Mouvement brownien: définition. Mouvement brownien - qu'est-ce que c'est?

Aujourd'hui, nous allons examiner en détail un sujet important - définissons le mouvement brownien de petits morceaux de matière dans un liquide ou un gaz.

Carte et coordonnées

Certains étudiants, torturés par des leçons ennuyeuses, ne comprennent pas pourquoi étudier la physique. Et pourtant, c'est cette science qui nous a permis de découvrir l'Amérique!

Commençons de loin. Les civilisations anciennes de la Méditerranée étaient en quelque sorte chanceuses: elles se sont développées sur la rive d'un réservoir intérieur fermé. La mer Méditerranée est ainsi appelée qu'elle est entourée de tous côtés par la terre. Et les anciens voyageurs auraient pu avancer assez loin avec leur expédition, sans perdre de vue les rivages. Les contours de la terre ont aidé à naviguer. Et les premières cartes ont été faites plus descriptivement que géographiquement. Grâce à ces voyages relativement inaccessibles, les Grecs, les Phéniciens et les Egyptiens ont appris à bien construire des navires. Et là où le meilleur équipement est, il y a le désir de repousser les limites de votre monde.

Donc, un jour européenLes puissances ont décidé de sortir dans l'océan. Pendant le voyage à travers les vastes étendues entre les continents les marins ont vu pendant de nombreux mois seulement de l'eau, et ils ont dû en quelque sorte naviguer. Déterminer leurs coordonnées a aidé l'invention de montres précises et une boussole de qualité.

Regarder et boussole

L'invention des chronomètres de petite main est trèsIl a renfloué des gens de mer. Pour déterminer où ils sont, ils avaient besoin d'un outil simple qui mesurait la hauteur du soleil au-dessus de l'horizon et de savoir quand exactement midi. Et grâce à la boussole, les capitaines des navires savaient où ils allaient. L'horloge et les propriétés de l'aiguille magnétique ont été étudiées et créées par des physiciens. Grâce à cette Europe, le monde entier a été ouvert.

Les nouveaux continents étaient terra incognita, terre inexplorée. Sur eux poussaient des plantes étranges et des animaux inconnus.

Plantes et physique

Tous les naturalistes du monde civilisé se sont précipités pour étudier ces nouveaux systèmes écologiques étranges. Et bien sûr, ils voulaient profiter d'eux.

Robert Browne était un botaniste anglais. Il a voyagé en Australie et en Tasmanie, recueilli des collections de plantes là-bas. Déjà à la maison, en Angleterre, il travaillait dur pour décrire et classer le matériel importé. Et ce scientifique était très méticuleux. Un jour, observant le mouvement du pollen dans le jus des plantes, il remarqua: de petites particules font constamment des mouvements de zigzags chaotiques. C'est la définition du mouvement brownien des petits éléments dans les gaz et les liquides. Grâce à cette découverte, l'étonnant botaniste a écrit son nom dans l'histoire de la physique!

Brown et Gui

Dans la science européenne, il est d'usage: nommer l'effet ou le phénomène par le nom de la personne qui l'a découvert. Mais souvent cela arrive par hasard. Mais la personne qui décrit, révèle l'importance ou explore de manière plus approfondie la loi physique, est dans l'ombre. C'est arrivé avec le Français Louis Georges Guy. C'est lui qui a défini le mouvement brownien (la 7e année n'en entend pas vraiment parler lorsqu'il étudie ce sujet en physique).

Les recherches de Guy et les propriétés du mouvement brownien

L'expérimentateur français Louis Georges Gui a observéle mouvement de différents types de particules dans plusieurs liquides, y compris dans des solutions. La science du temps savait déjà comment déterminer avec précision la taille des morceaux de matériau à dixièmes de micromètres. En examinant ce que le mouvement brownien (au sens de la physique du phénomène est donnée Gouy), l'augmentation d'intensité comprise Academic particules en mouvement, si elles sont placées dans un milieu moins visqueux. Étant un expérimentateur d'un large spectre, il a soumis la suspension à l'action de la lumière et des champs électromagnétiques de puissance variable. Le scientifique a découvert que ces facteurs n'affectent en aucune façon les sauts en zigzags chaotiques des particules. Gouy a montré sans équivoque que le mouvement brownien prouve: fluide de déplacement thermique ou des molécules de gaz.

