Броуновское движение
Урок о том, почему под микроскопом даже в неподвижной воде ничего не стоит на месте — и что это странное дрожание доказывает про молекулы, которых глазом не увидеть.
Капни каплю молока в чайную ложку воды, посмотри в микроскоп — и крошечные капельки жира не лежат смирно, а дёргаются и петляют, как будто их кто-то щёлкает то слева, то справа. Ложку убрали, вода не течёт, ветра нет. Кто их толкает?
Объяснишь своими словами, почему броуновская частица дёргается в разные стороны без ветра и течения
Отличишь броуновское движение от простого течения и от диффузии — по тому, что каждое из них доказывает
Опишешь опыт, которым можно самому увидеть броуновское движение дома
Что увидел Броун в капле воды
В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун разглядывал в микроскоп пыльцу растений, брошенную в воду. Он ожидал увидеть неподвижные крупинки. Вместо этого крупинки метались туда-сюда без остановки — так суетливо, что Броун сперва решил: это живые существа.
Броуновское движение — непрерывное беспорядочное (хаотическое) движение твёрдых мелких частиц, находящихся в жидкости (или газе); объясняется тем, что с разных сторон каждую частицу ударяет разное число молекул жидкости (газа), и частица движется в ту сторону, в которую воздействие молекул оказывается сильнее. Броуновское движение является следствием того, что молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении. Это значит: суммарное воздействие молекул направлено от той стороны, где ударов оказалось больше, — поэтому «слева толкнули сильнее» и «частица сдвинулась вправо» описывают одно и то же явление, а не два разных правила.
Представь надувной мяч, который толпа на стадионе перекидывает руками со всех сторон сразу — не по правилам, а просто наугад, кто дотянулся. В любой момент слева до мяча дотянулось чуть больше рук, чем справа, — и мяч уходит вправо, от той стороны, где рук оказалось больше. Через секунду перевес уже с другой стороны — мяч крутит и мотает, хотя никто специально не гонит его в одну сторону. Броуновская частица — тот же мяч, а «руки» — это удары молекул воды.
На рисунке — не путь частицы, а снимок одного мгновения: крупный шар — сама частица, маленькие шарики вокруг — молекулы жидкости, стрелки у них — направления движения именно в этот миг.
Посчитай, с какой стороны частицы стрелок, летящих к ней, больше: слева или справа, сверху или снизу.
Сторона с бо́льшим числом ударяющих стрелок толкает сильнее — а частица от неё уходит, в сторону более слабых ударов.
В следующий миг молекулы разлетятся и подлетят новые — перевес сторон изменится, и толчок в следующий раз пойдёт уже в другом направлении.
Возьмём частицу вдвое крупнее прежней. Ударов по ней в единицу времени станет намного больше с каждой стороны. Дёргаться она будет заметнее или спокойнее?
показать
Возьмём частицу вдвое крупнее прежней. Ударов по ней в единицу времени станет намного больше с каждой стороны. Дёргаться она будет заметнее или спокойнее?
Спокойнее: у крупной частицы по каждой стороне бьёт много молекул, и случайный перевес ударов слева и справа в среднем невелик по сравнению с их общим числом — рывки почти гасятся. У маленькой частицы ударов мало, и любой перевес заметен сразу.
Броун смотрел на пыльцу в воде и увидел, что крупинки непрерывно суетятся. Почему он сначала подумал, что это живые существа?
Почему частица дёргается, а не плывёт в одну сторону
Сама частица пыльцы никуда специально не стремится. Дело в молекулах воды вокруг неё: они находятся в непрерывном беспорядочном движении и постоянно врезаются в частицу со всех сторон сразу. Если бы удары слева и справа, сверху и снизу были ровно поровну в каждый миг, частица стояла бы на месте — все толчки гасили бы друг друга. Но ударов очень много и они случайны, поэтому идеального равновесия почти не бывает: то с одной стороны стукнет чуть сильнее, то с другой.
