§ 4. Броуновское движение

Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении, что подтверждается такими явлениями, как диффузия и броуновское движение.

Английский ботаник Броун, наблюдая в 1827 г. под микроскопом взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что частицы пыльцы беспорядочно то колебались, то вращались, то перемещались с одного места на другое. Позже выяснилось, что так же движутся не только цветочная пыльца, но и любые частицы, взвешенные в жидкости или газе, если они достаточно малы (около 0,001 мм).

Добавим к воде небольшое количество акварельной краски или молока и рассмотрим капельку такой воды под микроскопом. Наблюдая за частицами краски, видим, что они все время беспорядочно колеблются, перемещаясь при этом на очень малые отрезки пути.

Для наблюдения броуновского движения в газе надо в него добавить немного дыма. Частицы угля, содержащегося в дыме, движутся так же, как и частицы краски, молока, взвешенные в воде. Сколько бы времени и при каких бы условиях мы ни наблюдали броуновское движение, оно никогда не прекращается; с повышением температуры его интенсивность увеличивается

Какова же причина броуновского движения? Броун не смог объяснить открытого им явления. Это сделали 78 лет спустя Эйнштейн и Смолуховский. В основе объяснения лежит статистический метод. Молекулы жидкости (или газа), в которой находится взвешенная частица, совершают хаотическое движение, поэтому они непрерывно ударяются о частицу А (рис. 5, а), передавая ей при каждом ударе импульс mv, имеющий определенную величину и направление. Удары молекулы о частицу происходят беспорядочно со всех сторон. Если размеры частицы велики, то за очень малый промежуток времени о нее ударяется большое количество молекул, и статистически в среднем число ударов со всех сторон будет одинаково, отчего частица и остается в покое.

Рис. 5. Ьроуновское движение

Иначе обстоит дело, если взвешенные частицы очень малы. Поверхность такой частицы небольшая, и за короткое время она получает сравнительно незначительное количество ударов молекул. Вследствие этого нарушается равенство числа ударов молекул о частицу с одной и другой стороны. За малые промежутки времени частица получает неодинаковое число ударов в разных направлениях, отчего она и движется беспорядочно. Фиксируя положение броуновской частицы за равные промежутки времени, мы получим картину броуновского движения. На рис. 5, б точками отмечены последовательные местонахождения частиц в поле микроскопа через каждые 30 сек. Броуновские частицы движутся очень медленно. Так, в воде при температуре 20° С они имеют скорость около 0,0038 ^мм/_сек.

Объясняя броуновское движение, Эйнштейн теоретически доказал, что по какой бы ломаной траектории ни двигалась броуновская частица, ее удаление от исходного места происходит пропорционально корню квадратному из времени блуждания. Так происходит потому, что благодаря большому количеству молекул и хаотичности их движения наблюдается статистическая закономерность: смещения частиц в любом направлении одинаково вероятны, причем эти смещения определяются не природой, а размерами броуновских частиц. Наблюдения французского физика Перрена подтвердили это. Броуновское движение является косвенным доказательством существования молекул и их непрерывного беспорядочного движения.