תנועה בראונית: הגדרה. התנועה הבראונית - מה זה?

היום נשקול בפירוט נושא חשוב - בואו להגדיר את התנועה הבראונית של חתיכות קטנות של חומר נוזלי או גז.

מפה וקואורדינטות

כמה תלמידים, מעונים בשיעורים משעממים, לא מבינים למה ללמוד פיסיקה. ובכל זאת, זה היה מדע זה פעם מותר לנו לגלות אמריקה!

בואו נתחיל מרחוק. הציוויליזציות העתיקות של הים התיכון היו במזל מסוים: הן התפתחו על החוף של מאגר פנימי סגור. הים התיכון נקרא כך שהוא מוקף מכל עבר ביבשה. והמטיילים הקדומים יכלו להתקדם לא רחוק עם המשלחת שלהם, מבלי לאבד את המראה של החופים. קווי המתאר של הארץ סייעו לנווט. והמפות הראשונות נעשו בצורה תיאורטית יותר מאשר גיאוגרפית. הודות למסעות אלה שאינם נגישים יחסית, היוונים, הפיניקים והמצרים למדו לבנות ספינות היטב. ואיפה הציוד הטוב ביותר הוא, יש רצון לדחוף את הגבולות של העולם שלך.

אז יום אחד האירופיהכוחות החליטו לצאת לאוקיינוס. במהלך המסע על פני המרחבים העצומים בין היבשות ראו המלחים במשך חודשים רבים רק מים, והם היו צריכים לנווט איכשהו. קביעת הקואורדינטות שלהם סייעה להמצאת שעונים מדויקים ומצפן איכותי.

צפה ומצפן

ההמצאה של כרונומטרים יד קטנים מאודהצילו את הימאים. כדי לזהות היכן הם נמצאים, הם היו צריכים כלי פשוט למדידת גובה השמש מעל האופק, ולדעת מתי בדיוק בצהריים. ובזכות המצפן, קפטני האוניות ידעו לאן הם הולכים. הן השעון והן המאפיינים של המחט המגנטית נחקרו ונוצרו על ידי פיסיקאים. הודות לאירופה הזאת נפתחו כל העולם.

היבשות החדשות היו טרה לא-מוכרת, אדמה שלא נחקרה. עליהם צמחו צמחים מוזרים וחיות לא ידועות.

צמחים ופיסיקה

כל המדענים הטבעיים של העולם התרבותי מיהרו ללמוד את המערכות האקולוגיות המוזרות החדשות. וכמובן, הם רצו לנצל אותם.

רוברט בראון היה בוטנאי אנגלי. הוא נסע לאוסטרליה ולטסמניה, אסף שם אוספי צמחים. כבר בבית, באנגליה, הוא עבד קשה בתיאור וסיווג החומר המיובא. והמדען הזה היה קפדני מאוד. יום אחד, מתבונן בתנועת האבקה במיץ הצמחים, הבחין: חלקיקים קטנים עושים כל הזמן תנועות זיגזג כאוטי. זוהי ההגדרה של התנועה הבראונית של אלמנטים קטנים בגזים ונוזלים. הודות לגילוי, הבוטנאי המדהים כתב את שמו בהיסטוריה של הפיסיקה!

בראון וגואי

במדע האירופי נהוג: לתת שם לתופעה או לתופעה בשמו של האדם שגילה אותה. אבל לעתים קרובות זה קורה במקרה. אבל האדם המתאר, מגלה את החשיבות או יותר ביסודיות בוחן את החוק הפיזי, הוא בין הצללים. אז זה קרה עם הצרפתי לואי ז'ורז 'גיא. הוא הגדיר את התנועה הבראוניאנית (כיתה ז 'לא בדיוק שומעת על זה כאשר הוא לומד את הנושא בפיסיקה).

חקירותיו של גיא ומאפייניו של תנועה בראונית

הנסיך הצרפתי לואי ז'ורז 'גואי צייןאת ההצעה של סוגים שונים של חלקיקים במספר נוזלים, כולל פתרונות. המדע של אותה תקופה כבר ידע כיצד לקבוע במדויק את גודל החלקים של החומר לעשירית של מיקרומטר. חוקר המדענים את התופעה הבראוניאנית (ההגדרה בפיסיקה לתופעה זו ניתנה בדיוק על ידי גואי), הבין המדען: עוצמת החלקיקים הנעים גדלה אם הם ממוקמים במדיום פחות צמיג. בהיותו נסיין של ספקטרום רחב, הוא השעיט את ההשעיה לפעולה של שדות אור אלקטרומגנטיים של כוח משתנה. המדען גילה כי גורמים אלה אינם משפיעים בשום אופן על קפיצות זיגזג כאוטי של חלקיקים. גואי הראה באופן חד משמעי שהתנועה הבראוניאנית מוכיחה: תזוזה תרמית של מולקולות של נוזל או של גז.

