UMK liniyasi A. V. Grachev. Fizika (7-9)

UMK liniyasi A. V. Grachev. Fizika (10-11) (asosiy, yuqori darajali)

Braun harakati

Bizda bor yangi format! Endi siz maqolani tinglashingiz mumkin.

1. Zarrachalar

Bizga ma'lumki, barcha materiya uzluksiz va tasodifiy harakatda bo'lgan juda ko'p va juda kichik zarralardan iborat. Biz buni qayerdan bildik? Qanday qilib olimlar hech qanday optik mikroskop ko'ra olmaydigan darajada kichik zarrachalar mavjudligini bilib oldilar? Bundan tashqari, ular bu zarralar uzluksiz va tasodifiy harakatda ekanligini qanday aniqlashga muvaffaq bo'lishdi? Olimlarga buni tushunishga ikkita hodisa yordam berdi - Braun harakati va diffuziya. Biz ushbu hodisalarni batafsilroq muhokama qilamiz.

2. Braun harakati

Ingliz olimi Robert Braun fizik yoki kimyogar emas edi. U botanik edi. Va u fiziklar va kimyogarlar uchun bunday muhim hodisani kashf etishini umuman kutmagan edi. Va u o'zining oddiy tajribalarida molekulalarning tartibsiz harakati natijasini kuzatishiga shubha qilolmadi. Va aynan shunday edi.

Bu tajribalar nima edi? Ular, masalan, o'simlik hujayralarini mikroskop bilan tekshirishga harakat qilganda, talabalar biologiya darslarida qilgan ishlari bilan deyarli bir xil edi. Robert Braun o'simlik gulchanglarini mikroskop ostida tekshirmoqchi edi. Bir tomchi suvdagi gulchang donalariga qarab, donalarning tinch emas, balki tirikdek tinmay tebranib turishini payqadi. U avvaliga shunday deb o‘ylagan bo‘lsa kerak, lekin olim bo‘lgani uchun bu fikrni rad etgan, albatta. U bu gulchang donalari nega bunday g'alati yo'l tutishini tushuna olmadi, lekin u ko'rgan hamma narsani tasvirlab berdi va bu ta'rif fiziklarning qo'liga tushdi va ular zarrachalarning uzluksiz va tasodifiy harakatining vizual dalillariga ega ekanligini darhol angladilar.

Braun tomonidan tasvirlangan bu harakat quyidagicha izohlanadi: gulchang donalari etarlicha katta, shuning uchun biz ularni oddiy mikroskop bilan ko'ra olamiz, lekin biz suv molekulalarini ko'rmaymiz, lekin shu bilan birga, gulchang donalari etarlicha kichikdir. ular bo'ylab ta'sirlarga, ularni har tomondan o'rab turgan suv molekulalari, ular avval bir tomonga, keyin boshqa tomonga siljigan. Ya'ni, bir tomchi suvdagi gulchang donalarining bu tartibsiz "raqsi" suv molekulalari doimiy ravishda va tasodifiy ravishda gulchang donalariga turli tomondan urilib, ularni siljitishini ko'rsatdi. O'shandan beri suyuqlik yoki gazdagi kichik qattiq zarralarning uzluksiz va xaotik harakati deyiladi jigarrang harakati. Bu harakatning eng muhim xususiyati uning uzluksizligi, ya'ni hech qachon to'xtamasligidir.

3. Diffuziya

Diffuziya molekulalarning uzluksiz va tasodifiy harakatining aniq dalilining yana bir misolidir. Va bu gazsimon moddalar, suyuqliklar va hatto qattiq moddalar, sekinroq bo'lsa-da, bir-biri bilan o'z-o'zidan aralashishi mumkinligidadir. Masalan, hidlar turli moddalar bu o'z-o'zidan aralashtirish tufayli shamol bo'lmasa ham havoda tarqaladi. Yoki yana bir misol - agar siz bir stakan suvga bir necha kaliy permanganat kristalini tashlasangiz va suvni aralashtirmasdan taxminan bir kun kutsangiz, stakandagi barcha suv bir xil rangda bo'lishini ko'ramiz. Bu joy almashinadigan molekulalarning uzluksiz harakati bilan bog'liq va moddalar asta-sekin tashqi ta'sirsiz o'z-o'zidan aralashib boradi.

Kitob o'rta maktab o'quvchilari, talabalar, o'qituvchilar va fizika o'qituvchilari, shuningdek, bizni o'rab turgan dunyoda nima sodir bo'layotganini tushunishni va tabiat hodisalarining barcha xilma-xilligiga ilmiy nuqtai nazarni rivojlantirishni xohlaydiganlarning barchasiga mo'ljallangan. Kitobning har bir bo'limi, aslida, to'plamdir jismoniy vazifalar, buni hal qilish orqali o'quvchi fizik qonunlar haqidagi tushunchasini mustahkamlaydi va ularni amaliy qiziqtirgan hollarda qo'llashni o'rganadi.

