Файл: Броуновское движение Роберт Броун британский ботаник, морфолог и систематик растений, первооткрыватель броуновского движения.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 31
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Броуновское движение
Роберт Броун — британский ботаник, морфолог и систематик растений, первооткрыватель «броуновского движения». Родился 21 декабря 1773 года в Монтрозе в Шотландии, учился в Абердине, в Эдинбургском университете в 1789—1795 годах изучал медицину и ботанику. Он работал также и в области физиологии растений: исследовал развитие пыльника и движение плазматических телец в нём. В 1827 году Броун открыл движение пыльцевых зёрен в жидкости (позднее названное его именем). Исследуя пыльцу под микроскопом, он установил, что в растительном соке плавающие пыльцевые зёрна двигаются совершенно хаотически зигзагообразно во все стороны.
Броуновское движение — беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твёрдого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.
Броуновское движение является наглядным экспериментальным подтверждением хаотического теплового движения атомов и молекул, являющегося фундаментальным положением молекулярно-кинетической теории. Это положение иногда называют законом Эйнштейна.
Сам Броун выяснил, что и неорганические частицы микронных размеров блуждают в толще жидкости не хуже органических. В связи с этим начиная с 1877 года существовала гипотеза о том, что броуновское движение возникает вследствие теплового движения молекул в жидкости.
Наиболее точные исследования броуновского движения в XIX веке провёл французский физик Луи Жорж Гуи. Он установил, что интенсивность броуновского движения возрастает с уменьшением внутреннего трения жидкости, никак не зависит от интенсивности освещения и внешнего электромагнитного поля. Он также пришёл к выводу, что броуновское движение вызвано влиянием теплового движения молекул. Л. Ж. Гуи оценил скорость броуновских частиц, она оказалась равной приблизительно одной стомиллионной молекулярной скорости
Математическое изучение броуновского движения было начато А. Эйнштейном, П. Леви и Н. Винером.
В 1905 году Альбертом Эйнштейном была создана МКТ для количественного описания броуновского движения. В частности, он вывел формулу для коэффициента диффузии
сферических броуновских частиц
где D – коэффициент диффузии, R – универсальная газовая постоянная, NА – число Авогадро, альфа – радиус частиц, кси – динамическая вязкость.Кроме поступательного броуновского движения, существует также вращательное броуновское движение — беспорядочное вращение броуновской частицы под влиянием ударов молекул среды. Для вращательного броуновского движения среднее квадратичное угловое смещение частицы пропорционально времени наблюдения.
При выводе закона Эйнштейна предполагается, что смещения частицы в любом направлении равновероятны и что можно пренебречь инерцией броуновской частицы по сравнению с влиянием сил трения
Формула Эйнштейна была подтверждена опытами Жана Перрена
В качестве броуновских частиц Перрен использовал зёрнышки смолы мастикового дерева и гуммигута — густого млечного сока деревьев рода гарциния. Для наблюдений Перрен использовал изобретенный в 1902 г. ультрамикроскоп. Микроскоп этой конструкции позволял видеть мельчайшие частицы благодаря рассеянию на них света от мощного бокового осветителя. Справедливость формулы была установлена для различных размеров частиц — от 0,212 мкм до 5,5 мкм, для различных растворов (раствор сахара, глицерин), в которых двигались частицы.
По предположению Перрена одинаковые по размеру зернышки раствора должны были расположиться в соответствии с законом распределения числа частиц с высотой. Именно для исследования распределения частиц по высоте экспериментатор сделал в предметном стекле цилиндрическое углубление. Это углубление он заполнил эмульсией, затем закрыл сверху покровным стеклом. Для наблюдения эффекта Ж. Б. Перрен использовал микроскоп с малой глубиной изображения
Далее Перрен определил число частиц в разных по глубине расположения слоях эмульсии. Для этого он последовательно фокусировал микроскоп на отдельные слои взвеси. Выделение каждого последующего слоя осуществлялось через каждые 30 микрон. Таким образом, Перрен мог наблюдать число частиц, находящихся в очень тонком слое эмульсии. Частицы других слоев при этом не попадали в фокус микроскопа. Используя этот метод, ученый мог количественно определить изменение числа броуновских частиц с высотой.
Опираясь на результаты этого эксперимента, Перрен смог определить значение постоянной Авогадро NА.
Броуновские частицы, как и молекулы, находятся в беспорядочном движении. Соответственно, они подчиняются всем газовым законам. Из общих соображений можно показать, что средняя кинетическая энергия ��¯одной броуновской частицы равна средней кинетической энергии молекул при данной температуре�, то есть:Из этой формулы выражается число Авогадро.
Процесс броуновского движения частицы в вязкой среде, вообще говоря, относится к классу немарковских процессов, и для более точного его описания необходимо использование интегральных стохастических уравнений (Другими словами, «будущее» немарковского процесса зависит от его «прошлого»).