Brownovo kretanje. Braunovo kretanje – Hipermarket znanja Braunovsko kretanje galileo

Danas ćemo detaljnije pogledati važna tema- hajde da definišemo Brownovo kretanje malih komada materije u tečnosti ili gasu.

Karta i koordinate

Neki školarci, izmučeni dosadnim časovima, ne razumiju zašto studiraju fiziku. U međuvremenu, upravo je ova nauka jednom omogućila otkrivanje Amerike!

Počnimo izdaleka. Drevne civilizacije Mediterana imale su na neki način sreće: razvile su se na obalama zatvorenog unutrašnjeg vodenog tijela. Sredozemno more se tako zove jer je sa svih strana okruženo kopnom. A drevni putnici mogli su putovati prilično daleko sa svojom ekspedicijom, a da ne izgube iz vida obale. Obrisi zemlje pomogli su u navigaciji. I prve karte su sastavljene opisno, a ne geografski. Zahvaljujući ovim relativno kratkim putovanjima, Grci, Feničani i Egipćani su postali vrlo dobri u gradnji brodova. A tamo gdje je najbolja oprema, postoji želja da se pomjere granice vašeg svijeta.

Stoga su, jednog lijepog dana, evropske sile odlučile da uđu u okean. Ploveći beskrajnim prostranstvima između kontinenata, pomorci su mnogo mjeseci vidjeli samo vodu i morali su se nekako snaći. Izum preciznih satova i visokokvalitetnog kompasa pomogli su u određivanju nečijih koordinata.

Sat i kompas

Pronalazak malih ručnih hronometara uvelike je pomogao pomorcima. Da bi tačno utvrdili gde se nalaze, morali su da imaju jednostavan instrument koji meri visinu sunca iznad horizonta i da znaju kada je tačno podne. A zahvaljujući kompasu, kapetani brodova znali su kuda idu. I sat i svojstva magnetne igle proučavali su i kreirali fizičari. Zahvaljujući tome, cijeli svijet je bio otvoren za Evropljane.

Novi kontinenti bili su terra incognita, neistražene zemlje. Na njima su rasle čudne biljke i pronađene su čudne životinje.

Biljke i fizika

Svi prirodnjaci civiliziranog svijeta požurili su da proučavaju ove nove čudne ekološki sistemi. I naravno, nastojali su da imaju koristi od njih.

Robert Brown je bio engleski botaničar. Putovao je u Australiju i Tasmaniju, sakupljajući tamo biljne kolekcije. Već kod kuće u Engleskoj, vrijedno je radio na opisu i klasifikaciji donesenog materijala. I ovaj naučnik je bio veoma pedantan. Jednog dana, posmatrajući kretanje polena u biljnom soku, primetio je: male čestice neprestano prave haotične cik-cak pokrete. Ovo je definicija Brownovog kretanja malih elemenata u plinovima i tekućinama. Zahvaljujući otkriću, nevjerovatni botaničar upisao je svoje ime u historiju fizike!

Brown and Gooey

U evropskoj nauci je uobičajeno da se efekat ili fenomen imenuje po osobi koja ga je otkrila. Ali često se to dešava slučajno. Ali osoba koja opisuje, otkriva važnost ili detaljnije istražuje zakon fizike nalazi se u sjeni. To se desilo sa Francuzom Louisom Georges Gouyem. On je dao definiciju Brownovog kretanja (7. razred definitivno ne čuje za to kada proučava ovu temu iz fizike).

Gouyjevo istraživanje i svojstva Brownovog kretanja

Francuski eksperimentator Louis Georges Gouy promatrao je kretanje različitih vrsta čestica u nekoliko tekućina, uključujući i otopine. Nauka tog vremena već je bila u stanju da precizno odredi veličinu komada materije do desetih delova mikrometra. Istražujući šta je Braunovo kretanje (u fizici je upravo Gouy dao definiciju ovog fenomena), naučnik je shvatio: intenzitet kretanja čestica se povećava ako su smeštene na manjem prostoru. viskozni medij. Kao eksperimentator širokog spektra, izložio je suspenziju svjetlu i elektromagnetnim poljima različite jačine. Naučnik je otkrio da ovi faktori ni na koji način ne utiču na haotične cik-cak skokove čestica. Gouy je nedvosmisleno pokazao šta Braunovo kretanje dokazuje: toplotno kretanje molekula tečnosti ili gasa.

Tim i masa

Sada ćemo detaljnije opisati mehanizam cik-cak skokova malih komada materije u tekućini.

Svaka tvar se sastoji od atoma ili molekula. Ovi elementi svijeta su vrlo mali; nijedan optički mikroskop ih ne može vidjeti. U tečnosti oni osciliraju i stalno se kreću. Kada bilo koja vidljiva čestica uđe u rastvor, njena masa je hiljadama puta veća od jednog atoma. Brownovo kretanje molekula tekućine se odvija haotično. Ali ipak, svi atomi ili molekuli su kolektiv, povezani su jedni s drugima, kao ljudi koji se rukuju. Stoga se ponekad dešava da se atomi tečnosti na jednoj strani čestice kreću tako da je „pritiskuju“, dok se na drugoj strani čestice stvara manje gusto okruženje. Zbog toga se čestica prašine kreće u prostoru rastvora. Na drugim mjestima, kolektivno kretanje molekula tekućine nasumično utječe na drugu stranu masivnije komponente. Upravo na taj način dolazi do Brownovog kretanja čestica.

Vrijeme i Ajnštajn

Ako supstanca ima temperaturu različitu od nule, njeni atomi podležu toplotnim vibracijama. Stoga, čak iu veoma hladnoj ili prehlađenoj tečnosti, Brownovo kretanje postoji. Ovi haotični skokovi malih suspendovanih čestica nikada ne prestaju.