Броуновские частицы — частицы, которые движутся под действием ударов молекул жидкости (или газа).
Направление рывка частицы ПРОТИВОПОЛОЖНО стороне, где в этот миг оказался перевес ударов молекул: частица дёргается туда, где толчки слабее, — то есть от той стороны, по которой ударило больше. Объяснение «частицу что-то притянуло в ту сторону» — неверно: тянуть некому, только толкают со всех сторон, и побеждает более сильный толчок, откуда частица и уходит.
Представим короткий миг: слева по частице ударило 1 010 молекул, справа — 990. Разница небольшая, но она есть.
Суммарный толчок слева сильнее, чем справа, — частица получает небольшой сдвиг вправо, в сторону более слабой стороны.
В следующий миг соотношение может стать обратным: слева 985, справа 1 005 — и частицу дёрнет уже влево.
Поскольку удары молекул случайны и постоянно меняются, перевес скачет то в одну, то в другую сторону — отсюда рваная, беспорядочная траектория, а не движение по прямой.
Частица дрожит из-за того, что дрожит стол, дует сквозняк или булькает вода — то есть из-за внешних причин.
Движение продолжается даже в плотно закрытом, неподвижном сосуде при постоянной температуре — без сквозняка и без встряхивания. Причина не снаружи, а внутри жидкости: непрерывные удары самих молекул.
Почему не дёргается стакан воды целиком
У стенки стакана площадь в миллиарды раз больше, чем у пылинки, — по ней в любой миг бьют огромные, почти одинаковые количества молекул с обеих сторон, и случайный перевес по сравнению с этим числом ничтожен. У крошечной частицы ударов мало, и даже небольшая разница в счёте сразу заметна как рывок.
За частицей наблюдают долю секунды. Слева по ней ударило больше молекул, чем справа. В какую сторону она сдвинется?
Что доказывает броуновское движение
Сам Броун не смог объяснить увиденное — объяснение появилось позже, когда учёные связали его с идеей о том, что вещество состоит из непрерывно движущихся молекул. Хаотичность рывков частицы — это отпечаток хаотичности движения самих молекул жидкости: увидеть молекулу нельзя, а вот последствия её ударов — можно. Это и есть главная ценность броуновского движения: оно доказывает, что молекулы жидкости не замирают, даже когда сама жидкость с виду абсолютно спокойна.
Позже французский физик Жан Перрен повторил опыты Броуна с одинаковыми по размеру крошечными шариками смолы и по тому, как они разбегались в жидкости, сумел вычислить массу отдельных атомов и их количество в 1 г вещества — ещё до того, как хоть один атом кто-либо увидел напрямую.
| Броуновское движение | Диффузия | |
|---|---|---|
Что видно в опыте | Пляшущую точку — саму крупную частицу под микроскопом | Постепенное перемешивание веществ (цвет, запах) без единой видимой частицы |
Что доказывает | Что молекулы жидкости или газа не стоят на месте, а непрерывно бьют по всему, что в них плавает | Что молекулы одного вещества проникают в промежутки между молекулами другого |
Причина явления | Непрерывное беспорядочное движение молекул | Непрерывное беспорядочное движение молекул |
Нужен ли микроскоп, чтобы заметить | Да — сама частица микроскопическая | Нет — результат перемешивания виден невооружённым глазом |
В чайную ложку воды добавь несколько капель молока, помести каплю смеси между двумя предметными стёклами и посмотри под микроскопом: капельки жира в молоке будут находиться в непрерывном беспорядочном движении. Броуновское движение возможно не только в жидкостях, но и в газах.
В комнате открыли форточку, и все пылинки в стакане воды у окна дружно поплыли в одну сторону, без зигзага. Это броуновское движение?
показать
В комнате открыли форточку, и все пылинки в стакане воды у окна дружно поплыли в одну сторону, без зигзага. Это броуновское движение?
Нет: согласованное движение всех частиц в одну сторону — это направленный поток (сквозняк, течение), а у броуновского движения каждая частица дёргается по-своему и беспорядочно.
