БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
Бро́уновское движе́ние (бра́уновское движе́ние) — беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твёрдого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Было открыто в 1827 году Робертом Броуном (правильнее Брауном). Броуновское движение никогда не прекращается. Оно связано с тепловым движением, но не следует смешивать эти понятия. Броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения.
Броуновское движение является наглядным экспериментальным подтверждением хаотического теплового движения атомов и молекул, являющегося фундаментальным положением молекулярно-кинетической теории. Если промежуток наблюдения гораздо больше, чем характерное время изменения силы, действующей на частицу со стороны молекул среды, и прочие внешние силы отсутствуют, то средний квадрат проекции смещения частицы на какую-либо ось пропорционален времени. Это положение иногда называют законом Эйнштейна.
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.
Сущность явления
Броуновское движение происходит из-за того, что все жидкости и газы состоят из атомов или молекул — мельчайших частиц, которые находятся в постоянном хаотическом тепловом движении и потому непрерывно толкают броуновскую частицу с разных сторон. Было установлено, что крупные частицы с размерами более 5 мкм в броуновском движении практически не участвуют (они неподвижны или седиментируют), более мелкие частицы (менее 3 мкм) двигаются поступательно по весьма сложным траекториям или вращаются.
Когда в среду погружено крупное тело, то толчки, происходящие в огромном количестве, усредняются и формируют постоянное давление. Если крупное тело окружено средой со всех сторон, то давление практически уравновешивается, остаётся только подъёмная сила Архимеда — такое тело плавно всплывает или тонет.
Если же тело мелкое, как броуновская частица, то становятся заметны флуктуации давления, которые создают заметную случайно изменяющуюся силу, приводящую к колебаниям частицы. Броуновские частицы обычно не тонут и не всплывают, а находятся в среде во взвешенном состоянии.
Открытие
Философская поэма римского поэта Лукреция «О природе вещей» (60 год до н. э.) имеет описание броуновского движения пылевых частиц в стихах 113—140 из книги II. Он использует это как доказательство существования атомов:
«Посмотрите, что происходит, когда солнечные лучи проникают в здание и проливают свет на его темные места. Вы увидите множество крошечных частиц, смешивающихся множеством способов… их танец является фактическим указанием на скрытые от нашего взгляда движения материи… Они возникают из атомов, которые движутся сами по себе (то есть спонтанно). Затем те небольшие составные тела, которые меньше всего удалены от импульса атомов, приводятся в движение воздействием их невидимых ударов и, в свою очередь, приводят к движению немного больших тел. Таким образом, движение поднимается от атомов и постепенно выходит на уровень наших чувств, так что те тела в движении, которые мы видим в солнечных лучах, движутся ударами, которые остаются невидимыми».
Хотя смешивающееся движение пылевых частиц вызвано в основном воздушными потоками, прерывистое, кувыркающееся движение мелких пылевых частиц действительно вызвано в основном истинной броуновской динамикой.
Примерно в 1785 году Ян Ингенхауз систематически изучал броуновское движение частиц угольной пыли на поверхности спирта. В 1827 году Роберт Броун (Браун) переоткрыл броуновское движение, наблюдая пыльцевые зёрна 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. Гуи оценил скорость броуновских частиц, она оказалась равной приблизительно одной стомиллионной молекулярной скорости.
Броуновское движение — один из самых известных физических феноменов, который сыграл важную роль в становлении современной науки. Оно стало ключевым аргументом в пользу атомно-молекулярного строения вещества и дало толчок развитию статистической физики. Несмотря на простоту визуального наблюдения, за этим явлением скрывается сложная система взаимодействий, описываемая математическими моделями и применимая в самых разных областях — от биологии до экономики.
Первые наблюдения и открытие явления
Впервые явление было зафиксировано в 1827 году шотландским ботаником Робертом Броуном. Он рассматривал под микроскопом пыльцу растений в воде и заметил, что мельчайшие частицы совершают беспорядочные колебательные движения. Первоначально Броун предположил, что движение связано с жизнедеятельностью самих частиц, ведь речь шла о биологическом материале. Однако эксперименты с неорганическими веществами показали, что характер движения не зависит от природы частиц — то же самое наблюдалось, например, с частицами сажи или пылью.
Таким образом, феномен получил название «броуновское движение» по имени исследователя, но объяснение его причин оставалось открытым почти столетие.
Теоретическое объяснение
Научное объяснение было предложено в начале XX века, когда активно развивалась молекулярно-кинетическая теория. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой показал, что хаотическое движение частиц связано с ударами молекул жидкости или газа. Поскольку молекулы движутся с большой скоростью и сталкиваются со всех сторон, частица, видимая под микроскопом, испытывает постоянное давление со стороны окружающей среды. Но количество молекул, ударяющихся с разных сторон, никогда не бывает абсолютно одинаковым, и это создаёт разницу в воздействиях, приводящую к случайному движению.
Почти одновременно французский физик Жан Батист Перрен экспериментально подтвердил теорию Эйнштейна, исследуя зависимость смещения частиц от времени. Его работы стали одним из решающих доказательств существования атомов и молекул.
Математическая модель броуновского движения
Случайный характер явления делает его объектом для изучения в теории вероятностей и статистике. Эйнштейн вывел формулу, описывающую среднеквадратичное смещение частицы за определённый промежуток времени. Позднее Норберт Винер развил идеи в математической области, создав так называемый «винеровский процесс», ставший фундаментом для современной стохастической математики.
Эти модели оказались универсальными: их применяют не только в физике, но и в финансах, биологии и других науках. Например, поведение цен на бирже иногда описывают с помощью моделей, аналогичных броуновскому движению
Физический смысл и практическое значение
Значение изучения броуновского движения огромно. Оно подтвердило атомистическую гипотезу, окончательно укрепив молекулярно-кинетическую теорию. Благодаря экспериментам Перрена удалось даже определить число Авогадро, что стало фундаментальным результатом для химии и физики.
В практической плоскости броуновское движение помогает понимать процессы диффузии, растворения и осаждения частиц. Эти знания используются в медицине (например, при разработке методов доставки лекарственных препаратов в клетки), в коллоидной химии, при исследовании наноматериалов.
