Mișcarea browniană a moleculelor. Mișcarea browniană - Hipermarket al cunoașterii. Din punct de vedere termodinamic

Mișcarea browniană

Din Mișcarea browniană (Elementele enciclopediei)

În a doua jumătate a secolului al XX-lea, o dezbatere serioasă despre natura atomilor a izbucnit în cercurile științifice. Pe de o parte erau autorități de necontestat precum Ernst Mach (cm. Unde de șoc), care a susținut că atomii sunt pur și simplu funcții matematice care descriu cu succes fenomene fizice observabile și nu au o bază fizică reală. Pe de altă parte, oamenii de știință ai noului val - în special, Ludwig Boltzmann ( cm. constanta lui Boltzmann) – a insistat că atomii sunt realități fizice. Și niciuna dintre cele două părți nu și-a dat seama că deja cu decenii înainte de începerea disputei lor s-au obținut rezultate experimentale care au rezolvat odată pentru totdeauna problema în favoarea existenței atomilor ca realitate fizică - totuși, au fost obținute în disciplină. de științe naturale adiacente fizicii de botanistul Robert Brown.

În vara anului 1827, Brown, în timp ce studia comportamentul polenului de flori la microscop (a studiat suspensia apoasă de polen de plante Clarkia pulchella), a descoperit brusc că sporii individuali fac mișcări de impuls absolut haotice. El a stabilit cu certitudine că aceste mișcări nu erau în niciun fel legate de turbulențele și curenții apei sau de evaporarea acesteia, după care, după ce a descris natura mișcării particulelor, și-a recunoscut sincer propria neputință de a explica originea acestei mișcări. mișcare haotică. Cu toate acestea, fiind un experimentator meticulos, Brown a stabilit că o astfel de mișcare haotică este caracteristică oricăror particule microscopice - fie că este vorba de polen de plante, minerale în suspensie sau orice substanță zdrobită în general.

Abia în 1905, nimeni altul decât Albert Einstein și-a dat seama pentru prima dată că acest fenomen aparent misterios a servit drept cea mai bună confirmare experimentală a corectitudinii teoriei atomice a structurii materiei. El a explicat cam așa: un spor suspendat în apă este supus unui „bombardament” constant prin mișcarea haotică a moleculelor de apă. În medie, moleculele acționează asupra ei din toate părțile cu intensitate egală și la intervale de timp egale. Totuși, oricât de mic ar fi sporul, din cauza abaterilor pur aleatoare, mai întâi primește un impuls de la molecula care l-a lovit pe o parte, apoi din partea moleculei care l-a lovit pe cealaltă, etc. Ca rezultat de a face o medie a unor astfel de ciocniri, se dovedește că, la un moment dat, particula „se zvâcnește” într-o direcție, atunci, dacă pe cealaltă parte este „împinsă” de mai multe molecule, în cealaltă, etc. Folosind legile statisticii matematice și teoria cinetică moleculară a gazelor, Einstein a derivat ecuația, descriind dependența deplasării rădăcină-pătrată medie a unei particule browniene de parametrii macroscopici. (Fapt interesant: într-unul dintre volumele revistei germane „Annals of Physics” ( Annalen der Physik) în 1905, au fost publicate trei articole de Einstein: un articol cu ​​o explicație teoretică a mișcării browniene, un articol despre fundamentele teoriei speciale a relativității și, în final, un articol care descrie teoria efectului fotoelectric. Pentru acesta din urmă, Albert Einstein a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1921.)

În 1908, fizicianul francez Jean-Baptiste Perrin (1870-1942) a condus o serie strălucită de experimente care au confirmat corectitudinea explicației lui Einstein asupra fenomenului mișcării browniene. În sfârșit, a devenit clar că mișcarea „haotică” observată a particulelor browniene este o consecință a coliziunilor intermoleculare. Deoarece „convențiile matematice utile” (conform lui Mach) nu pot conduce la mișcări observabile și complet reale ale particulelor fizice, a devenit în sfârșit clar că dezbaterea despre realitatea atomilor s-a încheiat: ei există în natură. Ca „joc de premii”, Perrin a primit o formulă derivată de Einstein, care i-a permis francezului să analizeze și să estimeze numărul mediu de atomi și/sau molecule care se ciocnesc cu o particulă suspendată într-un lichid într-o anumită perioadă de timp și, folosind acest lucru indicator, calculați numerele molare ale diferitelor lichide. Această idee s-a bazat pe faptul că, în orice moment dat, accelerația unei particule în suspensie depinde de numărul de ciocniri cu moleculele mediului ( cm. legile mecanicii lui Newton) și, prin urmare, asupra numărului de molecule pe unitatea de volum de lichid. Și asta nu este nimic mai mult decât numărul lui Avogadro (cm. Legea lui Avogadro) este una dintre constantele fundamentale care determină structura lumii noastre.

