布朗运动的几个问题

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布朗运动一直是高中物理学习中的难点,很多同学害怕布朗运动,老师们教学中也存在一些因为知识缺陷导致的教学局限。

一、什么是布朗运动,布朗运动的实质
       1、布朗粒子
       首先一个基本问题是,布朗运动到底是指的什么东西的运动。
       作布朗运动的,是悬浮在液体或气体中的固体颗粒,比如花粉颗粒或墨汁颗粒。为了更加突出这个问题,我把这种固体颗粒称之为布朗粒子。所谓布朗运动,实际上是布朗粒子的运动。
       布朗粒子的尺度,一般来说在10-7m~10-5m之间,肉眼无法看到,必须显微镜下才能观测到布朗粒子。因此,阳光下肉眼看得到的空气中漂浮的尘埃不能算布朗粒子。
       一个易错点是,很多同学以为布朗运动是液体或气体分子的运动,这是错的!布朗运动,是布朗粒子的运动,也就是悬浮的固体颗粒的运动。
       2、布朗粒子运动的机制
       布朗粒子并非因为自身“生命活动”而运动,而是被周围的液体或气体分子撞击导致的运动。
       那么,为什么通常所见的浸在水里的石头没有发生无规则的不停息的运动,它不一样时刻受到周围液体分子的撞击作用吗?
       实际上,所有浸在液体或气体中的固体都会受到周围分子的撞击作用,但是,只有尺度小到布朗粒子尺度,这种撞击作用才会导致被撞击固体颗粒明显的无规则运动。这是为什么呢?
       液体(或气体)分子对固体颗粒撞击的不平衡性!
       只有颗粒足够小时,同时撞击到颗粒上的分子数才不太多,这样,某一时刻撞到固体颗粒左右两侧(或前后两侧、上下两侧)的液体分子数目、撞击力度就很难相互平衡(如下图所示),也就是固体颗粒在某一时刻所受撞击力合力朝向一侧,而不是零,这就会使固体颗粒向合力一侧加速。
固体颗粒太大,比如达到看得到的石块那么大,可以说,周围液体分子对石块左右两侧的撞击力基本上平衡了;另外,石块质量太大,即便是周围分子对它的撞击力有些微的不平衡,也无法产生可观的加速度,也就无法引起石块的明显变速运动。而布朗粒子质量小,合力就会引起较大的加速度,因而很容易改变运动状态,便可以产生可观的无规则运动。
       3、布朗运动的特点
      (1)无规则
       如下图所示,每隔一段时间观察记录一次布朗粒子的位置,将得到布朗粒子无规则运动的直观图景。图中两点之间虽然用直线连起来了,但这并不表示布朗粒子在两点间就是作直线运动,如果记录的时间间隔更短一些,两点之间的粒子连线将是更加细致的无规则折线。
 布朗粒子运动的无规则,实际上是周围液体(或气体)分子的热运动永不停息且无规则,导致它们对布朗粒子的撞击也就不停息且无规则,布朗粒子每时每刻所受的撞击合力方向、大小都各不相同,布朗粒子的运动当然就无规则了。
      (2)温度越高,布朗运动越明显
       温度越高,液体(或气体)分子无规则的热运动也就越剧烈,它们对布朗粒子的撞击力度、不平衡性也就越明显,所以,布朗粒子的无规则运动也就越剧烈。
      (3)固体颗粒越小,布朗运动越明显
       这个问题前面已经做了解释,那就是布朗颗粒越小,周围液体(或气体)分子对它撞击的不平衡性也就越明显;同时,布朗粒子质量越小,同样的力引起的加速度也就越大,布朗粒子的运动状态也就更容易改变。
       4、布朗运动是液体(或气体)分子无规则热运动的反映
       从上述分析可以看出这个结论。在此就不赘述。这里容易犯错的是,以为布朗运动就是液体(或气体)分子的运动,或者以为布朗运动是布朗粒子内部分子热运动的反映。这都是没有准确理解布朗粒子的运动机制导致的。
二、布朗运动的范围
      高中物理课本上,并没有给出布朗运动的定义,而只是说像花粉颗粒或墨汁颗粒这种悬浮在液体中的颗粒的无规则运动,被称之为布朗运动。
      很多老师据此就认为,布朗运动只是液体中才能发生,不知道“静止”气体中悬浮固体颗粒的无规则运动也是布朗运动,比如PM2.5的运动。
      课本上不给出布朗运动的定义,而只是举例说明,是有原因的,那就是在其他情况下也有布朗运动的发生。
      首先,固体中也可以发生布朗运动,嵌入某种固体物质中的其他固体颗粒,也会受到无规则热运动的固体分子的撞击而作无规则的运动,这也是布朗运动。不过是,固体中的布朗运动通常情况下没有液体、气体中明显,因为固体物质中分子运动没有液体气体中分子运动那么自由和剧烈。
      其次,在热辐射腔(黑体空腔)里,光子被不断的吸收、发射,大量光子的运动也就类似于气体分子的运动,动量大小、方向各异,这时,辐射腔内悬浮的电子就会不断的被光子撞击(实质是吸收光子和辐射新光子),电子的运动也就如同悬浮在液体中的花粉颗粒一样无规则的运动起来。电子在光子气中的无规则运动,也是布朗运动。
       由此可见,布朗运动实际上就是较大的粒子受到很小的粒子无规则撞击的不平衡性所导致的无规则运动。
三、布朗运动的历史
      1、布朗的发现
       最早观察到布朗运动的是英国植物学家布朗,他在1827年通过显微镜观察到悬浮在水中的花粉颗粒的不停息的无规则运动。
      最开始他以为是花粉颗粒的生命运动导致的,后来他又观察了存放了上百年的花粉颗粒以及一些没有生命的无机物粉末,一样的观察到了这种无规则的运动。
      2、德尔索的分析
      布朗运动最开始被以为是仪器的震动、液体的对流引起的,但是进一步实验表明,在尽可能排除外界干扰的情况下,只要固体颗粒够小,任何液体,甚至气体中都会发生这样的运动!这说明,布朗粒子的运动,不可能是外界影响导致的。
       1877年,德尔索指出,布朗粒子的运动是受到液体分子从四面八方撞击的不平衡所引起的。这实际上就是高中课本上对布朗运动的解释。
      3、爱因斯坦的贡献
      德尔索的论断缺乏系统的定量的分析,加之原子、分子之说在十九世纪除了麦克斯韦、玻尔兹曼等少数物理学家和道尔顿、阿伏加德罗等几个化学家所认可外,大部分严肃的科学家都是认为那是无根无据的,不值得信任的。即便是十九世纪末电子被发现,也依然没引起大家的足够认可。年轻的玻尔兹曼甚至因为原子、分子论基础上建立起来的统计物理学不被大家认可而早早的结束了自己可贵的生命!
      是爱因斯坦1905年发表的三篇伟大论文之一《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》,拯救了原子、分子学说,物理学家们才停止了怀疑,认可了原子分子的存在。
       爱因斯坦在这篇文章中,根据麦克斯韦和玻尔兹曼的分子速率分布律的统计理论,定量的分析指出,如果固体颗粒受到的正是麦克斯韦、玻尔兹曼所描述规律运动的看不见的粒子(分子或原子)的不断的撞击的话,固体颗粒的运动恰恰就是布朗所观察到的这种形式!
作者:陈恩谱物理

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