Брауново движение: определение. Брауново движение - какво е това?

Днес ще разгледаме подробно важна тема - да определим браунианското движение на малки парчета материя в течност или газ.

Карта и координати

Някои ученици, измъчвани от скучни уроци, не разбират защо да учи физика. И все пак, тази наука ни позволи да открием Америка!

Да започнем от далеч. Древните цивилизации в Средиземно море са били в известен смисъл късмет: те се развивали на брега на затворен вътрешен резервоар. Средиземно море е така наречено, че е заобиколено от всички страни по суша. А древните пътници можеха да напреднат доста далеч с експедицията си, без да губят от поглед бреговете. Очертанията на земята помогнаха за навигацията. И първите карти бяха направени по-описателно, отколкото географски. Благодарение на тези сравнително недостъпни пътувания, гърците, финикийците и египтяните се научили да строят кораби добре. И там, където е най-доброто оборудване, има желание да прокараш границите на твоя свят.

Така че един ден европейските сили решиха да излязат в океана. По време на пътешествието през огромните разстояния между континентите моряците в продължение на много месеци виждаха само вода и те трябвало да се движат по някакъв начин. Определят техните координати, подпомогнаха изобретяването на точни часовници и качествен компас.

Гледайте и компас

Изобретението на малки ръчни хронометри помогна много на моряците. За да определят къде са, трябваше да имат прост инструмент, който измерва височината на слънцето над хоризонта и да знае кога точно е пладне. А благодарение на компаса капитаните на корабите знаеха къде отиват. Часовникът и свойствата на магнитната игла бяха изследвани и създадени от физици. Благодарение на тази Европа целият свят беше отворен.

Новите континенти бяха тераро инкогнита, неизследвана земя. На тях се разрастваха странни растения и непознати животни.

Растения и физика

Всички природни науки от цивилизования свят се втурнаха да изучават тези нови странни екологични системи. И, разбира се, искаха да се възползват от тях.

Робърт Браун е английски ботаник. Той пътува до Австралия и Тасмания, събира колекции от растения там. Вече у дома, в Англия, той работи усилено, за да опише и класифицира внесения материал. И този учен беше много щателен. Един ден, наблюдавайки движението на прашеца в сока на растенията, той забеляза: малки частици постоянно правят хаотични зигзагови движения. Това е определението за брауново движение на малки елементи в газове и течности. Благодарение на откритието, зашеметяващият ботаник е написал името си в историята на физиката!

Браун и Гуи

В европейската наука е обичайно: да се нарече ефект или феномен с името на човека, който го е открил. Но често това се случва случайно. Но човекът, който описва, разкрива важността или по-задълбочено изследва физическия закон, е в сенките. Така се случи с французина Луи Джордж Гай. Той определи браунското движение (7-ми клас не чува точно за него, когато учи тази тематика във физиката).

Разследванията на Гай и свойствата на движението на Брауни

Френският експериментатор Луи Джордж Гуи наблюдава движението на различни видове частици в няколко течности, включително в решения. Науката от това време вече знаеше как точно да се определи размерът на парчетата материя до една десета от микрометъра. Изследвайки какво е Броунианското движение (определението във физиката за това явление е дадено точно от Гуи), учените осъзнават, че интензивността на движещите се частици се увеличава, ако се поставят в по-малко вискозна среда. Като експериментатор на широк спектър, той подлагаше окачването на действието на светлината и електромагнитните полета с различна мощност. Учените установили, че тези фактори по никакъв начин не засягат хаотичните зигзагови скокове на частиците. Гуи недвусмислено показа, че движението на Брауни доказва: топлинното изместване на молекулите на течност или газ.

Екип и маса

И сега ще опишем по-подробно механизма на зигзаг скокове на малки парчета материя в течност.

Всяко вещество се състои от атоми или молекули. Тези елементи на света са много малки, без оптичен микроскоп, който ги вижда. В течност те непрекъснато се колебаят и се движат. Когато видима частица навлезе в разтвора, неговата маса е хиляди пъти по-голяма от един атом. Броунианското движение на течните молекули е хаотично. Но въпреки това всички атоми или молекули са колективни, те са свързани помежду си, като хора, които са се присъединили към ръцете. Поради това понякога се случва течните атоми от едната страна на частицата да се движат по такъв начин, че да "натискат" върху нея, докато от другата страна на частицата се създава по-малко гъста среда. Следователно, motes се движат в пространството за разтвор. На друго място, колективното движение на течни молекули произволно действа от другата страна на по-масивния компонент. Точно това е начина, по който се извършва бронийското движение на частиците.

Времето и Айнщайн

Ако веществото има температура без температура, неговите атоми създават топлинни колебания. Ето защо, дори при много студена или суперхладена течност, има брауново движение. Тези хаотични скокове от малки окачени частици никога не спират.

Алберт Айнщайн е може би най-известният учен на ХХ век. Всеки, който се интересува от физиката поне по някакъв начин знае формулата E = mc². Също така, мнозина могат да си припомнят фотоелектричния ефект, за който получава наградата "Нобелова награда", и специалната теория за относителността. Но много малко хора знаят, че Айнщайн е разработил формула за брауново движение.

Въз основа на молекулярно-кинетичната теория, ученият извежда коефициента на дифузия на суспендираните частици в течност. И това се случи през 1905 г. Формулата изглежда така:

D = (R * T) / (6 х N_А * a * pi- * XI-),

където D е изискваният коефициент, R е универсалната газова константа, Т е абсолютната температура (изразена в Келвин), N_А - постоянно Avogadro (съответства на един мол от веществото или приблизително 10²³ молекули), а е приблизителният среден радиус на частиците, xi е динамичният вискозитет на течност или разтвор.

Още през 1908 г. френският физик Жан Перин и неговите ученици експериментално са доказали коректността на изчисленията на Айнщайн.

Една частица в полето на воина

По-горе описахме колективния ефект на средата върху много частици. Но дори и един чужд елемент в течността може да даде някои закономерности и зависимости. Например, ако наблюдавате браунска частица за дълго време, можете да поправите всичките й движения. И от този хаос ще има хармонична система. Средното изместване на браунската частица в една посока е пропорционално на времето.

При експерименти върху частица в течност се рафинират следните количества:

• константата на Болцман;
• номера на Avogadro.

В допълнение към линейното движение браунската частица също се характеризира с хаотична ротация. Средното ъглово отместване също е пропорционално на времето на наблюдение.

Размери и форми

След такива разсъждения може да възникне естествен въпрос: защо този ефект не се наблюдава при големи тела? Защото когато дължината на обекта потопена в течност е по-голяма от определена стойност, тогава всички тези случайни колективни "трепери" на молекулите се трансформират в постоянен натиск, тъй като те се осредняват. И общата тласкаща сила на Архимед вече действа върху тялото. По този начин, голяма част от желязо мивки, и метални прах плава във водата.

Размерът на частиците, за който се установява колебанието на течни молекули, не трябва да надвишава 5 микрометра. Що се отнася до обекти с големи размери, този ефект няма да бъде забележим тук.