Редакция Науки Mail объясняет, что такое броуновское движение, почему оно возникает, от чего зависит его скорость, и как перемещение частиц связано с ключевыми понятиями физики.
Что такое броуновское движение
Броуновское движение — это хаотичное перемещение мельчайших частиц в жидкости или газе, которое возникает из-за столкновений с молекулами окружающей среды.
Удивительно, но открыл его в 1827 году отнюдь не физик, а британский ботаник — Роберт Броун. Он наблюдал за пыльцой растений в воде, пытаясь определить ее роль в опылении. Ученый заметил, что в воде частички пыльцы начинают хаотично перемещаться.
Несмотря на попытки, Роберт Броун так и не смог объяснить природу движений мельчайших частиц. Лишь в начале XX века ученые выяснили, что частицы начинают двигаться благодаря столкновениям с молекулами среды, которые ударяют их со всех сторон. В 1905 году такую гипотезу выдвинул всемирно известный ученый Альберт Эйнштейн, а в 1908 году французский физик Жан Батист Перрен проверил ее экспериментально — об этом пишет Матвей Бронштейн в работе «Атомы и электроны» (1980). Открытие Броуна стало важным доказательством молекулярно-кинетической теории, подтверждающей, что все вещества состоят из атомов.
Почему возникает броуновское движение
Причина движения — соударение частиц с молекулами среды. Рассмотреть это можно лишь под микроскопом. При движении молекул они отталкивают от себя частицу как мячик. Она попадает в другую сторону, где снова ударяется о другие молекулы, и так до бесконечности. Удары неравномерны, что и создает хаотичную траекторию передвижения инородного вещества.
Если присмотреться, можно заметить, как, переливаясь, двигаются мельчайшие частички пыли в луче солнца. Этот процесс — аналогия броуновского движения.
От чего зависит скорость броуновского движения
Несмотря на хаотичный характер перемещения частиц, многие ученые пытались математически рассчитать траекторию и скорость их передвижения.
Расчет траектории движения частицы
Альберт Эйнштейн доказал, что при движении броуновской частицы средний квадрат смещения молекулы пропорционален времени ее движения.
В то же время уравнение французского физика Поля Ланжевена описывает движение частиц в среде, учитывая влияние случайных сил, которые возникают из-за столкновений с молекулами среды. Оно помогает понять, как частицы могут менять направление и скорость под воздействием случайных факторов.
В 1908 году другой физик Жан Батист Перрен начал исследовать броуновское движение. Он применял ультрамикроскоп, который был создан в 1902 году и позволял наблюдать очень мелкие частицы благодаря рассеянному свету от бокового освещения.
Перрен использовал миниатюрные шарики размером около 1 микрометра, изготовленные из гуммигута — сока тропических деревьев. Физик помещал их в глицерин с добавлением 12% воды. С помощью секундомера он фиксировал положение частиц на бумаге через равные промежутки времени. Соединяя точки, исследователь получал их траектории.
Наблюдения позволили Перрену оценить размер молекул и атомов воды и их количество в заданном объеме. За свои труды он получил Нобелевскую премию по физике в 1926 году.
Скорость движения частиц определяется несколькими факторами.
Температура среды
При повышении температуры кинетическая энергия молекул растет, и удары становятся чаще и сильнее. Например, если добавить сахар в холодный напиток, не размешивая, он растворится гораздо медленнее, чем в горячем кофе или чае.
Большую роль играет температура. Благодаря броуновскому движению частички вещества активнее перемещаются, что приводит к быстрому растворению.
Размер частиц
Мелкие частицы более подвижны: их масса меньше, поэтому каждый удар молекулы сильнее влияет на скорость. Крупные объекты почти неподвижны — их инерция «гасит» толчки.
Вязкость среды
В густых жидкостях (мед, глицерин) движение замедляется из-за сопротивления среды. В газах, где вязкость ниже, частицы перемещаются активнее. Например, пыль в воздухе движется более хаотично, чем в воде.
Как броуновское движение связано с диффузией
Броуновское движение запускает диффузию — процесс, при котором частицы одного вещества проникают в другое, то есть смешиваются.
Если в стакан с водой капнуть краску, ее частицы начнут хаотично перемещаться благодаря броуновскому движению. Через какое-то время они распределятся по всему объему, то есть произойдет диффузия. Например, именно благодаря этому явлению аромат духов распространяется по комнате.
Скорость диффузии зависит от средней скорости молекул. Для газов средняя скорость легких молекул выше, при этом она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекул и увеличивается с повышением температуры.
Примеры броуновского движения в жизни
Броуновское движение как математическая модель имеет множество применений. Например, в физике и химии оно помогает объяснять и прогнозировать поведение мелких частиц в коллоидных системах и растворах. В биологии применяется для моделирования процессов, таких как диффузия молекул в клетках и механизм взаимодействия клеточных компонентов.
Приведем простейшие примеры броуновского движения.
Пыль в солнечном луче: заметное глазу колебание частиц в воздухе.
Дым в воздухе: микрочастицы сажи совершают зигзагообразные движения.
Растворение лекарств: молекулы препарата хаотично распределяются в жидкости.
Растворение краски в воде.
Мнение эксперта
Дмитрий Родкин, кандидат физико-математических наук, преподаватель Московского физико-технического института, комментирует:
«Броуновское движение — это необходимая составляющая часть молекулярно-кинетической теории и изучается на уровне школьной программы. Это явление окружает нас повсюду: простой пример — движение молекул воздуха. В целом, оно происходит везде, где мы говорим о жидкостях или газах, даже в аморфных телах. Если мы хотим измерить, как концентрация частиц изменяется во времени и пространстве, то при отсутствии внешних движений применимо уравнение диффузии. Если есть внешние факторы — уравнение переноса».
Коротко о броуновском движении
Броуновское движение — одно из значимых открытий XIX века.
1. Открыто Робертом Броуном в 1827 году.
2. Подтверждает молекулярно-кинетическую теорию.
3. Скорость движения частиц зависит от температуры, размера частиц и вязкости среды.
4. Лежит в основе диффузии и многих природных процессов.
5. Применяется в науке и технологиях от биологии до наноинженерии.