# Броуновское движение

Физика · 7 класс · Движение и взаимодействие частиц вещества
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/7/9-brounovskoe-dvizhenie

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.

## Чему научишься

- 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

## С чего начать

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?

## 1. Что увидел Броун в капле воды

*Явление, которое сначала приняли за живых существ*

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.

*Рисунок: Роберт Броун (1773—1858) — ботаник, который первым описал это беспорядочное дрожание частиц*

**Броуновское движение**

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.

**Мяч на трибунах**

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.

*Рисунок: Броуновская частица (крупный шар) среди молекул жидкости: стрелки у молекул — направления их движения в этот миг*

**Пример: Прочитай схему ударов по частице**

1. 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.
2. Посчитай, с какой стороны частицы стрелок, летящих к ней, больше: слева или справа, сверху или снизу.
3. Сторона с бо́льшим числом ударяющих стрелок толкает сильнее — а частица от неё уходит, в сторону более слабых ударов.
4. В следующий миг молекулы разлетятся и подлетят новые — перевес сторон изменится, и толчок в следующий раз пойдёт уже в другом направлении.

**Проверь себя:** Возьмём частицу вдвое крупнее прежней. Ударов по ней в единицу времени станет намного больше с каждой стороны. Дёргаться она будет заметнее или спокойнее?
**Ответ:** 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.

### Проверь себя

**Броун смотрел на пыльцу в воде и увидел, что крупинки непрерывно суетятся. Почему он сначала подумал, что это живые существа?**
- Двигались хаотично и без остановки, как живое — верно
- Ярко светились в темноте, будто маленькие светлячки
- Понемногу меняли окраску на свету
- Издавали едва слышный писк под стеклом
> Именно непрерывность и хаотичность движения — без видимой причины и без остановки — напомнили Броуну поведение живого существа.

**Ты повторил опыт: капля молока в воде на предметном стекле. Посмотрел на стекло просто глазами, без микроскопа. Увидишь ли ты дрожание отдельных капелек жира?**
- Да, капельки видно точно так же ясно, как под микроскопом
- Нет — капельки и их движение слишком малы для глаза — верно
- Да, если поднести стекло к яркой лампе
- Нет, потому что молоко становится прозрачным
> Броуновские частицы и их дрожание — величины микроскопические; без увеличения глаз их просто не различает.

**На рисунке — только один момент времени: частица и молекулы вокруг неё со стрелками. Могли бы стрелки в следующую секунду показывать уже другую картину?**
- Нет — стрелки нарисованы один раз и не меняются со временем
- Да — молекулы двигаются хаотично, и через миг расстановка стрелок будет уже другой — верно
- Нет — стрелки показывают путь самой частицы, а не молекул
- Да, но только если сосуд открыть и впустить воздух
> Рисунок — снимок одного мгновения; из-за хаотичности движения молекул расстановка ударов постоянно меняется, а с ней меняется и направление толчка частицы.

**Крупинку пыльцы заменили на стеклянный шарик размером с горошину и опустили в тот же стакан воды. Что увидит наблюдатель?**
- Шарик начнёт медленно вращаться по кругу
- Шарик сам всплывёт на поверхность
- Шарик будет метаться ничуть не слабее, чем сама пылинка
- Заметного дрожания не будет — шарик слишком велик — верно
> Чем крупнее тело, тем больше ударов приходится на каждую его сторону и тем меньше в среднем относительный перевес — заметное дрожание видно только у очень мелких частиц.

## 2. Почему частица дёргается, а не плывёт в одну сторону

*Механизм: неравный счёт ударов*

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**

Броуновские частицы — частицы, которые движутся под действием ударов молекул жидкости (или газа).

**Правило самопроверки: частица уходит от сильной стороны**

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.

**Пример: Разбираем один рывок частицы**

1. Представим короткий миг: слева по частице ударило 1 010 молекул, справа — 990. Разница небольшая, но она есть.
2. Суммарный толчок слева сильнее, чем справа, — частица получает небольшой сдвиг вправо, в сторону более слабой стороны.
3. В следующий миг соотношение может стать обратным: слева 985, справа 1 005 — и частицу дёрнет уже влево.
4. 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.

**Неправильно:** Частица дрожит из-за того, что дрожит стол, дует сквозняк или булькает вода — то есть из-за внешних причин.
**Правильно:** 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.