Albert Ajnštajn je možda najpoznatiji naučnik dvadesetog veka. Svako ko se bar donekle zanima za fiziku zna formulu E = mc 2. Također, mnogi se mogu sjetiti foto efekta za koji je dobio nobelova nagrada, i o specijalna teorija relativnost. Ali malo ljudi zna da je Einstein razvio formulu za Brownovo kretanje.

Na osnovu molekularne kinetičke teorije, naučnik je izveo koeficijent difuzije suspendovanih čestica u tečnosti. I to se dogodilo 1905. Formula izgleda ovako:

D = (R * T) / (6 * N A * a * π * ξ),

gdje je D traženi koeficijent, R je univerzalna plinska konstanta, T je apsolutna temperatura(izraženo u Kelvinima), N A je Avogadrova konstanta (odgovara jednom molu supstance, ili približno 10 23 molekula), a je približni prosječni radijus čestica, ξ je dinamički viskozitet tekućine ili otopine.

A već 1908. godine francuski fizičar Jean Perrin i njegovi učenici eksperimentalno su dokazali ispravnost Ajnštajnovih proračuna.

Jedna čestica u polju ratnika

Gore smo opisali kolektivni uticaj okoline na mnoge čestice. Ali čak i jedan strani element u tečnosti može dovesti do nekih obrazaca i zavisnosti. Na primjer, ako dugo vremena promatrate Brownovu česticu, možete snimiti sva njezina kretanja. I iz ovog haosa će nastati harmoničan sistem. Prosječno kretanje Brownove čestice duž bilo kojeg smjera je proporcionalno vremenu.

U eksperimentima na čestici u tekućini, rafinirane su sljedeće količine:

Boltzmannova konstanta;
Avogadrov broj.

Osim toga linearno kretanje, također karakterizirana haotičnom rotacijom. A prosječni kutni pomak je također proporcionalan vremenu posmatranja.

Veličine i oblici

Nakon takvog razmišljanja, može se postaviti logično pitanje: zašto se ovaj efekat ne opaža kod velikih tijela? Jer kada je obim objekta uronjenog u tekućinu veći od određene vrijednosti, onda se svi ovi nasumični kolektivni „potisci“ molekula pretvaraju u konstantan pritisak, jer se prosječuju. A general Arhimed već djeluje na tijelo. Tako veliki komad željeza tone, a metalna prašina pluta u vodi.

Veličina čestica, na primjeru koje se otkriva fluktuacija molekula tekućine, ne bi trebala prelaziti 5 mikrometara. Što se tiče velikih objekata, ovaj efekat neće biti primjetan.

Sile interakcije između molekula…………4

Zašto je Giordano Bruno spaljen?................................................ 7

Da li se Galileo Galilei odrekao svojih naučnih stavova? .......................................... .. .....9

Bibliografija………………………………………………………………………………….. .. .13

Brownovo kretanje
Braunovo kretanje, nasumično kretanje malih čestica suspendovanih u tečnosti ili gasu, koje nastaje pod uticajem udaraca molekula okoline. Otvorio Robert Brown 1827. Suspendirane čestice, vidljive samo pod mikroskopom, kreću se nezavisno jedna od druge i opisuju složene cik-cak putanje. Brownovo kretanje ne slabi tokom vremena i ne zavisi od hemijskih svojstava medija. Intenzitet Brownovog kretanja raste sa porastom temperature medija i sa smanjenjem njegove viskoznosti i veličine čestica.
Kada se posmatra Brownovo kretanje, položaj čestice se bilježi u pravilnim intervalima. Naravno, između posmatranja čestica se ne kreće pravolinijski, ali povezivanje uzastopnih pozicija pravim linijama daje konvencionalnu sliku kretanja.
Teorija Brownovog kretanja objašnjava nasumična kretanja čestice djelovanjem nasumičnih sila molekula i sila trenja. Slučajna priroda sile znači da je njeno djelovanje u vremenskom intervalu t 1 potpuno nezavisno od djelovanja tokom intervala t 2 ako se ti intervali ne preklapaju. Prosječna sila tokom dovoljno dugog vremena je nula, a ispostavilo se da je i prosječno pomicanje Brownove čestice nula.
Teorija Brownovog kretanja odigrala je važnu ulogu u temeljima statističke mehanike. Osim toga, ona također ima praktični značaj. Prije svega, Brownovo kretanje ograničava tačnost mjernih instrumenata. Na primjer, granica tačnosti očitavanja zrcalnog galvanometra određena je vibracijom ogledala, poput Brownove čestice bombardirane molekulima zraka. Zakoni Brownovog kretanja određuju nasumično kretanje elektrona, uzrokujući buke V električna kola. Dielektrični gubici u dielektrika se objašnjavaju nasumičnim kretanjima dipolnih molekula koji čine dielektrik. Nasumična kretanja jona u otopinama elektrolita povećavaju njihov električni otpor.
Interakcione sile između molekula

Intermolekularna interakcija je interakcija između električno neutralnih molekule ili atome . Po prvi put su uzete u obzir sile međumolekularne interakcijeJ. D. van der Waals (1873 ) da objasni svojstva stvarnih gasova i tečnosti.
Snage za orijentaciju djeluju između polarnih molekula, odnosno onih saelektrični dipolni momenti. Sila privlačenja između dva polarna molekula je najveća kada su njihovi dipolni momenti poravnati duž iste linije. Ova sila nastaje zbog činjenice da su udaljenosti između različitih naboja nešto manje nego između sličnih. Kao rezultat toga, privlačenje dipola premašuje njihovo odbijanje. Interakcija dipola zavisi od njihove međusobne orijentacije, pa se stoga sile dipolne interakcije nazivaju orijentacioni. Haotično termalno kretanje kontinuirano mijenja orijentaciju polarnih molekula, ali, kako pokazuju proračuni, prosječna vrijednost sile u svim mogućim orijentacijama ima određenu vrijednost koja nije jednaka nuli.

