§9 Броуновское движение

Определения и обозначения

Броуновское движение — непрерывное беспорядочное движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Слово «непрерывное» означает, что частица не останавливается, а «беспорядочное» — что её направление постоянно меняется. Это название помогает сразу узнать явление по наблюдаемой картине: крошечная частица движется в среде без видимого толчка.

Броуновская частица — частица, взвешенная в жидкости или газе и наблюдаемая в броуновском движении. Она намного больше молекул среды, поэтому её можно увидеть в микроскоп, хотя сами молекулы разглядеть нельзя. Термин нужен, чтобы не путать видимую частицу с молекулами, которые вызывают её движение.

Молекулярное движение — непрерывное беспорядочное движение молекул. Оно проявляется, в частности, в движении броуновских частиц: молекулы сталкиваются с ними и передают им толчки. Это понятие объясняет причину наблюдаемого явления и связывает движение крупной частицы с невидимым движением молекул.

Как это устроено

В 1827 году английский ботаник Роберт Броун рассматривал в воде частицы пыльцы и заметил, что они непрерывно перемещаются. Он проверил, что частицы не живые, однако их движение не прекращалось. Позднее такое явление стали называть броуновским движением — в честь учёного, который его наблюдал и описал. Сам Броун обнаружил движение, но его причина стала понятна благодаря представлению о молекулах.

Вода состоит из молекул, которые находятся в постоянном движении. Они сталкиваются с частицей пыльцы и передают ей толчки, поэтому частица смещается. Это похоже на ситуацию, когда множество невидимых шариков ударяет по крупному предмету: он приходит в движение, хотя сам не способен двигаться. Так объясняется броуновское движение и в жидкости, и в газе.

Почему же частица не получает одинаковые толчки со всех сторон? С каждой стороны к ней одновременно подлетает разное количество молекул, а их удары имеют разную силу. За короткий промежуток перевес может оказаться то с одной, то с другой стороны. Поэтому общее воздействие меняется, а частица делает беспорядочные перемещения вместо того, чтобы оставаться на месте.

При повышении температуры броуновское движение усиливается, потому что молекулы среды в среднем движутся быстрее и сильнее ударяют по частице. Значит, при прочих одинаковых условиях в более тёплой жидкости движение заметнее. А чем крупнее сама взвешенная частица, тем менее заметно её перемещение под действием ударов молекул: для неё такие толчки оказываются слабее по сравнению с её размером и массой.

Молекулы слишком малы, чтобы наблюдать их обычным микроскопом, но их действие можно заметить по движению более крупной частицы. Если частица беспорядочно движется в неподвижной на вид жидкости или газе, это означает, что молекулы среды сталкиваются с ней. Поэтому броуновское движение служит доказательством непрерывного хаотического движения молекул. Наблюдаемая частица выступает как своего рода указатель их невидимого движения.

Броуновское движение и движение молекул

Сопоставляйте строки по одному признаку: так легче отличить наблюдаемую частицу от молекул, которые на неё воздействуют. Особенно важна строка о причине движения: молекулы толкают броуновскую частицу, а не наоборот. Последняя строка показывает, почему нагревание усиливает оба вида движения.

Разбор задач

Задача 1

В капле воды наблюдают маленькую частицу, которая беспорядочно перемещается. Нужно определить, как называется это движение. В условии указана частица в жидкости и постоянная смена направления. Сопоставим описание с определением броуновского движения.

1. Выясним, где находится частица: она взвешена в воде, то есть в жидкости.
2. Определим характер перемещения: частица движется беспорядочно, а не по прямой.
3. Сравним признаки с определением: мелкая частица в жидкости совершает хаотическое движение.

Оба признака совпадают с определением броуновского движения. Для ответа не требуется знать, из какого вещества частица состоит: важно, что она взвешена в жидкости и беспорядочно перемещается. Ответ: это броуновское движение.

Задача 2

Взвешенная в воде частица движется, хотя не является живым организмом. Нужно объяснить, что заставляет её перемещаться. Самостоятельная работа живого организма здесь не подходит как причина. Следует рассмотреть, что находится вокруг частицы и как это может на неё воздействовать.

1. Вода состоит из молекул, которые непрерывно движутся.
2. Молекулы сталкиваются с частицей и передают ей толчки.
3. С разных сторон число и сила ударов в данный момент различны, поэтому их действие не компенсируется полностью.
4. Из-за меняющегося воздействия частица перемещается и меняет направление.

Частица движется не сама по себе и не потому, что она живая. Её толкают молекулы воды, а неравномерность ударов вызывает беспорядочное перемещение. Ответ: движение частицы объясняется ударами молекул воды с разных сторон.

Задача 3

В двух образцах жидкости наблюдают одинаковые частицы, но один образец нагрет сильнее. Нужно выяснить, где броуновское движение интенсивнее и почему. Одинаковый размер частиц позволяет не учитывать различие их размеров. Сравним температуру образцов и движение молекул.

1. При прочих одинаковых условиях молекулы в более тёплом образце движутся быстрее.
2. Быстрее движущиеся молекулы чаще и сильнее воздействуют на броуновские частицы.
3. Из-за более интенсивных ударов частицы в нагретой жидкости перемещаются заметнее.

Следовательно, броуновское движение интенсивнее в том образце, который нагрет сильнее. Причина не в том, что сама частица нагрелась и начала двигаться самостоятельно: меняется движение молекул жидкости. Ответ: в более тёплом образце, потому что молекулы там движутся быстрее.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что броуновская частица движется сама по себе. Такое впечатление возникает, потому что отдельные молекулы не видны и толчки невозможно заметить напрямую. Но движение вызывает среда, в которой находится частица. Проверьте себя вопросом: что ударяет по частице? Правильный ответ — молекулы жидкости или газа.

Ошибка: представлять путь частицы как прямую линию или заранее заданную траекторию. Можно вообразить, будто у любого движущегося тела направление известно заранее, но здесь толчки всё время меняются. Наблюдаемая частица поэтому беспорядочно меняет направление. Чтобы проверить себя, спросите, можно ли по её движению предсказать следующий поворот: нет, он зависит от ударов молекул.

Ошибка: путать броуновское движение с движением самих молекул. Путаница возникает потому, что оба движения связаны и оба беспорядочны. Однако частица, видимая в микроскоп, гораздо крупнее молекул, которые сталкиваются с ней. Проверка проста: назовите, что наблюдают непосредственно, а что вызывает это наблюдение; видна частица, а молекулы толкают её.

Ошибка: считать, что удары молекул с разных сторон полностью компенсируются. Кажется, что молекул вокруг много и их воздействие должно быть одинаковым, но в каждый момент число и сила ударов различаются. Поэтому результирующее воздействие меняется и частица движется. Проверьте объяснение: если бы удары всегда уравновешивались, частица не перемещалась бы.

Связь с другими темами

Для понимания броуновского движения нужно знать, что вещества состоят из частиц, а молекулы непрерывно движутся. С диффузией оно связано тем, что оба явления подтверждают хаотическое движение частиц вещества, хотя проявляются по-разному. Представление о движении молекул пригодится при изучении строения вещества и тепловых явлений. Оно помогает объяснять, как нагревание влияет на поведение частиц.

Что запомнить

• Броуновское движение — беспорядочное движение мелких частиц в жидкости или газе.
• Движение броуновской частицы вызывают удары молекул среды.
• Молекулы движутся непрерывно и хаотически.
• Удары молекул с разных сторон не уравновешиваются в каждый момент.
• При повышении температуры броуновское движение усиливается.
• Броуновское движение подтверждает движение молекул.