Если размешать в воде тушь или краску, а потом посмотреть на эту воду под микроскопом, то можно увидеть быстрое перемещение мельчайших частичек сажи или краски в различных направлениях. Что провоцирует такие перемещения?
Кто и когда обнаружил
В 1827 году английский биолог Роберт Броун наблюдал в микроскоп за каплей воды, в которую случайно попало небольшое количество цветочной пыльцы. Он увидел, что мельчайшие частицы пыльцы приплясывают, двигаясь хаотично в жидкости. Так было открыто названное именем этого ученого броуновское движение – движение мельчайших частиц, растворенных в жидкости или газе. После наблюдения за различными видами пыльцы, имевшимися в его коллекции, биолог растворял в воде перетертые в порошок минералы.
В итоге Броун был убежден, что такое беспорядочное движение вызвано никак не самой жидкостью и не воздействием на жидкость извне, а непосредственно внутренним движением самой мелкой частицы. Эта частичка по аналогии с наблюдаемым движением получила название «броуновская частица».
Развитие теории, ее последователи
В дальнейшем открытие Броуна подтвердили, расширили и конкретизировали, основываясь на молекулярно-кинетической теории, А. Эйнштейн и М. Смолуховский. А французский физик Перрен спустя двадцать лет благодаря усовершенствованию микроскопов в процессе изучения беспорядочного движения броуновской частицы подтвердил существование собственно молекул. Наблюдение за броуновским движением позволило Перрену просчитать количество молекул в 1 моль любого газа и вывести барометрическую формулу.
Открытие движения броуновской частицы послужило доказательством существования гораздо более мелких, не видимых даже в микроскоп частичек – молекул жидкости и любого другого вещества. Именно молекулы своим постоянным движением заставляют перемещаться частички пыльцы, сажи или краски.
Определение и размер
Если смотреть в микроскоп на взвешенные в воде частицы туши, то можно заметить, что крупинки различного размера ведут себя по-разному. Относительно объемные частицы, испытывая за определенный отрезок времени одинаковое количество толчков со всех сторон, не начинают двигаться. А малые частицы за такой же временной интервал получают односторонние нескомпенсированные удары, толкающие их в сторону, и перемещаются.
Каков же размер броуновской частицы, подвергающейся воздействию молекул? Опытным путем доказано, что в движение приходят цитоплазматические зерна пыльцы размером не более 3 микрометров (мкм), или 10-6 метра, или 10-3 миллиметра. Частицы большего размера не становятся участниками обнаруженного Броуном постоянного движения.
Итак, ответим на вопрос "что такое броуновская частица". Это мельчайшие зерна вещества размером не более 3 мкм, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкости или газе, совершающие постоянное хаотичное движение под воздействием молекул той среды, в которой они находятся.
Молекулярно-кинетическая теория
Броуновское движение не прекращается, не замедляется во времени. Это объясняет концепция молекулярно-кинетической теории, говорящей о том, что молекулы любого вещества находятся в постоянном тепловом движении. С повышением температуры среды скорость движения молекул увеличивается, соответственно ускоряется и броуновская частица, подвергающаяся ударам молекул.
Помимо температуры вещества, скорость броуновского движения зависит также от вязкости среды и размера взвешенной частицы. Максимальной скорости движение достигнет в том случае, когда будет высокая температура окружающего частицы вещества, само вещество не будет вязким, а пылинки будут наименьшего размера.
Молекулы вещества, в котором находятся мельчайшие частички, случайным образом сталкиваясь, прикладывают равнодействующую силу (производят толчок), вызывающую смену направления движения пыльцы. Но такие флуктуации очень непродолжительны во времени, и практически сразу направление прикладываемой силы меняется, что приводит к смене направления движения.
Самым простым и наглядным примером, позволяющим понять, что такое броуновская частица, является движение пылинок, видимое в косом солнечном луче. В 99-55 гг. до н. э. древнеримский поэт Лукреций совершенно точно объяснил причину беспорядочного движения в философской поэме «О природе вещей».
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света.
Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно
Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся.
Так о великих вещах помогают составить понятье
Малые вещи, пути намечая для их постиженья.
Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движения,
Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора.
Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют
Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно,
Вечно туда и сюда разбегаясь во всех направленьях.
Задолго до появления современной увеличительной техники Лукреций, наблюдая аналог увиденного Броуном движения, пришел к выводу о существовании мельчайших частиц вещества. Броун подтвердил это, совершив одно из важнейших научных открытий.
