Большая Советская Энциклопедия (БР)

Броуновское движение

Бро'уновское движе'ние, правильнее брауновское движение, беспорядочное движение малых (размерами в нескольких мкм и менее) частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием толчков со стороны молекул окружающей среды. Открыто Р. Броуном в 1827. Видимые только под микроскопом взвешенные частицы движутся независимо друг от друга и описывают сложные зигзагообразные траектории. Б. д. не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды. Интенсивность Б. д. увеличивается с ростом температуры среды и с уменьшением её вязкости и размеров частиц.

Последовательное объяснение Б. д. было дано А. Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905—06 на основе молекулярно-кинетической теории. Согласно этой теории, молекулы жидкости или газа находятся в постоянном тепловом движении, причём импульсы различных молекул неодинаковы по величине и направлению. Если поверхность частицы, помещенной в такую среду, мала, как это имеет место для броуновской частицы, то удары, испытываемые частицей со стороны окружающих её молекул, не будут точно компенсироваться. Поэтому в результате «бомбардировки» молекулами броуновская частица приходит в беспорядочное движение, меняя величину и направление своей скорости примерно 10¹⁴ раз в сек.

При наблюдении Б. д. фиксируется (см. рис.) положение частицы через равные промежутки времени. Конечно, между наблюдениями частица движется не прямолинейно, но соединение последовательных положений прямыми линиями даёт условную картину движения.

Закономерности Б. д. служат наглядным подтверждением фундаментальных положений молекулярно-кинетической теории. Общая картина Б. д. описывается законом Эйнштейна для среднего квадрата смещения частицы вдоль любого направления x Если за время между двумя измерениями происходит достаточно большое число столкновений частицы с молекулами, то пропорционально этому времени t:

Здесь D — коэффициент диффузии, который определяется сопротивлением, оказываемым вязкой средой движущейся в ней частице. Для сферических частиц радиуса а он равен:

D = kT/6pha, (2)

где k — Больцмана постоянная, Т — абсолютное температура, h — динамическая вязкость среды.

Теория Б. д. объясняет случайные движения частицы действием случайных сил со стороны молекул и сил трения. Случайный характер силы означает, что её действие за интервал времени t₁ совершенно не зависит от действия за интервал t₂, если эти интервалы не перекрываются. Средняя за достаточно большое время сила равна нулю, и среднее смещение броуновской частицы также оказывается нулевым.

Выводы теории Б. д. блестяще согласуются с экспериментом, формулы (1) и (2) были подтверждены измерениями Ж. Перрена и Т. Сведберга (1906). На основе этих соотношений были экспериментально определены постоянная Больцмана и Авогадро число в согласии с их значениями, полученными др. методами.

Теория Б. д. сыграла важную роль в обосновании статистической механики (см. Статистическая физика). Помимо этого, она имеет и практическое значение. Прежде всего, Б. д. ограничивает точность измерительных приборов. Например, предел точности показаний зеркального гальванометра определяется дрожанием зеркальца, подобно броуновской частице бомбардируемого молекулами воздуха. Законами Б. д. определяется случайное движение электронов, вызывающее шумы в электрических цепях. Диэлектрические потери в диэлектриках объясняются случайными движениями молекул-диполей, составляющих диэлектрик. Случайные движения ионов в растворах электролитов увеличивают их электрическое сопротивление.

Лит.: Эйнштейн А., Смолуховский М., Брауновское движение, пер. с нем,, с доп. статьями Ю. А. Круткова и Б. И. Давыдова, М.—Л., 1936: Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, пер. с англ., т. 4, М., 1965.

В. П. Павлов.

Броуновское движение частицы гуммигута в воде. Точками отмечены последовательные положения частицы через каждые 30 сек. Наблюдения велись (Ж. Перроном) под микроскопом при увеличении ок. 3000.