Броуновское движение

Броуновское движение открыл в 1827 г. английский ботаник Р. Броун. Рассматривая под микроскопом водную суспензию цветочной пыльцы, он обнаружил, что частицы непрерывно двигаются в поле зрения. Некоторые исследователи объясняли обнаруженное Броуном движение жизнедеятельностью пыльцы, однако позднее оказалось, что броуновское движение свойственно всем суспензиям, в том числе и суспензиям неорганических веществ.

Броуновское движение – это непрерывное беспорядочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров, не затухающее во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды.

Объяснение этого явления долгое время связывали с внешними причинами – нарушением механического равновесия, температурных условий и т.д. Гуи (1888) и Экснер (1900) предположили, что броуновское движение имеет молекулярно – кинетическую природу, т.е. является следствием теплового движения. Эта точка зрения была подтверждена теоретически Эйнштейном и Смолуховским, а затем экспериментально Перреном, Сведбергом и другими исследователями.

Теперь точно установлено, что броуновское движение обусловлено столкновениями молекул среды, находящимися в непрерывном тепловом движении, с взвешенными в ней частицами микроскопических или коллоидных размеров. В результате этих столкновений частица получает огромное число ударов со всех сторон. Результат этих ударов в значительной степени зависит от размеров частицы.

Если частица имеет сравнительно большие размеры, то число одновременных ударов так велико, что в соответствии с законами статистики результирующий импульс оказывается равным нулю, и частица не будет двигаться под действием молекул среды. Кроме того, частицы с большой массой обладают значительной инерционностью и мало чувствительны к ударам молекул.

Если частица сравнительно мала, то число получаемых ею одновременных ударов со стороны молекул сре­ды значительно меньше, поэтому вероятность неравномерного распределения импульсов, получаемых с разных сторон, увеличивается. Это обусловлено как разным количеством ударов, так и различной энергией молекул среды, сталкивающихся с частицей. В результате частицы приобретают поступательное, вращательное и колебательное движение.

В основе статистической теории, разработанной Эйнштейном и Смолуховским в 1905 – 1906 гг., лежит следующий постулат.

Броуновское движение совершенно хаотично, т.е. в нем наблюдается полная равноправность всех направлений.

Количественной характеристикой броуновского движения принято считать средний сдвиг частицы за время t, т.е. отрезок прямой, соединяющей начальную точку движения (при t = 0) с положением частицы в момент t в плоскости горизонтальной проекции, наблюдаемой в микроскоп.

Средний квадратичный сдвиг частицы при совершенной беспорядочности движения может быть вычислен на основании статистических законов:

(9.1)

где R – универсальная газовая постоянная; N_А – число Авогадро; Т – абсолютная температура; t – время наблюдения; – коэффициент вязкости; r – радиус частицы. Следовательно,

(9.2)

где – постоянная Больцмана.

Статистическая теория, приводящая к этому уравнению, имеет многочисленные и неоспоримые подтверждения. Результаты, полученные для частиц различной природы и размеров, показали близкое соответствие измеренных и вычисленных величин , явились блестящим доказательством реальности существования молекул и статистического характера второго начала термодинамики.

Признание молекулярно – кинетической теории послужило толчком к развитию других плодотворных теорий. В коллоидной химии теория броуновского движения оказалась фактически первой количественной теорией.