4. Braun harakati va diffuziyasining xossalari

Fiziklar Robert Braun ta'riflagan hodisaga diqqat bilan qarashni boshlaganlarida, ular diffuziya kabi bu jarayonni haroratni oshirish orqali tezlashtirish mumkinligini payqashdi. Ya'ni, ichida issiq suv va kaliy permanganat bilan bo'yash tezroq sodir bo'ladi va kichik qattiq zarralar, masalan, grafit chiplari yoki bir xil gulchang donalari harakati kattaroq intensivlik bilan sodir bo'ladi. Bu molekulalarning xaotik harakati tezligi to'g'ridan-to'g'ri haroratga bog'liqligini tasdiqladi. Tafsilotlarga kirmasdan, biz Braun harakatining intensivligi va diffuziya tezligi bog'liq bo'lishi mumkin bo'lgan omillarni sanab o'tamiz:

1) harorat bo'yicha;

2) bu jarayonlar sodir bo'ladigan moddaning turiga;

3) jamlanish holatidan.

Ya'ni, at haroratga teng gazsimon moddalarning diffuziyasi suyuqliklarga qaraganda tezroq kechadi, qattiq jismlarning tarqalishi haqida gapirmasa ham bo'ladi, bu shunchalik sekin sodir bo'ladiki, uning natijasi, va hatto juda ahamiyatsiz bo'lishi mumkin. yuqori haroratlar, yoki juda uzoq vaqt davomida - yillar yoki hatto o'n yillar.

5. Amaliy qo'llash

Diffuziya, hatto amaliy qo'llanilmasa ham, nafaqat odamlar uchun, balki Yerdagi barcha hayot uchun ham katta ahamiyatga ega: diffuziya tufayli kislorod bizning qonimizga o'pka orqali kiradi, diffuziya orqali o'simliklar tuproqdan suv chiqaradi, atmosferadan karbonat angidridni o'zlashtiradi va uni unga chiqaradi.kislorod, baliqlar esa atmosferadan diffuziya orqali suvga kiradigan suvda kislorod bilan nafas oladi.

Diffuziya hodisasi texnologiyaning ko'p sohalarida ham qo'llaniladi va u diffuziyadir. qattiq moddalar. Misol uchun, bunday jarayon mavjud - diffuzion payvandlash. Ushbu jarayonda qismlar bir-biriga juda kuchli bosiladi, 800 ° C ga qadar isitiladi va diffuziya orqali ular bir-biriga bog'lanadi. Aynan diffuziya tufayli ko'p sonli turli xil gazlardan tashkil topgan er atmosferasi tarkibida alohida qatlamlarga bo'linmagan, balki hamma joyda taxminan bir hil - va agar boshqacha bo'lsa, biz nafas ololmas edik.

Diffuziyaning bizning hayotimizga va butun tabiatga ta'siriga oid juda ko'p misollar mavjud, agar xohlasangiz, har biringiz topa olasiz. Ammo Broun harakatining qo'llanilishi haqida juda oz narsa aytish mumkin, faqat bu harakatni tavsiflovchi nazariyaning o'zini boshqa, bir-biriga mutlaqo bog'liq bo'lmagan hodisalarga, hodisalarga nisbatan qo'llash mumkin. Misol uchun, bu nazariya tasodifiy jarayonlarni tasvirlash uchun ishlatiladi, katta hajmdagi ma'lumotlar va statistik ma'lumotlardan - masalan, narxlarning o'zgarishi. Braun harakat nazariyasi real kompyuter grafikasini yaratish uchun ishlatiladi. Qizig'i shundaki, o'rmonda yo'qolgan odam xuddi Broun zarralari bilan bir xil tarzda harakat qiladi - uning traektoriyasini qayta-qayta kesib o'tib, u yoqdan bu tomonga aylanib yuradi.

1) Sinfga Braun harakati va diffuziya haqida gapirganda, bu hodisalar molekulalarning mavjudligini emas, balki ularning harakati faktini va uning tartibsiz - xaotik ekanligini isbotlashini ta'kidlash kerak.

2) Bu haroratga bog'liq uzluksiz harakat, ya'ni hech qachon to'xtab bo'lmaydigan issiqlik harakati ekanligiga alohida e'tibor berishni unutmang.

3) Suv va kaliy permanganat yordamida diffuziyani ko'rsating, eng qiziquvchan bolalarga uyda shunga o'xshash tajriba o'tkazishni va kun davomida har ikki soatda kaliy permanganat bilan suvni suratga olishni buyuring (dam olish kunlari bolalar buni zavq bilan qilishadi, va ular sizga fotosurat yuborishadi). Agar bunday tajribada diffuziya tezligining haroratga bog'liqligini aniq ko'rsatish uchun suv bilan ikkita idish - sovuq va issiq bo'lsa yaxshi bo'ladi.

4) Sinfdagi diffuziya tezligini, masalan, dezodorant yordamida o'lchashga harakat qiling - sinfning bir uchida biz oz miqdorda aerozol sepamiz va bu joydan 3-5 metr masofada o'quvchi soniya hisoblagichi bilan vaqtni aniqlaydi. shundan keyin u hidlaydi. Bu ham qiziqarli, ham qiziqarli va bolalarning xotirasida uzoq vaqt qoladi!