Din Mișcarea browniană În orice mediu există fluctuații constante de presiune microscopică. Aceștia, acționând asupra particulelor plasate în mediu, duc la mișcările lor aleatorii. Această mișcare haotică a particulelor mici într-un lichid sau gaz se numește mișcare browniană, iar particula în sine se numește brownian.

Mișcarea browniană este o mișcare haotică continuă și constantă a particulelor suspendate într-un lichid (sau gaz). Numele folosit în prezent pentru fenomen a fost dat în onoarea descoperitorului său, botanistul englez R. Brown. În 1827, a efectuat un experiment, în urma căruia a fost descoperită mișcarea browniană. Omul de știință a atras, de asemenea, atenția asupra faptului că particulele nu numai că se mișcă în jurul mediului, ci și se rotesc în jurul axei lor. Întrucât în ​​acel moment teoria moleculară a structurii materiei nu fusese încă creată, Brown nu a fost capabil să analizeze pe deplin procesul.

Reprezentări moderne

În prezent se crede că mișcarea browniană este cauzată de ciocnirea particulelor suspendate într-un lichid sau gaz cu moleculele substanței din jurul lor. Acestea din urmă sunt în continuă mișcare, numite termice. Ele provoacă mișcarea haotică a particulelor care alcătuiesc orice substanță. Este important de menționat că alte două sunt asociate cu acest fenomen: mișcarea browniană pe care o descriem și difuzia (penetrarea particulelor unei substanțe în alta). Aceste procese ar trebui luate în considerare împreună, deoarece se explică reciproc. Deci, din cauza ciocnirilor cu moleculele din jur, particulele suspendate în mediu sunt în mișcare continuă, ceea ce este, de asemenea, haotic. Haoticitatea se exprimă în inconstanță, atât direcție cât și viteză.

Din punct de vedere termodinamic

Se știe că pe măsură ce temperatura crește, crește și viteza mișcării browniene. Această dependență este ușor de explicat prin ecuația de descriere a energiei cinetice medii a unei particule în mișcare: E=mv 2 =3kT/2, unde m este masa particulei, v este viteza particulei, k este constanta lui Boltzmann, iar T este temperatura exterioară. După cum vedem, pătratul vitezei de mișcare a unei particule în suspensie este direct proporțional cu temperatura, prin urmare, pe măsură ce temperatura mediului extern crește, crește și viteza. Rețineți că principiul de bază pe care se bazează ecuația este egalitatea energiei cinetice medii a unei particule în mișcare cu energia cinetică a particulelor care alcătuiesc mediul (adică lichidul sau gazul în care este suspendată). Această teorie a fost formulată de A. Einstein și M. Smoluchowski aproximativ în același timp, independent unul de celălalt.

Mișcarea particulelor browniene

Particulele suspendate într-un lichid sau gaz se deplasează pe o cale în zig-zag, îndepărtându-se treptat de punctul de origine al mișcării. Din nou, Einstein și Smoluchowski au ajuns la concluzia că pentru a studia mișcarea unei particule browniene, ceea ce este de importanță primordială nu este distanța parcursă sau viteza reală, ci deplasarea medie a acesteia într-o anumită perioadă de timp. Ecuația propusă de Einstein este următoarea: r 2 =6kTBt. În această formulă, r este deplasarea medie a unei particule în suspensie, B este mobilitatea acesteia (această valoare, la rândul său, este invers dependentă de vâscozitatea mediului și de dimensiunea particulei), t este timpul. În consecință, cu cât vâscozitatea mediului este mai mică, cu atât viteza de mișcare a particulei în suspensie este mai mare. Validitatea ecuației a fost dovedită experimental de fizicianul francez J. Perrin.

Ce este mișcarea browniană?

Acum veți face cunoștință cu cele mai evidente dovezi ale mișcării termice a moleculelor (a doua poziție principală a teoriei cinetice moleculare). Asigurați-vă că încercați să priviți printr-un microscop și să vedeți cum se mișcă așa-numitele particule browniene.

