§ 2.3. Броуновское движение (окончание)

На рисунке 2.5, а приведена схема движения броуновской частицы. Положения частицы определены через равные промежутки времени — 30 с и соединены прямыми линиями. В действительности траектория частицы гораздо сложнее. На рисунке 2.5, б в увеличенном масштабе представлена траектория частицы между точками А и В при условии, что ее положение регистрируется в 100 раз чаще, чем на рисунке 2.5, а. Отчетливо видно, что траектория остается подобной себе при произвольном увеличении. Подобные геометрические объекты были названы фракталами. Важность этого понятия для физики стала ясна совсем недавно (80-е годы).

схема движения броуновской частицы

Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Его совершают взвешенные в воздухе частицы пыли или дыма.

На движение пылинок в свое время обратил внимание римский 'философ и поэт Лукреций Кар (около 99—55 до н. э.). И как это ни удивительно, правильно объяснил его происхождение. В знаменитой поэме «О природе вещей» он писал:

Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движенья,
Происходящие в ней постоянно и скрытно от взора.
Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют
Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно,
Всюду туда и сюда разбегаясь во всех направленьях.

Объяснение броуновского движения

Объяснить броуновское движение можно только на основе молекулярно-кинетической теории. Причина броуновского движения частицы состоит в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга. На рисунке 2.6 схематически показано положение одной броуновской частицы и ближайших к ней молекул.

положение одной броуновской частицы и ближайших к ней молекул

Импульс одной молекулы слишком мал для того, чтобы результат ее столкновения с броуновской частицей можно было увидеть под микроскопом. Но если с частицей сталкивается сразу большое количество молекул, случайно движущихся в одном направлении, то они могут вызвать ее заметное смещение. Результирующая сила давления, действующая на частицу, оказывается отличной от нуля.

Среднее давление имеет определенное значение как в газе, так и в жидкости. Но всегда происходят незначительные случайные отклонения от среднего. Чем меньше площадь поверхности тела, тем значительнее отклонения силы давления, действующей на данную площадь. Так, если площадка имеет размеры порядка нескольких диаметров молекулы, то действующая на нее сила меняется скачкообразно от нуля до некоторого конечного значения при попадании молекулы в эту площадку.

Количественная теория броуновского движения была разработана А. Эйнштейном (1879—1955) и польским ученым М. Смолуховским (1872—1917) в 1905—1906 гг.

Построение теории броуновского движения и ее экспериментальное подтверждение французским ученым Ж. Перреном (1870—1942) окончательно завершили победу молекулярно-кинетической теории.

Броуновское движение и измерительные приборы

В настоящее время понятие «броуновское движение» используется в более широком смысле. Например, броуновским движением является дрожание стрелок чувствительных измерительных приборов (крутильных весов Кавендиша для измерения гравитационной постоянной или высокочувствительных гальванометров). Это дрожание происходит из-за теплового движения атомов деталей приборов и окружающей среды. Оно налагает ограничения на возможность повышения чувствительности измерительных приборов при комнатной температуре. Только глубокое охлаждение позволяет увеличить чувствительность приборов.

Очень маленькие, но все же видимые в микроскоп или даже невооруженным глазом частички вещества в жидкости или газе участвуют в хаотическом тепловом движении молекул. Молекулы движутся еще более беспорядочно, чем броуновские частицы.

<<< К началу параграфа