Induktivne (ili polarizacione) sile djeluju između polarnih i nepolarnih molekula. Polarni molekul stvaraelektrično polje, koji polarizira molekul s električnim nabojima ravnomjerno raspoređenim po volumenu. Pozitivna naelektrisanja se pomeraju u pravcu električnog polja (odnosno, dalje od pozitivnog pola), a negativna naelektrisanja se pomeraju protiv (prema pozitivnom polu). Kao rezultat, dipolni moment se inducira u nepolarnom molekulu.
Ova energija se zove indukcija, budući da se pojavljuje zbog polarizacije molekula uzrokovaneelektrostatička indukcija. induktivne sile ( F ind ?r? 7) djeluju i između polarnih molekula.
Djeluje između nepolarnih molekula disperzivna intermolekularna interakcija. Priroda ove interakcije u potpunosti je razjašnjena tek nakon stvaranjakvantna mehanika. U atomima i molekulima elektrona kreću se oko jezgara na složen način. U prosjeku tokom vremena, dipolni momenti nepolarnih molekula se ispostavljaju kao nula. Ali u svakom trenutku elektroni zauzimaju neku poziciju. Stoga je trenutna vrijednost dipolnog momenta (na primjer, za atom vodika) različita od nule. Trenutni dipol stvara električno polje koje polarizuje susjedne molekule. Rezultat je interakcija trenutni dipoli. Energija interakcije između nepolarnih molekula je prosječan rezultat interakcije svih mogućih trenutnih dipola sa dipolnim momentima koje oni indukuju u susjednim molekulima zbog indukcije.
Intermolekularna interakcija ovog tipa se naziva disperzivno jer svjetlosna disperzija u supstanci je određena istim svojstvima molekula kao i ova interakcija. Između svih atoma i molekula djeluju disperzijske sile, jer mehanizam njihovog pojavljivanja ne ovisi o tome imaju li molekuli (atomi) trajne dipolne momente ili ne. Obično ove sile premašuju po veličini i orijentacijske i induktivne. Samo tokom interakcije molekula sa velikim dipolnim momentima, na primer molekula vode, F ili > F disp(3 puta za molekule vode). U interakciji sa polarnim molekulima kao što su CO, HI, HBr i druge, sile disperzije su desetine i stotine puta veće od svih ostalih.
Vrlo je značajno da se sve tri vrste međumolekulskih interakcija smanjuju na isti način s rastojanjem:
U = U ili + U ind + U disp ?r ? 6
Odbojne sile djeluju između molekula na vrlo malim udaljenostima kada su ispunjenielektronske školjkeatoma koji čine molekule. Postoji u kvantnoj mehanici Paulijev princip zabranjuje prodiranje ispunjenih elektronskih ljuski jedna u drugu. Sile odbijanja koje nastaju zavise, u većoj mjeri nego sile privlačnosti, o individualnosti molekula

Zašto je Giordano Bruno spaljen?
Bruno Giordano Filippe (1548, Nola, - 17.2.1600, Rim), talijanski filozof i pjesnik, predstavnik panteizam . Proganjan od strane sveštenstva zbog svojih stavova, napustio je Italiju i živio u Francuskoj, Engleskoj i Njemačkoj. Po povratku u Italiju (1592) optužen je za jeres i slobodoumlje i nakon osam godina zatvora spaljen na lomači.
U idejama Brunove filozofije Neoplatonizam (posebno ideje o jednom početku i svjetskoj duši kao pokretačkom principu Univerzuma, koje su Brunu dovele do hilozoizam ) ukrštano sa snažnim uticajem stavova antičkih materijalista, kao i pitagorejaca. Formiranje Brunove panteističke prirodne filozofije, usmjerene protiv skolastičkog aristotelizma, uvelike je olakšano Brunovim poznavanjem filozofije Nikole Kuzanskog (od kojeg je Bruno također naučio ideju „negativne teologije“, zasnovane na nemogućnosti pozitivne definicije od Boga). Na osnovu ovih izvora, Bruno je smatrao da je cilj filozofije znanje ne o natprirodnom bogu, već o prirodi, koja je „bog u stvarima“. Razvijajući heliocentričnu teoriju N. Copernicus , koji je na njega imao ogroman uticaj, Bruno je iznosio ideje o beskonačnosti prirode i beskonačnom broju svetova, tvrdio je fizičku homogenost sveta (učenje o 5 elemenata koji čine sva tela - zemlja, voda, vatra, vazduh i etar). Bruno je ideju jedne beskonačne jednostavne supstance iz koje proizlaze mnoge stvari povezao s idejom unutrašnjeg srodstva i podudarnosti suprotnosti („O uzroku, početku i jednom“, 1584). U beskonačnosti, poistovjećujući se, spajaju se prava linija i krug, centar i periferija, oblik i materija, itd. Osnovna jedinica postojanja je monada , u čijoj se aktivnosti spajaju tjelesno i duhovno, objekt i subjekt. Najviša supstanca je “monada monada” ili Bog; kao celina manifestuje se u svemu pojedinačnom – „sve u svemu“. Ove ideje imale su veliki utjecaj na razvoj moderne filozofije: ideju o jedinstvenoj supstanciji u njenom odnosu prema pojedinačnim stvarima razvio je Bruno Spinoza, ideju monade - G. Leibniz, ideju o jedinstvo postojanja i "podudarnost suprotnosti" - u dijalektici F. Schellinga i G. Hegela. Dakle, Brunova filozofija je bila prijelazna veza od srednjovjekovnih filozofskih sistema ka filozofskim konceptima modernog vremena.
V.V. Sokolov.
U kosmologiji, Bruno je iznio niz pretpostavki koje su bile ispred njegove ere i opravdane tek kasnijim astronomskim otkrićima: o postojanju planeta nepoznatih u njegovo vrijeme unutar našeg Sunčevog sistema, o rotaciji Sunca i zvijezda oko ose (“ O neizmjernom i bezbrojnom“, 1591), o tome da u svemiru postoji bezbroj tijela sličnih našem Suncu, itd. Bruno je opovrgao srednjovjekovne ideje o suprotnosti između Zemlje i neba i govorio protiv antropocentrizma, govoreći o nastanjivosti. drugih svjetova.
Kao pjesnik, Bruno je pripadao protivnicima klasicizma. Bruno vlastito umjetničko djelo: antiklerikalna satirična poema "Nojeva arka", filozofski soneti, komedija "Svjećnjak" (1582, ruski prijevod 1940), u kojoj Bruno prekida kanone "učene komedije" i stvara slobodnu dramska forma koja omogućava realističan prikaz života i običaja napuljske ulice. U ovoj komediji Bruno ismijava pedantnost i praznovjerje, te sa zajedljivim sarkazmom napada glupi i licemjerni nemoral koji je katolička reakcija donijela sa sobom.
R. I. Khlodovsky

