§ 58. Броуновское движение

Определения и обозначения

Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе. Хаотическое означает беспорядочное: частица не движется по заранее заданной прямой. Это понятие описывает наблюдаемое следствие движения невидимых молекул среды.

Броуновская частица — достаточно малая частица вещества, движение которой можно наблюдать под микроскопом. Ею может быть, например, крупинка пыльцы или частица дыма. Размер частицы важен: чем она меньше, тем заметнее действие ударов молекул.

Тепловое движение — беспорядочное движение молекул вещества, связанное с его температурой. Молекулы движутся постоянно, даже если тело кажется неподвижным. Это понятие объясняет, откуда берутся толчки, заставляющие взвешенную частицу перемещаться.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие теплового движения. Например, запах постепенно распространяется по комнате без перемешивания воздуха ложкой. Понятие диффузии показывает, что тепловое движение приводит не только к беспорядочным перемещениям, но и к смешиванию веществ.

Как это устроено

Броуновское движение впервые наблюдали, рассматривая под микроскопом очень малые частички, находящиеся в воде. Они перемещались рывками и меняли направление, хотя вода в целом казалась неподвижной. Самопроизвольное движение крупных частиц такое наблюдение не объясняет: крупное тело сохраняет покой, если на него не действует заметная внешняя сила.

Внутри жидкости или газа молекулы непрерывно движутся в разных направлениях. Они сталкиваются с броуновской частицей и передают ей часть своего импульса, то есть толкают её. Поскольку молекулярные удары происходят со всех сторон, частица получает последовательность случайных толчков и перемещается по сложной траектории.

Удары молекул не компенсируются полностью, потому что в каждый короткий промежуток времени с одной стороны может ударить немного больше молекул, чем с другой. Кроме того, отдельные молекулы имеют разные скорости и направления движения. Поэтому результирующая сила меняется, а вместе с ней изменяются скорость и направление броуновской частицы.

При нагревании средняя кинетическая энергия молекул увеличивается, поэтому они движутся быстрее и сильнее воздействуют на частицу. В результате её перемещения становятся более резкими и заметными. При увеличении размера частицы её масса и инерция возрастают, а случайные удары слабее меняют её движение, поэтому броуновский эффект уменьшается.

Наблюдаемое движение частицы нельзя объяснить без множества невидимых столкновений. Наиболее естественная причина таких толчков — молекулы, которые существуют и непрерывно движутся. Поэтому броуновское движение стало важным экспериментальным подтверждением молекулярно-кинетических представлений о веществе.

Броуновское движение и его особенности

Таблица помогает быстро отделить признаки броуновского движения от его причины и последствий. При разборе опыта сначала определите, что именно движется, затем установите, какие молекулярные удары вызывают движение. После этого проверьте влияние температуры и размера частицы.

Разбор задач

Задача 1. Почему частички пыльцы в воде совершают беспорядочные движения, хотя вода кажется неподвижной?

Нужно объяснить движение видимых частиц, не ссылаясь на течение воды. Вода может выглядеть спокойной, потому что движение её отдельных молекул слишком мало и быстро происходит, чтобы его различить глазами. Однако молекулы всё равно сталкиваются с частицами пыльцы.

1. Молекулы воды непрерывно движутся в различных направлениях.
2. С разных сторон они ударяют по частице пыльцы.
3. За короткий промежуток времени число и сила ударов с противоположных сторон неодинаковы.
4. Частица получает результирующий толчок и меняет направление.

Ответ: частички пыльцы движутся беспорядочно из-за неравномерных ударов невидимых молекул воды, хотя сама вода в целом покоится.

Задача 2. В двух сосудах наблюдают одинаковые частицы: один сосуд нагрет сильнее другого. В каком сосуде броуновское движение будет интенсивнее и почему?

Сравниваются одинаковые частицы, поэтому влияние их размера в обоих сосудах одинаково. Отличается только температура, а она определяет среднюю кинетическую энергию молекул жидкости или газа. Нужно связать нагревание с частотой и силой ударов.

1. В более нагретом сосуде молекулы в среднем движутся быстрее.
2. При столкновениях они передают частицам больше энергии.
3. Неравномерные толчки сильнее изменяют скорость и направление броуновских частиц.
4. Следовательно, их перемещения становятся более заметными.

Ответ: броуновское движение интенсивнее в более нагретом сосуде, потому что быстрые молекулы сильнее воздействуют на частицы.

Задача 3. Сравнить движение двух частиц в одной жидкости: первая имеет меньший размер, вторая — больший. Какая частица будет заметнее перемещаться? Объяснить ответ.

Обе частицы находятся в одной жидкости, поэтому температура и свойства среды одинаковы. Различается их размер, а значит, масса и инерция. Сравнивать нужно не число ударов само по себе, а то, насколько они изменяют движение каждой частицы.

1. Молекулы жидкости ударяют по обеим частицам со всех сторон.
2. Для каждой частицы удары частично компенсируются, но не полностью.
3. У малой частицы масса меньше, поэтому тот же случайный перевес ударов сильнее меняет её скорость.
4. Большая частица из-за большей инерции отклоняется слабее.

Ответ: заметнее будет перемещаться частица меньшего размера, потому что удары молекул сильнее меняют её движение.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что броуновская частица движется сама по себе. Так думают, потому что молекул не видно, а частица кажется самостоятельным источником движения. Проверьте себя вопросом: какая сила толкает частицу; правильный ответ связан с ударами молекул среды.

Ошибка 2. Называть броуновским любое движение взвешенной частицы. Если жидкость течёт или газ перемещается потоком, частица переносится вместе со средой. Чтобы проверить ответ, исключите заметное течение и ищите случайные изменения движения.

Ошибка 3. Представлять частицу движущейся по прямой с постоянной скоростью. Такой результат возможен только при постоянном воздействии, а молекулярные удары случайны. Проверьте траекторию: у броуновской частицы направление и скорость постоянно меняются.

Ошибка 4. Считать броуновское движение движением самой жидкости. На самом деле молекулы жидкости совершают тепловое движение, а наблюдают перемещение отдельной частицы во взвеси. Разделяйте среду, которая наносит удары, и частицу, которая отвечает на них движением.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать строение вещества, понятия молекулы и теплового движения. Температура связана со средней кинетической энергией частиц, поэтому нагревание влияет на броуновское движение.

Броуновское движение связано с диффузией и другими явлениями, подтверждающими молекулярно-кинетическое строение вещества. В обоих случаях наблюдаемый результат возникает из-за беспорядочного движения множества молекул.

Дальше эта тема пригодится при изучении молекулярной физики, статистических закономерностей и движения частиц в жидкостях и газах. Она помогает переходить от наблюдений к описанию поведения большого числа частиц.

Что запомнить

• Броуновское движение — беспорядочное движение малых частиц во взвеси.
• Причина броуновского движения — неравномерные удары молекул окружающей среды.
• Молекулы движутся хаотически и непрерывно.
• При повышении температуры броуновское движение становится интенсивнее.
• Чем меньше частица, тем заметнее её броуновское движение.
• Броуновское движение подтверждает молекулярно-кинетическую теорию.
• Движение потока жидкости нельзя смешивать с броуновским движением.