ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Броуновское движение из "Курс коллоидной химии 1974" Казалось бы, из работ Грэма и его современников, не обнаруживших заметной диффузии и осмотического давления в коллоидных растворах и считавших это отсутствие одним из отличительных признаков коллоидов, следует отрицательный ответ на этот вопрос. Однако последующие данные привели, несомненно, к положительному ответу. Более того, оказалось возможным движение коллоидных частиц, в отличие от молекул, наблюдать непосредственно. Удалось вывести основные законы, общие для молекул и коллоидных частиц. Экспериментальное их подтверждение явилось на рубеже XIX—XX вв. триумфом молекулярно-кинетической теории, завоевавшей всеобщее признание. Эти экспериментальные факты в значительной степени связаны с броуновским движением, долгое время остававшимся загадкой. [c.26] Этому явлению долгое время не придавали особого значения, объясняя его внешними причинами дрожанием аппаратуры, конвективными тепловыми потоками в жидкости и т. п. [c.27] Во второй половине XIX в. тщательными исследованиями ряда ученых было установлено, что, какие бы меры не принимались для соблюдения точного механического и термического равновесия, движение проявляется всегда одинаковым образом, оно безостановочно, неизменно во времени, вечно. Крупные частицы смещаются незначительно, для более мелких характерно также и поступательное, беспорядочное по своему направлению движение по весьма сложным траекториям (рис. 2). Позже было обнаружено и вращательное броуновское движение (представляющее собой вращение вокруг собственной оси). [c.27] Весь этот экспериментальный материал привел в 80-х годах к заключению, что источником броуновского движения являются не внешние причины, а внутренние, присущие системе. Иными словами, движение обусловлено столкновениями молекул среды (жидкости или газа) со взвешенными в ней частицами. Если частица велика, то импульсы, обусловленные ударами молекул об ее поверхность, взаимно компенсируются. Однако если размеры ее незначительны, то статистически всегда возможно, что за время (И число ударов молекул или их интенсивность (поскольку в большой совокупности молекул всегда имеются более горячие , скорость которых превышает среднюю) с одной стороны будут большими чем с другой результирующая сила вызовет смещение частицы. [c.27] Доказательство этой гипотезы, основанной на гепловой природе броуновского движения, имело исключительно важное теоретическое значение в те времена, когда некоторые ученые (школа энергетиков во главе с Махом и Оствальдом) высказывали сомнение в реальности существовання молекул. Более того, эти новые представления привели к доказательству статистического характера как теплового равновесия в системе, так и второго начала термодинамики. [c.27] Действительно, согласно первому началу термодинамики, каждое изменение скорости коллоидной частицы должно сопровождаться изменением температуры в ее окрестности. Увеличение скорости приводит к локальному охлаждению окружающих молекул и наоборот. Таким образом, термическое равновесие характеризуется локальными флуктуациями температуры. [c.28] Еще более существенное значение имеет броуновское движение для понимания второго начала термодинамики. Когда коллоидная частица самопроизвольно поднимается в броуновском движении, потенциальная энергия системы возрастает, а следовательно теплота окружающей среды превращается в механическую работу в отсутствие начальной разности температур. Таким образом, второе начало не применимо к отдельной частице, поскольку оно является вероятностным законом. [c.28] Статистический характер второго начала отстаивали в то время крупнейшие ученые — Максвелл, Больцман, Гиббс, Клаузиус. Но их доказательства основывались лишь на мысленных экспериментах, исходивших из реальности существования молекул, тогда еще не доказанной. Броуновское движение является реальным опытом, который показывает, независимо, от какой бы то ни было молекулярной теории, что вечный двигатель второго рода постоянно действует на наших глазах, хотя и не может быть практически использован. [c.28] Неудивительно поэтому, что на рубеже XIX и XX в. исследование броуновского движения приобрело огромное теоретическое значение и привлекло внимание выдающихся физиков-теоретиков и прежде всего Эйнштейна. Созданная им в 1905 г. статистическая теория броуновского движения в качестве основного постулата исходит из предположения о совершенной хаотичности движения, т. е. полной равноправности всех направлений. [c.28] Эйнштейн принял в качестве характеристики движения средний сдвиг частицы Але за время I, т. е. отрезок прямой, соединяющей начальную точку движения (при / = 0) с положением частицы в момент I в плоскости горизонтальной проекции, наблюдаемой в микроскоп. [c.28] Теория Эйнштейна, приводящая к уравнению (111.3), получила многочисленные и неоспоримые экспериментальные доказательства. [c.29] Перрен и другие исследователи в своих опытах использовали сферические частицы гуммигута, мастики, камеди с точно известным радиусом, равным 1 мкм. Путем серии последовательных фотоснимков одной частицы через равные промежутки времени можно было построить траекторию движения. Пример такой траектории приведен на рис. 2, где прямыми линиями соединены координаты частицы камеди (в горизонтальной проекции) через каждые 30 с. Такая картина представляет собой, по выражению Оствальда зримый отблеск мира молекулярного хаоса . [c.29] Если все эти прямые отрезки перенести параллельно самим себе так, чтобы их начальные точки совпадали, мы получим для конечных точек картину распределения (рис. 3), совершенно аналогичного вероятностному распределению пуль при стрельбе в мишень (которое описывается тем н е законом). Это подтверждает основной постулат статистической теории броуновского движения— совершенную его хаотичность. [c.29] Из подобных фотографий можно найти точные значения Ах для любых I и проверить справедливость уравнения (1П.З), поскольку остальные величины известны. [c.29] Результаты, полученные для частиц различной природы и размеров, показали весьма близкое соответствие измеренных и вычисленных значений Ах и явились блестящим подтверждением молекулярно-кинетической теории, доказательством реальности существования молекул и статистического характера второго начала термодинамики. [c.29] Вернуться к основной статье