АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Броуновское движение

Прочитайте:
  1. А - ламинарное движение крови в норме; турбулентный ток крови при сужении (б), расширении (в) просвета сосуда, появление преграды на пути кровотока (г)
  2. Броуновское движение
  3. Броуновское движение
  4. Вращательное движение твёрдого тела
  5. Глотание обеспечивает продвижение пищи из полости рта в желудок.
  6. Д) замедленное прямолинейное движение.
  7. ДВИЖЕНИЕ ВОЗДУХА ПО ДЫХАТЕЛЬНЫМ ПУТЯМ
  8. Движение крови
  9. Движение крови по сосудам

 

Броуновское движение есть хаотическое и непрерывное движение частиц дисперсной фазы под действием ударов молекул дисперсионной среди, находящихся в состоянии интенсивного теплового движения. Впервые оно было обнаружено в 1827 г. английским ботаником Т.Броуном при наблюдении в микроскоп за взвешенными в воде частицами цветочной пыльцы. Явлению долгое время не придавали осо­бого значения, объясняя его внешними причинами: дрожанием аппаратуры, конвективными тепловыми потоками в жидкости и т.п. Первые предположе­ния о связи открытия Броуна с тепловым движением молекул сделаны толь­ко в конце XIX в. Гуи (1888 г.) и Экснером (1900 г). На рубеже XIX и XX вв. исследование броуновского движения приобрело огромное теоре­тическое значение и привлекло внимание выдающихся физиков-теорети­ков и прежде всего Эйнштейна. Им (1905 г.), а затем Смолуховским (1906 г.) была дана теоретическая интерпретация броуновского движения. Созданная этими учеными статистическая теория в качестве основного постулата выдвигала предположение о совершенной хаотичности движения, т.е. о полной равноправности всех направлений.

Правильность теории и вытекающих из нее соотношений экспериментально подтверждена при исследовании лиозолей Сведбергом, (1909 г.) Перреном (1910 г.) и др., а также аэрозолей - де-Бройлем (1909 г.), Милликеном (1910 г.) и др. Проведенными исследованиями былa окончательно доказана природа броуновского движения.

Броуновское движение свойственно частицам любых веществ, если размеры их достаточно малы. От размера частиц зависит характер движения. Оно может бить колебательным, вращательным и поступательным. Осо­бенно заметным броуновское движение становится у частиц коллоидной сте­пени дисперсности. Испытывая с разных сторон многочи­сленные удары молекул жидкости, часть которых оказывается нескомпен­сированной, такие частицы могут перемещаться поступательно в самых различных направлениях: статистически всегда возможно, что за время dt число ударов молекул или их интенсивность (поскольку в большой совокупности молекул всегда имеются более "горячие", скорость кото­рых превышает среднюю) с одной стороны будут больше, чем с другой; результирующая сила вызовет смещение частиц. Траектория их движе­ния весьма сложна и представляет собой ломаную линию, совершенно неопределенной конфигурации (рис. 2.1).

Таким образом, броуновское движение является следствием теплово­го движения молекул в дисперсионной среде и прямым отражением зако­нов статистики. Интересно, что молекулярно-кинетическая теория уста­навливает закономерности, характерные для статистического множества частиц, а тепловое движение молекул (в виде броуновского движения) проявляется в отклонениях от этих закономерностей. В этом отношении броуновское движение – следствие случайных микроотклонений (флуктуаций), эффект которых возрастает с уменьшением размеров частиц систе­мы, и наглядное проявление отклонений от второго закона термодинами­ки в микросистемах, т. е. подтверждение его статистического харак- тера.

На основе расчетов (в рамках молекулярно-кинетической теории) и экспериментальных наблюдений под микроскопом стала очевидной не­возможность установления истинного пути частицы.

Эйнштейн и Смолуховский дляколичественного выражения броунов­ского движения частиц ввели представление о среднем сдвиге (или смещении) частицы за некоторый промежуток времени t.