צוות ומסה

ועכשיו נתאר בפירוט רב יותר את מנגנון זיגזג קופץ של חתיכות קטנות של חומר בנוזל.

כל חומר מורכב מאטומים או ממולקולות. אלמנטים אלה של העולם הם קטנים מאוד, אין מיקרוסקופ אופטי מסוגל לראות אותם. בנוזל, הם כל הזמן להשתנות ולנוע. כאשר כל חלקיק גלוי נכנס לפתרון, המסה שלו גדולה פי אלף מאטום אחד. תנועה בראונית של מולקולות נוזלי היא כאוטית. אבל בכל זאת, כל האטומים או המולקולות הם קולקטיב, הם מחוברים זה לזה, כמו אנשים שהצטרפו לידיים. לכן, לפעמים זה קורה כי אטומים נוזליים בצד אחד של החלקיק לנוע בצורה כזו שהם "לחץ" על זה, ואילו בצד השני של החלקיק נוצר מדיום צפוף פחות. לכן, motes לזוז בחלל הפתרון. במקום אחר, תנועה קולקטיבית של מולקולות נוזלי אקראי פועל בצד השני של רכיב מסיבי יותר. זוהי בדיוק הדרך בה מתרחשת תנועה בראונית של חלקיקים.

זמן ואינשטיין

אם החומר יש טמפרטורה nonzero,האטומים שלה עושים תנודות תרמיות. לכן, אפילו בנוזל קר או צונן מאוד, יש תנועה בראונית. אלה קפיצות כאוטי של חלקיקים תלויים קטנים לא להפסיק.

אלברט איינשטיין הוא אולי המדען המפורסם ביותר של המאה העשרים. מי שמעוניין בפיסיקה לפחות בדרך כלשהי מכיר את הנוסחה E = mc². כמו כן, רבים יכולים להיזכר אפקט הפוטואלקטרי, עבורשקיבל את פרס נובל, ואת תורת היחסות המיוחדת. אבל מעט מאוד אנשים יודעים שאיינשטיין פיתח נוסחה לתנועה בראונית.

על בסיס התיאוריה המולקולרית-קינטית, המדען הסיק את מקדם הדיפוזיה של חלקיקים מרחפים בנוזל. וזה קרה ב -1905. הנוסחה נראית כך:

D = (R * T) / (6 * N_א * a * π * ξ),

כאשר D - מקדם הרצוי, R - הוא קבוע הגזים האוניברסלי, T - טמפרטורה מוחלטת (המתבטאת קלווין), N_א - Avogadro קבוע (מתאים שומה אחת של החומר, או כ 10²³ מולקולות), a הוא רדיוס הממוצע המשוער של החלקיקים, ξ הוא צמיגות דינמית של נוזל או פתרון.

וכבר בשנת 1908, הפיזיקאי הצרפתי ז'אן פרין ותלמידיו הוכיחו את נכונות חישובי איינשטיין.

חלקיק אחד בשדה של לוחם

לעיל תיארנו את ההשפעה הקולקטיבית של הסביבהעל חלקיקים רבים. אבל גם גורם זר אחד בנוזל יכול לתת כמה סדירות ותלות. לדוגמה, אם אתה צופה חלקיק בראוני במשך זמן רב, אתה יכול לתקן את כל התנועות שלה. ומהכאוס הזה תהיה מערכת הרמונית. ההתקדמות הממוצעת של החלקיק הבראוני לאורך כיוון אחד פרופורציונלית לזמן.

בניסויים על חלקיק בנוזל, הכמויות הבאות היו מעודנים:

• קבוע בולצמן;
• מספר אבוגדרו.

בנוסף לתנועה ליניארית, חלקיק בראוני מאופיין גם בסבב כאוטי. וגם את עקירה זווית הממוצע הוא גם פרופורציונלי לזמן התצפית.

מידות וצורות

לאחר שיקולים כאלה עשויים להתעוררשאלה טבעית: מדוע אפקט זה אינו נצפה לגופים גדולים? מכיוון שכאשר אורך האובייקט שקוע בנוזל גדול מערך מסוים, הרי שכל אלה "רעידות" קולקטיביות אקראיות של המולקולות הופכות ללחץ מתמיד, כיוון שהן ממוצעות. וכוח דחיפה כללי של ארכימדס כבר פועל על הגוף. לכן, פיסה גדולה של כיורי ברזל, ואבק מתכת צף במים.

גודל החלקיקים, אשר תנודות של מולקולות נוזלי מזוהה, לא יעלה על 5 מיקרומטר. לגבי אובייקטים עם ממדים גדולים, השפעה זו לא תהיה מורגשת כאן.