### Проверь себя

**За частицей наблюдают долю секунды. Слева по ней ударило больше молекул, чем справа. В какую сторону она сдвинется?**
- Вверх — потому что удары как будто складываются по вертикали
- Вправо — от более сильной стороны толчков — верно
- Она останется точно на месте, где стояла
- Влево — именно куда сильнее толкнули
> Частица движется в сторону, где толчков в этот миг оказалось меньше, — от более сильной стороны удара.

**Почему траектория броуновской частицы — рваная ломаная линия, а не плавная кривая в одну сторону?**
- Частица периодически ненадолго останавливается отдохнуть
- Микроскоп слегка встряхивают при наблюдении
- Перевес ударов молекул хаотично меняет сторону — верно
- Частицу притягивает то одна, то другая стенка
> Случайность ударов означает, что перевес сторон постоянно меняется, поэтому и направление рывков меняется каждый миг.

**Сосуд с частицами в воде плотно закрыли и оставили на столе без единого толчка. Почему движение не прекращается?**
- Стенки сосуда слегка вибрируют от постоянного нагрева воздуха
- Частицы заряжены и отталкиваются друг от друга
- Вода медленно испаряется и создаёт течение
- Молекулы воды сами непрерывно и хаотично движутся — верно
> Причина — не внешние толчки, а сама непрерывная беспорядочная суета молекул жидкости.

**Одноклассник говорит: «частица дрожит, потому что стол слегка вибрирует от шагов в коридоре». Ты повторил опыт в закрытом сосуде на неподвижном столе — дрожание такое же. Прав ли одноклассник?**
- Не прав — движение сохраняется и без вибрации стола — верно
- Прав — вообще любая вибрация стола прекрасно объясняет дрожание
- Прав отчасти — без вибрации частицы бы не двигались
- Прав — молекулы неподвижны без внешнего толчка
> Раз явление не исчезает при устранении внешних толчков, причина не внешняя, а внутренняя — постоянные удары молекул жидкости.

## 3. Что доказывает броуновское движение

*От пляшущей крупинки — к доказательству, что молекулы существуют*

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 и диффузия — не одно и то же, хотя причина одна**

|  | 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 |

**Как повторить опыт Броуна дома**

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.

**Проверь себя:** В комнате открыли форточку, и все пылинки в стакане воды у окна дружно поплыли в одну сторону, без зигзага. Это броуновское движение?
**Ответ:** Нет: согласованное движение всех частиц в одну сторону — это направленный поток (сквозняк, течение), а у броуновского движения каждая частица дёргается по-своему и беспорядочно.

### Проверь себя

**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?**
- В жидкости на самом деле есть невидимые пузырьки воздуха
- Частицу толкает электрическое поле сосуда
- Молекулы жидкости непрерывно и хаотично движутся — верно
- Жидкость на самом деле медленно течёт
> Хаотичные рывки частицы — прямое следствие того, что молекулы жидкости сами непрерывно и беспорядочно движутся.

**В стакан воды капнули чернила, и через час вода равномерно окрасилась без размешивания — рядом никто не наблюдал под микроскопом пляшущих частиц. Это пример броуновского движения или диффузии?**
- Броуновского — причина у обоих явлений одна
- Ни того, ни другого — вода была слегка мутной от пыли
- Броуновского движения — частицы чернил заметно дёргались под микроскопом
- Диффузии — молекулы чернил проникли между молекулами воды — верно
> Здесь наблюдают результат проникновения молекул чернил в толщу воды — это диффузия, хотя причина (движение молекул) у обоих явлений общая.

**В комнате приоткрыли форточку. Пылинки в стакане воды у окна поплыли согласованно в одну сторону, безо всякого зигзага. О чём это говорит?**
- Это направленный поток от сквозняка — верно
- Это очень сильное, но по сути броуновское движение
- Молекулы воды прекратили беспорядочное движение
- Частицы слишком крупные для броуновского движения
> Согласованный снос всех частиц в одну сторону — признак направленного течения, а не броуновского движения, при котором каждая частица дёргается независимо и беспорядочно.

**Жан Перрен наблюдал одинаковые шарики смолы в жидкости и по силе и частоте их рывков смог оценить массу и число атомов в веществе. На чём основан такой расчёт?**
- На самом обычном прямом взвешивании отдельных атомов на весах
- Рывки шариков статистически несут информацию о молекулах — верно
- На сравнении цвета жидкости до и после опыта
- На измерении температуры плавления смолы
> Раз рывки вызваны ударами молекул, из статистики этих рывков можно извлечь числа, характеризующие сами молекулы, — так и поступил Перрен, ещё не видя ни одного атома напрямую.

## Ключевые термины

- **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.

## Итог

- 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

## Шпаргалка

**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 |

## Любопытное

- 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.