Роберт Броун був не фізиком, а ботаніком, але це не завадило йому виявити одне з найважливіших фізичних явищ, яке так і назвали – броунівський рух. Розбираємось, що це таке.
У другій половині ХIХ століття у наукових колах розгорілася неабияка дискусія про природу атомів. На одному боці дискусії стверджували, що атоми – просто математичні функції, що вдало описують фізичні явища і не мають реальної фізичної основи. З іншого боку наполягали, що атоми – це реально існуючі фізичні об’єкти.
Найсмішнішим у цих суперечках є те, що за десять років до їх початку ботанік Роберт Броун уже провів експеримент, який довів фізичне існування атомів. Ось як це було:
| Як Броун проводив експеримент Броун вивчав поведінку квіткового пилку під мікроскопом і виявив, що окремі суперечки у рідині здійснюють абсолютно хаотичні рухи. Уявіть собі, що ми здалеку спостерігаємо, як щільна юрба людей штовхає над собою великий м’яч. До того ж кожен штовхає м’яч, куди хоче. Ми не бачимо окремих гравців, тому що поле далеко від нас, але м’яч ми бачимо — і помічаємо, що він переміщується дуже безладно. М’яч постійно змінює напрямок свого руху, і піти в якийсь певний бік не бажає. Передбачити його місцезнаходження через заданий час не можна. Ось щось подібне на це Броун побачив при вивченні пилку. |
Насамперед він почав грішити на рух потоків води або її випаровування, але перевіривши цю гіпотезу, відмілив її. Провівши безліч експериментів, Броун встановив, що такий хаотичний рух властивий будь-яким мікроскопічним частинкам – чи то пилок рослин, суспензії мінералів або взагалі будь-яка подрібнена субстанція, поміщена в рідину. Але причини цього явища він з’ясувати не зміг (не в образі ботанікам, але все ж таки, це не його спеціалізація).
А тепер вгадайте, хто зміг застосувати цей експеримент у доказі атомної теорії будови речовини. Альберт Ейнштейн, хто ще. Він пояснив його приблизно так: зважена у воді суперечка зазнає постійного «бомбардування» з боку молекул води, що хаотично рухаються.
У середньому, молекули впливають на неї з усіх боків з рівною інтенсивністю і через рівні проміжки часу. Однак, як би не мала була частка, через суто випадкові відхилення спочатку вона отримує імпульс з боку молекули, що вдарила її з одного боку, а потім – з боку молекули, що вдарила її з іншого. І так далі.
Трохи пізніше, через 3 роки після відкриття Ейнштейна, 1908 року французький фізик Жан Батіст Перрен провів серію дослідів, які підтвердили правильність ейнштейнівського пояснення броунівського руху. Стало остаточно ясно, що «хаотичний» рух броунівських частинок, що спостерігається, відбувається внаслідок міжмолекулярних зіткнень. Оскільки висновок про те, що неіснуючі в природі математичні функції не можуть призвести до фізичної взаємодії, напрошується сам собою, стало зрозуміло, що суперечка про реальність атомів закінчена: вони існують у природі.
Також, якщо ще раз подивитися на друге положення молекулярно-кінетичної теорії, можна помітити, що броунівський рух дуже добре його доводить: Атоми та молекули перебувають у безперервному хаотичному русі.
Дифузія
Явище, яке доводить перше та друге положення молекулярно-кінетичної теорії називається дифузія.
- Дифузія — це взаємне проникнення частинок однієї речовини в іншу, обумовлене рухом молекул.
Дифузія в газах
Якщо в кімнаті відкрити флакон з духами або запалити ароматизовану свічку, запах незабаром буде відчуватися у всій кімнаті. Поширення запахів відбувається через те, що молекули парфумів проникають між молекулами повітря. Насправді, у цьому процесі дуже велику роль відіграє такий вид теплопередачі, як конвекція, але без дифузії не обійшлося.
Насправді, молекули навколо нас рухаються дуже швидко — зі швидкістю в сотні метрів за секунду — це залежить від температури.
Давайте перевіримо це самі нескладним експериментом:
Заміряйте температуру повітря у приміщенні. Розпорошіть освіжувач повітря в одному кутку, встаньте в іншому і увімкніть секундомір. А краще проведіть експеримент удвох, щоб одна людина розпорошувала, а інша включала секундомір – так не буде похибки, але будуть веселощі. Як тільки відчуєте аромат освіжувача в протилежному від місця розпилення, вимкніть секундомір. Запишіть результати вимірювання. А потім провітріть приміщення і проробіть все те саме. Час, через який до вас дійде запах, буде іншим. У другому випадку аромат буде поширюватися повільніше.
Тобто, чим вища температура, тим більша швидкість дифузії.
Дифузія в рідинах
Якщо дифузія в газах відбувається швидко – найчастіше за лічені секунди – то дифузія в рідинах займає хвилини або в деяких випадках годинник. Найчастіше це залежить від температури (як і в експерименті вище) і щільності речовини.
З дифузією в рідинах ви зустрічаєтеся, коли, наприклад, розмішуєте фарбу. Або коли змішуєте будь-які дві рідини, наприклад, газування із сиропом. Також через дифузію відбувається забруднення річок (та й загалом довкілля).
Ну або ось приклад дифузії в рідинах, з якими ви точно не зустрічалися – акули шукають свою жертву за запахом крові, який розповсюджується в океані за рахунок дифузії.
Дифузія у твердих тілах
Дифузія у твердих тілах відбувається дуже повільно. Наприклад, при кімнатній температурі (близько 20 ° С) за 4-5 років золото і свинець взаємно проникають один в одного на відстань близько 1 мм.
До речі, якщо ви проведете такий експеримент, то побачите, що в свинець проникла мала кількість золота, а свинець проник у золото на глибину не більше одного міліметра. Така відмінність зумовлена тим, що щільність свинцю набагато вища за щільність золота.
Цей процес можна прискорити за рахунок нагрівання, як у рідинах і газах. Якщо на тонкий свинцевий циліндр нанести дуже тонкий шар золота, і помістити цю конструкцію в піч на тиждень при температурі повітря в печі 200 градусів Цельсія, то після розрізання циліндра на тонкі диски дуже добре видно, що свинець проник у золото і навпаки.
