Представьте себе что ваш друг скептически относится к атомам и молекулам

§ 1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

1. В одном из учебников, изданном в 1885 г., можно прочитать: «Твёрдый атом… живёт в виде невероятной, но всё ещё неопровергнутой гипотезы… Однако несравненно правдоподобнее теория, по которой материя… непрерывна, то есть не состоит из частиц с промежутками». Какие аргументы вы можете привести автору этих строк, чтобы доказать существование мельчайших частиц вещества?

Докажем существование мельчайших частиц вещества двумя простыми экспериментами.

Первый из них: положим кубик сахара в воду, он постепенно начнет растворяться. Во время этого процесса мы и увидим мельчайшие частицы, из которых состоит кубик сахара.

Второй эксперимент: раздавим кусочек почвы средних размеров. Сделав это, увидим, что он состоит из мельчайших частиц.

2. Представьте себе, что ваш друг скептически относится к атомам и молекулам и полагает, что броуновское движение не является доказательством их существования. Он считает, что движение взвешенных в жидкости или газе частиц может быть также хорошо объяснено движением потоков воздуха или жидкости, их окружающих. Какие аргументы вы можете привести против такой интерпретации экспериментальных наблюдений (рис. 12)?

При таком эксперименте направление движения частиц будет совпадать с направлением потока воды или воздуха, следовательно, оно будет направленным, а не беспорядочным. Броуновское же движение является беспорядочным движением частиц.

3. Почему броуновское движение заметно лишь у частиц с малыми размерами (d ≤ 1 мкм) и массой?

Броуновское движение — результат действия на малую частицу многочисленных ударов о нее молекул жидкости или газа. Молекулы движутся беспорядочно, поэтому импульсы молекул, действующих на броуновскую частицу, также беспорядочны, и суммарный импульс действия на частицу будет очень мал. Поэтому мы сможем наблюдать движение мельчайших частиц, размером (d ≤ 1 мкм). Чем мельче частицы, тем интенсивнее их движение.

4. Почему стеклянную хорошо притёртую пробку трудно вынуть из горлышка стеклянного флакона?

Т.к. расстояния между молекулами пробки и флакона чрезвычайно малы (можно сравнить с размерами самих молекул), то на таком расстоянии сила притяжения между молекулами является очень большой, это и мешает вытянуть стеклянную пробку.

5. Дополните схему в кратких выводах, добавив опытные обоснования основных положений молекулярно-кинетической теории.

Между частицами действуют силы притяжения и отталкивания.

Взаимодействие мельчайших частиц между собой зависит от состояния вещества: жидкое, твердое или газообразное.

Источник

§ 1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Оглавление

Что представляет собой внутреннее строение любого вещества? Сплошное оно или имеет дискретную структуру? Почему свойства различных веществ отличаются друг от друга? От чего зависят те или иные свойства вещества?

Представление о том, что все тела состоят из мельчайших частиц — атомов, возникло ещё в глубокой древности, и его достаточно отчётливо сформулировали древнегреческие философы Левкипп (приблизительно 500–440 до н. э.) и Демокрит (460–371 до н. э.). Однако в дальнейшем атомистические воззрения были забыты. Только во второй половине XVII в. английский учёный Р. Бойль в книге «Химик-скептик» придал понятию «химический элемент» новый смысл, близкий к современному. Затем в XVIII–XIX вв. М. В. Ломоносов, Д. Дальтон, А. Крёниг, Л. Больцман, Д. Максвелл и другие учёные разрабатывали и совершенствовали атомистические воззрения в качестве научной теории, получившей название классической молекулярно-кинетической теории.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения:

1. Вещество имеет дискретное строение, т. е. состоит из микроскопических частиц.

2. Частицы вещества беспорядочно движутся.

3. Частицы вещества взаимодействуют между собой.

Дискретное строение вещества. Как вы уже знаете, реальность существования молекул подтверждают экспериментальные факты. Например, растворение веществ в воде и в других растворителях, механическое дробление вещества (рис. 3), сжатие и расширение всех тел и особенно газов, диффузия, броуновское движение и многое другое.

Вещество имеет дискретное строение, т. е. состоит из отдельных частиц (молекул, атомов, ионов). Глаз может различить две точки, если расстояние между ними не менее 0,1 мм. Благодаря современным оптическим микроскопам можно различать структуры с расстоянием между элементами порядка 200 нм и более. Они позволяют наблюдать и фотографировать очень большие молекулы, состоящие из сотен и даже тысяч атомов (молекулы некоторых витаминов, гормонов и белков). На рисунке 4 представлена фотография молекулы нуклеиновой кислоты нитевидной формы, общая длина которой 34 мкм.