5) Bolalar bilan tartibsizlik tushunchasini va hatto xaotik jarayonlarda ham olimlar ba'zi naqshlarni topishini muhokama qiling.

Braun harakati - suyuqlik yoki gazda to'xtatilgan mikroskopik ko'rinadigan zarrachalarning tasodifiy harakati qattiq suyuqlik yoki gaz zarralarining issiqlik harakati natijasida yuzaga keladi. Braun harakati hech qachon to'xtamaydi. Braun harakati issiqlik harakati bilan bog'liq, ammo bu tushunchalarni chalkashtirmaslik kerak. Braun harakati issiqlik harakati mavjudligining natijasi va dalilidir.

Broun harakati atomlar va molekulalarning xaotik issiqlik harakati haqidagi molekulyar kinetik nazariya g'oyalarining eng aniq eksperimental tasdig'idir. Agar kuzatish oralig'i zarrachaga muhit molekulalaridan ta'sir etuvchi kuchlar o'z yo'nalishini ko'p marta o'zgartiradigan darajada katta bo'lsa, u holda uning biron bir o'q bo'yicha siljishi proyeksiyasining o'rtacha kvadrati (boshqasi bo'lmaganda) tashqi kuchlar) vaqtga proportsionaldir.
Eynshteyn qonunini chiqarishda zarrachalarning har qanday yo'nalishdagi siljishlari bir xil ehtimolga ega va ishqalanish kuchlari ta'siriga nisbatan Broun zarrasining inertsiyasini e'tiborsiz qoldirish mumkin deb taxmin qilinadi (bu etarlicha uzoq vaqt davomida qabul qilinadi). D koeffitsienti formulasi yopishqoq suyuqlikdagi a radiusli sharning harakatiga gidrodinamik qarshilik uchun Stoks qonunini qo'llashga asoslangan. va D uchun munosabatlar eksperimental ravishda J. Perrin va T. Svedberg o'lchovlari bilan tasdiqlangan. Ushbu o'lchovlardan Boltsman doimiysi k va Avogadro doimiysi NA eksperimental ravishda aniqlanadi. Tarjima Braun harakatidan tashqari, aylanma Broun harakati ham mavjud - muhit molekulalarining ta'siri ostida Broun zarrasining tasodifiy aylanishi. Aylanma Braun harakati uchun zarrachaning kvadratik burchak siljishi kuzatish vaqtiga proportsionaldir. Bu munosabatlar Perrin tajribalari bilan ham tasdiqlandi, garchi bu ta'sirni Braunning translyatsion harakatidan ko'ra kuzatish ancha qiyin.

Hodisaning mohiyati

Broun harakati barcha suyuqliklar va gazlar atomlar yoki molekulalardan - doimiy xaotik termal harakatda bo'lgan eng kichik zarralardan iborat bo'lganligi sababli yuzaga keladi va shuning uchun Broun zarrachasini turli tomonlardan doimiy ravishda itaradi. Aniqlanishicha, 5 mkm dan katta katta zarralar Broun harakatida amalda qatnashmaydi (ular harakatsiz yoki cho'kindi), kichikroq zarralar (3 mkm dan kam) juda murakkab traektoriyalar bo'ylab asta-sekin harakatlanadi yoki aylanadi. Katta jismni muhitga botirganda, ko'p miqdorda sodir bo'ladigan zarbalar o'rtacha hisoblanadi va hosil bo'ladi doimiy bosim. Agar katta jism har tomondan vosita bilan o'ralgan bo'lsa, unda bosim amalda muvozanatli, faqat ko'tarish kuchi Arximed - bunday tana silliq suzadi yoki cho'kadi. Agar tana Braun zarrasi kabi kichik bo'lsa, u holda bosimning o'zgarishi sezilarli bo'ladi, bu esa sezilarli tasodifiy o'zgaruvchan kuchni yaratadi va bu zarrachaning tebranishlariga olib keladi. Broun zarralari odatda cho'kmaydi yoki suzmaydi, lekin muhitda to'xtatiladi.

Braun harakat nazariyasi

1905 yilda Albert Eynshteyn molekulani yaratdi kinetik nazariya Braun harakatining miqdoriy tavsifi uchun.Xususan, sferik Broun zarrachalarining diffuziya koeffitsienti formulasini chiqardi:

qayerda D- diffuziya koeffitsienti, R universal gaz doimiysi, T - mutlaq harorat,N A Avogadro doimiysi, a- zarrachalar radiusi, p - dinamik yopishqoqlik.