Учёные наблюдают частицы, взвешенные в жидкости, под микроскопом и видят их непрерывное хаотичное дрожание. Какой вывод о самой жидкости отсюда следует, даже если её поверхность выглядит абсолютно неподвижной?
Никто капельки жира не толкает специально. Их толкают со всех сторон сразу молекулы воды, которые сами находятся в непрерывном беспорядочном движении. В любой миг число ударов с одной стороны чуть-чуть отличается от числа ударов с другой — и капелька дёргается туда, где толчок оказался слабее. В следующий миг перевес меняется на противоположный — отсюда рваный, беспорядочный танец под микроскопом, а не движение в одну сторону. Это и называется броуновским движением: непрерывное беспорядочное движение мелких частиц в жидкости или газе, вызванное неравными ударами молекул.
Броуновское движение — непрерывное беспорядочное движение мелких твёрдых частиц в жидкости или газе, вызванное неравными ударами молекул с разных сторон
Частица движется в ту сторону, где в данный миг удары молекул оказались слабее — перевес постоянно и случайно меняется, поэтому траектория рваная
Броуновское движение не прекращается само по себе: оно длится, пока частица в жидкости (газе), даже без внешних толчков — потому что молекулы движутся непрерывно
Заметно оно только у очень мелких частиц: у крупных тел случайный перевес ударов тонет в их огромном общем числе
Броуновское движение и диффузия вызваны одной причиной (движением молекул), но это разные явления: одно видно как пляску частицы под микроскопом, другое — как перемешивание веществ без единой видимой частицы
- Броуновское движение
Непрерывное беспорядочное (хаотическое) движение твёрдых мелких частиц, находящихся в жидкости или газе; вызвано неравными ударами молекул с разных сторон частицы.
- Броуновские частицы
Частицы, которые движутся под действием ударов молекул жидкости (или газа).
- Роберт Броун
Шотландский ботаник (1773—1858), в 1827 г. первым описал непрерывное беспорядочное движение мелких частиц в жидкости.
- Жан Перрен
Французский физик (1870—1942), по броуновскому движению шариков смолы вычислил массу и число атомов в веществе.
Броуновское движение — непрерывное беспорядочное движение мелких твёрдых частиц в жидкости (или газе); причина — неравное число ударов молекул с разных сторон частицы. Броуновские частицы — частицы, которые движутся под действием ударов молекул жидкости (или газа).
Правило: частица дёргается туда, где в этот миг удары молекул слабее. Перевес случаен и постоянно меняется — отсюда зигзаг, а не прямая. У крупных тел перевес тонет в общем числе ударов — заметно дрожат только очень мелкие частицы.
| | Броуновское движение | Диффузия |
|---|---|---|
| Что видно | Пляшущая частица под микроскопом | Перемешивание веществ без видимой частицы |
| Что доказывает | Молекулы бьют по всему, что в них плавает | Молекулы одного вещества проникают между молекулами другого |
| Причина | Непрерывное беспорядочное движение молекул | То же самое |
Роберт Броун проверял не только свежую пыльцу, но и старую, столетней давности, и даже частицы каменной пыли — плясало абсолютно всё, что было достаточно мелким. Это и убедило его, что дело не в «жизни» частиц.
Жан Перрен во многом благодаря работам о броуновском движении шариков смолы гуммигута смог впервые довольно точно оценить массу и число атомов в веществе — ещё до появления приборов, способных увидеть отдельный атом.
Что такое броуновское движение?
Непрерывное беспорядочное движение мелких твёрдых частиц в жидкости (или газе) из-за неравных ударов молекул с разных сторон.
Дым от сгоревшей спички закрыли в стеклянной камере и разглядывают под микроскопом при боковой подсветке: видно, что отдельные крошечные частицы дыма непрерывно и беспорядочно дёргаются — совсем как капельки жира в молоке. Это тоже броуновское движение?