirsiniz, bunun için güçlü olmayan bir mikroskoba ihtiyacınız olacak (sonuçta, Robert Brown'ın hayatı boyunca güçlü modern mikroskoplar yoktu). Bu mikroskopla bakıldığında, örneğin karartılmış bir kutudaki duman ve bir yan ışık huzmesi ile aydınlatıldığında, sürekli ileri geri sıçrayan küçük kurum ve kül parçaları görülebilir. Bu Brown hareketidir.

Brown hareketi ve atomik-moleküler teori

Brown tarafından keşfedilen hareket, kısa sürede bilim çevrelerinde çok ünlü oldu. Kaşifin kendisi bunu birçok meslektaşına zevkle gösterdi. Bununla birlikte, uzun yıllar boyunca ne Robert Brown ne de meslektaşları Brown hareketinin nedenlerini, neden oluştuğunu açıklayamadı. Dahası, Brown hareketi tamamen düzensizdi ve herhangi bir mantığa meydan okuyordu.

Açıklaması ancak 19. yüzyılın sonunda yapıldı ve bilim topluluğu tarafından hemen kabul edilmedi. 1863'te Alman matematikçi Ludwig Christian Wiener, Brownian hareketinin aşağıdakilerden kaynaklandığını öne sürdü. salınım hareketleri bazı görünmez atomlar. Aslında bu, atomların ve moleküllerin özellikleriyle bağlantılı bu garip fenomenin ilk açıklamasıydı, Brown hareketinin yardımıyla maddenin yapısının gizemini çözmeye yönelik ilk girişimdi. Wiener özellikle parçacıkların hızının boyutlarına bağımlılığını ölçmeye çalıştı.

Daha sonra, Wiener'in fikirleri, aralarında ünlü İskoç fizikçi ve kimyager William Ramsay'ın da bulunduğu diğer bilim adamları tarafından geliştirildi. Küçük parçacıkların Brown hareketinin nedeninin, tıpkı uzak bir tekneyi sallayan dalgaların denizden görünmediği gibi, sıradan bir mikroskopta artık görünmeyen daha küçük parçacıkların kendileri üzerindeki etkisi olduğunu kanıtlamayı başaran oydu. kıyıda olmasına rağmen, teknenin hareketi oldukça net bir şekilde görülebilmektedir.

Böylece Brownian hareketi, oluşturan parçalar atom-moleküler teori ve aynı zamanda tüm maddelerin en küçük parçacıklardan oluştuğunun önemli bir kanıtı: atomlar ve moleküller. İnanması güç ama 20. yüzyılın başlarında bile bazı bilim adamları atom-moleküler teorisini inkar ettiler, moleküllerin ve atomların varlığına inanmadılar. Bilimsel çalışmalar Brown hareketiyle bağlantılı Ramsay, atomizmin karşıtlarına ezici bir darbe indirdi ve sonunda tüm bilim adamlarını, kendi gözlerinizle gördüğünüze, atomların ve moleküllerin var olduğuna ve eylemlerinin kendi gözlerinizle görülebileceğine ikna etti.

Brownian hareket teorisi

Parçacıkların kaotik hareketinin dışa dönük düzensizliğine rağmen, yine de rastgele hareketlerini matematiksel formüllerle açıklamaya çalıştılar. Böylece Brownian hareket teorisi doğdu.

Bu arada, bu teoriyi geliştirenlerden biri, o zamanlar Lviv Üniversitesi'nde çalışan ve Polonya'da yaşayan Polonyalı fizikçi ve matematikçi Marian Smoluchowski idi. Memleket Bu makalenin yazarı, Ukrayna'nın güzel şehri Lviv'de.

Lviv Üniversitesi, şimdi Üniversite. Frank.

Smoluchovsky'ye paralel olarak, Brownian hareketi teorisi, dünya biliminin armatürlerinden biri - o zamanlar İsviçre'nin Bern şehrinin Patent Ofisinde hala genç ve tanınmış bir işçi olan ünlü Albert Einstein tarafından incelenmiştir.

Sonuç olarak, her iki bilim adamı da Smoluchowski-Einstein teorisi olarak da adlandırılabilecek kendi teorilerini yarattı. Özellikle, bir Brownian parçacığının kare yer değiştirmesinin ortalama değerinin ( s 2) zamanla t, sıcaklık T ile doğru orantılı ve sıvı viskozitesi n, parçacık boyutu r ve sabit ile ters orantılıdır.

N A: s 2 = 2RTt/6 saat rN A - bu formül böyle görünüyor.

Formüldeki R gaz sabitidir. Yani, 1 dakikada 1 μm çapında bir parçacık 10 μm yer değiştirirse, 9 dakikada - 10 = 30 μm, 25 dakikada - 10 = 50 μm, vb. Benzer koşullar altında, 0.25 µm çapında bir parçacık aynı zaman aralıklarında (1, 9 ve 25 dakika) sırasıyla 20, 60 ve 100 µm kayacaktır, çünkü = 2'dir. formül, Fransız fizikçi Jean Baptiste Perrin tarafından yapılan bir Brownian parçacığının hareketinin nicel ölçümleriyle belirlenebilen Avogadro sabitini içerir.