Anterior, ai învățat ce este difuziune, adică amestecarea gazelor, lichidelor și solidelor în contact direct. Acest fenomen poate fi explicat prin mișcarea aleatorie a moleculelor și pătrunderea moleculelor unei substanțe în spațiul dintre moleculele altei substanțe. Acest lucru poate explica, de exemplu, faptul că volumul unui amestec de apă și alcool este mai mic decât volumul componentelor sale constitutive. Dar cea mai evidentă dovadă a mișcării moleculelor poate fi obținută prin observarea la microscop a celor mai mici particule din orice substanță solidă suspendată în apă. Aceste particule suferă o mișcare aleatorie, care se numește Brownian.

Aceasta este mișcarea termică a particulelor suspendate într-un lichid (sau gaz).

Observarea mișcării browniene

Botanistul englez R. Brown (1773-1858) a observat pentru prima dată acest fenomen în 1827, examinând sporii de mușchi suspendați în apă printr-un microscop. Mai târziu s-a uitat la alte particule mici, inclusiv bucăți de piatră din piramidele egiptene. În zilele noastre, pentru a observa mișcarea browniană, ei folosesc particule de vopsea de gumă, care este insolubilă în apă. Aceste particule se mișcă aleatoriu. Cel mai uimitor și neobișnuit lucru pentru noi este că această mișcare nu se oprește niciodată. Suntem obișnuiți cu faptul că orice corp în mișcare se oprește mai devreme sau mai târziu. Brown a crezut inițial că sporii de mușchi dau semne de viață.

mișcarea termică și nu se poate opri. Pe măsură ce temperatura crește, intensitatea acesteia crește. Figura 8.3 prezintă o diagramă a mișcării particulelor browniene. Pozițiile particulelor, marcate cu puncte, sunt determinate la intervale regulate de 30 s. Aceste puncte sunt legate prin linii drepte. În realitate, traiectoria particulelor este mult mai complexă.

Mișcarea browniană poate fi observată și în gaz. Este cauzată de particulele de praf sau fum suspendate în aer.

Fizicianul german R. Pohl (1884-1976) descrie plin de culoare mișcarea browniană: „Puține fenomene sunt capabile să captiveze un observator la fel de mult ca mișcarea browniană. Aici, observatorului i se permite să privească în culise a ceea ce se întâmplă în natură. O lume nouă se deschide în fața lui - o forfotă non-stop de un număr imens de particule. Cele mai mici particule zboară rapid prin câmpul vizual al microscopului, schimbând aproape instantaneu direcția de mișcare. Particulele mai mari se mișcă mai lent, dar schimbă și în mod constant direcția de mișcare. Particulele mari sunt practic zdrobite pe loc. Proeminențele lor arată clar rotația particulelor în jurul axei lor, care își schimbă constant direcția în spațiu. Nu există nicio urmă de sistem sau ordine nicăieri. Dominanța șansei oarbe – aceasta este impresia puternică și copleșitoare pe care această imagine o face observatorului.”

În prezent conceptul Mișcarea browniană folosit într-un sens mai larg. De exemplu, mișcarea browniană este vibrația acelor instrumentelor de măsură sensibile, care are loc datorită mișcării termice a atomilor părților instrumentului și a mediului.

Explicația mișcării browniene

Mișcarea browniană poate fi explicată doar pe baza teoriei cinetice moleculare. Motivul mișcării browniene a unei particule este că impactul moleculelor lichide asupra particulei nu se anulează reciproc.. Figura 8.4 prezintă schematic poziția unei particule browniene și moleculele cele mai apropiate de aceasta. Când moleculele se mișcă aleatoriu, impulsurile pe care le transmit particulei browniene, de exemplu, la stânga și la dreapta, nu sunt aceleași. Prin urmare, forța de presiune rezultată a moleculelor lichide pe o particulă browniană este diferită de zero. Această forță provoacă o schimbare în mișcarea particulei.

Presiunea medie are o anumită valoare atât în ​​gaz, cât și în lichid. Dar există întotdeauna abateri minore aleatorii de la această medie. Cu cât suprafața corpului este mai mică, cu atât sunt mai vizibile modificările relative ale forței de presiune care acționează asupra acestei zone. Deci, de exemplu, dacă zona are o dimensiune de ordinul mai multor diametre ale moleculei, atunci forța de presiune care acționează asupra ei se schimbă brusc de la zero la o anumită valoare atunci când molecula lovește această zonă.

