§ 15. Броуновское движение

Определения и обозначения

Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. В микроскоп оно выглядит как беспорядочное перемещение с постоянными изменениями направления. Это понятие нужно, чтобы описывать наблюдаемое движение частиц и связывать его с невидимым движением молекул.

Взвешенные частицы — мелкие частицы вещества, находящиеся внутри жидкости или газа и не оседающие сразу. Это могут быть частицы пыли, краски или другого вещества. Именно их движение наблюдают, когда изучают броуновское движение, а не движение отдельных молекул.

Тепловое движение молекул — непрерывное беспорядочное движение молекул вещества. Молекулы жидкости или газа перемещаются даже тогда, когда всё тело кажется неподвижным. Их столкновения со взвешенной частицей вызывают её заметное движение.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Например, запах постепенно распространяется по комнате, хотя воздух не перемешивают специально. Броуновское движение и диффузия имеют общую причину — движение молекул, но описывают разные явления.

Как это устроено

Наблюдение в микроскоп показывает, что взвешенная частица не перемещается плавно в одном направлении. Она делает короткие перемещения, останавливается лишь на очень малые промежутки времени и снова сдвигается. Направление движения постоянно меняется, поэтому траектория получается ломаной и беспорядочной. Такое поведение отличает броуновское движение от обычного направленного течения жидкости.

Молекулы жидкости или газа находятся в непрерывном тепловом движении. Они подлетают к поверхности взвешенной частицы и ударяют по ней с разных сторон. Каждый отдельный удар длится очень недолго, но за это время молекула передаёт частице часть своего движения. Большое число таких столкновений и создаёт наблюдаемое перемещение частицы.

Если бы со всех сторон одновременно действовали совершенно одинаковые удары, частица оставалась бы на месте. В действительности молекул очень много, но в каждый конкретный момент их удары распределены неравномерно. С одной стороны может произойти несколько более сильных столкновений, а с другой — меньше или слабее. Частица получает результирующий толчок, затем соотношение ударов меняется, и её направление снова становится другим.

Броуновское движение служит свидетельством движения молекул, хотя сами молекулы слишком малы для обычного наблюдения в микроскоп. По поведению видимой частицы можно сделать вывод о невидимых столкновениях внутри вещества. Значит, вещество имеет частичное строение: оно состоит из отдельных частиц, а не является сплошным. Наблюдение превращает предположение о движении молекул в подтверждённый физический вывод.

При повышении температуры молекулы в среднем движутся быстрее и сталкиваются энергичнее. Поэтому взвешенная частица обычно получает более сильные толчки и перемещается заметнее. При охлаждении движение молекул ослабевает, а броуновское движение становится менее интенсивным. Речь идёт не о появлении направленного движения, а об усилении хаотических перемещений.

Броуновское движение и его причины

Таблица помогает отделить само наблюдаемое явление от его причины и результата. Читая её, сначала найдите, какая частица движется, затем сравните вид движения с действием молекул. Последние строки показывают, что можно узнать по наблюдению и как изменяется явление при нагревании.

Разбор задач

Задача 1

Под микроскопом наблюдают мелкую частицу пыли в воде. Она непрерывно меняет направление. Определим, какое явление описано в условии, не путая движение частицы с течением воды.

1. Выделим объект наблюдения: это мелкая частица, находящаяся внутри жидкости.
2. Проверим характер движения: частица перемещается непрерывно и беспорядочно, а её направление меняется.
3. Сопоставим признаки с определением броуновского движения. Они совпадают полностью.

Ответ: наблюдается броуновское движение. Движущаяся частица является взвешенной, а её беспорядочные толчки вызваны ударами молекул воды.

Задача 2

Две одинаковые взвешенные частицы находятся в воде разной температуры. Нужно определить, в какой воде движение будет интенсивнее. Сравним не размеры частиц, а состояние молекул окружающей среды.

1. В более тёплой воде молекулы обладают большей средней скоростью теплового движения.
2. Они чаще и энергичнее сталкиваются с каждой взвешенной частицей.
3. Следовательно, частица получает более сильные случайные толчки и движется активнее.

Ответ: движение будет интенсивнее в более тёплой воде. Причина — усиление теплового движения и столкновений молекул при нагревании.

Задача 3

Ученик считает, что броуновскую частицу постепенно толкают молекулы только с одной стороны. Проверим это объяснение по устройству среды и характеру траектории. Если бы толчки постоянно шли с одной стороны, движение имело бы устойчивое направление.

1. Молекулы жидкости окружают частицу и сталкиваются с ней со всех сторон.
2. В каждый момент число и сила ударов с разных сторон случайно различаются, поэтому они не компенсируются полностью.
3. После изменения распределения ударов результирующий толчок направляется иначе, и частица меняет движение.

Ответ: объяснение ученика неверно. Броуновское движение возникает из-за неравномерных ударов молекул со всех сторон, поэтому частица движется зигзагообразно, а не прямо.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что в микроскоп видны движущиеся молекулы. Молекулы слишком малы, а наблюдают более крупные взвешенные частицы; движение молекул устанавливают по их воздействию. Проверьте себя вопросом: какой объект непосредственно различим в опыте?

Ошибка 2. Принимать броуновское движение за направленное течение жидкости. При течении частицы в среднем перемещаются в одну сторону, а при броуновском движении постоянного направления нет. Чтобы не ошибиться, проследите, сохраняется ли направление траектории.

Ошибка 3. Объяснять движение толчками только с одной стороны. Тогда частица двигалась бы преимущественно прямо, но молекулы ударяют её со всех сторон, и их действия случайно не уравновешиваются. Проверьте объяснение: оно должно учитывать изменение направления.

Ошибка 4. Путать броуновское движение с диффузией. Броуновское движение — наблюдаемое перемещение взвешенной частицы, а диффузия — взаимное проникновение частиц разных веществ. Спросите себя, описывается одна частица или смешивание веществ.

Связь с другими темами

До изучения броуновского движения нужно знать, что вещества состоят из частиц и что молекулы находятся в непрерывном движении. Эти представления объясняют, почему невидимые молекулы могут воздействовать на заметную частицу. Без них хаотическая траектория выглядела бы случайным свойством самой частицы.

Тема помогает понять диффузию и другие явления, связанные с движением и взаимодействием частиц вещества. В обоих случаях тепловое движение молекул играет главную роль. Разница состоит в том, что при броуновском движении наблюдают перемещение отдельной взвешенной частицы, а при диффузии — распространение одного вещества в другом.

Что запомнить

• Броуновское движение — хаотическое движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе.
• Наблюдаемая броуновская частица не является отдельной молекулой.
• Причина движения — удары молекул среды по взвешенной частице.
• Молекулы ударяют частицу со всех сторон, но их воздействия не уравновешиваются в каждый момент.
• Нагревание усиливает тепловое движение молекул и броуновское движение.
• Броуновское движение подтверждает, что молекулы вещества непрерывно движутся.