Использование электронных микроскопов позволяет наблюдать и фотографировать атомарные структуры.

Расстояние между центрами соседних атомов золота r = 2,90 · 10 –10 м. Какое число атомов определяет толщину листочка золота, числовое значение которой d = 0,210 мкм?

Из истории физики

4 марта 1981 г. немецкий учёный Герд Бинниг и швейцарский учёный Генрих Рорер впервые в мире наблюдали отдельные атомы на поверхности кремния с помощью туннельного микроскопа (рис. 5). За разработку и создание электронного микроскопа (рис. 6, а) немецкому учёному Эрнсту Руске и за изобретение сканирующего туннельного микроскопа (рис. 6, б) Г. Биннигу и Г. Рореру присуждена Нобелевская премия по физике за 1986 г.

Тепловое движение частиц вещества. Молекулы, атомы и другие частицы, образующие вещество, находятся в непрерывном тепловом движении.

Тепловое движение — беспорядочное движение частиц вещества, интенсивность которого зависит от температуры тела.

В 1827 г. английский ботаник Роберт Броун (1773–1858), наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что частицы взвеси непрерывно двигались, описывая весьма причудливые траектории. Это движение частиц, признанное экспериментальным подтверждением теплового движения частиц вещества, назвали броуновским движением.

Броуновское движение — беспорядочное движение взвешенных* в жидкости или газе мельчайших нерастворимых твёрдых частиц размерами порядка 1 мкм и меньше.

Броуновские частицы движутся непрерывно и беспорядочно, а траектории их движений очень сложны. На рисунке 7 изображена упрощённая траектория движения броуновской частицы. Точками отмечены положения частицы через одинаковые промежутки времени. Траектория движения в течение каждого промежутка времени заменена отрезком прямой, который представляет собой модуль результирующего перемещения частицы.

Броуновское движение обусловлено свойствами жидкости или газа. Оно не зависит от природы вещества броуновской частицы и внешних воздействий (кроме температуры). Причиной броуновского движения является тепловое движение частиц среды, окружающих броуновскую частицу, и отсутствие точной компенсации ударов, испытываемых частицей со стороны окружающих её молекул (атомов или ионов) (рис. 8), поскольку движение молекул носит случайный характер.

Если взвешенная частица достаточно велика, то число молекул, налетающих на неё со всех сторон, чрезвычайно велико. Их удары в каждый момент времени компенсируются, и частица остаётся на месте. Чем меньше размеры и масса броуновской частицы, тем заметнее становятся изменения её импульса под воздействием ударов. Эти удары не уравновешивают друг друга, а порождают результирующую силу, меняющуюся по величине и направлению. Это и является причиной того, что броуновская частица движется случайным образом по всему объёму, занимаемому жидкостью или газом.

Интенсивность движения броуновских частиц растёт с повышением температуры и уменьшением вязкости среды. Броуновское движение едва удаётся подметить в глицерине, а в газах оно, напротив, чрезвычайно интенсивно.

1. Можно ли считать броуновским беспорядочное движение пылинок в воздухе (рис. 9)?

2. При рассмотрении в микроскопе капли крови можно увидеть на фоне бесцветной жидкости красные кровяные тельца, которые непрерывно и беспорядочно движутся (рис. 10). Как объяснить это явление?

Из истории физики

Первую количественную теорию броуновского движения предложил в 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879–1955). Польский физик Мариан Смолуховский (1872–1917) в 1906 г. также разработал количественную теорию броуновского движения. Экспериментальное подтверждение предложенной учёными теории явилось заслугой французского физика Жана Перрена (1870–1942). «За доказательство существования молекул» Ж. Перрену присуждена Нобелевская премия по физике за 1926 г.

Ещё одним подтверждением теплового движения частиц (молекул, атомов или ионов) вещества является диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание).

Диффузия — процесс взаимного проникновения частиц соприкасающихся веществ между частицами другого вещества вследствие их теплового движения.

Если частицы соприкасающихся веществ распределены в пространстве неоднородно, то данный процесс приводит к самопроизвольному выравниванию их концентраций.

Концентрация частиц — физическая величина, численно равная числу частиц, содержащихся в единичном объёме:

Если в разных частях одного и того же тела концентрации частиц не совпадают, то вследствие их теплового движения при постоянной температуре и отсутствии внешних сил происходит упорядоченное перемещение. Оно приводит к выравниванию концентраций (рис. 11).

Скорость диффузии зависит от характера движения частиц вещества, который определяется температурой и особенно агрегатным состоянием. В газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях, а тем более в твёрдых телах.

