Как движутся молекулы?

70

Как движутся молекулы?

T. C. Петрова

В 1827 году английский ботаник Броун обнаружил при наблюдении в микросоп беспорядочное движение молекул взвешенных части в жидкости. Это движение не прекращалось, сколько бы времени ни велись наблюдая. Причина, вызывающая это движение, которое в дальнейшем стала назвать броуновским движением, долго время оставалась загадочной. Пытались обьясить его тем, что сосуд с жидкостью сотрудниется; предполагали, что это движение является следствием проискодиях в сосуде химических реакций; связавали это явление с неравномерным нагреванием жидкости под действием света и пр. Однако все попытки такого рода обьяснения оказались несостоятьными.

В конце XIX века физики высказывали мысль о том, что броуновское движение, которое можно наблюдать не только в жидкости, но и в газе, вызывается беспорядочным тепловым движением молекул жидкости или газа. Прошло почти 80 лет с тех пор, как было обнаружено это движение, прежде чем вопрос о его причины был решен окончательно: движение броуновских части взвешано ударами молекул вещества, в котором эти части взвешены. Установление этого факта сыграло огромную роль в подтверждении и развитии полесжения молекулярно-kinетической теории о том, что молекулы вещества беспрестанно хаотически движутся.

Многочисленные опыты, связанные с наблюдением броуновского движения, сделали эту теорию «наглядной» и неоспоримой.

Что можно сказать о характеристике движения молекул?

Согласно кинетической теории молекул газа в своем хаотическом тепловом движении описывается игзагообразные траектории, которые представляют собой совокупность громадного числа прямолинейных отрезков. На каждом таком отрезке движение молекул происходит го инерции, и кончается такой отрезок там, где молекula соударяется с другой молекулой или со стенкой сосуда.

Непосредственное подтверждение такой картины движения молекул было получено в опыте французского физика Дюнayaе, поставленном в 1911 году. Схема этого опыта привела на рисунке 1. Стеклянная трубка разделена на три отделения перегородками с маленькими отверстиями, которые расположены на одной прямой. Воздух из трубки откачан. В отделении A находится кусочек металлического натрия. Эту часть трубки подогревается, при этом легкоплавкий натрий начинает испарться. Пары натрия заполяют отделение A. Через некоторое время на стенках в отделениях B и C образуется натриевый напет. В отделении B он покрывается стенки трубки и перегородку cc′, а в отделении C налет образуется только влизи точки O′. Объяснение такой картины оченьindo.

Молекулы пара пропикают из отделения A в отделение B через ответствие O₁. К ответию O₁ молек-

Рис. 1.

71

кульы подлегают из $A$ по всевозможным направлениям, и, попав в отделение $B$, они сохраняют эти направления, так как воздейств из трубки выкачан, плотность паров, попадающих в отделение $B$, очень невелика и молекулы практические не испытывают соударений друг с другом. В результате на стенках трубки в отделении $B$ и на перегородке $cc'$ оседают пары натрия, а перегородка $bb'$ справа остается «чистой».

Что происходит в отделении $C$? Сюда попадают лишь те молекуры, направление движения которых совпадает с направлением оси отверстия $O_1$ и $O_2$. Поэтому следы натрия можно обнаружить только в окрестности точки $O'$. Форма пятна натриового налета вблизи точки $O'$ повторяет форму отверстия $O_2$. Если отверстие круглое, то пятно в $O'$ круглое, если отверстие квадратное, то и пятно квадратное. Когда на пути пучка молекул в отделении $C$ помещали «преграду», например, натруную проволочку, то на пятне освещено металла вблизи $O'$ получалась «тень» этой проволочки. При увеличении плотности воздуха в трубке пятно налета вблизи $O'$ размывается: молекулы паров стальяются с молекулами воздуха и отскакивают в разные стороны, при этом площь пятна увеличивается.

Обыт Дюнуайе наглядо показывает, что молекуры газа движутся по всевозможным направлениям и что в отсутствие соударений их движение прямолинейно.

Как же можно связать броуновское движение сxaотическая движением молекул? Конечно, траектории движения молекул газа нельзя отождествлять с траекторями движения броуновских частиц. Ведь масса такой частицы во много раз больше массы отдельной молекулы, скорость частицы очень мала по сравнению со скоростью молекул, и ее движение есть результат соударения с ней громадного числа молекул.

Рис. 2.

Сказанные выше слова «хаотическая движение» кажутся привичными. А ведь они наталькают в данном случае на вопросы. Действительно,xaотично — значит беспорядочно. Но в беспорядочном движении они одно из направлений нельзя считать премущественным, все направления равноправны. Почему же броуновские частицы все-таки движутся? Дело в том, что их размеры очень малы (хотя и громадны по сравнению с размерами молекул), они порядка $10^{-4}-10^{-5}$ см. В каждый момент частица получает множество ударов от окружающих ее молекул жидкости или газа. Чем крупнее частица, тем больше молекул в каждый момент с ней стальяются, тем более верятное, что удиры противоположных направлений уравновесят, скоппенируют друг друга, и частица остается неподвижной (рис. 2). Чем меньше частица, тем меньше общее число соударений с молекулами, тем вероятнее, что в своем беспорядочном «наскакивании» на частицу какие-то молекулы «промахнутся», и в результате равновесие частицы будет нарушено — она начинает движаться. Таким образом, броуновское движение, действительно, подтверждает существование беспорядочного движения молекул.