Équipe et masse

Et maintenant nous allons décrire plus en détail le mécanisme des sauts en zigzag de petits morceaux de matière dans un liquide.

Toute substance est constituée d'atomes ou de molécules. Ces éléments du monde sont très petits, aucun microscope optique n'est capable de les voir. Dans un fluide, ils fluctuent et bougent tout le temps. Quand une particule visible entre dans la solution, sa masse est des milliers de fois plus grande qu'un atome. Le mouvement brownien des molécules liquides est chaotique. Mais néanmoins, tous les atomes ou molécules sont un collectif, ils sont connectés les uns aux autres, comme les gens qui ont joint les mains. Par conséquent, il arrive parfois que les atomes liquides d'un côté de la particule se déplacent de telle sorte qu'ils «appuient» dessus, tandis que de l'autre côté de la particule se crée un milieu moins dense. Par conséquent, les motes se déplacent dans l'espace de la solution. Dans un autre endroit, le mouvement collectif des molécules liquides agit au hasard de l'autre côté de la composante la plus massive. C'est précisément la façon dont se produit le mouvement brownien des particules.

Time et Einstein

Si la substance a une température différente de zéro,ses atomes font des oscillations thermiques. Par conséquent, même dans un liquide très froid ou surfondu, il y a un mouvement brownien. Ces sauts chaotiques de petites particules en suspension ne cessent jamais.

Albert Einstein est peut-être le scientifique le plus célèbre du XXe siècle. Quiconque s'intéresse à la physique connaît au moins en quelque sorte la formule E = mc². En outre, beaucoup peuvent rappeler l'effet photoélectrique, pourqui lui a donné le prix Nobel, et la théorie spéciale de la relativité. Mais très peu de gens savent qu'Einstein a développé une formule pour le mouvement brownien.

Basé sur la théorie moléculaire-cinétique, le scientifique a déduit le coefficient de diffusion des particules en suspension dans un liquide. Et c'est arrivé en 1905. La formule ressemble à ceci:

D = (R * T) / (6 * N_Un * a * π * ξ),

où D est le coefficient requis, R est la constante de gaz universelle, T est la température absolue (exprimée en Kelvin), N_Un - Avogadro constant (correspond à une mole de la substance, soit environ 10²³ molécules), a est le rayon moyen approximatif des particules, ξ est la viscosité dynamique du liquide ou de la solution.

Et déjà en 1908, le physicien français Jean Perrin et ses étudiants prouvèrent expérimentalement la justesse des calculs d'Einstein.

Une particule dans le champ d'un guerrier

Ci-dessus, nous avons décrit l'impact collectif de l'environnementsur de nombreuses particules. Mais même un élément étranger dans le liquide peut donner des régularités et des dépendances. Par exemple, si vous observez une particule brownienne pendant une longue période, vous pouvez en corriger tous les mouvements. Et de ce chaos il y aura un système harmonieux. L'avancement moyen de la particule brownienne dans une direction est proportionnel au temps.

Dans les expériences sur une particule dans un liquide, les quantités suivantes ont été affinées:

• la constante de Boltzmann;
• le numéro Avogadro.

En plus du mouvement linéaire, une particule brownienne est également caractérisée par une rotation chaotique. Et le déplacement angulaire moyen est également proportionnel au temps d'observation.

Dimensions et formes

Après un tel raisonnement peut surgirune question naturelle: pourquoi cet effet n'est pas observé pour les gros corps? Parce que quand ont été en moyenne de la longueur d'un objet immergé dans un liquide plus d'une certaine valeur, puis sont transformées toutes ces molécules « bosses » collectives aléatoires en une pression constante. Et la force de poussée générale d'Archimède agit déjà sur le corps. Ainsi, un gros morceau de fer coule, et la poussière de métal flotte dans l'eau.

La taille des particules, pour laquelle la fluctuation des molécules liquides est détectée, ne doit pas dépasser 5 micromètres. Comme pour les objets de grandes dimensions, cet effet ne sera pas perceptible ici.