Teoria cinetică moleculară a mișcării browniene a fost creată în 1905 de A. Einstein (1879-1955).

Construirea teoriei mișcării browniene și confirmarea ei experimentală de către fizicianul francez J. Perrin au completat în cele din urmă victoria teoriei cinetice moleculare.

experimentele lui Perrin

Ideea experimentelor lui Perrin este următoarea. Se știe că concentrația de molecule de gaz în atmosferă scade odată cu altitudinea. Dacă nu ar exista mișcare termică, atunci toate moleculele ar cădea pe Pământ și atmosfera ar dispărea. Cu toate acestea, dacă nu ar exista atracție pentru Pământ, atunci din cauza mișcării termice moleculele ar părăsi Pământul, deoarece gazul este capabil de expansiune nelimitată. Ca urmare a acțiunii acestor factori opuși, se stabilește o anumită distribuție a moleculelor în înălțime, așa cum am menționat mai sus, adică concentrația moleculelor scade destul de repede odată cu înălțimea. Mai mult, cu cât masa moleculelor este mai mare, cu atât concentrația lor scade mai repede odată cu înălțimea.

Particulele browniene participă la mișcarea termică. Deoarece interacțiunea lor este neglijabil de mică, colecția acestor particule într-un gaz sau lichid poate fi considerată un gaz ideal de molecule foarte grele. În consecință, concentrația particulelor browniene într-un gaz sau lichid în câmpul gravitațional al Pământului ar trebui să scadă conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Această lege este cunoscută.

Perrin, folosind un microscop de mare mărire cu o adâncime mică de câmp (profunzime mică de câmp), a observat particule browniene în straturi foarte subțiri de lichid. Calculând concentrația particulelor la diferite înălțimi, a descoperit că această concentrație scade odată cu înălțimea conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Diferența este că, datorită masei mari de particule browniene, scăderea are loc foarte rapid.

Mai mult, numărarea particulelor browniene la diferite înălțimi a permis lui Perrin să determine constanta lui Avogadro folosind o metodă complet nouă. Valoarea acestei constante a coincis cu cea cunoscută.

Toate aceste fapte indică corectitudinea teoriei mișcării browniene și, în consecință, că particulele browniene participă la mișcarea termică a moleculelor.

Ați văzut clar existența mișcării termice; a văzut o mișcare haotică având loc. Moleculele se mișcă și mai aleatoriu decât particulele browniene.

Esența fenomenului

Acum să încercăm să înțelegem esența fenomenului mișcării browniene. Și se întâmplă pentru că toate lichidele și gazele absolut constau din atomi sau molecule. Dar știm și că aceste particule minuscule, fiind în mișcare haotică continuă, împing constant particula browniană din direcții diferite.

Dar ceea ce este interesant este că oamenii de știință au demonstrat că particulele de dimensiuni mai mari, care depășesc 5 microni, rămân nemișcate și aproape că nu participă la mișcarea browniană, ceea ce nu se poate spune despre particulele mai mici. Particulele cu o dimensiune mai mică de 3 microni sunt capabile să se miște translațional, să efectueze rotații sau să scrie traiectorii complexe.

Atunci când un corp mare este scufundat în mediul înconjurător, șocurile care apar în cantitate uriașă par să atingă un nivel mediu și să mențină o presiune constantă. În acest caz, teoria lui Arhimede intră în joc, deoarece un corp mare înconjurat de mediu din toate părțile echilibrează presiunea, iar forța de ridicare rămasă permite acestui corp să plutească sau să se scufunde.

Dar dacă corpul are dimensiuni precum o particulă browniană, adică complet imperceptibile, atunci deviațiile de presiune devin vizibile, ceea ce contribuie la crearea unei forțe aleatorii care duce la vibrații ale acestor particule. Se poate concluziona că particulele browniene din mediu sunt în suspensie, spre deosebire de particulele mari care se scufundă sau plutesc.

Înţeles brownian motion

Să încercăm să ne dăm seama dacă mișcarea browniană are vreo semnificație în mediul natural:

În primul rând, mișcarea browniană joacă un rol semnificativ în nutriția plantelor din sol;
În al doilea rând, la organismele umane și animale, absorbția nutrienților are loc prin pereții organelor digestive datorită mișcării browniene;
În al treilea rând, în implementarea respirației cutanate;
Și, în sfârșit, mișcarea browniană este importantă în distribuția substanțelor nocive în aer și în apă.

