§ 2.3. Броуновское движение

Определения и обозначения

Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Частица постоянно меняет направление и не движется по заранее заданной траектории. Это определение помогает отличить явление от обычного переноса вещества течением.

Броуновская частица — достаточно малая взвешенная частица, движение которой можно наблюдать под микроскопом. Это может быть частица пыльцы, туши или другое небольшое тело. Сам термин нужен, чтобы не путать наблюдаемую частицу с невидимыми молекулами среды.

Тепловое движение молекул — беспорядочное движение молекул вещества, связанное с его температурой. Молекулы движутся даже тогда, когда жидкость или газ в целом покоятся. Именно это невидимое движение является причиной наблюдаемого перемещения броуновской частицы.

Флуктуация — случайное отклонение величины от её среднего значения. Например, с одной стороны частицы в данный момент может ударить немного больше молекул, чем с другой. Такая неравномерность ударов создаёт результирующую силу и заставляет частицу двигаться.

Как это устроено

Наблюдать броуновское движение можно, поместив в воду очень мелкие частицы пыльцы или туши и рассматривая их в микроскоп. Частицы перемещаются в разные стороны, хотя сама вода кажется неподвижной. Это показывает, что покой жидкости в целом не означает покоя её молекул.

Если через равные промежутки времени отмечать положение одной частицы, получится цепочка отрезков, соединяющих последовательные точки. Эти отрезки имеют разные направления и длину, поэтому траектория выглядит ломаной и беспорядочной. Равномерного движения по прямой здесь нет: каждое новое перемещение зависит от случайной ситуации с ударами молекул.

Молекулы жидкости непрерывно движутся и сталкиваются с поверхностью броуновской частицы. Удары происходят со всех сторон, но частица получает их не одновременно и не с одинаковой силой. Поэтому в каждый момент возникает небольшая результирующая сила, направляющая частицу в одну из случайных сторон.

Движение не прекращается, потому что молекулы не останавливаются и число столкновений всё время меняется. Даже если за большой промежуток времени воздействия разных сторон в среднем почти уравновешиваются, в отдельный момент полного равновесия нет. Случайные отклонения от среднего состояния и есть флуктуации, поддерживающие движение частицы.

Броуновское движение стало важным наблюдательным подтверждением молекулярного строения вещества. При повышении температуры молекулы в среднем движутся быстрее, поэтому частица получает более энергичные удары. На интенсивность явления также влияют размер частицы, вязкость и другие свойства среды: маленькие частицы в менее вязкой среде обычно движутся заметнее.

Броуновское движение и тепловое движение молекул

Таблица показывает, что это не два независимых явления. Броуновское движение — наблюдаемый результат теплового движения молекул окружающей среды. При решении задач сначала определяйте, какой объект рассматривается: видимая частица или молекулы.

Разбор задач

Задача 1

Под микроскопом наблюдают мелкие частицы туши в воде. Они беспорядочно меняют направление, хотя видимого течения воды нет. Требуется определить явление и его физический смысл.

1. Частицы достаточно малы и взвешены в жидкости, а их движение видно в микроскоп.
2. Направления перемещений случайны, поэтому это не перенос частиц потоком.
3. Следовательно, частицы получают толчки от хаотично движущихся молекул воды.

Ответ: наблюдается броуновское движение; оно подтверждает тепловое движение молекул воды.

Задача 2

Одинаковые мелкие частицы находятся в одной жидкости сначала при комнатной температуре, а затем после нагревания. Нужно сравнить характер их движения и объяснить изменение.

1. При нагревании температура жидкости увеличивается, поэтому средняя скорость теплового движения молекул возрастает.
2. Более быстрые молекулы чаще и энергичнее сталкиваются с каждой частицей.
3. Значит, перемещения частиц становятся заметнее и в среднем броуновское движение усиливается.

Ответ: после нагревания частицы будут двигаться интенсивнее из-за усиления теплового движения молекул жидкости.

Задача 3

Одна частица движется беспорядочно, но вместе с ней все соседние частицы заметно смещаются в одном направлении. Нужно выяснить, достаточно ли броуновского движения для объяснения наблюдения.

1. Броуновские перемещения отдельных частиц случайны и не должны давать общего направления для всех частиц.
2. Одновременное смещение соседних частиц указывает на направленное движение среды, то есть на течение.
3. Нужно повторить наблюдение после устранения возможного перепада температур, вибраций и движения стенок сосуда.

Ответ: объяснить всё только броуновским движением нельзя; следует проверить, не возникло ли течение жидкости, например сравнить движение частиц в разных местах.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что броуновская частица сама начинает двигаться без причины. Так думают, потому что её перемещение видно, а молекулы невидимы. Проверьте себя вопросом: какие столкновения создают результирующую силу?

Ошибка 2. Путать броуновское движение с движением самих молекул. Под микроскопом наблюдают взвешенные частицы, тогда как молекулы среды лишь вызывают их толчки. Если объект можно увидеть как отдельную крупинку, это не молекула.

Ошибка 3. Объяснять любое перемещение конвекцией или течением жидкости. При течении частицы в среднем движутся вместе и имеют общее направление, а при броуновском движении направления случайны. Сравните поведение одной частицы с поведением многих соседних.

Ошибка 4. Полагать, что явление возможно только в жидкости. Броуновские частицы могут быть взвешены и в газе, где их также толкают быстро движущиеся молекулы. Проверяйте не агрегатное состояние среды, а наличие мелких взвешенных частиц и хаотичных перемещений.

Связь с другими темами

Для понимания броуновского движения нужно знать, что вещество состоит из частиц, а молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Температура характеризует интенсивность этого движения. Без этих представлений случайные перемещения видимых частиц кажутся необъяснимыми.

Наблюдение броуновского движения подтверждает молекулярно-кинетическую теорию. Та же идея движения частиц используется при изучении диффузии, а случайный характер отдельных ударов связывает тему со статистическими закономерностями. Поэтому броуновское движение служит мостом от наблюдений к микроскопическому описанию вещества.

Что запомнить

• Броуновское движение — хаотическое движение взвешенных частиц.
• Оно наблюдается в жидкостях и газах.
• Причина движения — непрерывные удары молекул среды.
• Удары молекул по частице в каждый момент не уравновешивают друг друга точно.
• С повышением температуры броуновское движение становится интенсивнее.
• Броуновское движение подтверждает тепловое движение молекул.