Da li se Galileo Galilej odrekao svojih naučnih stavova?
Godine 1609, na osnovu informacija koje su do njega stigle o teleskopu izumljenom u Holandiji, Galileo je napravio svoj prvi teleskop, dajući približno 3x uvećanje. Rad teleskopa demonstriran je sa tornja Sv. Marka je bila u Veneciji i ostavila je ogroman utisak. Galileo je ubrzo napravio teleskop sa povećanjem od 32 puta. Posmatranja obavljena uz njegovu pomoć uništila su Aristotelove “idealne sfere” i dogmu o savršenstvu nebeskih tijela: ispostavilo se da je površina Mjeseca prekrivena planinama i prošarana kraterima, zvijezde su izgubile svoju prividnu veličinu i razumjela se njihova kolosalna udaljenost. prvi put. Jupiter je otkrio 4 satelita, a ogroman broj novih zvijezda postao je vidljiv na nebu. mliječni put raspao u zasebne zvezde. Galileo je opisao svoja zapažanja u djelu “Zvjezdani glasnik” (1610-11), koje je ostavilo zapanjujući utisak. Istovremeno je počela žestoka polemika. Galileja su optuživali za činjenicu da je sve što je vidio bila optička iluzija; oni su također jednostavno tvrdili da su njegova zapažanja u suprotnosti sa Aristotelom i stoga su pogrešna.
Astronomska otkrića poslužila su kao prekretnica u Galilejevom životu: oslobođen je podučavanja i, na poziv vojvode Kozima II de Medičija, preselio se u Firencu. Ovdje postaje dvorski "filozof" i "prvi matematičar" univerziteta, bez obaveze držanja predavanja.
Nastavljajući teleskopska posmatranja, Galileo je otkrio faze Venere, Sunčeve pjege i rotaciju Sunca, proučavao kretanje Jupiterovih satelita i promatrao Saturn. Godine 1611. Galileo je otputovao u Rim, gdje je bio oduševljen prijemom na papskom dvoru i gdje je sklopio prijateljstvo s princom Cesijem, osnivačem Accademia dei Lincei („Akademije očiju risa”), čiji je postao član. . Na insistiranje vojvode, Galileo je objavio svoje prvo antiaristotelovsko djelo „Razgovor o tijelima u vodi i onima koji se u njoj kreću“ (1612), gdje je primijenio princip jednakih momenata na izvođenje ravnotežnih uslova u tečnim tijelima. .
Međutim, 1613. godine postalo je poznato Galilejevo pismo opatu Castelliju u kojem je branio Kopernikove stavove. Pismo je poslužilo kao razlog za direktnu prijavu Galileja inkviziciji. Godine 1616. jezuitska kongregacija proglasila je Kopernikovo učenje jeretičkim, a Kopernikova knjiga je uvrštena na listu zabranjenih knjiga. Galileo nije imenovan u dekretu, ali mu je privatno naređeno da odustane od odbrane ove doktrine. Galileo je formalno podnio dekret. Nekoliko godina je bio prisiljen da ćuti o Kopernikanskom sistemu ili da o njemu govori u nagoveštajima. Galileo putuje u Rim 1616. Teolozi, takozvani „pripremači slučajeva za inkviziciju“, okupljaju se u papskoj palati kako bi raspravljali i testirali kopernikansku doktrinu, a zatim izdali edikt kojim se zabranjuje propovijedanje Kopernikovih stavova. Ovo je bila prva zvanična zabrana. Ali Galileo nije odustao od svojih stavova. Samo sam postao oprezniji. Lišen prava da propoveda Kopernikovo učenje, svoju kritiku je usmerio protiv Aristotela. Galilejevo jedino veliko djelo u tom periodu bio je The Assayer, polemička rasprava o tri komete koja se pojavila 1618. U smislu književne forme, duhovitosti i sofisticiranosti stila, ovo je jedno od Galilejevih najistaknutijih djela.
Uvjeren u valjanost Kopernikanskog sistema, Galileo je započeo rad na velikoj astronomskoj raspravi „Dijalog dvoje glavni sistemi svijet – Ptolemej i Kopernika” (1632). Ovo djelo tako uvjerljivo dokazuje prednosti kopernikanskog učenja, a papa, prikazan pod krinkom prostodušnog gubitnika Simplicija, pristalica aristotelovskog koncepta, izgleda kao takva budala da grom nije sporio da udari. Tata se uvrijedio. Galilejevi neprijatelji su to iskoristili i on je pozvan na sud. Duh sedamdesetogodišnjeg Galileja bio je slomljen. Ostarjeli naučnik bio je primoran da se javno pokaje, a posljednje godine života proveo je u kućnom pritvoru i pod nadzorom inkvizicije. Godine 1635. odrekao se “svog heretičkog učenja”. Naučnik Galileo nije bio heroj. Priznao je poraz. Ali u istoriji nauke on je ostao veliki naučnik, a suđenje Galileju, čak i po rečima pristalica katoličke veroispovesti, „bila je najkobnija greška koju su crkvene vlasti ikada napravile u pogledu nauke“.
Godine 1623. Galilejev prijatelj kardinal Maffeo Barberini popeo se na papski prijesto pod imenom Urban VIII. Za Galileja se ovaj događaj činio jednakim oslobađanju od okova interdikta (dekreta). Godine 1630. stigao je u Rim sa gotovim rukopisom „Dijaloga o osekama i osekama“ (prvi naslov „Dijaloga o dva glavna sistema sveta“), u kojem su sistemi Kopernika i Ptolomej su predstavljeni u razgovorima tri sagovornika: Sagredo, Salviati i Simplicio.
itd...................

