Броунівський рух

Бро́унівський рух — невпорядкований, хаотичний (див. Хаос) рух дрібних частинок, завислих у рідині або газі, зумовлений тепловим рухом молекул середовища.

Історична довідка

Явище відкрив 1827 ботанік Роберт Броун (1773–1858; Велика Британія) під час вивчення завислих у воді спор папороті. Розглядаючи їх під мікроскопом із великим збільшенням, він виявив що спори перебувають у безперервному хаотичному русі: коливаючись, повертаючись і переміщуючись з місця на місце, як порошинки, що кружляють у сонячному промінні.

Характеристика

Фізична природа

Причина броунівського руху довгий час здавалася загадковою. Були спроби пояснити цей рух конвекційними (див. Конвекція) течіями, але якщо б рух частинок пояснювався конвекційними течіями, то сусідні частинки рухалися б у цих течіях в одному напрямі. Це саме можна сказати про причину броунівського руху, пов’язану з силами натягу поверхневого, хімічними процесами тощо.

Усі закономірності, пов’язані з броунівським рухом, легко пояснити, якщо вважати, що рухи завислих частинок виникають у результаті ударів, яких вони зазнають від рухомих молекул рідини або газу, в яких вони знаходяться. Броунівська частинка в кожний момент дістає безліч ударів (близько 1020 ударів/сек) з усіх боків. За безладу молекулярного руху можна сподіватися, що кількість ударів, які падають на частинку в одному напрямку, повинно точно дорівнювати кількості ударів із протилежного боку. Всі поштовхи повинні повністю компенсувати один одного, частинки повинні залишатися нерухомими. Саме так і буває, якщо частинки не занадто малі.

Із мікроскопічними частинками (10-4–10-5 см) справа інша. Адже з того факту, що молекулярні рухи хаотичні, виходить, що в середньому кількість ударів різних напрямків однакова. Проте в такій статистичній системі, як рідина або газ, неминучі й відхилення від середніх значень. Такі відхилення від середніх значень тих чи інших величин, які відбуваються в малому об’ємі або протягом малих відрізків часу, називають флуктуаціями. У зв’язку з цим для малих частинок загальна кількість поштовхів, яких вони зазнають, порівняно невелика, так що переважання кількості ударів то одного, то іншого напрямків стає помітним. Завдяки таким флуктуаціям кількості ударів і виникають характерні (мовби судомні) рухи завислих частинок, які називають броунівським рухом. Його пояснюють тим, що завдяки випадковій неоднаковості в кількості ударів молекул об частинку з різних напрямів виникає якась рівнодійна сила певного напряму. Флуктуації звичайно бувають короткочасними. Через короткий проміжок часу напрям рівнодійної зміниться, разом із нею — і напрям переміщення частинки. Звідси хаотичність рухів, що відображає хаотичність молекулярного руху.

Досліди показали, що немає ніяких засобів припинити броунівський рух, але можна вплинути на його інтенсивність: частинки рухаються тим жвавіше, чим вища температура, чим менша в’язкість рідини, в якій вони суспензовані, та чим менша маса цих частинок. Характер броунівського руху не залежить від властивостей речовини самих частинок.

Математичний опис

Кількісну теорію броунівського руху розроблено 1905 Альбертом Айнштайном і незалежно від нього 1906 Маріаном Смолуховським (1872–1917; Австрія — Польща). Вони вивели формулу:

[math]\vartriangle \overline{{{x}^{2}}}=\frac{kT}{3\pi \eta r}\vartriangle t[/math],

де [math]\vartriangle \overline{{{x}^{2}}}[/math] — середнє значення квадрата зміщення броунівської частинки;

k — стала Больцмана;

η — коефіцієнт внутрішнього тертя рідини;

r — радіус броунівської частинки;

Δt — проміжок часу між послідовними спостереженнями за частинкою.

Відповідно до теоретичних обчислень випливає, що середнє значення квадрата зміщення броунівської частинки за проміжок часу Δt уздовж осі Х прямо пропорційне абсолютній температурі Т, проміжку часу Δt і обернено пропорційне в’язкості рідини, в якій вони зависли.

Значення

Теорія броунівського руху відіграла вагоме значення в обґрунтуванні фізики статистичної та знайшла застосування в теорії точності вимірювальних приладів.

Література

  1. Sprackling M. Thermal physics. London : Palgrave, 1991. 374 р. URL: https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-1-349-21377-1#toc
  2. Якібчук П. М., Клим М. М. Молекулярна фізика. 2-ге вид., допов. Львів : Львівський національний університет імені Івана Франка, 2015. 584 с.

Автор ВУЕ

М. Д. Тимочко


Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Тимочко М. Д. Броунівський рух // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Броунівський рух (дата звернення: 23.07.2021).


Оприлюднено

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено:
20.04.2021

Офіційний телеграм-канал ВУЕОфіційний телеграм-канал ВУЕ