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
Броуновское движение
Связь скорости движения частиц с температурой
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
Непрерывное беспорядочное (хаотическое) движение твёрдых мелких частиц, находящихся в жидкости или газе; вызвано неравными ударами молекул с разных сторон частицы.
Частицы, которые движутся под действием ударов молекул жидкости (или газа).
Шотландский ботаник (1773—1858), в 1827 г. первым описал непрерывное беспорядочное движение мелких частиц в жидкости.
Французский физик (1870—1942), по броуновскому движению шариков смолы вычислил массу и число атомов в веществе.
- Броуновское движение
беспорядочное движение мелких частиц в жидкости или газе
- Броуновские частицы
частицы, которые двигаются от ударов молекул среды
- Причина движения
неравное число ударов молекул с разных сторон частицы
- Направление
туда, где в этот миг удары слабее
- Почему зигзаг
перевес ударов случаен и постоянно меняется
- Почему не видно у крупных тел
перевес тонет в общем числе ударов
| Броуновское движение | Диффузия | |
|---|---|---|
Что видно | пляшущая частица под микроскопом | перемешивание без видимой частицы |
Что доказывает | молекулы бьют по всему, что плавает | молекулы одного вещества проникают в другое |
Причина | непрерывное хаотическое 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.
Так это спрашивают на экзамене
демоверсии ФИПИБудет ли легче сдвигать полированные стёкла, сложенные стопкой, если предварительно между ними положить листы сухой бумаги? Ответ поясните.
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?