Диффузия играет важную роль в природе и технике. Благодаря диффузии осуществляется питание растений необходимыми веществами из почвы, в живых организмах происходит всасывание питательных веществ через стенки сосудов пищеварительного тракта. Для увеличения твёрдости стальных деталей их поверхностный слой подвергают диффузионному насыщению углеродом. Диффузию используют в ядерных технологиях как один из способов обогащения урана.

Что общего у броуновского движения и диффузии? Чем они различаются?

Интересно знать

Интересно знать Впервые воочию убедиться, что диффузия происходит не только в газах и жидкостях, но и в твёрдых телах, удалось в 1896 г. английскому металлургу Робертсу-Аустену. Он прижал друг к другу золотой диск и свинцовый цилиндр и поместил их на 10 суток в печь, в которой поддерживалась температура 200 °С. Когда печь открыли и извлекли из неё диск и цилиндр, оказалось, что их невозможно разъединить. Диффузия привела к тому, что золото и свинец буквально «проросли» друг в друга. В настоящее время такая технология соединения деталей хорошо изучена и получила название диффузионной сварки.

* Взвешенные частицы — это частицы с плотностью вещества, сравнимой с плотностью среды (жидкости или газа), в которой они находятся, распределившиеся определённым образом по всему объёму этой среды. ↑

Взаимодействие частиц вещества. Факт существования твёрдых и жидких тел подтверждает, что между частицами веществ, образующих эти тела, действуют силы взаимного притяжения. Именно этими силами частицы (молекулы, атомы или ионы) в телах удерживаются вместе.

Из повседневного опыта известно, что силы взаимного притяжения нагляднее всего проявляются в твёрдых телах. Тонкий стальной трос диаметром 2 мм достаточно прочен, чтобы удержать на весу гирю, масса которой 150 кг.

То, что газы занимают весь предоставленный им объём, указывает на весьма незначительное проявление сил взаимного притяжения между их молекулами*. Причина в том, что усреднённое расстояние между молекулами газов существенно превышает размеры самих молекул, а также расстояния между центрами соседних частиц жидкости и твёрдых тел.

Относительно малая сжимаемость жидкостей и твёрдых тел указывает на то, что между молекулами вещества существуют и силы взаимного отталкивания. Силы притяжения и силы отталкивания действуют одновременно. В противном случае устойчивых состояний больших совокупностей молекул не могло бы существовать: составляющие их частицы стягивались бы в одном месте или разлетались в разные стороны.

1. В одном из учебников, изданном в 1885 г., можно прочитать: «Твёрдый атом… живёт в виде невероятной, но всё ещё неопровергнутой гипотезы… Однако несравненно правдоподобнее теория, по которой материя… непрерывна, то есть не состоит из частиц с промежутками». Какие аргументы вы можете привести автору этих строк, чтобы доказать существование мельчайших частиц вещества?

2. Представьте себе, что ваш друг скептически относится к атомам и молекулам и полагает, что броуновское движение не является доказательством их существования. Он считает, что движение взвешенных в жидкости или газе частиц может быть также хорошо объяснено движением потоков воздуха или жидкости, их окружающих. Какие аргументы вы можете привести против такой интерпретации экспериментальных наблюдений (рис. 12)?

3. Почему броуновское движение заметно лишь у частиц с малыми размерами (d ≤ 1 мкм) и массой?

4. Почему стеклянную хорошо притёртую пробку трудно вынуть из горлышка стеклянного флакона?

5. Дополните схему в кратких выводах, добавив опытные обоснования основных положений молекулярно-кинетической теории.

* Несмотря на то что не все газы и жидкости состоят из молекул (они могут состоять и из атомов, и из ионов), в дальнейшем, говоря о газах и жидкостях, мы будем использовать термин «молекула». ↑

Источник

Квест на формирование и сплочение коллектива учащихся начальной школы: «Тропа Доверия»

Когда в одном месте собирается коллектив маленьких индивидуальностей, перед взрослым встает вопрос их объединения. Любую проблему общения между детьми 6–10 лет можно решить с помощью игры. Поэтому основная цель сплачивающих игр – снять эмоциональное напряжение каждого ребенка и создать благоприятную атмосферу для общения. Дети быстрее находят общий язык между собой, когда у них появляются общие интересы, единая цель для достижения. Игра должна проходить в доброжелательной атмосфере под руководством квалифицированного, привлекательного для участников ведущего. Важную роль играет соревновательный момент. С этой целью полезно будет разделить ребят на команды. Для младших школьников очень важно одержать победу над соперниками, к которой каждый будет причастен.