« Fizika - 10. razred"

Sjetite se fenomena difuzije iz osnovnog školskog kursa fizike.
Kako se ovaj fenomen može objasniti?

Prethodno ste naučili šta je to difuzija, odnosno prodor molekula jedne supstance u međumolekularni prostor druge supstance. Ovaj fenomen je određen nasumičnim kretanjem molekula. Ovo može objasniti, na primjer, činjenicu da je volumen mješavine vode i alkohola manji od volumena njegovih sastavnih komponenti.

Ali najočitiji dokaz kretanja molekula može se dobiti posmatranjem kroz mikroskop i najmanjih čestica bilo koje čvrste supstance suspendovane u vodi. Ove čestice podliježu nasumičnom kretanju, što se naziva Brownian.

Brownovo kretanje je toplotno kretanje čestica suspendovanih u tečnosti (ili gasu).

Promatranje Brownovog kretanja.

Engleski botaničar R. Brown (1773-1858) prvi je uočio ovaj fenomen 1827. godine, ispitujući spore mahovine suspendovane u vodi kroz mikroskop.

Kasnije je pogledao druge male čestice, uključujući komade kamena iz egipatskih piramida. Danas, da bi posmatrali Brownovo kretanje, koriste čestice gumene boje koja je nerastvorljiva u vodi. Ove čestice se kreću nasumično. Najnevjerovatnije i najneobičnije za nas je da ovaj pokret nikada ne prestaje. Navikli smo da svako tijelo u pokretu pre ili kasnije stane. Brown je u početku mislio da spore mahovine pokazuju znakove života.

Brownovo kretanje je toplotno kretanje i ono se ne može zaustaviti. Kako temperatura raste, njen intenzitet se povećava.

Slika 8.3 prikazuje putanje Brownovih čestica. Položaji čestica, označeni tačkama, određuju se u pravilnim intervalima od 30 s. Ove tačke su povezane pravim linijama. U stvarnosti, putanja čestica je mnogo složenija.

Objašnjenje Brownovog kretanja.

Brownovo kretanje se može objasniti samo na osnovu molekularne kinetičke teorije.

„Malo fenomena može toliko zaokupiti posmatrača kao Braunovsko kretanje. Ovdje je posmatraču dozvoljeno da pogleda iza kulisa onoga što se dešava u prirodi. Otvara se pred njim novi svijet- neprekidna užurbanost ogromnog broja čestica. Najmanje čestice brzo lete kroz vidno polje mikroskopa, gotovo trenutno mijenjajući smjer kretanja. Veće čestice se kreću sporije, ali i stalno mijenjaju smjer kretanja. Velike čestice se praktično drobe na mjestu. Njihove izbočine jasno pokazuju rotaciju čestica oko svoje ose, što stalno mijenja smjer u prostoru. Nigdje nema ni traga sistemu ili poretku. Dominacija slijepog slučaja – to je snažan, neodoljiv utisak koji ova slika ostavlja na posmatrača.” R. Paul (1884-1976).

Razlog za Brownovo kretanje čestice je taj što se udari molekula tekućine na česticu međusobno ne poništavaju.

Slika 8.4 šematski prikazuje položaj jedne Brownove čestice i najbližih molekula.

Kada se molekuli kreću nasumično, impulsi koje prenose Brownovskoj čestici, na primjer, lijevo i desno, nisu isti. Stoga je rezultujuća sila pritiska molekula tekućine na Brownovu česticu različita od nule. Ova sila uzrokuje promjenu u kretanju čestice.

Molekularnu kinetičku teoriju Brownovog kretanja stvorio je 1905. A. Einstein (1879-1955). Izgradnjom teorije Brownovog kretanja i njenom eksperimentalnom potvrdom od strane francuskog fizičara J. Perrina konačno je završena pobeda molekularne kinetičke teorije. Godine 1926. J. Perrin je dobio Nobelovu nagradu za svoje proučavanje strukture materije.

Perinovi eksperimenti.

Ideja Perrinovih eksperimenata je sljedeća. Poznato je da koncentracija molekula plina u atmosferi opada s visinom. Da nije bilo toplotnog kretanja, tada bi svi molekuli pali na Zemlju i atmosfera bi nestala. Međutim, kada ne bi bilo privlačenja Zemlje, tada bi zbog termičkog kretanja molekuli napustili Zemlju, budući da je plin sposoban za neograničeno širenje. Kao rezultat djelovanja ovih suprotstavljenih faktora, uspostavlja se određena distribucija molekula po visini, odnosno koncentracija molekula prilično brzo opada s visinom. Štoviše, što je veća masa molekula, to se njihova koncentracija brže smanjuje s visinom.

Braunove čestice učestvuju u toplotnom kretanju. Pošto je njihova interakcija zanemarljiva, sakupljanje ovih čestica u gasu ili tečnosti može se smatrati idealnim gasom veoma teških molekula. Posljedično, koncentracija Brownovih čestica u plinu ili tekućini u Zemljinom gravitacijskom polju trebala bi se smanjiti po istom zakonu kao i koncentracija molekula plina. Ovaj zakon je poznat.