Broun harakati Markoviy bo'lmagan
tasodifiy jarayon

O'tgan asrda yaxshi rivojlangan Broun harakati nazariyasi taxminiydir. Garchi ko'p hollarda amaliy ahamiyatga ega bo'lgan mavjud nazariya qoniqarli natijalarni bersa-da, ba'zi hollarda tushuntirishni talab qilishi mumkin. Shunday qilib, 21-asrning boshlarida olib borilgan eksperimental ishlar Politexnika universiteti Lozanna, Texas universiteti va Geydelbergdagi Yevropa molekulyar biologiya laboratoriyasi (S. Jeney rahbarligida) Braun zarrasining harakati Eynshteyn-Smoluxovskiy nazariyasi tomonidan nazariy jihatdan bashorat qilinganidan farqini ko'rsatdi, bu ayniqsa ortib borishi bilan sezilarli bo'ldi. zarracha o'lchamlari. Tadqiqotlar, shuningdek, muhitni o'rab turgan zarrachalarning harakatini tahlil qilishga to'xtalib, Broun zarrasi harakati va u tomonidan yuzaga kelgan muhit zarralari harakatining bir-biriga sezilarli o'zaro ta'sirini ko'rsatdi, ya'ni Broun zarrachasida "xotira" mavjudligi yoki boshqacha aytganda, uning bog'liqligi statistik xususiyatlar kelajakda uning o'tmishdagi xatti-harakatlarining butun tarixidan. Bu fakt Eynshteyn-Smoluxovskiy nazariyasida hisobga olinmagan.
Yopishqoq muhitda zarrachaning Broun harakati jarayoni, umuman olganda, Markov bo'lmagan jarayonlar sinfiga kiradi va uni aniqroq tavsiflash uchun integral stoxastik tenglamalardan foydalanish kerak.

Mikroskop ostida suvda gul gulchanglarining suspenziyasini kuzatar ekan, Braun "suyuqlik harakatidan ham, uning bug'lanishidan ham emas" paydo bo'ladigan zarrachalarning xaotik harakatini kuzatdi. Faqat mikroskop ostida ko'rinadigan, o'lchami 1 mkm yoki undan kichik bo'lgan to'xtatilgan zarralar murakkab zigzag traektoriyalarini tavsiflovchi tartibsiz mustaqil harakatlarni amalga oshirdi. Brownian harakati vaqt o'tishi bilan zaiflashmaydi va unga bog'liq emas kimyoviy xossalari muhit, uning intensivligi muhit haroratining oshishi va uning yopishqoqligi va zarracha hajmining pasayishi bilan ortadi. Broun harakatining sabablarini sifatli tushuntirish hatto 50 yil o'tgach, Braun harakatining sababi suyuqlik molekulalarining unda to'xtatilgan zarracha yuzasiga ta'siri bilan bog'liq bo'la boshlaganida mumkin bo'ldi.

Braun harakatining birinchi miqdoriy nazariyasi 1905-06 yillarda A. Eynshteyn va M. Smoluxovski tomonidan berilgan. molekulyar kinetik nazariyaga asoslanadi. Broun zarralarining tasodifiy yurishlari ular muallaq bo'lgan muhit molekulalari bilan birga issiqlik harakatida ishtirok etishi bilan bog'liqligi ko'rsatildi. Zarrachalar o'rtacha bir xil bo'ladi kinetik energiya, lekin katta massa tufayli ular past tezlikka ega. Broun harakati nazariyasi zarrachaning tasodifiy harakatini molekulalardan keladigan tasodifiy kuchlar va ishqalanish kuchlari bilan izohlaydi. Bu nazariyaga ko'ra, suyuqlik yoki gaz molekulalari doimiy issiqlik harakatida bo'lib, turli molekulalarning impulslari kattaligi va yo'nalishi bo'yicha bir xil emas. Agar shunday muhitga joylashtirilgan zarrachaning yuzasi, xuddi Broun zarrasi kabi kichik bo'lsa, u holda zarrachaning atrofdagi molekulalardan ko'rgan ta'siri to'liq qoplanmaydi. Shuning uchun molekulalar tomonidan "bombardimon qilish" natijasida Broun zarrasi o'z tezligining kattaligi va yo'nalishini soniyasiga taxminan 10 14 marta o'zgartirib, tasodifiy harakatlana boshlaydi. Bu nazariyadan kelib chiqadiki, zarrachaning joy almashishini o'lchash orqali ma'lum vaqt va uning radiusi va suyuqlikning yopishqoqligini bilib, siz Avogadro raqamini hisoblashingiz mumkin.

Broun harakatini kuzatishda zarrachaning joylashuvi muntazam oraliqlarda o'rnatiladi. Vaqt oraliqlari qanchalik qisqa bo'lsa, zarrachaning traektoriyasi shunchalik buzilgan ko'rinadi.

Broun harakatining naqshlari molekulyar kinetik nazariyaning asosiy qoidalarini aniq tasdig'i bo'lib xizmat qiladi. Nihoyat, modda harakatining issiqlik shakli makroskopik jismlarni tashkil etuvchi atomlar yoki molekulalarning xaotik harakati bilan bog'liqligi aniqlandi.

