§ 9. Броуновское движение

непрерывное, беспорядочное (хаотическое) движение взвешенных в жидкости или газе микроскопических твёрдых частиц, происходящее под действием нескомпенсированных ударов окружающих молекул среды.

• 1. История открытия — шотландский ботаник Роберт Броун (1773–1858) в 1827 г., наблюдая под микроскопом взвесь спор плауна в воде, обнаружил их постоянное судорожное дрожание и зигзагообразное перемещение, которое сначала ошибочно счёл признаком жизни микроорганизмов.
• 2. Фундаментальное физическое значение — броуновское движение служит самым наглядным и убедительным прямым экспериментальным доказательством того, что вещество состоит из молекул, а сами молекулы находятся в непрерывном тепловом хаотическом движении.
• 3. Среда протекания — явление наблюдается не только в жидкостях (капельки жира в молоке, крупинки туши в воде), но и в газах (частички сажи в дыме, взвешенная микропыль в спокойном воздухе).

микроскопическая твёрдая частица или капелька жидкости, взвешенная в окружающей среде (жидкости или газе) и совершающая броуновское движение.

• 1. Размерный диапазон — типичный размер броуновской частицы составляет от долей микрометра до нескольких микрометров ($10^{-6}$–$10^{-5}\text{ м}$).
• 2. Отличие от молекулы — броуновская частица колоссально крупнее отдельной молекулы: она состоит из миллиардов атомов и видна в обычный световой оптический микроскоп, в то время как вызывающие её движение молекулы невидимы.

физический процесс передачи импульса от соударяющихся молекул среды взвешенной микрочастице:

• 1. Асимметрия молекулярных ударов — о поверхность взвешенной частицы ежесекундно ударяются триллионы молекул жидкости. Однако из-за микроскопических размеров частицы число соударений и суммарная сила ударов с противоположных сторон в каждый отдельный момент времени случайно оказываются неравными.
• 2. Результирующая сила толчка — разность давлений с разных сторон частицы создаёт случайную ненулевую равнодействующую силу, которая толкает частицу в направлении преобладающего удара. В следующее мгновение распределение ударов хаотически меняется, и частица резко меняет направление своего движения.

строгие физические свойства процесса, экспериментально установленные исследователями:

• 1. Непрерывность и неугасаемость — броуновское движение никогда не прекращается со временем: частицы в герметично запаянной колбе продолжают хаотически двигаться десятилетиями при постоянной температуре.
• 2. Температурная зависимость — интенсивность броуновского движения резко возрастает при повышении температуры среды, поскольку с нагревом увеличивается средняя скорость и кинетическая энергия соударяющихся молекул.
• 3. Зависимость от размера частицы — чем меньше размер и масса броуновской частицы, тем активнее и стремительнее она движется, так как относительная разность случайных ударов молекул с разных сторон становится больше, а инерция частицы меньше. Для крупных макроскопических тел удары триллионов молекул со всех сторон идеально усредняются и взаимно уравновешиваются, поэтому макротела остаются неподвижными.

прецизионные физические эксперименты французского физика Жана Батиста Перрена (1870–1942), давшие количественное доказательство молекулярно-кинетической теории:

• 1. Методика опыта — Перрен использовал взвесь крошечных сферических шариков смолы гуммигута строго калиброванного радиуса и с помощью микроскопа измерял распределение их концентрации по высоте и среднее квадратичное смещение частиц со временем.
• 2. Научный триумф — результаты Перрена полностью подтвердили математическую теорию броуновского движения, созданную Альбертом Эйнштейном и Марианом Смолуховским, позволили впервые точно рассчитать число Авогадро ($N_A$) и определить массу отдельного атома водорода, за что Перрен был удостоен Нобелевской премии по физике (1926 г.).

Шотландский ботаник и естествоиспытатель, первооткрыватель непрерывного беспорядочного движения микрочастиц в жидкостях и газах, названного в его честь броуновским движением.

• В 1827 году при наблюдении под микроскопом взвеси пыльцы растений в капле воды открыл непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц.
• Первоначально принял двигающиеся частицы пыльцы за живые микроорганизмы, однако дальнейшие опыты с неорганической пылью доказали чисто физическую природу явления.
• Не смог дать теоретического объяснения феномену, который впоследствии стал важнейшим наглядным доказательством теплового движения молекул.

Французский физик, лауреат Нобелевской премии, экспериментально доказавший реальность существования молекул и атомов путём количественного исследования броуновского движения.

• Воспроизвёл броуновское движение в серии точных количественных опытов, используя крошечные откалиброванные шарики смолы гуммигута определённого размера.
• На основе наблюдений за движением броуновских частиц впервые определил массу атомов водорода и их количество в одном грамме вещества.
• Опыты Перрена окончательно подтвердили молекулярно-кинетическую теорию строения вещества ещё до того, как физики смогли напрямую увидеть отдельные атомы.

Броуновская частица — это видимая в микроскоп микроскопическая частица твёрдого тела (спора растения, крупинка краски, частица пыли или дыма) или микрокапелька жидкости (например, капелька жира в молоке), взвешенная в жидкости или газе и находящаяся в постоянном хаотическом движении под воздействием ударов окружающих её невидимых молекул среды.

Броуновское движение представляет собой непрерывное, вечное и совершенно беспорядочное (хаотическое) движение микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе:

• Траектория частицы представляет собой сложнейшую изломанную зигзагообразную линию без каких-либо признаков закономерности;
• Движение двух соседних частиц абсолютно независимы друг от друга;
• Движение не замедляется и не прекращается с течением времени при неизменной температуре;
• Интенсивность движения определяется исключительно температурой среды, вязкостью жидкости и размерами самой частицы.

Броуновское движение объясняется на основе основных положений молекулярно-кинетической теории строения вещества:

• Молекулы жидкости или газа находятся в состоянии непрерывного хаотического теплового движения;
• Находясь в тепловом движении, молекулы непрерывно бомбардируют находящуюся во взвеси микроскопическую частицу со всех сторон;
• Поскольку частица имеет микроскопические размеры, число молекулярных ударов, приходящихся на неё с разных сторон в каждый бесконечно малый промежуток времени, оказывается неодинаковым (возникает случайная флуктуация числа соударений и импульса);
• Сила ударов молекул с одной стороны на мгновение превышает силу ударов с противоположной стороны. В результате возникает нескомпенсированная сила, толкающая частицу в сторону более сильного суммарного воздействия;
• В следующий момент времени преобладание ударов оказывается направлено в другую случайную сторону, из-за чего частица совершает непрерывные беспорядочные скачки по изломанной траектории.

Броуновское движение чаинок наблюдать невозможно из-за их колоссальных (по меркам микромира) макроскопических размеров и массы:

• Чаинка состоит из триллионов триллионов атомов и молекул, её масса в миллиарды раз превышает массу броуновской частицы;
• Площадь поверхности чаинки настолько велика, что о неё ежесекундно ударяются квадриллионы молекул воды со всех сторон одновременно;
• По закону больших чисел теории вероятностей и математической статистики случайные флуктуации количества соударений с противоположных сторон практически полностью усредняются и взаимно компенсируют друг друга;
• Результирующая сила от ударов молекул воды по крупной чаинке в любой момент времени строго равна нулю. Кроме того, огромная инерция макроскопической чаинки не позволяет ничтожным микроскопическим импульсам отдельных молекул сдвинуть её с места.