Perrin je, koristeći mikroskop sa velikim uvećanjem sa malom dubinom polja (plitka dubina polja), posmatrao Brownove čestice u vrlo tankim slojevima tečnosti. Izračunavajući koncentraciju čestica na različitim visinama, otkrio je da ta koncentracija opada s visinom po istom zakonu kao i koncentracija molekula plina. Razlika je u tome što zbog velika masa Brownove čestice se vrlo brzo smanjuju.

Sve ove činjenice ukazuju na ispravnost teorije Brownovog kretanja i da Brownove čestice učestvuju u termičkom kretanju molekula.

Brojanje Brownovih čestica na različitim visinama omogućilo je Perinu da odredi Avogadrovu konstantu koristeći potpuno novu metodu. Vrijednost ove konstante poklapala se sa prethodno poznatom.

Šta je Brownovo kretanje?

Sada ćete se upoznati s najočitijim dokazima o toplinskom kretanju molekula (druga glavna pozicija teorije molekularne kinetike). Obavezno pokušajte pogledati kroz mikroskop i vidjeti kako se kreću takozvane Brownove čestice.

Prethodno ste naučili šta je to difuzija, odnosno miješanje gasova, tečnosti i čvrste materije nakon njihovog direktnog kontakta. Ovaj fenomen se može objasniti nasumičnim kretanjem molekula i prodiranjem molekula jedne supstance u prostor između molekula druge supstance. Ovo može objasniti, na primjer, činjenicu da je volumen mješavine vode i alkohola manji od volumena njegovih sastavnih komponenti. Ali najočitiji dokaz kretanja molekula može se dobiti posmatranjem kroz mikroskop i najmanjih čestica bilo koje čvrste supstance suspendovane u vodi. Ove čestice podliježu nasumičnom kretanju, što se naziva Brownian.

Ovo je toplotno kretanje čestica suspendovanih u tečnosti (ili gasu).

Promatranje Brownovog kretanja

Engleski botaničar R. Brown (1773-1858) prvi je uočio ovaj fenomen 1827. godine, ispitujući spore mahovine suspendovane u vodi kroz mikroskop. Kasnije je pogledao druge male čestice, uključujući komade kamena iz egipatskih piramida. Danas, da bi posmatrali Brownovo kretanje, koriste čestice gumene boje koja je nerastvorljiva u vodi. Ove čestice se kreću nasumično. Najnevjerovatnije i najneobičnije za nas je da ovaj pokret nikada ne prestaje. Navikli smo da svako tijelo u pokretu pre ili kasnije stane. Brown je u početku mislio da spore mahovine pokazuju znakove života.

termičko kretanje i ne može se zaustaviti. Kako temperatura raste, njen intenzitet se povećava. Slika 8.3 prikazuje dijagram kretanja Brownovih čestica. Položaji čestica, označeni tačkama, određuju se u pravilnim intervalima od 30 s. Ove tačke su povezane pravim linijama. U stvarnosti, putanja čestica je mnogo složenija.

Braunovo kretanje se takođe može posmatrati u gasu. Uzrokuju ga čestice prašine ili dima suspendovane u vazduhu.

Njemački fizičar R. Pohl (1884-1976) slikovito opisuje braunovsko kretanje: „Malo je fenomena sposobno da zaokupi posmatrača toliko koliko je braunovsko kretanje. Ovdje je posmatraču dozvoljeno da pogleda iza kulisa onoga što se dešava u prirodi. Pred njim se otvara novi svijet - neprekidna užurbanost ogromnog broja čestica. Najmanje čestice brzo lete kroz vidno polje mikroskopa, gotovo trenutno mijenjajući smjer kretanja. Veće čestice se kreću sporije, ali i stalno mijenjaju smjer kretanja. Velike čestice se praktično drobe na mjestu. Njihove izbočine jasno pokazuju rotaciju čestica oko svoje ose, što stalno mijenja smjer u prostoru. Nigdje nema ni traga sistemu ili poretku. Dominacija slijepog slučaja – to je snažan, neodoljiv utisak koji ova slika ostavlja na posmatrača.”

Trenutno koncept Brownovo kretanje koristi se u širem smislu. Na primjer, Brownovo kretanje je vibracija igala osjetljivih mjernih instrumenata, koja nastaje uslijed toplinskog kretanja atoma dijelova instrumenta i okoline.

Objašnjenje Brownovog kretanja

Brownovo kretanje se može objasniti samo na osnovu molekularne kinetičke teorije. Razlog za Brownovo kretanje čestice je taj što se udari molekula tekućine na česticu ne poništavaju jedan drugog. Slika 8.4 šematski prikazuje položaj jedne Brownove čestice i najbližih molekula. Kada se molekuli kreću nasumično, impulsi koje prenose Brownovskoj čestici, na primjer, lijevo i desno, nisu isti. Stoga je rezultujuća sila pritiska molekula tekućine na Brownovu česticu različita od nule. Ova sila uzrokuje promjenu u kretanju čestice.

Prosječni pritisak ima određenu vrijednost iu plinu iu tekućini. Ali uvijek postoje manja nasumična odstupanja od ovog prosjeka. Što je površina tijela manja, to su uočljivije relativne promjene sile pritiska koja djeluje na ovo područje. Tako, na primjer, ako područje ima veličinu reda nekoliko promjera molekule, tada se sila pritiska koja djeluje na njega naglo mijenja od nule do određene vrijednosti kada molekul udari u ovo područje.

Molekularnu kinetičku teoriju Brownovog kretanja stvorio je 1905. A. Einstein (1879-1955).

Izgradnjom teorije Brownovog kretanja i njenom eksperimentalnom potvrdom od strane francuskog fizičara J. Perrina konačno je završena pobeda molekularne kinetičke teorije.