Teme pentru acasă

Citiți cu atenție întrebările și răspundeți în scris la ele:

1. Vă amintiți ceea ce se numește difuzie?
2. Care este relația dintre difuzie și mișcarea termică a moleculelor?
3. Definiți mișcarea browniană.
4. Credeți că mișcarea browniană este termică și vă justificați răspunsul?
5. Se va schimba natura mișcării browniene atunci când este încălzită? Dacă se schimbă, cum mai exact?
6. Ce dispozitiv este folosit pentru a studia mișcarea browniană?
7. Se schimbă modelul mișcării browniene odată cu creșterea temperaturii și cum anume?
8. Vor exista modificări în mișcarea browniană dacă emulsia apoasă este înlocuită cu glicerol?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a X-a

Când a observat o suspensie de polen de flori în apă la microscop, Brown a observat o mișcare haotică a particulelor care rezultă „nu din mișcarea lichidului sau din evaporarea acestuia”. Particulele suspendate cu dimensiunea de 1 µm sau mai puțin, vizibile numai la microscop, au efectuat mișcări independente dezordonate, descriind traiectorii complexe în zig-zag. Mișcarea browniană nu slăbește în timp și nu depinde de proprietățile chimice ale mediului; intensitatea acesteia crește odată cu creșterea temperaturii mediului și cu scăderea vâscozității și a dimensiunii particulelor. Chiar și o explicație calitativă a cauzelor mișcării browniene a fost posibilă doar 50 de ani mai târziu, când cauza mișcării browniene a început să fie asociată cu impactul moleculelor lichide pe suprafața unei particule suspendate în ea.

Prima teorie cantitativă a mișcării browniene a fost dată de A. Einstein și M. Smoluchowski în 1905-06. bazat pe teoria cinetică moleculară. S-a demonstrat că mersurile aleatorii ale particulelor browniene sunt asociate cu participarea lor la mișcarea termică împreună cu moleculele mediului în care sunt suspendate. Particulele au în medie aceeași energie cinetică, dar datorită masei lor mai mari au o viteză mai mică. Teoria mișcării browniene explică mișcările aleatorii ale unei particule prin acțiunea forțelor aleatorii din molecule și a forțelor de frecare. Conform acestei teorii, moleculele unui lichid sau gaz sunt în mișcare termică constantă, iar impulsurile diferitelor molecule nu sunt aceleași ca mărime și direcție. Dacă suprafața unei particule plasate într-un astfel de mediu este mică, așa cum este cazul unei particule browniene, atunci impacturile experimentate de particule de la moleculele din jurul acesteia nu vor fi compensate exact. Prin urmare, ca urmare a „bombardamentului” de către molecule, particula browniană intră în mișcare aleatorie, schimbând magnitudinea și direcția vitezei sale de aproximativ 10 14 ori pe secundă. Din această teorie a rezultat că, măsurând deplasarea unei particule într-un anumit timp și cunoscând raza acesteia și vâscozitatea lichidului, se poate calcula numărul lui Avogadro.

Când se observă mișcarea browniană, poziția particulei este înregistrată la intervale regulate. Cu cât intervalele de timp sunt mai scurte, cu atât mai întreruptă va arăta traiectoria particulei.

Legile mișcării browniene servesc ca o confirmare clară a principiilor fundamentale ale teoriei cinetice moleculare. S-a stabilit în cele din urmă că forma termică a mișcării materiei se datorează mișcării haotice a atomilor sau moleculelor care alcătuiesc corpurile macroscopice.

Teoria mișcării browniene a jucat un rol important în fundamentarea mecanicii statistice; pe ea se bazează teoria cinetică a coagulării soluțiilor apoase. În plus, are și o semnificație practică în metrologie, deoarece mișcarea browniană este considerată principalul factor care limitează acuratețea instrumentelor de măsură. De exemplu, limita de precizie a citirilor unui galvanometru oglindă este determinată de vibrația oglinzii, ca o particulă brownian bombardată de molecule de aer. Legile mișcării browniene determină mișcarea aleatorie a electronilor, care provoacă zgomot în circuitele electrice. Pierderile dielectrice în dielectrici sunt explicate prin mișcări aleatorii ale moleculelor dipolului care alcătuiesc dielectricul. Mișcările aleatorii ale ionilor în soluțiile de electroliți măresc rezistența electrică a acestora.