Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 2.3. Броуновское движение

• Одно из самых очевидных доказательств движения молекул можно получить, наблюдая в микроскоп мельчайшие, взвешенные в воде частицы какого-либо твердого вещества. Эти частицы совершают беспорядочное движение, которое называют броуновским.

Тепловое движение молекул

Движение атомов и молекул мало напоминает движение собаки или автомобиля. Атомы и молекулы вещества совершают движение, в котором трудно усмотреть какой-либо порядок и регулярность. Беспорядочное движение молекул называют тепловым движением.

Движение молекул беспорядочно из-за того, что их число в макроскопических телах необозримо велико. Каждая молекула беспрестанно меняет свою скорость при столкновениях с другими молекулами. В результате ее траектория оказывается чрезвычайно запутанной, движение — хаотичным, более хаотичным, чем движение щепки в бурлящем потоке воды или муравьев в разоренном муравейнике.

Беспорядочное движение огромного числа молекул качественно отличается от упорядоченного механического перемещения тел. Оно представляет собой особый вид движения материи со своими особыми свойствами. Об этих свойствах и пойдет речь в дальнейшем.

Модель броуновского движения

Броуновское движение представляет собой грубое, сильно упрощенное, но глубоко верное отображение теплового движения молекул. Сущность его можно уяснить из следующего простого примера. На столе стоит блюдо, полное живых муравьев (пример принадлежит немецкому физику Р. Полю). Мы смотрим на блюдо с достаточно большого расстояния, так что глаз не в состоянии различать отдельных снующих насекомых. Нашему взору предстает лишенная структуры черно-коричневая масса. Увидеть нечто большее позволяет простой прием. Бросим на блюдо несколько хорошо видимых легких предметов: обрезков бумаги, пушинок и т. д. Эти предметы не останутся в покое. Они будут беспорядочно двигаться, поворачиваться, так как их толкают и тянут в различные стороны неразличимые для глаза насекомые. Движение пушинок и кусочков бумаги дает очень упрощенную, грубую картину непрерывного движения муравьев.

Наблюдение броуновского движения

Подобным образом поступают и при наблюдении теплового движения, только в помощь глазу берут микроскоп. Каплю жидкости, к которой добавлен мелкий нерастворимый порошок, располагают под объективом микроскопа. Английский ботаник Р. Броун (1773—1858), наблюдавший это явление в 1827 г., использовал взвешенные в воде споры плауна. Сейчас обычно используют частички краски гуммигут, нерастворимой в воде, или частички туши. Эти частички совершают хаотическое движение. Самым поразительным и непривычным для нас является то, что это движение никогда не прекращается. Внутри закрытой со всех сторон кюветы (во избежание испарения жидкостей) его можно наблюдать днями, месяцами, годами. Оно вечно и самопроизвольно. Интенсивность его возрастает с ростом температуры.

В вулканических породах иногда встречаются капли воды, захваченные при охлаждении пород. Броун обнаружил такие капли в прозрачном кварце. Беспорядочное движение в капле спор и цветочной пыльцы, изолированных от внешнего мира на миллионы лет, заставило Броуна признать, что движение этих частиц не может быть движением живых существ, как он думал первоначально.

Мы привыкли к тому, что любое движущееся тело рано или поздно останавливается. Броуновское движение — тепловое движение, и оно не может прекратиться. По словам французского физика Ж. Перрена, экспериментально исследовавшего броуновское движение, это движение — «точное воспроизведение теплового движения молекул, или, еще точнее, это настоящее молекулярное движение... При рассматривании этого движения нет принципиальной разницы между молекулами азота, который может быть растворен в воде, и теми видимыми частицами, которые существуют в виде зерен эмульсии. Беспорядочный характер теплового движения, его неизменность качественно отличают это движение от упорядоченного механического перемещения макроскопических тел».