Оборудование: записи для музыкального сопровождения заданий (веселые, лирические), Маршрутные листы по количеству команд, листы газет по количеству участников, веревка (лента), таблички с буквами (цифрами или рисунками) по количеству участников, силуэты пчел с буквами на оборотной стороне (М, Ы, К, О, М, А,Н, Д, А), повязки на глаза, конверт в виде улья для пчел, где лежат листы шестиугольной формы по количеству участников команды, наборы цветных карандашей на каждого участника, один большой (из листа ватмана) шестиугольник.

Обращение ведущего квеста:

«Здравствуйте. Сегодня мы проведем для вас квест. Цель нашего квеста – сплочение коллектива и построение эффективного командного взаимодействия. Сплочение – это возможность для команды стать единым целым для достижений конкретных целей и задач. Ведь как хорошо, когда тебя понимает и поддерживает твой товарищ, он слышит тебя и может помочь, когда необходима эта помощь, и понимает тебя даже без слов. Сплоченный коллектив добивается многих вершин и побед. Мы приглашаем вас пройти «Тропу Доверия», чья команда будет единым коллективом сможет преодолеть все препятствия на этом пути и дойти до конца».

1 этап: игры, благодаря которым дети быстрее познакомятся, ближе узнают друг друга.

1) Упражнение «Здравствуйте» (все стоят в кругу).

Цель: активизировать участников группы, снятие тактильного напряжения.

— Рассчитайтесь на «белые» – «пушистые»! «Белые» образуют внутренний круг, «пушистые» – внешний, становясь лицом друг к другу. Внутренний круг стоит на месте, а внешний – меняет партнёров, двигаясь по часовой стрелке, выполняя команды ведущего. «Поздоровайтесь рукопожатием! Перешли! Пальчиками, кулачками, ладошками, локтями, плечами, спинами, коленями, пятками, лбами, носами и завершили рукопожатием». (Образовавшимся спонтанно в этой игре командам дается время: придумать названия, представиться друг другу, получить у жюри маршрутный лист для прохождения «Тропы Доверия»).

2) Игра «Слепой паровоз»

Цель: воспитывать взаимопонимание, внимательное отношение к состоянию друг друга.

Участники внутри своей команды, разбиваются по 3-5 человек и образуют своеобразный «поезд», цепляясь за талию впереди стоящего «вагончика». Видит путь только ребенок, изображающий последний вагон, у остальных завязаны (закрыты) глаза. Задача «паровозика» – под руководством зрячего дойти до нужного места, не сбившись с дороги.

По итогам игры командам выдается пчела с буквой «М».

2 этап: научить детей оценивать чужое и своё поведение, предвидеть его возможные последствия.

3) Игра «Всем построиться!»

Цель: научить самоконтролю, планированию своего поведения.

Участники в своих командах. По сигналу за короткое время игроки должны построиться в соответствии с каким-либо признаком: по количеству пуговиц, карманов, цвету волос или глаз, по росту, размеру обуви.

По итогам игры командам выдается пчела с буквой «Ы».

Цель: научить не бояться общения, быстро ориентироваться, находить единомышленников.

Необходима небольшая первичная настройка: группу просят закрыть глаза и представить, что каждый человек – маленький атом, а атомы, как известно, способны соединяться и образовывать молекулы, которые представляют собой достаточно устойчивые соединения. Далее следуют слова ведущего: «Сейчас вы откроете глаза и начнете беспорядочное движение в пространстве». По моему сигналу (сигнал оговаривается) вы объединитесь в молекулы, число атомов в которых я также назову. Когда будете готовы, откройте глаза». Участники начинают свободное перемещение в пространстве и, услышав сигнал ведущего, объединяются в молекулы. Подвигавшись, некоторое время цельным соединением, молекулы вновь распадаются на отдельные атомы. Затем ведущий снова дает сигнал, участники снова объединяются и т.п. Во время игры все участники беспорядочно двигаются по игровому полю, а руководитель каждые 1–2 минуты называет любую цифру от 1 до 10. Например, «три». Это значит, что все участники должны образовать группы из трёх человек. Игра заканчивается тогда, когда больше нет вариантов цифр.

По итогам игры командам выдается пчела с буквой «К».

3 этап: повышение атмосферы доброжелательности, сотрудничества.

Цель: учить самоконтролю, взаимопониманию.

Дети становятся кругом, держась за руки (по командам). Водящий пожимает соседу руку, эту же манипуляцию проделывают все участники. Засекается время, за которое импульс вернется к тому, кто его посылал. Необходимо добиться максимальной скорости передачи рукопожатия. Побеждает та, команда кто быстрее и правильнее передаст сигнал.

По итогам игры командам выдается пчела с буквой «О».