Perinovi eksperimenti

Ideja Perrinovih eksperimenata je sljedeća. Poznato je da koncentracija molekula plina u atmosferi opada s visinom. Da nije bilo toplotnog kretanja, tada bi svi molekuli pali na Zemlju i atmosfera bi nestala. Međutim, kada ne bi bilo privlačenja Zemlje, tada bi zbog termičkog kretanja molekuli napustili Zemlju, budući da je plin sposoban za neograničeno širenje. Kao rezultat djelovanja ovih suprotstavljenih faktora, uspostavlja se određena distribucija molekula po visini, kao što je već spomenuto, odnosno koncentracija molekula prilično brzo opada s visinom. Štoviše, što je veća masa molekula, to se njihova koncentracija brže smanjuje s visinom.

Braunove čestice učestvuju u toplotnom kretanju. Pošto je njihova interakcija zanemarljivo mala, sakupljanje ovih čestica u gasu ili tečnosti može se smatrati idealnim gasom veoma teških molekula. Posljedično, koncentracija Brownovih čestica u plinu ili tekućini u Zemljinom gravitacijskom polju trebala bi se smanjiti po istom zakonu kao i koncentracija molekula plina. Ovaj zakon je poznat.

Štaviše, brojanje Brownovih čestica na različitim visinama omogućilo je Perinu da odredi Avogadrovu konstantu koristeći potpuno novu metodu. Vrijednost ove konstante poklapala se sa poznatom.

Sve ove činjenice ukazuju na ispravnost teorije Brownovog kretanja i, shodno tome, da Brownove čestice učestvuju u toplinskom kretanju molekula.

Jasno ste videli postojanje toplotnog kretanja; vidio haotično kretanje. Molekuli se kreću čak i nasumičnije od Brownovih čestica.

Suština fenomena

Pokušajmo sada razumjeti suštinu fenomena Brownovog kretanja. A to se dešava zato što se sve apsolutno tekućine i plinovi sastoje od atoma ili molekula. Ali takođe znamo da ove sitne čestice, budući da su u neprekidnom haotičnom kretanju, neprestano guraju Brownovu česticu iz različitih pravaca.

Ali ono što je zanimljivo jeste da su naučnici dokazali da čestice većih veličina koje prelaze 5 mikrona ostaju nepomične i gotovo da ne učestvuju u Brownovom kretanju, što se ne može reći za manje čestice. Čestice veličine manje od 3 mikrona mogu se kretati translatorno, obavljati rotacije ili pisati složene putanje.

Kada je veliko tijelo uronjeno u okolinu, čini se da udari koji se javljaju u velikom broju dostižu prosječan nivo i održavati konstantan pritisak. U ovom slučaju dolazi do izražaja Arhimedova teorija, budući da veliko tijelo okruženo okolinom sa svih strana balansira pritisak, a preostala sila dizanja omogućava ovom tijelu da lebdi ili tone.

Ali ako tijelo ima dimenzije kao što je Brownova čestica, odnosno potpuno neprimjetna, tada postaju primjetna odstupanja pritiska, koja doprinose stvaranju slučajne sile koja dovodi do vibracija ovih čestica. Može se zaključiti da su Brownove čestice u mediju u suspenziji, za razliku od velikih čestica koje tonu ili plutaju.

Značenje Brownovog kretanja

Pokušajmo otkriti ima li Brownovo kretanje ikakvog značaja u prirodnom okruženju:

Prvo, Brownovo kretanje igra značajnu ulogu u ishrani biljaka iz tla;
Drugo, u ljudskim i životinjskim organizmima, apsorpcija hranljivih materija se dešava kroz zidove organa za varenje usled Brownovog kretanja;
Treće, u implementaciji kožnog disanja;
I na kraju, Brownovo kretanje je važno u distribuciji štetnih tvari u zraku i vodi.

Zadaća

Pažljivo pročitajte pitanja i dajte pismene odgovore na njih:

1. Zapamtite šta se zove difuzija?
2. Kakav je odnos između difuzije i termičkog kretanja molekula?
3. Definirajte Brownovo kretanje.
4. Mislite li da je Brownovsko kretanje termalno i da li opravdate svoj odgovor?
5. Hoće li se priroda Brownovog kretanja promijeniti kada se zagrije? Ako se promeni, kako tačno?
6. Koji se uređaj koristi za proučavanje Brownovog kretanja?
7. Da li se obrazac Brownovog kretanja mijenja s povećanjem temperature i kako točno?
8. Hoće li doći do promjena u Brownovom kretanju ako se vodena emulzija zamijeni glicerolom?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizika 10. razred

Za života je škotski botaničar Robert Brown, kao najbolji stručnjak za biljke, dobio titulu „Princ botaničara“. Napravio je mnoga divna otkrića. Godine 1805., nakon četverogodišnje ekspedicije u Australiju, donio je u Englesku oko 4.000 vrsta australskih biljaka nepoznatih naučnicima i proveo mnogo godina proučavajući ih. Opisane biljke donesene iz Indonezije i Centralne Afrike. Proučavao fiziologiju biljaka, prvi put detaljno opisao jezgro biljna ćelija. Ali ime naučnika sada je nadaleko poznato ne zbog ovih radova.

Godine 1827. Brown je sproveo istraživanje polena biljaka. Posebno ga je zanimalo kako polen učestvuje u procesu oplodnje. Jednom je pod mikroskopom pregledao izdužena citoplazmatska zrna suspendirana u vodi iz polenovih stanica sjevernoameričke biljke Clarkia pulchella. Odjednom je Braun video da najmanja čvrsta zrna, koja su se jedva videla u kapi vode, neprestano drhte i kreću se od mesta do mesta. Otkrio je da ta kretanja, prema njegovim riječima, "nisu povezana ni s tokovima u tekućini niti s njenim postepenim isparavanjem, već su inherentna samim česticama."