Statistik mexanikani asoslashda Broun harakati nazariyasi muhim rol o'ynadi va suvli eritmalar koagulyatsiyasining kinetik nazariyasi unga asoslanadi. Bundan tashqari, u metrologiyada ham amaliy ahamiyatga ega, chunki Braun harakati aniqlikni cheklovchi asosiy omil hisoblanadi. o'lchash asboblari. Masalan, ko'zgu galvanometri ko'rsatkichlarining aniqlik chegarasi havo molekulalari tomonidan bombardimon qilingan Broun zarrasi kabi oynaning titrashi bilan belgilanadi. Broun harakati qonunlari shovqinni keltirib chiqaradigan elektronlarning tasodifiy harakatini aniqlaydi elektr zanjirlari. Dielektriklardagi dielektrik yo'qotishlar dielektrikni tashkil etuvchi dipol molekulalarining tasodifiy harakatlari bilan izohlanadi. Elektrolitlar eritmalarida ionlarning tasodifiy harakati ularning elektr qarshiligini oshiradi.

Braun harakati

20-asrning ikkinchi yarmida ilmiy doiralarda atomlarning tabiati haqida jiddiy munozara avj oldi. Bir tomonda Ernst Mach kabi inkor etib bo'lmaydigan hokimiyatlar bor edi (sm. zarba to'lqinlari), atomlarning oddiy ekanligini ta'kidlagan matematik funktsiyalar, bu kuzatilganni muvaffaqiyatli tasvirlaydi jismoniy hodisalar va haqiqiy yo'q jismoniy asos. Boshqa tomondan, yangi to'lqin olimlari - xususan, Lyudvig Boltsmann ( sm. Boltsman doimiysi) - atomlar jismoniy haqiqat ekanligini ta'kidladi. Va ikkala tomonning hech biri o'zlarining bahs-munozaralari boshlanishidan o'nlab yillar oldin, atomlarning jismoniy voqelik sifatida mavjudligi haqidagi savolni bir marta va baribir hal qiladigan eksperimental natijalarga erishilganini bilishmasdi, ammo ular bir vaqtning o'zida olingan. botanik Robert Braun tomonidan fizikaga qo'shni tabiatshunoslik intizomi.

1827 yil yozida Braun mikroskop ostida gulchanglarning harakatini o'rganayotganda (u o'simlik gulchanglarining suvli suspenziyasini o'rgangan) Clarkia pulchella), to'satdan individual sporlar mutlaqo xaotik impulsiv harakatlar qilishini aniqladi. U bu harakatlar hech qanday tarzda suvning girdoblari va oqimlari yoki uning bug'lanishi bilan bog'liq emasligini aniqladi, shundan so'ng zarralar harakatining tabiatini tasvirlab, buning kelib chiqishini tushuntirish uchun o'zining kuchsizligiga halollik bilan imzo chekdi. xaotik harakat. Biroq, sinchkovlik bilan tajriba o'tkazuvchi Braun, bunday tartibsiz harakat har qanday mikroskopik zarrachalarga xos ekanligini aniqladi, xoh u o'simlik gulchanglari, mineral suspenziyalar yoki umuman, har qanday maydalangan moddalar.

Faqat 1905 yilda Albert Eynshteyndan boshqa hech kim bu sirli, bir qarashda, materiya tuzilishining atom nazariyasi to'g'riligini eng yaxshi eksperimental tasdig'i bo'lib xizmat qilishini birinchi marta tushuna olmadi. U buni shunday tushuntirdi: suvda to'xtatilgan spora tasodifiy harakatlanuvchi suv molekulalari tomonidan doimiy "bombardimon" qilinadi. O'rtacha molekulalar unga har tomondan teng intensivlikda va muntazam oraliqlarda ta'sir qiladi. Biroq, nizo qanchalik kichik bo'lmasin, sof tasodifiy og'ishlar tufayli, u birinchi navbatda molekulaning bir tomondan urgan tomonidan, keyin boshqa tomondan urilgan molekula tomonidan impuls oladi va hokazo. bunday to'qnashuvlarning o'rtacha hisoblanishi natijasida ma'lum bo'ladiki, bir nuqtada zarracha bir yo'nalishda "qo'zg'aladi", keyin boshqa tomondan ko'proq molekulalar tomonidan "itarib yuborilgan" bo'lsa, boshqa tomonga va hokazo. Qonunlardan foydalanish. matematik statistika va gazlarning molekulyar-kinetik nazariyasi asosida Eynshteyn Broun zarrasining oʻrtacha kvadrat siljishining makroskopik parametrlarga bogʻliqligini tavsiflovchi tenglamani yaratdi. ( Qiziqarli fakt: nemis jurnalining "Annals of Physics" jildlaridan birida ( Annalen der fizik) 1905 yilda Eynshteynning uchta maqolasi nashr etildi: Broun harakatining nazariy izohi bilan maqola, nisbiylikning maxsus nazariyasi asoslari haqidagi maqola va nihoyat, fotoelektrik effekt nazariyasini tavsiflovchi maqola. Aynan ikkinchisi uchun Albert Eynshteyn mukofotlangan Nobel mukofoti 1921 yilda fizika bo'yicha.)

