Броуновское движение (брауновское движение)

Броуновское движение, (брауновское движение), беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды. Исследовано в 1827 английским учёным Р. Броуном (Браун; R. Brown), который наблюдал в микроскоп движение цветочной пыльцы, взвешенной в воде. Наблюдаемые частицы размером ≈10-6 м и менее совершают неупорядоченные независимые движения, описывая сложные зигзагообразные траектории. Интенсивность Броуновское движение не зависит от времени, но возрастает с ростом температуры среды, с уменьшением её вязкости и размеров частиц (независимо от их химической природы). Полная теория Броуновское движение была дана в 1905—06 А. Эйнштейном и польским физиком М. Смолуховским.


Причина Броуновского движения — тепловое движение молекул среды и отсутствие точной компенсации ударов, испытываемых частицей со стороны окружающих её молекул, т. е. Броуновское движение обусловлено флуктуациями давления. Удары молекул среды приводят частицу в беспорядочное движение: скорость её быстро меняется по величине и направлению. Если фиксировать положение частицы через небольшие равные промежутки времени, то построенная таким методом траектория оказывается чрезвычайно сложной и запутанной (рис. ).


Броуновское движение трёх различных частиц гуммигута в воде (по Перрену). Точками отмечены положения частиц через каждые 30 с. Радиус частиц 0,52·10-6 м, расстояния между делениями сетки 3,4·10-6 м.


Броуновское движение — наиболее наглядное экспериментальное подтверждение представлений молекулярно-кинетической теории о хаотическом тепловом движении атомов и молекул. Если промежуток наблюдения τ достаточно велик, чтобы силы, действующие на частицу со стороны молекул среды, много раз меняли своё направление, то средний квадрат проекции её смещения Δx2 на какую-либо ось (в отсутствии других внешних сил) пропорционален времени τ (закон Эйнштейна):


где D — коэффициент диффузии. Для сферических частиц радиусом а он равен: D = kT/6πηa, η — динамическая вязкость среды. При выводе закона Эйнштейна предполагается, что смещения частицы в любом направлении равновероятны и что для больших τ можно пренебречь инерцией броуновской частицы по сравнению с влиянием сил трения. Соотношения для Δx2 и D были экспериментально подтверждены измерениями французского физика Ж. Перрена и шведского физика Т. Сведберга. Из этих измерений были экспериментально определены постоянная Больцмана и Авогадро постоянная.


Кроме поступательного Броуновского движения, существует также вращательное Броуновское движение — беспорядочное вращение броуновской частицы под влиянием ударов молекул среды. Для вращательного Броуновского движения среднее квадратичное угловое смещение частицы φ2 пропорционально времени наблюдения τ:

где коэффициент диффузии вращательного Броуновского движения для сферической частицы Dвр=kT/8πηa3. Соотношение было также подтверждено опытами Перрена.

Теория Броуновского движения находит приложение в физикохимии дисперсных систем, на ней основана кинетическая теория коагуляции растворов (Смолуховский, 1916), теория седиментационного равновесия (равновесия дисперсных систем в поле тяготения или в поле центробежной силы). В метрологии Броуновское движение рассматривают как основной фактор, ограничивающий точность чувствительных измерительных приборов. Предел точности измерений оказывается достигнутым, когда флуктуационные (броуновские) смещения подвижных частей измерительного прибора по порядку величины совпадут со смещением, вызванным измеряемым эффектом.