Braunovo zapažanje potvrdili su i drugi naučnici. Najmanje čestice ponašale su se kao da su žive, a "ples" čestica ubrzavao se s povećanjem temperature i smanjenjem veličine čestica i jasno se usporavao kada se voda zamijenila viskoznijim medijem. Ovaj zadivljujući fenomen nikada nije prestao: mogao se posmatrati koliko god se želi. Braun je isprva čak pomislio da su živa bića zapravo pala u polje mikroskopa, pogotovo što su polen muške reproduktivne ćelije biljaka, ali je bilo i čestica iz mrtvih biljaka, čak i onih osušenih sto godina ranije u herbarijumima. Zatim se Braun zapitao da li su to „elementarni molekuli živih bića“ o kojima je govorio čuveni francuski prirodnjak Georges Buffon (1707-1788), autor Prirodnjačke istorije od 36 tomova. Ova pretpostavka je nestala kada je Brown počeo da ispituje naizgled nežive predmete; isprva su to bile vrlo male čestice uglja, kao i čađ i prašina iz londonskog zraka, a zatim fino mljevena neorganske supstance: staklo, mnogo različitih minerala. “Aktivni molekuli” su bili posvuda: “U svakom mineralu”, napisao je Brown, “koje sam uspio samljeti u prah do te mjere da je mogao neko vrijeme suspendirati u vodi, našao sam, u većim ili manjim količinama, ovih molekula."

Oko 30 godina Braunovo otkriće nije privuklo interesovanje fizičara. Novi fenomen nije dat od velikog značaja, smatrajući da se objašnjava podrhtavanjem preparata, ili slično kretanju čestica prašine, koje se uočava u atmosferi kada na njih padne zraka svjetlosti, a koje je, kako je poznato, uzrokovano kretanjem zrak. Ali ako su kretanja Brownovih čestica uzrokovana bilo kakvim strujanjima u tekućini, tada bi se takve susjedne čestice kretale zajedno, što je u suprotnosti sa podacima opservacije.

Objašnjenje Braunovskog kretanja (kako je nazvana ova pojava) kretanjem nevidljivih molekula dato je tek u poslednjoj četvrtini 19. veka, ali ga nisu odmah prihvatili svi naučnici. Godine 1863., učitelj deskriptivne geometrije iz Karlsruhea (Nemačka), Ludwig Christian Wiener (1826-1896), sugerisao je da je ovaj fenomen povezan sa oscilatornim kretanjima nevidljivih atoma. Važno je da je Wiener uvidio priliku da iskoristi ovu pojavu da pronikne u tajne strukture materije. On je prvi pokušao da izmeri brzinu kretanja Brownovih čestica i njenu zavisnost od njihove veličine. Ali Wienerovi zaključci su bili komplikovani uvođenjem koncepta "atoma etera" pored atoma materije. Godine 1876. William Ramsay, a 1877. godine belgijski jezuitski svećenici Carbonel, Delso i Thirion, i konačno, 1888., Guy, jasno su pokazali termalnu prirodu Brownovog kretanja [5].

„Na velikoj površini“, pisali su Delso i Carbonelle, „udarci molekula, koji su uzrok pritiska, ne izazivaju nikakvo podrhtavanje lebdećeg tela, jer zajedno stvaraju ujednačen pritisak na telo u svim pravcima. . Ali ako površina nije dovoljna da nadoknadi neravnine, potrebno je uzeti u obzir nejednakost pritisaka i njihovu kontinuiranu promjenu od tačke do tačke. Zakon veliki brojevi ne reducira sada učinak sudara na prosječni ravnomjerni pritisak, njihova rezultanta više neće biti jednaka nuli, već će kontinuirano mijenjati svoj smjer i svoju veličinu.”

Ako prihvatimo ovo objašnjenje, onda se za fenomen toplotnog kretanja tečnosti, koji se postulira kinetičkom teorijom, može reći da je dokazano ad oculos (vizuelno). Kao što je moguće, bez razlikovanja valova u daljini na moru, ljuljanje čamca na horizontu objasniti valovima, na isti način, a da se ne vidi kretanje molekula, može se suditi po kretanju suspendiranih čestica u tečnosti.

Ovo objašnjenje Brownovog kretanja značajno je ne samo kao potvrda kinetičke teorije, već povlači i važne teorijske posljedice. Prema zakonu održanja energije, promjena brzine suspendirane čestice mora biti praćena promjenom temperature u neposrednoj blizini ove čestice: ova temperatura raste ako se brzina čestice smanjuje, a smanjuje ako se brzina čestice smanjuje. čestica se povećava. Dakle, termička ravnoteža tečnosti je statistička ravnoteža.

Još značajnije zapažanje dao je 1888. Guy: Braunovo kretanje, strogo govoreći, ne poštuje drugi zakon termodinamike. U stvari, kada se suspendovana čestica spontano diže u tečnosti, deo toplote njenog okruženja spontano se pretvara u mehanički rad, što je zabranjeno drugim zakonom termodinamike. Zapažanja su, međutim, pokazala da se podizanje čestice događa rjeđe, što je čestica teža. Za čestice materije normalne veličine ova vjerovatnoća takvog porasta je praktički nula.

Dakle, drugi zakon termodinamike postaje zakon vjerovatnoće, a ne zakon nužnosti. Nijedno prethodno iskustvo nije podržalo ovu statističku interpretaciju. Bilo je dovoljno poreći postojanje molekula, kao što je to, na primjer, učinila škola energetike, koja je cvjetala pod vodstvom Macha i Ostwalda, da bi drugi zakon termodinamike postao zakon nužnosti. Ali nakon otkrića Brownovog kretanja, strogo tumačenje drugog zakona postalo je nemoguće: postojalo je stvarno iskustvo koje je pokazalo da se drugi zakon termodinamike u prirodi stalno krši, da vječni motor Druga vrsta ne samo da nije isključena, već se stalno dešava pred našim očima.

Stoga je krajem prošlog stoljeća proučavanje Brownovog kretanja dobilo ogroman teorijski značaj i privuklo pažnju mnogih teorijskih fizičara, a posebno Ajnštajna.