БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

В 1827 году шотландский ботаник (Почетный член Петербургской Академии наук) Роберт Броун (1773-1858, иногда его фамилию произносят как Браун), разглядывая под микроскопом взвешенные в воде мельчайшие частички пыльцы растения Clarkia pulchella (кларкии хорошенькой), неожиданно обнаружил, что эти частички непрерывно дрожат и передвигаются с места на место.

Чтобы повторить наблюдение Броуна, достаточно рассмотреть с помощью микроскопа дым, освещенный лучом света. В газе видны рассеивающие свет маленькие клочки пепла или сажи (в зависимости от источника дыма), которые непрерывно перемещаются в разные стороны с огромными ускорениями, но без наблюдаемых деформаций.

Объяснить это загадочное явление, названное «броуновским движением», которое никогда не прекращается (его можно наблюдать сколь угодно долго), а перемещения частиц совершенно беспорядочны, не смог ни сам Броун, ни многие другие ученые в течение многих лет.

Первая попытка объяснения броуновского движения была предпринята в 1863 году Людвигом Винером (1826–1896), который предположил, что это явление связано с колебательными движениями неких атомов, которые невидимы даже в микроскоп – как не видны с берега волны, качающие далекую лодку, тогда как движения самой лодки видны вполне отчетливо. Винер даже попытался измерить скорость перемещения броуновских частиц и ее зависимость от их размера.

Однако в дальнейшем идеи Винера о «свободном» движении, как это часто бывает, были основательно «подправлены» рядом ученых, которые посчитали, что мельчайшие крупинки вещества испытывают удары молекул, т.е. движутся не свободно вместе с молекулами, а под воздействием их ударов. Вот, как этот процесс, к примеру, описывает ФЭС (Физический Энциклопедический Словарь, 1983, раздел «Броуновское движение»):

«Удары молекул среды приводят частицу в беспорядочное движение: скорость её быстро меняется по величине и направлению».

Известно, что быстроту изменения скорости характеризует ускорение. А, вызванное ударами (воздействием поверхностных сил) ускорение, должно привести к деформации броуновской частицы, чего в действительности не происходит. Следовательно, здесь действуют не поверхностные, а объёмные силы, которые деформаций не вызывают, ибо воздействуют одновременно на все элементарные частички по всему объёму броуновской частицы.

К объёмным силам в данном случае можно отнести только силы тяготения. Значит, вокруг броуновской частицы в результате флуктуаций энергии хаотически возникают и тут же исчезают потенциальные поля, которые во время своего существования и увлекают частицу к своему центру.

Объясняется это тем, что потенциальная энергия поля, отнесенная к единице объёма (1 м³) является объёмной плотностью энергии (Дж/м³) или просто давлением. Учитывая, что потенциальная энергия отрицательна и уменьшается (по модулю растёт) с приближением к центру поля, то давление у центра меньше, чем на периферии. Именно поэтому всё сущее и устремляется к центру потенциального поля. Не случайно в ФЭС отмечено, что «Броуновское движение обусловлено флуктуациями давления».

Опыты показали, что интенсивность броуновского движения не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды, но увеличивается с ростом температуры среды, уменьшением её вязкости и размеров частиц.

Броуновские частицы имеют размер порядка 0,1–1 мкм (т.е. Броун рассматривал крошечные цитоплазматические зернышки, а не саму пыльцу, о чем часто ошибочно пишут), что превышает примерно в тысячу раз диаметр молекулы воды. Тем не менее, перемещение броуновских частиц весьма напоминает перемещение отдельных молекул в результате их хаотичного теплового движения. Такое перемещение называется диффузией. Не зря русский физик Николай Гезехус (1845-1919) в 1905 году связывал броуновское движение с «простыми потоками внутри жидкости», причем эти потоки могут вызываться «испарением, диффузией и другими причинами».

Диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание) предполагает взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества, но наблюдается и самодиффузия в чистом веществе или растворе постоянного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества.

Это явление объясняется наличием в среде градиента концентрации, который называют химическим потенциалом. Под действием внешнего электрического поля происходит диффузия заряженных частиц (электродиффузия), действие поля тяжести или давления вызывает бародиффузию, а в неравномерно нагретой среде возникает термодиффузия. И все эти виды диффузии обусловлены (как мы уже знаем) хаотичными флуктуациями потенциальных полей (флуктуациями давления).

Теория броуновского движения находит приложение в обосновании статистической механики, в теории равновесия дисперсных систем в поле тяготения и поле центробежной силы, объясняет диэлектрические потери в диэлектриках, электрическое сопротивление в проводниках и электролитах, а так же случайное изменение потенциалов, вызывающее «шумы» в электрических цепях.

на главную

Пивоваров Валерий Иванович
Кишинев, 2006 год.