Красочно описывает броуновское движение Р. Поль. Немногие явления способны так увлечь наблюдателя, как броуновское движение. Здесь наблюдателю позволяется заглянуть за кулисы совершающегося в природе. Перед ним открывается новый мир — безостановочная сутолока огромного числа частиц. Быстро пролетают в поле зрения микроскопа мельчайшие частицы, почти мгновенно меняя направление движения. Медленнее продвигаются более крупные частицы, но и они постоянно меняют направление движения. Большие частицы практически толкутся на месте. Их выступы явно показывают вращение частиц вокруг оси, которая постоянно меняет направление в пространстве. Господство слепого случая — вот какое сильное, подавляющее впечатление производит эта картина на наблюдателя. Никакое словесное описание не может даже приближенно заменить собственное наблюдение.

На рисунке 2.5, а приведена схема движения броуновской частицы. Положения частицы определены через равные промежутки времени — 30 с и соединены прямыми линиями. В действительности траектория частицы гораздо сложнее. На рисунке 2.5, б в увеличенном масштабе представлена траектория частицы между точками А и В при условии, что ее положение регистрируется в 100 раз чаще, чем на рисунке 2.5, а. Отчетливо видно, что траектория остается подобной себе при произвольном увеличении. Подобные геометрические объекты были названы фракталами. Важность этого понятия для физики стала ясна совсем недавно (80-е годы).

Рис. 2.5

Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Его совершают взвешенные в воздухе частицы пыли или дыма.

На движение пылинок в свое время обратил внимание римский 'философ и поэт Лукреций Кар (около 99—55 до н. э.).

И как это ни удивительно, правильно объяснил его происхождение. В знаменитой поэме «О природе вещей» он писал:

Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движенья,
Происходящие в ней постоянно и скрытно от взора.
Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют
Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно,
Всюду туда и сюда разбегаясь во всех направленьях.

Объяснение броуновского движения

Объяснить броуновское движение можно только на основе молекулярно-кинетической теории. Причина броуновского движения частицы состоит в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга. На рисунке 2.6 схематически показано положение одной броуновской частицы и ближайших к ней молекул.

Рис. 2.6

Импульс одной молекулы слишком мал для того, чтобы результат ее столкновения с броуновской частицей можно было увидеть под микроскопом. Но если с частицей сталкивается сразу большое количество молекул, случайно движущихся в одном направлении, то они могут вызвать ее заметное смещение. Результирующая сила давления, действующая на частицу, оказывается отличной от нуля.

Среднее давление имеет определенное значение как в газе, так и в жидкости. Но всегда происходят незначительные случайные отклонения от среднего. Чем меньше площадь поверхности тела, тем значительнее отклонения силы давления, действующей на данную площадь. Так, если площадка имеет размеры порядка нескольких диаметров молекулы, то действующая на нее сила меняется скачкообразно от нуля до некоторого конечного значения при попадании молекулы в эту площадку.

Количественная теория броуновского движения была разработана А. Эйнштейном (1879—1955) и польским ученым М. Смолуховским (1872—1917) в 1905—1906 гг.

Построение теории броуновского движения и ее экспериментальное подтверждение французским ученым Ж. Перреном (1870—1942) окончательно завершили победу молекуляр-но-кинетической теории.

Броуновское движение и измерительные приборы

В настоящее время понятие «броуновское движение» используется в более широком смысле. Например, броуновским движением является дрожание стрелок чувствительных измерительных приборов (крутильных весов Кавендиша для измерения гравитационной постоянной или высокочувствительных гальванометров). Это дрожание происходит из-за теплового движения атомов деталей приборов и окружающей среды. Оно налагает ограничения на возможность повышения чувствительности измерительных приборов при комнатной температуре. Только глубокое охлаждение позволяет увеличить чувствительность приборов.

Очень маленькие, но все же видимые в микроскоп или даже невооруженным глазом частички вещества в жидкости или газе участвуют в хаотическом тепловом движении молекул. Молекулы движутся еще более беспорядочно, чем броуновские частицы.