Cząstka browna: pojęcie, wielkość, ruch

Jeśli wymieszasz atrament lub farbę w wodzie, a następnie spojrzysz na tę wodę pod mikroskopem, możesz zobaczyć szybki ruch drobnych cząsteczek sadzy lub farby w różnych kierunkach. Co wywołuje takie zmiany?

Kto i kiedy go odkrył

W 1827 roku angielski biolog Robert Broun obserwował pod mikroskopem kroplę wody, do której przypadkowo wpadła niewielka ilość pyłku kwiatowego. Widział jak najdrobniejsze cząsteczki pyłku tańczą, poruszając się chaotycznie w cieczy. Odkryto ruch Browna, czyli ruch najdrobniejszych cząstek rozpuszczonych w cieczy lub gazie. Po zaobserwowaniu w swojej kolekcji różnych rodzajów pyłków, biolog rozpuścił w wodzie zmielone na proszek minerały.

W końcu Broun był przekonany, że taki nieuporządkowany ruch nie był w żaden sposób spowodowany przez sam płyn lub przez zewnętrzne wpływy na płyn, ale był bezpośrednio spowodowany przez wewnętrzny ruch najmniejszej cząstki. Cząstka ta, podobna do obserwowanego ruchu, została nazwana cząstką Browna.

Rozwój teorii, jej kontynuatorzy

Odkrycie Browna zostało później potwierdzone, rozszerzone i udoskonalone, w oparciu o teorię molekularno-kinetyczną, przez A. V. Reynoldsa. Einstein i M. Smoluchowski. A francuski fizyk Perrin dwadzieścia lat później, dzięki postępowi w dziedzinie mikroskopów, badając bezładny ruch cząsteczek Browna, potwierdził istnienie samych cząsteczek. Obserwacja ruchu Browna pozwoliła Perrinowi obliczyć liczbę cząsteczek w 1 molu dowolnego gazu i wyprowadzić wzór barometryczny.

Odkrycie ruchu Browna posłużyło jako dowód na istnienie znacznie mniejszych cząstek, niewidocznych nawet pod mikroskopem - cząsteczek cieczy i każdej innej substancji. To właśnie cząsteczki powodują, że pyłki, sadza czy cząsteczki farby poruszają się swoim ciągłym ruchem.

Definicja i wielkość

Jeśli spojrzysz przez mikroskop na cząstkę zawieszoną w wodzie, zauważysz, że ziarna o różnej wielkości zachowują się inaczej. Stosunkowo nieporęczne cząstki doświadczające w pewnym okresie czasu takiej samej liczby wstrząsów ze wszystkich kierunków nie zaczynają się poruszać. A małe cząsteczki, w tym samym przedziale czasowym, otrzymują nieskompensowane wstrząsy w jedną stronę, spychając je na boki, i poruszają się.

Jakie są rozmiary cząstki Browna poddanej działaniu cząsteczek? Doświadczalnie udowodniono, że ziarna cytoplazmatyczne pyłku nie są większe niż 3 mikrometry (µm), czyli 10^-6 milimetr, czyli 10^-3 milimetr. większe cząstki nie stają się uczestnikami ruchu Browna, który odkrył Brown.

Tak więc, odpowiadając na pytanie "czym jest cząstka Browna". Są to najmniejsze ziarna materii, wielkości nie większej niż 3 mikrometry, które są zawieszone w cieczy lub gazie i poruszają się chaotycznie w stanie stałym wywołanym przez cząsteczki środowiska, w którym się znajdują.

Teoria molekularno-kinetyczna

Ruch Browna nie zatrzymuje się, nie zwalnia w czasie. Wyjaśnia to koncepcja teorii kinetyki molekularnej, która mówi, że cząsteczki każdej substancji są w ciągłym ruchu termicznym. Wraz ze wzrostem temperatury ośrodka wzrasta prędkość ruchu cząsteczek, a więc i cząsteczka Browna, poddana oddziaływaniu cząsteczek.

Oprócz temperatury materii, prędkość ruchu Browna zależy również od lepkości ośrodka i wielkości cząstek w zawiesinie. Maksymalna prędkość ruchu zostanie osiągnięta, gdy temperatura materii wokół cząstek jest wysoka, sama materia nie jest lepka, a cząstki pyłu są najmniejsze.

Cząsteczki substancji zawierającej najmniejsze cząsteczki losowo napotykają na siebie i zderzając się tworzą siłę, która powoduje zmianę kierunku ruchu pyłku. Jednak takie fluktuacje są bardzo krótkotrwałe i praktycznie od razu kierunek przyłożonej siły zmienia się i powoduje zmianę kierunku ruchu.

Najprostszym i najbardziej obrazowym przykładem, który pozwala zrozumieć, czym jest cząstka Browna, jest ruch cząstek pyłu widziany w ukośnym promieniu słońca. W latach 99-55 n.e. BC. э. starożytny rzymski poeta Lukrecjusz w swoim poemacie filozoficznym O naturze rzeczy bardzo dokładnie wyjaśnił przyczynę ruchu przypadkowego.

Spójrzcie na to: zawsze, gdy światło słoneczne przenika

W naszych mieszkaniach i ciemność odcina swoje promienie,

Mnóstwo małych ciał w pustce, zobaczysz, migoczących,

Mknąc tam i z powrotem w promiennym blasku światła.

Czy widzisz z tego, jak niestrudzenie

Początki rzeczy w ogromnej pustce.

Więc wielkie rzeczy mogą być zrozumiane

Małe rzeczy, oznaczające sposoby ich pojmowania.

I, co więcej, z tego powodu będziesz zwracał uwagę

Do turkotu ciał migoczących w promieniach słońca,

Że dzięki temu poznasz materię tak samo jak ruch,

Co dzieje się w nim potajemnie i ukryte przed wzrokiem.

Bo tam zobaczysz jak bardzo zmienia się kurz

Ich droga z ukrytych pchnięć i latać z powrotem,

Wiecznie pędzący tam i z powrotem we wszystkich kierunkach.

Na długo przed powstaniem nowoczesnych urządzeń powiększających, Lukrecjusz, po zaobserwowaniu analogu ruchu widzianego przez Browna, wydedukował istnienie najmniejszych cząstek materii. Broun potwierdził to dokonując jednego z najważniejszych odkryć naukowych.