Броуновское движение

Разведем в воде немножко туши и будем наблюдать в микроскоп каплю такой воды. Мы увидим, как маленькие частицы сажи, из которых приготовляется тушь, беспорядочно приплясывая, двигаются в прозрачной жидкости. Это и есть так называемое броуновское движение. Оно названо так по имени английского биолога начала XIX столетия Роберта Броуна. В 1827 году Броун обнаружил при помощи простого микроскопа хаотическое движение пыльцы растений, взвешенной в воде. Он писал: «Это движение, как я убежден, обусловлено не потоками в жидкости, не постепенным ее испарением, а принадлежит самим частицами».

Броуновское движение служит доказательством существования движения еще более мелких частиц — молекул жидкости, невидимых даже в самые сильные оптические микроскопы. Удары молекул заставляют видимые частицы сажи совершать хаотические перемещения.

В поле зрения микроскопа видно много черных частичек различных размеров. Относительно крупные частицы, получая за некоторый промежуток времени примерно одинаковое число толчков во всех направлениях, не приходят в сколько-нибудь заметное движение.

Другое дело — малые частицы: за короткий промежуток времени они испытывают случайные нескомпенсированные, односторонние удары, отбрасывающие их в сторону.

Чтобы наблюдать броуновское движение, надо выбрать мелкие частицы сажи, терпеливо следить за их движением и отмечать на листе бумаги положение этих частиц через равные промежутки времени, например через 30 с.

Соединив отмеченные точки прямыми линиями, их многочисленных отрезков прямых получим сложную ломаную линию, демонстрирующую беспорядочное движение частицы (рис. 73).

Надо иметь в виду, что действительная траектория частицы еще сложнее, так как в течение отдельных полуминут частица перемещалась не по прямой, а делала множество более мелких движений в различных направлениях.

Для тех, кому никогда не приходилось наблюдать броуновское движение в микроскоп, читаем не лишним привести описание пляски пылинок в воздухе, которые становятся заметными при косом освещении солнцем.

Вот как римский поэт Лукреций (ок. 99-55 гг. до н. э.) описывает в своей философской поэме «О природе вещей» движение пылинок в солнечном луче:

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 движенья,
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.

Как узнали, сколько молекул содержится в 1 см³ газа, каковы размеры молекул, их масса, скорость движения? Разве это возможно? Молекулы не видны, а их считают, измеряют, определяют их скорости!

Различными способами найдено, что в 1 см³ любого газа при нормальных условиях (0°C и 760 мм рт. ст.) содержится около 2,7 * 10¹⁹ молекул.

Чтобы представить себе, насколько велико это число, рассмотрим следующие примеры.

Представим себе ампулу объемом 1 см³. Допустим, что ампула пуста. Каким-либо образом пробьем в ампуле тончайшее отверстие, такое, чтобы через него в 1 с могло проникать внутрь ампулы по 100 млн. молекул воздуха. Спрашивается, сколько времени понадобится, чтобы таким путем наполнить ампулу до нормальной плотности.

Подсчет показывает, что для этого нужно будет около 9000 лет.

Другой пример. Если взять число кирпичей, равное числу молекул в 1 см³ газа при нормальных условиях, то, будучи плотно уложены, эти кирпичи покрыли бы поверхность всей суши земного шара слоем высотой 120 м, т. е. высотой, превосходящей почти в четыре раза высоту 10-этажного дома.

В капельке воды диаметром примерно 0,1 мм содержится 10¹⁶ молекул, т. е. в миллион раз больше, чем людей на Земле.