1908 yilda frantsuz fizigi Jan-Batist Perren (Jean-Baptiste Perrin, 1870-1942) Eynshteynning Braun harakati hodisasini tushuntirishining to'g'riligini tasdiqlovchi ajoyib tajribalar seriyasini o'tkazdi. Broun zarralarining kuzatilgan "xaotik" harakati molekulalararo to'qnashuvlarning natijasi ekanligi nihoyat aniq bo'ldi. Chunki "foydali matematik konventsiyalar" (Machga ko'ra) kuzatilishi mumkin bo'lgan va mukammal haqiqiy harakatlarga olib kelolmaydi. jismoniy zarralar, nihoyat ma'lum bo'ldiki, atomlarning haqiqati haqidagi bahslar tugadi: ular tabiatda mavjud. "Bonus o'yini" sifatida Perrin Eynshteyn tomonidan olingan formulani oldi, bu frantsuzga ma'lum vaqt ichida suyuqlikda to'xtatilgan zarracha bilan to'qnashgan atomlar va / yoki molekulalarning o'rtacha sonini tahlil qilish va baholash imkonini berdi va shundan foydalanib. indikator, turli suyuqliklarning molyar sonlarini hisoblang. Bu g'oya har bir haqiqatga asoslangan edi bu daqiqa vaqt, muallaq zarrachaning tezlashishi muhit molekulalari bilan to'qnashuvlar soniga bog'liq ( sm. Nyutonning mexanika qonunlari) va shuning uchun suyuqlik hajmining birligiga to'g'ri keladigan molekulalar soni. Va bu boshqa narsa emas Avogadro raqami (sm. Avogadro qonuni) bizning dunyomizning tuzilishini belgilaydigan asosiy konstantalardan biridir.

Broun harakati - kichik zarrachalarning, odatda molekulalarning turli suyuqliklar yoki gazlardagi tartibsiz va tasodifiy harakati. Broun harakatining paydo bo'lishining sababi ba'zi (kichikroq zarralar) boshqa zarralar (allaqachon kattaroq) bilan to'qnashuvidir. Broun harakatining ochilish tarixi, uning fizikadagi, xususan, atom va molekulyar nazariyadagi ahamiyati qanday? Broun harakatining qanday misollari mavjud haqiqiy hayot? Bularning barchasi haqida bizning maqolamizda o'qing.

Braun harakatining kashfiyoti

Broun harakatining kashfiyotchisi ingliz botaniki Robert Braun (1773-1858) edi, aslida u "Brauniyalik" deb nomlangan. 1827 yilda Robert Braun turli o'simliklarning gulchanglari bo'yicha faol tadqiqotlar bilan shug'ullangan. U, ayniqsa, o'simliklarning ko'payishida gulchangning qaysi qismini egallashi bilan qiziqdi. Xuddi shunga o'xshab, sabzavot sharbatida gulchanglarning harakatini kuzatar ekan, olim kichik zarrachalar vaqti-vaqti bilan tasodifiy aylanma harakatlar qilishini payqadi.

Braunning kuzatuvi boshqa olimlar tomonidan tasdiqlangan. Xususan, zarrachalar haroratning oshishi bilan, shuningdek, zarrachalarning o'zlari hajmining pasayishi bilan tezlashishga moyilligi aniqlandi. Va ular joylashgan muhitning yopishqoqligi oshishi bilan ularning harakati, aksincha, sekinlashdi.

Robert Braun, Braun harakatining kashfiyotchisi.

Dastlab, Robert Braun ba'zi tirik mikroorganizmlarning harakatini, hatto "raqsini" ham kuzataman deb o'yladi, chunki gulchangning o'zi, aslida, o'simliklarning erkak jinsiy hujayralari. Ammo o'lik o'simliklarning zarralari xuddi shunday harakatga ega edi va hatto o'simliklar yuz yil oldin gerbariylarda quritilgan. Olim jonsiz moddalarni: ko‘mirning mayda zarralari, kuyik va hatto London havosining chang zarralarini o‘rganishni boshlaganida yanada hayratda qoldi. Keyin tadqiqotchi mikroskopiga shisha, turli va xilma-xil minerallar tushdi. Va hamma joyda doimiy va tartibsiz harakatda bo'lgan bu "faol molekulalar" ko'rindi.

Bu qiziq: siz Braun harakatini o'z ko'zingiz bilan kuzatishingiz mumkin, buning uchun sizga kuchli bo'lmagan mikroskop kerak bo'ladi (oxir-oqibat, Robert Braunning hayoti davomida hali kuchli zamonaviy mikroskoplar bo'lmagan). Ushbu mikroskop orqali, masalan, qoraygan qutidagi tutun va yon yorug'lik nuri bilan yoritilganda, doimo oldinga va orqaga sakrab turadigan mayda kuyik va kul bo'laklarini ko'rish mumkin. Bu Braun harakati.

