Обґрунтування молекулярно-кінетичної теорії – броунівський рух

Броунівський рух (брауновское рух) — безладний рух малих частинок, зважених в рідині або газі, що відбувається під дією ударів молекул навколишнього середовища.

Дифузія, розчинність і броунівський рух можуть бути пояснені тільки на основі уявлення про молекулярну будову речовин і є переконливими обґрунтуваннями першого і другого положень молекулярно-кінетичної теорії.

Броунівський рух.

Броунівський рух  — безладний рух малих частинок, зважених в рідині або газі, що відбувається під дією ударів молекул навколишнього середовища.

Вперше такий рух дослідив і описав у 1827 р. англійський ботанік Р. Браун при изуении під мікроскопом зваженої у воді квіткового пилку. Він виявив, що частинки пилку знаходяться в безперервному хаотичному русі, як би виконуючи дикий фантастичний танець. Він писав: «Цей рух, як я переконаний, що обумовлено не потоками рідини, не поступовим випаровуванням, а належить самим часткам».

Спостережувані (броунівські) частинки розміром ~1 мкм і менше здійснюють невпорядковані незалежні руху, описуючи складні зигзагоподібні траєкторії.

Подібний досвід можна зробити, користуючись фарбою або тушшю, попередньо розтертої до таких дрібних крупинок, які видно лише у мікроскоп. Можна побачити, що крупинки фарби безперервно рухаються. Самі дрібні з них безладно переміщуються з одного місця в інше, більш крупні лише безладно коливаються.

Броунівський рух можна спостерігати і в газі. Наприклад, в повітрі його здійснюють зважені там частинки пилу або диму.

Броунівський рух ніколи не припиняється! У краплині води (якщо не давати їй висохнути) рух крупинок можна спостерігати протягом багатьох днів, місяців, років. Воно не припиняється ні влітку, ні взимку, ні вдень, ні вночі. В шматках кварцу, що пролежали в землі тисячі років, трапляються іноді крапельки води, замуровані в мінералі. У цих крапельках теж спостерігали броунівський рух плаваючих у воді частинок.

Інтенсивність броунівського руху зростає з підвищенням температури, зменшенням в’язкості середовища, зменшенням розміру частинок. Воно не залежить від хімічної природи часток і часу спостереження.

Броунівський рух служить доказом існування ще більш дрібних часток — молекул рідини, невидимих навіть у найсильніші оптичні мікроскопи.

Броунівський рух пояснюється тим, що завдяки випадковій неоднаковості кількості ударів молекул рідини об частинку з різних напрямків виникає рівнодіюча сила певного напряму. Оскільки подібні флуктуації (флуктуація — випадкове відхилення фізичної величини від її середнього значення) дуже короткочасні, то в наступну мить напрям рівнодійної змінюється і, отже, зміниться напрямок переміщення частинки. Звідси спостерігається хаотичність броунівського руху, яка відображає хаотичність молекулярного руху.

Відкриття броунівського руху мало велике значення для вивчення будови речовини. Воно показало, що тіла справді складаються з окремих частинок — молекул — і що молекули перебувають у безперервному хаотичному русі.

Повна теорія броунівського руху була розроблена Ейнштейном і Смолуховским у 1905-1906 рр. та експериментально підтверджено Ж. Перреном. Висновки теорії показали, що середнє значення квадрата зміщення броунівської частинки за певний проміжок часу пропорційно цьому проміжку часу, температури і постійної Больцмана.

Експерименти Ж. Перрена, в яких він визначав становище однієї певної частки через кожні 30 с, підтвердили висновки теорії. Перрен проводив також досліди по перевірці залежності концентрації молекул газу від висоти та барометричної формули — залежності атмосферного тиску від висоти. Він припустив, що броунівські частинки, будучи свого роду великими молекулами, повинні підкорятися тим же законам, що і молекули атмосфери, а, отже, їх концентрація з висотою повинна падати. Його експерименти повністю підтвердили теорію. Вони дозволили йому визначити постійну Авогадро, значення якої співпало з вже відомим.

Таким чином, броунівський рух є найяскравішим підтвердженням теплового руху молекул — одного з положень молекулярно-кінетичної теорії.

Дифузія.

Явище, при якому відбувається взаємне проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншого, називається дифузією.

Явище це пояснюється властивістю молекул перебувати в безперервному русі.

Підтвердженням руху молекул газу є всім відоме поширення запаху якого-небудь пахучої речовини, внесеного в кімнату.

У рідинах спостерігати взаємне проникнення однієї речовини в іншу можна, якщо в міцний розчин мідного купоросу обережно додати воду. Спочатку різка межа між темно-блакитним мідним купоросом і безбарвною водою з часом зникає. Механізм проникнення молекул наступний. Спочатку внаслідок руху окремі молекули води і мідного купоросу, які знаходяться біля кордону між ними, обмінюються місцями. Молекули мідного купоросу потрапляють в нижній шар води, а молекули води — у верхній шар мідного купоросу. Межа між рідинами з-за цього розпливається. Проникнувши в шар «чужий» рідини, молекули починають обмінюватися місцями з її частинками, що знаходяться у більш глибоких шарах. Межа між рідинами стає все більш розпливчатою. Завдяки безперервному і безладного руху молекул цей процес, врешті-решт, призводить до того, що вся рідина стає однорідною.

У твердих тілах також спостерігається дифузія. Так, в одному з дослідів гладко відшліфовані пластини свинцю і золота поклали один на одного і стиснули вантажем. Через п’ять років золото і свинець проникли один в одного на 1 мм.

Швидкість дифузії залежить від агрегатного стану речовини і температури тіла. У газах, де відстань між молекулами дуже велика у порівнянні з їх розмірами і рух молекул хаотично, швидкість дифузії найбільша. У рідинах вона менше, так як відстань між молекулами менше, і рух молекул трохи більш впорядковано. В твердих тілах, де спостерігається чіткий порядок у розташуванні атомів (або молекул), а самі вони здійснюють лише невеликі коливальні рухи біля своїх місць, швидкість дифузії найменша.

Взаємодія частинок речовини.

Третє положення MKT про взаємодію молекул є очевидним. Досить згадати, скільки зусиль потрібно, щоб зламати, скажімо, дерев’яну палицю.

Тверді тіла і рідини не розпадаються на окремі молекули, незважаючи на те, що їх молекули розділені проміжками і знаходяться в безперервному хаотичному русі.

Більш того, тверде тіло, наприклад, важко розтягнути або стиснути. Чим же пояснити, що в тілах молекули не тільки утримуються одна біля одної, але і в деяких випадках проміжки між ними важко збільшити?

Справа в тому, що молекули взаємодіють один з одним, і природа цієї взаємодії — електрична. Молекула складається з заряджених частинок — електронів і ядер. Заряджені частинки однієї молекули при відповідних відстанях взаємодіють (притягуються або відштовхуються) із зарядженими частками інших молекул.

На відстанях, що перевищують 2-3 діаметра молекул, результуюча сила взаємодії визначається силами тяжіння. Внесок останніх у міру зменшення відстані між молекулами спочатку зростає, потім зменшується. Сили взаємодії звертаються в нуль, коли відстань між молекулами стає рівним сумі радіусів молекул.

Подальше зменшення відстані призводить до перекриття електронних оболонок, що викликає швидке наростання сил відштовхування.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Ядерні сили