Jeśli zmieszasz atrament lub farbę z wodą, a następnie spojrzysz na tę wodę pod mikroskopem, zobaczysz szybki ruch najmniejszych cząsteczek sadzy lub farby w różnych kierunkach. Co prowokuje takie ruchy?
Kto odkrył i kiedy
W 1827 roku angielski biolog Robert Brown zaobserwował przez mikroskop kroplę wody, która przypadkowo dostała niewielką ilość pyłku. Zobaczył, że najmniejsze cząsteczki pyłku tańczą, poruszając się chaotycznie w cieczy. Odkryto więc ruch Browna nazwany na cześć tego naukowca - ruch najmniejszych cząstek rozpuszczonych w cieczy lub gazie. Po zaobserwowaniu różnych rodzajów pyłków w swojej kolekcji biolog rozpuścił sproszkowane minerały w wodzie.
W rezultacie Brown był przekonany, że taki chaotyczny ruch był spowodowany nie przez samą ciecz, ani przez zewnętrzne wpływy na ciecz, ale bezpośrednio przez wewnętrzny ruch najmniejszej cząstki. Cząstka ta, przez analogię do obserwowanego ruchu, została nazwana „cząstką Browna”.
Rozwój teorii, jej zwolennicy
Później odkrycie Browna zostało potwierdzone, rozszerzone i uszczegółowione, w oparciu o teorię kinetyki molekularnej, przez A. Einsteina i M. Smoluchowskiego. A francuski fizyk Perrin, dwadzieścia lat później, dzięki ulepszeniu mikroskopów w procesie badania losowego ruchu cząstki Browna, potwierdził istnienie właściwych cząsteczek. Obserwacja ruchów Browna pozwoliła Perrinowi obliczyć liczbę cząsteczek w 1 molu dowolnego gazu i wyprowadzić wzór barometryczny.
Odkrycie ruchu cząstki Browna było dowodem na istnienie znacznie mniejszych cząstek, niewidocznych nawet pod mikroskopem - molekuł cieczy i jakiejkolwiek innej substancji. To cząsteczki, które swoim ciągłym ruchem wymuszają ruch cząsteczek pyłku, sadzy lub farby.
Definicja i rozmiar
Jeśli przyjrzysz się zawieszonym w wodzie cząstkom tuszy przez mikroskop, zauważysz, że ziarna o różnych rozmiarach zachowują się inaczej. Stosunkowo duże cząstki, doświadczające przez pewien czas takiej samej liczby wstrząsów ze wszystkich stron, nie zaczynają się poruszać. Małe cząstki w tym samym przedziale czasu otrzymują jednostronne, nieskompensowane uderzenia, odpychając je na bok i poruszając się.
Jaka jest wielkość cząsteczki Browna wystawionej na działanie cząsteczek? Udowodniono empirycznie, że cytoplazmatyczne ziarna pyłku nie są większe niż 3 mikrometry (µm) lub 10-6 metrów lub 10-3milimetr. Większe cząstki nie stają się uczestnikami ciągłego ruchu, który odkrył Brown.
Odpowiedzmy więc na pytanie „co to jest cząstka Browna”. Są to najmniejsze ziarna substancji o wielkości nie większej niż 3 mikrony, które zawieszone są w cieczy lub gazie, wykonując ciągły chaotyczny ruch pod wpływem cząsteczek ośrodka, w którym się znajdują.
Molekularna teoria kinetyczna
Ruch Browna nie zatrzymuje się, nie zwalnia w czasie. To wyjaśnia koncepcję teorii kinetyki molekularnej, która mówi, że cząsteczki dowolnej substancji są w ciągłym ruchu termicznym. Wraz ze wzrostem temperatury ośrodka prędkość ruchu cząsteczek wzrasta, a zatem cząsteczka Browna, która jest poddawana uderzeniom molekularnym, również przyspiesza.
Oprócz temperatury materii, prędkość ruchów Browna zależy również od lepkości ośrodka i wielkości zawieszonej cząstki. Ruch osiągnie maksymalną prędkość, gdy temperatura substancji otaczającej cząsteczkę będzie wysoka, sama substancja nie będzie lepka, a cząsteczki kurzu będą najmniejsze.
Cząsteczki substancji, w której znajdują się najmniejsze cząsteczki, przypadkowo zderzając się, wywierają siłę wypadkową (wytwarzają pchnięcie), powodując zmianę kierunku ruchu pyłku. Jednak takie wahania są bardzo krótkie w czasie i niemal natychmiast zmienia się kierunek przyłożonej siły, co prowadzi do zmiany kierunku ruchu.
Najprostszym i najjaśniejszym przykładem, który pozwala zrozumieć, czym jest cząsteczka Browna, jest ruch cząsteczek pyłu, widoczny w ukośnym promieniu słońca. Za 99-55 lat. pne mi. starożytny rzymski poeta Lukrecjusz dokładnie wyjaśnił przyczynę błędnego ruchu w filozoficznym wierszu „O naturze rzeczy”.
Spójrz tutaj: zawsze, gdy wpada światło słoneczne
Do naszych mieszkań i ciemność przebija się swoimi promieniami, Wiele małych ciał w pustce, zobaczysz migoczące, Pędzący tam i z powrotem w promienistym blasku światła.
Czy możesz z tego zrozumieć, jak niestrudzenie
Początek rzeczy w ogromnej pustce jest niespokojny.
Więc wspaniałe rzeczy pomagają zrozumieć
Małe rzeczy, wyznaczanie ścieżki ich zrozumienia.
Poza tym, bo trzeba uważać
Do zamieszania w ciałach migoczących w słońcu
Co wiesz z tego ruchu, Co się w nim dzieje potajemnie i w ukryciu.
Bo zobaczysz tam, ile zmienia się cząsteczek kurzu
Droga z ukrytych wstrząsów i odlot z powrotem, Zawsze tam i z powrotem biegnie we wszystkich kierunkach.
Na długo przed pojawieniem się nowoczesnej technologii powiększania Lukrecjusz, obserwując analogię ruchu widzianego przez Browna, doszedł do wniosku, że istnieją najmniejsze cząstki materii. Brown potwierdził to, dokonując jednego z najważniejszych odkryć naukowych.