Brownian parçacıklarını gözlemlemek için Perrin, maddenin en küçük parçacıklarının zaten görülebildiği o zamanın en son ultramikroskopunu kullandı. Deneylerinde, bir kronometre ile donanmış bilim adamı, belirli Brown parçacıklarının pozisyonlarını düzenli aralıklarla (örneğin, 30 saniye sonra) kaydetti. Daha sonra parçacıkların konumlarını düz çizgilerle birleştirerek, hareketlerinin çeşitli karmaşık yörüngeleri elde edildi. Bütün bunlar özel bir grafik kağıda çizildi.

Çizimler böyle görünüyordu.

Einstein'ın teorik formülünü gözlemleriyle derleyen Perrin, Avogadro sayısının o dönem için en doğru değerini elde etmeyi başardı: 6.8 . 10 23

Deneyleriyle Einstein ve Smoluchowski'nin teorik sonuçlarını doğruladı.

Brown hareketi ve difüzyon

Brown hareketi sırasında parçacıkların hareketi, sıcaklığın etkisi altında farklı maddelerin moleküllerinin karşılıklı nüfuzu sırasında parçacıkların hareketine dışa çok benzer. O halde Brown hareketi ile difüzyon arasındaki fark nedir? Aslında, hem difüzyon hem de Brown hareketi, moleküllerin rastgele termal hareketi nedeniyle meydana gelir ve sonuç olarak benzer matematiksel kurallarla tanımlanır.

Aralarındaki fark, difüzyon sırasında bir molekülün başka bir molekülle çarpışana kadar her zaman düz bir çizgide hareket etmesi ve ardından yörüngesini değiştirmesidir. Bir Brown parçacığı "serbest uçuş" yapmaz, ancak çok küçük ve sık "titreşimler" yaşar, bunun sonucunda rastgele oraya buraya hareket eder. Mecazi olarak konuşursak, bir Brown parçacığı, büyük bir insan kalabalığının toplandığı bir meydanda duran boş bir bira kutusu gibidir. İnsanlar bir ileri bir geri koşarlar, kavanoza ayaklarıyla dokunurlar ve kavanoz bir Brown parçacığı gibi rastgele farklı yönlere uçar. Ve insanların kalabalıktaki hareketi, difüzyon sırasında parçacıkların hareketinin daha karakteristik özelliğidir.

Mikro düzeyde bakarsanız, bir Brownian parçacığının hareketinin nedeni daha küçük parçacıklarla çarpışmasıdır, difüzyon sırasında parçacıklar diğer benzer parçacıklarla çarpışır.

Hem difüzyon hem de Brown hareketi sıcaklığın etkisi altında gerçekleşir. Sıcaklık azaldıkça, hem Brown hareketi sırasında parçacıkların hızı hem de difüzyon sırasında parçacıkların hareketinin hızı yavaşlar.

Gerçek hayatta Brown hareketi örnekleri

Brown hareketi teorisi, bu rastgele yürüyüşler, gerçek hayatımızda pratik bir uygulamaya sahiptir. Örneğin, ormanda kaybolan bir insan neden periyodik olarak aynı yere geri döner? Çünkü daireler çizerek hareket etmez, ancak yaklaşık olarak bir Brownian parçacığının genellikle hareket ettiği şekilde hareket eder. Bu nedenle, birçok kez kendi yolu ile kesişir.

Bu nedenle, net bir yönerge ve hareket yönü olmayan kayıp bir kişi, kaotik hareketler gerçekleştiren bir Brown parçacığına benzetilir. Ancak ormandan çıkmak için çeşitli anlamsız eylemler yapmak yerine net yönergelere sahip olmanız, bir sistem geliştirmeniz gerekir. Tek kelimeyle, hayatta bir yandan diğer yana koşan bir Brownian parçacığı gibi davranmamalı, yönünüzü, hedefinizi ve çağrınızı bilmeli, hayalleriniz, cesaretiniz ve onlara ulaşmak için azim göstermelisiniz. Böylece fizikten felsefeye sorunsuz bir şekilde geçtik. Bu, bu makaleyi sonuçlandırıyor.

Brown hareketi, video

Ve son olarak, makalemizin konusuyla ilgili bir eğitim videosu.

Yazıyı yazarken olabildiğince ilgi çekici, kullanışlı ve kaliteli olmasına özen gösterdim. Makaleyle ilgili yorumlar şeklinde herhangi bir geri bildirim ve yapıcı eleştiri için minnettar olurum. Dileğinizi / sorunuzu / önerinizi mailime de yazabilirsiniz. [e-posta korumalı] veya Facebook'ta, yazara saygılarımla.