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.

Рис. 2.6

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.

§ 2.4. Силы взаимодействия молекул

Если молекулы существуют и движутся, то между ними обязательно должны действовать силы. Без такого взаимодействия не было бы ни жидких, ни твердых тел.

Молекулярные силы

Доказать существование значительных сил взаимодействия между атомами или молекулами несложно. Попробуйте-ка сломать толстую палку! А ведь она состоит из молекул.

Существование сил притяжения между атомами может доказать такой наглядный опыт. Надо взять два свинцовых бруска и острым ножом срезать тонкие слои с их торцов. При достаточном навыке срезы получаются гладкими и чистыми, свободными от оксидов свинца. Если плотно прижать бруски друг к другу свежими срезами, то они слипнутся. После этого можно один из брусков нагрузить гирей в несколько килограммов, но разрыва брусков не произойдет. Силы притяжения между атомами оказываются достаточными, чтобы предотвратить разрыв.

Если бы между молекулами не существовало сил притяжения, то вещество при любых условиях находилось бы в газообразном состоянии. Только благодаря силам притяжения молекулы могут удерживаться около друг друга и образовывать жидкие и твердые тела.

Но кроме сил притяжения между молекулами должны действовать силы отталкивания. В том, что между атомами или молекулами при непосредственном их сближении появляются силы отталкивания, убедиться очень просто. Если бы таких сил не существовало, то вы свободно могли бы проткнуть пальцем толстую стальную плиту. Более того, без появления сил отталкивания на очень малых расстояниях между молекулами вещество не могло бы существовать. Молекулы проникли бы друг в друга, и весь кусок вещества сжался бы до объема одной молекулы.

Представления о существенной роли межмолекулярных сил для описания свойств газов впервые ввел нидерландский физик Я. Д. Ван-дер-Ваальс (1837—1923). Он не пытался установить точную зависимость сил от расстояния. Ван-дер-Ваальс считал, что на малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания, которые с увеличением расстояния сменяются силами притяжения, сравнительно медленно убывающими при дальнейшем увеличении расстояния. Силы межмолекулярного взаимодействия часто называют ван-дер-ваальсовыми силами.