Под сдвигом или смещением частицы подразумевают расстояние между проекциями начальной (t =0) и конечной (в момент t) точек траекто­рии движения на ось смещений (рис.2.1). Смещения одинаково веро­ятны как слева направо, так и в противоположном направлении (основной постулат статистической теории Эйнштейна-Смолуховского). Поэтому при вычислении среднего смещения за большой промежуток времени может быть равно нулю. В связи с этим вычисляют среднюю квадратичную величину всех смещений 2 без учета направления движения.

Рис.2.1. Схема перемещения частицы при броуновском движении:

D - величина смещения от точки А до точки B: t – время

 

 

Постулируя единство природы броуновского и теплового движения, Эйнштейн и Смолуховский установили количественную связь между сред­ним сдвигом частицы (называемым иногда амплитудой смещения) и коэффициентом диффузии

= 2D×t или = , (2.1.)

где D – коэффициент диффузии, - средний квадратичный сдвиг за время t.

Это соотношение получило название закона Эйнштейна-Смолуховского. При выводе его авторы исходили из положения: если броунов­ское движение является следствием теплового движения среды, то мож­но говорить о тепловом движении частиц дисперсной фазы. Отсюда дис­персная фаза, представляющая собой совокупность большего числа частиц, должна подчиняться тем же статистическим законам молекулярно-кинетической теории, которые приложимы к газам или растворам. Из них был выбран закон диффузии, согласно которому хаотичность броуновского движения должна приводить к выравниванию концентраций дисперсной фазы по всему объему дисперсионной среды.

Для установления связи между средним сдвигом (смещением) части­цы и коэффициентом диффузии Эйнштейн и Смолуховский использовали модель (рис. 2.2), представляющую собой трубку с поперечным сече­нием S, наполненную золем, концентрация частиц которого уменьшается слева направо. В этом же направлении протекает и диффузия частиц золя (на рис. 2.2. отмечено стрелкой).

Если вместо коэффициента диффузии D подставить в (2.1.) его выражение в соответствии с уравнением Эйнштейна

(2.2)

(В - коэффициент трения), то получим

. (2.3)

При допущении правомерности приме­нения закона Стокса к движению частиц (сферической формы) В = 6ph r и соответственно

. (2.4)

 

В случае вращательного броуновского движения частиц сферической формы, которое харак­теризуется величиной - средним квадратом угла вращения за время t, коэффициент трения равен 8phr.

Тога , (2.5)

где q - коэффициент вращательной диффузии.

 

Из уравнений (2.4) и (2.5) следует, что частицы перемещаются тем быстрее, чем выше температура Т, меньше размер частиц r и вяз­кость cpeды h. При этом броуновское движение обнаруживает постоянство и независимость как от времени, так и от длительности существования системы. С увеличением размера частиц прежде всего прекращается поступательное броуновское движение, затем – вращательное и остается колебательное. Крупные частицы размером 3 - 4 мкм, видимые в микроскоп, не совершая заметных пробегов, «танцуют» (дрожат) на месте.


 

 

Рис.2.2. Схема диффузии (к выводу закона Эйнштейна-Смолуховского)


 

Теория броуновского движения сыграла огромную роль в науке. Связав перемещение частиц золя, которые можно наблюдать под микроскопом, с движением атомов и молекул, она позволила экспериментально доказать реальное их существование, а также подтвердила правильность молекулярно-кинетической теории, предложенной первоначально в качестве гипотезы. Особенно важно, что это произошло в то время, когда некоторые ученые, например сторонники энергетической школы во главе с Махом и Оствальдом, поставили под сомнение даже само предста­вление об атомах и молекулах как не отражающее, по их мнению, объективной реальности (проявление махизма внауке).

Более того, изучение броуновского движения, как уже отмечалось выше, привелок доказательству статистического характера как теплового равновесия в системе, так и второго начала термодина­мики, открытию явления флуктуации в распределении частиц, что оказалось важным шагом в развитии статистических методов исследования.

В коллоидной химии теория броуновского движения оказалась фактически первой количественной теорией в учении о дисперсных системах.

Броуновским движением обусловлен процесс диффузии в них.

 


Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 1238 | Нарушение авторских прав







При использовании материала ссылка на сайт medlec.org обязательна! (0.005 сек.)