Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Исследования броуновского движения взвешенных частиц

Дата: 1827–1881.

Методы: качественное исследование.

Прямота эксперимента: прямое наблюдение с использованием микроскопа.

Искусственность изучаемых условий: естественные.

Исследуемые фундаментальные принципы: тепловое движение молекул, дискретность вещества.

Причины, приводящие к броуновскому движению частиц, взвешенных в жидкости или газе, сейчас являются очевидными для любого старшеклассника. Тем не менее, взгляды на них имели богатую предысторию. Начнем с того, что само броуновское движение (которое скорее надо называть брауновским) было открыто ботаником Робертом Брауном (1773–1858) в 1827 году при изучении пыльцы растений. Браун рассматривал в микроскоп каплю воды, в которой находились во взвешенном состоянии мельчайшие частицы пыльцы. Оказалось, что эти частицы участвовали в непрерывном поступательном и вращательном хаотическом движении. Точно такое же движение наблюдалось у микропылинок, находившихся в заполненных водой вакуолях (полостях) внутри обычной частички пыльцы. Типичная траектория броуновской частицы изображена на рисунке ниже, где жирными точками  обозначены положения частицы через равные промежутки времени.

Обнаруженное явление озадачило Брауна, поскольку прямых свидетельств о молекулярной структуре вещества и тепловом движении молекул в его времена не было. Движение частиц замедлялось при замене воды на более вязкое вещество, но, все же, никогда не прекращалось. Первая гипотеза Бауна о наблюдаемом явлении была полном смысле слова биологической: он предположил, что наблюдает некую форму жизни внутри растений или даже «активные молекулы» жизни. Однако изучение мертвых растений из гербариев столетней давности показало абсолютно ту же картину хаотического движения с точно такими же параметрами. Между прочим, как заявлял в публикациях сам Браун, хаотическое движение частиц живых организмов и ранее наблюдалось биологами, работавшими с микроскопами, однако последние сразу же заключали, что данное явление и есть «микроскопическая сущность жизни». Лишь Браун установил, что частицы любого, достаточно хорошо измельченного твердого вещества участвуют в хаотическом движении, тем самым вынеся данное явление за пределы биологии. В рамках физики, однако, могли существовать и другие механизмы возникновения броуновского движения, кроме столкновения с молекулами. Назовем в качестве примера флуктуационные токи, возникающие из-за неравномерного испарения жидкости, а также сотрясающие внешние воздействия, такие как, например, стук колес экипажей, проезжающих по мостовой мимо дома, в котором проводятся измерения. Однако Роберт Браун обнаружил, что движение различных броуновских частиц является нескоррелированным, что исключает подобные механизмы его возникновения.

Далее, во второй половине XIX века физик А.Ж. Гюи явно сравнил характеристики броуновского движения в доме рядом с большой мостовой (которая создавала волны встрясок) и в тихой деревне, заключив их независимость от данного типа внешних воздействий. Он также впервые обнаружил, что броуновское движение становится более интенсивным при повышении температуры. Рихард Жигмонди — изобретатель ультрамикроскопа, позволяющего дифракционными методами наблюдать объекты, гораздо меньшие длины волны света (т.е. 0,5 мкм) — активно изучал броуновское движение сверхмелких золотых пылинок, уже образующих коллоидный раствор. Как выяснилось, в доступных эксперименту пределах интенсивность движения возрастала с уменьшением размера взвешенных частиц.

В 1881 году польский ученый Бодашевский наблюдал броуновское движение уже в газе, а именно движение частичек пепла, входящих в состав табачного дыма (дым = пепел + водяной пар + углекислый газ + различные пары эфирных смол и другие газообразные вещества). Здесь наблюдался тот же характер движения, что и в жидкости, а также аналогичная зависимость его интенсивности от температуры.

Максимально близкие к современным взгляды на механизм броуновского движения были впервые высказаны бельгийским ученым Карбонелем: согласно ему, мелкие частицы постоянно и со всех сторон испытывают столкновения с гораздо более легкими молекулами, однако импульс, переданный частице в ходе этих столкновений, равен нулю только в среднем по достаточно большому промежутку времени.  В малых масштабах времени имеет место нескомпенсированность этого импульса, что приводит к движению броуновской частицы. Отсюда же сразу следует, что для более мелких частиц, которые приобретают при тех же столкновениях с молекулами большие скорости, а также сталкиваются с меньшим их числом за единицу времени, броуновское движение оказывается более интенсивным. К сказанному стоит добавить известный, но нетривиальный факт: «столкновение» броуновской частицы с отдельной молекулой совсем не похоже на мгновенный отскок мяча от стенки, а длится достаточно долго, на много порядков дольше среднего времени между двумя такими «столкновениями».

Между прочим, не стоит путать броуновское движение с движением пылинок в воздухе, наблюдаемом в тонком луче света. Действительно, если в плотной ширме, которая занавешена комната от прямых солнечных лучей, проделать тонкое отверстие, то на фоне общей темноты будут видны пылинки, пролетающие сквозь проходящий через отверстие луч света. Эти пылинки будут также совершать зигзагообразное беспорядочное движение — и такое движение было описано еще древнеримским философом Титом Лукрецием Каром. Тем не менее, это движение связано с флуктуациями температуры воздуха и неравномерным нагревом пылинок в солнечном свете, а не со столкновениями с молекулами, поэтому не может быть названо броуновским. И, конечно же, не следует путать броуновское движение и тепловое движение молекул, несмотря на то, что они подчиняются очень похожим законам.

Трудно переоценить значение открытия Роберта Брауна в молекулярно-кинетической теории, ведь броуновское движение является мостом между наблюдаемым макромиром, где царит механика Ньютона, и миром молекул, погруженным в беспорядочное тепловое движение, поддающееся лишь статистическому описанию. Окончательным этапом в изучении броуновского движения явились его теория, развитая А. Эйнштейном и М. Смолуховским, и опыты Перрена, подтвердившие эту теорию. Тем не менее, поскольку опыты Перрена были также нацелены на измерение массы молекул, что является ценным само по себе, мы посвятили им в отдельную статью, к которой и предлагаем перейти читателю.

<<К предыдущему эксперименту  |  Молекулярная и статистическая физика  |  К следующему эксперименту>>