布朗运动

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布朗运动(Brownian motion)是微小粒子或者颗粒在流体中做的无规则运动。布朗运动过程是一种正态分布的独立增量连续随机过程。它是随机分析中基本概念之一。其基本性质为:布朗运动W(t)是期望为0、方差为t(时间)的正态随机变量。对于任意的r小于等于s,W(t)-W(s)独立于的W(r),且是期望为0、方差为t-s的正态随机变量。可以证明布朗运动是马尔可夫过程、鞅过程和伊藤过程。

它是在公元1827年[1]英国植物学家罗伯特·布朗利用一般的显微镜观察悬浮于水中由花粉所迸裂出之微粒时,发现微粒会呈现不规则状的运动,因而称它布朗运动。布朗运动也能测量原子的大小,因为就是由水中的水分子对微粒的碰撞产生的,而不规则的碰撞越明显,就是原子越大,因此根据布朗运动,定义原子的直径为10-8厘米。

模拟的大颗粒尘埃粒子碰撞到更小的粒子,而其以不同的速度在不同方向移动的布朗运动。

布朗运动的特点

自1860年以来,许多科学家都在研究此种现象,后来发现布朗运动有下列的主要特性:

1、粒子的运动由平移及转移所构成,显得非常没规则而且其轨迹几乎是处处没有切线。
2、粒子之移动显然互不相关,甚至于当粒子互相接近至比其直径小的距离时也是如此。
3、粒子越小或液体粘性越低或温度越高时,粒子的运动越活泼。
4、粒子的成分及密度对其运动没有影响。
5、粒子的运动永不停止。

对于布朗运动之误解

值得注意的是,布朗运动指的是花粉迸出的微粒的随机运动,而不是分子的随机运动。但是通过布朗运动的现象可以间接证明分子的无规则运动。

一般而言,花粉之直径分布于30~50μm、最小亦有10μm之谱,相较之下,水分子直径约0.3nm(非球形,故依部位而有些许差异。),略为花粉的十万分之一。因此,花粉难以产生不规则振动,事实上花粉几乎不受布朗运动之影响。在罗伯特·布朗的手稿中,“tiny particles from the pollen grains of flowers”意味着“自花粉粒中迸出之微粒子”,而非指花粉本身。然而在翻译为诸国语言时,时常受到误解,以为是“水中的花粉受布朗运动而呈现不规则运动”。积非成是之下,在大众一般观念中,此误会已然根深蒂固。

花粉具备足够大小,几乎无法观测到布朗运动。

在日本,以鹤田宪次‘物理学丛话’为滥觞,岩波书店‘岩波理科辞典’[3]、花轮重雄‘物理学読本’、汤川秀树‘素粒子’、坂田昌一‘物理学原论(上)’、平凡社‘理科辞典’、福冈伸一著‘生物与无生物之间’,甚至日本的理科课本等等,皆呈现错误之叙述。

直到1973年横浜市立大学名誉教授植物学者岩波洋造在著书‘植物之SEX‐不为人知的性之世界’中,点出此误谬之前,鲜少有人注意。国立教育研究所物理研究室长板仓圣宣在参与制作岩波电影‘回动粒子’(1970年)时,实际摄影漂浮在水中之花粉,却发现花粉完全没有布朗运动。遂于1975年3月,以“外行人与专家之间”为题,解说有关布朗运动之误会。

高中物理知识点总结

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