Broun harakati va atom-molekulyar nazariya

Braun tomonidan kashf etilgan harakat tez orada ilmiy doiralarda juda mashhur bo'ldi. Kashfiyotchining o'zi buni ko'plab hamkasblariga mamnuniyat bilan ko'rsatdi. Biroq, ko'p yillar davomida Robert Braunning o'zi ham, uning hamkasblari ham Braun harakatining sabablarini, nima uchun bu sodir bo'lishini tushuntira olishmadi. Bundan tashqari, Braun harakati butunlay tartibsiz edi va har qanday mantiqqa zid edi.

Uning tushuntirishi faqat 19-asrning oxirida berilgan va u ilmiy jamoatchilik tomonidan darhol qabul qilinmagan. 1863 yilda nemis matematigi Lyudvig Kristian Viner Broun harakatining sababini aytdi. tebranish harakatlari ba'zi ko'rinmas atomlar. Aslida, bu atomlar va molekulalarning xususiyatlari bilan bog'liq bo'lgan ushbu g'alati hodisaning birinchi izohi, Braun harakati yordamida materiya tuzilishi siriga kirishga birinchi urinish edi. Xususan, Wiener zarrachalar tezligining ularning hajmiga bog'liqligini o'lchashga harakat qildi.

Keyinchalik Wienerning g'oyalari boshqa olimlar tomonidan ishlab chiqilgan, ular orasida mashhur shotland fizigi va kimyogari Uilyam Ramsey ham bor edi. Aynan u kichik zarrachalarning Braun harakatining sababi oddiy mikroskopda ko'rinmaydigan kichikroq zarrachalarning ularga ta'siri ekanligini isbotlashga muvaffaq bo'ldi, xuddi uzoqdagi qayiqni silkitayotgan to'lqinlar suvdan ko'rinmaydi. qirg'oq, garchi qayiqning harakatini juda aniq ko'rish mumkin.

Shunday qilib, Braun harakati ulardan biriga aylandi tarkibiy qismlar atom-molekulyar nazariya va shu bilan birga barcha moddalar eng kichik zarralar: atomlar va molekulalardan iborat ekanligining muhim isboti. Bunga ishonish qiyin, lekin 20-asr boshlarida ham baʼzi olimlar atom-molekulyar nazariyani inkor etib, molekulalar va atomlarning mavjudligiga ishonmas edilar. Ilmiy ishlar Braun harakati bilan bog'liq bo'lgan Ramsay atomizmning muxoliflariga qattiq zarba berdi va nihoyat barcha olimlarni siz o'zingiz ko'rishingiz, atomlar va molekulalar mavjudligi va ularning harakatini o'z ko'zingiz bilan ko'rishingiz mumkinligiga ishonch hosil qildi.

Braun harakat nazariyasi

Zarrachalarning xaotik harakatining tashqi buzilishiga qaramay, ular shunga qaramay, ularning tasodifiy harakatlarini matematik formulalar bilan tasvirlashga harakat qilishdi. Shunday qilib, Broun harakati nazariyasi paydo bo'ldi.

Aytgancha, ushbu nazariyani ishlab chiqqanlardan biri o'sha paytda Lvov universitetida ishlagan va u erda yashagan polshalik fizik va matematik Marian Smoluxovski edi. ona shahri ushbu maqola muallifi, Ukrainaning go'zal Lvov shahrida.

Lvov universiteti, hozir universitet. I. Frank.

Smoluchovskiy bilan parallel ravishda, Braun harakati nazariyasini jahon ilm-fani yoritgichlaridan biri - mashhur Albert Eynshteyn o'rgandi, u o'sha paytda Shveytsariyaning Bern shahri Patent idorasining yosh va taniqli xodimi edi.

Natijada, ikkala olim ham o'zlarining nazariyalarini yaratdilar, uni Smoluxovski-Eynshteyn nazariyasi deb ham atash mumkin. Xususan, matematik formula tuzildi, unga ko'ra Braun zarrasining kvadratik siljishining o'rtacha qiymati ( s 2) vaqt o'tishi bilan t harorat T ga to'g'ridan-to'g'ri proportsional va suyuqlikning yopishqoqligi n, zarracha hajmi r va doimiy teskari proportsionaldir.

N A: s 2 = 2RTt/6ph rN A - bu formula shunday ko'rinadi.

Formuladagi R - gaz doimiysi. Shunday qilib, agar 1 daqiqada diametri 1 mkm bo'lgan zarracha 10 mkm ga siljigan bo'lsa, u holda 9 daqiqada - 10 = 30 mkm, 25 daqiqada - 10 = 50 mkm va hokazo. Xuddi shunday sharoitlarda diametri 0,25 mkm bo'lgan zarracha bir xil vaqt oralig'ida (1, 9 va 25 min) mos ravishda 20, 60 va 100 mkm ga siljiydi, chunki = 2. Yuqoridagi muhim ahamiyatga ega. formula Avogadro konstantasini o'z ichiga oladi, shuning uchun fransuz fizigi Jan Batist Perren tomonidan amalga oshirilgan Broun zarrasi harakatining miqdoriy o'lchovlari bilan aniqlanishi mumkin.

