Броуновское движение. Броуновское движение (иногда называют Брауновское движение) – беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе

Броуновское движение (иногда называют Брауновское движение) – беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием молекул окружающей среды. Исследовано в 1827 г. Броуном (Браун; Brown), который наблюдал в микроскоп движение цветочной пыльцы, взвешенной в воде.

Частицы размером около 1 мкм и менее совершают неупорядоченные независимые движения, описывая сложные зигзагообразные траектории. Интенсивность броуновского движения не зависит от времени, но возрастает с увеличением температуры, уменьшением вязкости и размеров частиц (независимо от их химической природы.)

Теория броуновского движения была построена независимо друг от друга Эйнштейном и Смолуховским в 1905-1906 гг. Причиной броуновского движения является тепловое движение молекул среды, проявляющееся в некомпенсированных ударах молекул о частицу, т.е. в флуктуациях давления. Эти удары приводят частицу в беспорядочное движение. Если отмечать положения частицы через равные небольшие промежутки времени, то траектория окажется сложной и запутанной.

Как показывают опытные данные, квадрат смещения частицы из начального положения в проекции на любую ось: за время наблюдения t, в отсутствие внешних сил определяется выражением , где коэффициент диффузии броуновской (сферической) частицы , a – радиус частицы, h - коэффициент вязкости.

При описании броуновского движения частицы в одномерном случае можно считать, что на частицу действует случайная сила, среднее значение которой равно нулю, и сила сопротивления , где r – коэффициент вязкого трения броуновской частицы в жидкости. Уравнение движения при подстановке выражения для силы сопротивления примет вид

.

Умножим это уравнение на x и используем равенство , тогда получим:

.

Проведём усреднение по времени

.

Тогда . Для одномерного движения по теореме о распределении энергии по степеням свободы: .

Заменяем и получаем уравнение , откуда

.

Для установившегося движения . Так как , то . После интегрирования по времени получаем . Для сферической броуновской частицы, радиус которой равен a, имеем: , поэтому .

Полученные выше формулы были экспериментально проверены в 1908 году Перреном, который измерял с помощью микроскопа перемещения броуновских частиц за одинаковые промежутки времени. Ему удалось на основании своих опытов с помощью этих формул определить постоянную Больцмана k и вычислить значение постоянной Авогадро N_A, совпадающие по величине с их значениями, полученными другими методами.

Замечание. Теория броуновского движения нашла широкое применение не только для описания случайного движения частицы в жидкости, но и для решения целого ряда прикладных задач. Этой теории подчиняются случайные тепловые колебания высокоточных механических и электрических измерительных устройств, таких, например, как крутильные весы и гальванометры. Кинетические уравнения, полученные в теории броуновского движения, используются для анализа точности работы различных систем управления. Они позволяют рассчитать случайные ошибки, возникающие при управлении техническими устройствами и провести оптимизацию их параметров.