Broun zarralarini kuzatish uchun Perrin o'sha paytdagi eng yangi ultramikroskopdan foydalangan, u orqali moddaning eng kichik zarralari allaqachon ko'rinib turardi. O'z tajribalarida sekundomer bilan qurollangan olim ma'lum bir Broun zarralarining pozitsiyalarini muntazam ravishda (masalan, 30 soniyadan keyin) qayd etdi. Keyinchalik, zarrachalarning pozitsiyalarini to'g'ri chiziqlar bilan bog'lab, ular harakatining turli xil murakkab traektoriyalari olingan. Bularning barchasi maxsus grafikli varaqda chizilgan.

Chizmalar shunday ko'rinishga ega edi.

Eynshteynning nazariy formulasini o'z kuzatishlari bilan tuzib, Perrin o'sha vaqt uchun Avogadro sonining eng aniq qiymatini olishga muvaffaq bo'ldi: 6,8 . 10 23

O'z tajribalari bilan u Eynshteyn va Smoluxovskiyning nazariy xulosalarini tasdiqladi.

Broun harakati va diffuziya

Brown harakati paytida zarrachalarning harakati tashqi tomondan zarrachalarning harakatiga juda o'xshaydi - harorat ta'sirida turli moddalar molekulalarining o'zaro kirib borishi. Keyin Broun harakati va diffuziya o'rtasidagi farq nima? Darhaqiqat, diffuziya ham, Broun harakati ham molekulalarning tasodifiy issiqlik harakati tufayli yuzaga keladi va natijada shunga o'xshash matematik qoidalar bilan tavsiflanadi.

Ularning orasidagi farq shundaki, diffuziya jarayonida molekula boshqa molekula bilan to'qnashguncha doimo to'g'ri chiziq bo'ylab harakatlanadi, shundan so'ng u harakat traektoriyasini o'zgartiradi. Broun zarrasi "erkin uchmaydi", balki juda kichik va tez-tez "jitters" ni boshdan kechiradi, buning natijasida u tasodifiy u erda va u erda harakatlanadi. Majoziy ma'noda, Braun zarrasi katta olomon to'plangan maydonda yotgan bo'sh pivo qutisiga o'xshaydi. Odamlar oldinga va orqaga yugurishadi, oyoqlari bilan bankaga tegadilar va u Broun zarrasi kabi turli yo'nalishlarda tasodifiy uchadi. Odamlarning olomon ichida harakatlanishi diffuziya paytida zarrachalar harakati uchun ko'proq xarakterlidir.

Agar siz mikro darajaga qarasangiz, u holda Broun zarrasining harakatining sababi uning kichikroq zarrachalar bilan to'qnashuvi bo'lib, diffuziya paytida zarralar boshqa shunga o'xshash zarrachalar bilan to'qnashadi.

Diffuziya ham, Broun harakati ham harorat ta'sirida sodir bo'ladi. Haroratning pasayishi bilan zarrachalarning Braun harakatida tezligi ham, diffuziyadagi zarrachalar harakatining tezligi ham sekinlashadi.

Braun harakatining haqiqiy hayotdagi misollari

Braun harakati nazariyasi, bu tasodifiy yurishlar bizning real hayotimizda amaliy tatbiq etiladi. Masalan, nega o'rmonda adashgan odam vaqti-vaqti bilan o'sha joyga qaytib keladi? Chunki u aylana bo'ylab harakatlanmaydi, balki taxminan Broun zarrasi odatda xuddi shunday harakat qiladi. Shuning uchun u o'z yo'lini ko'p marta kesib o'tadi.

Shuning uchun, aniq ko'rsatmalar va harakat yo'nalishlariga ega bo'lmagan holda, yo'qolgan odam xaotik harakatlarni amalga oshiradigan Brownian zarrachasiga o'xshaydi. Ammo o'rmondan chiqish uchun siz turli xil ma'nosiz harakatlarni amalga oshirish o'rniga, aniq ko'rsatmalarga ega bo'lishingiz, tizimni ishlab chiqishingiz kerak. Bir so'z bilan aytganda, hayotda o'zingizni u yoqdan-bu yoqqa shoshayotgan Braun zarrasi kabi tutmasligingiz kerak, balki o'z yo'nalishingizni, maqsadingizni va kasbingizni bilishingiz, ularga erishish uchun orzular, jasorat va qat'iyatli bo'lishingiz kerak. Shunday qilib, biz fizikadan falsafaga muammosiz o'tdik. Bu maqolani yakunlaydi.

Braun harakati, video

Va nihoyat, bizning maqolamiz mavzusi bo'yicha o'quv videosi.

Maqola yozayotganda uni iloji boricha qiziqarli, foydali va sifatli qilishga harakat qildim. Maqola bo'yicha sharhlar ko'rinishidagi har qanday fikr-mulohazalar va konstruktiv tanqidlar uchun minnatdor bo'lardim. Siz mening pochtamga o'z xohishingizni / savolingizni / taklifingizni yozishingiz mumkin [elektron pochta himoyalangan] yoki Facebookda, muallifga hurmat bilan.