6) Игра «Печатная машинка»

Цель: учить правилам взаимоотношений человека с коллективом, внимательно слушать указания, находить свое место в коллективе, контролировать чувства и проступки.

Каждому участнику игры назначается одна из букв алфавита. Ведущий предлагает всем представить, что они – клавиши печатной машинки. На этой удивительной машинке можно печатать слова. Для этого «клавиши» должны по очереди хлопать в ладоши. Возьмем слово «дом». Чтобы его напечатать, должен вначале хлопнуть человек, у которого буква «Д», затем тот, у кого буква «О», и, наконец, тот, у кого буква «М». Чем быстрее они справятся с заданием, тем лучше. Ведущий предлагает ребятам все более длинные и сложные слова и фразы. Если играет меньше тридцати трех человек, можно не использовать редко встречающиеся буквы или подобрать слова, где они не используются.

По итогам игры командам выдается пчела с буквой «М».

Цель: научить терпимости в отношениях, пониманию, отзывчивости, коллективизму.

Подготовительный этап: подготовьте отдельные листы газеты для каждого участника, соответствующие музыкальные записи. Каждому игроку раздаётся по одному листу газеты, которые кладутся на пол. Каждый встаёт на свой лист и танцует под музыку, не сходя с газетного листа. Через 1,5–2 минуты руководитель забирает пять листов. Тот, кто остался без листа, должен попроситься к другому. По итогам игры командам выдается пчела с буквой «А».

Цель: учить дружбе, взаимопомощи, умению выполнять задание коллективно

Два человека натягивают верёвку. Остальные участники выстраиваются в колонну и, держась за руки, поочерёдно переходят через верёвку. Следующее задание колонне: поочерёдно пройти под верёвочкой. Уровень верёвки над полом постоянно меняется. Руки игрокам в колонне расцеплять нельзя.

По итогам игры командам выдается пчела с буквой «Н».

Цель: учить коллективному решению задач, правилам взаимоотношений с коллективом, замечать эмоциональное состояние других людей.

Загадывается слово, словосочетание или фраза (на усмотрение ведущего или участников). Один из игроков должен показать загаданное без слов, лишь только жестами, мимикой, и позами, то есть пантомимой. Игрок показывает слово, используя только мимику, жесты, движения. Ему запрещается произносить слова (любые, даже «да», «нет» и т.п.) и звуки, особенно те, по которым легко угадать слово (например, по звуку «мяу» можно легко догадаться, что загадана кошка). Запрещается губами проговаривать слова. Запрещается показывать загаданное слово по буквам, то есть показывать слова, первые буквы которых будут складывать загаданное слово!

По итогам игры командам выдается пчела с буквой «Д».

Цель: учить детей образовать группы.

Детям нужно не просто объединиться, но и правильно скоординировать свои действия, чтобы восстановить правильную последовательность.

По итогам игры командам выдается пчела с буквой «А».

Команды завершили движение по «Тропе Доверия», собирают всех пчелок и собирают из букв фразу «Мы команда!». Дети должны догадаться куда полетят пчелы? В улей. Каждой команде выдается улей, где лежат соты-шестигранники на каждого участника.

Завершающая игра «Наш герб»

Цель: осознание единения группы, сплочение коллектива.

Участники получают по одному листу шестиугольной формы и по набору цветных карандашей. Итак, ваше следующее задание. Вы должны создать свой герб, на котором должно быть написано ваше имя и какое-либо ваше положительное качество. Герб надо красиво оформить (раскрасить, сделать орнамент вдоль граней, изобразить свой портрет и т.п.) (Во время выполнения задания включается лирическая музыка). А теперь на шаблон шестиугольной формы здесь, на доске, вы наклеиваете свои гербы. На что похож общий герб? (На пчелиные соты). Соты – это прочная конструкция, т.к. пчелы чрезвычайно трудолюбивы, всегда готовы выручить друг друга и вместе строить прочный дом. Как вместе, одним словом можно назвать все отдельные “Я”? (“Мы” – подписывается на гербе на доске).

Источник

§ 1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Оглавление

Что представляет собой внутреннее строение любого вещества? Сплошное оно или имеет дискретную структуру? Почему свойства различных веществ отличаются друг от друга? От чего зависят те или иные свойства вещества?

Представление о том, что все тела состоят из мельчайших частиц — атомов, возникло ещё в глубокой древности, и его достаточно отчётливо сформулировали древнегреческие философы Левкипп (приблизительно 500–440 до н. э.) и Демокрит (460–371 до н. э.). Однако в дальнейшем атомистические воззрения были забыты. Только во второй половине XVII в. английский учёный Р. Бойль в книге «Химик-скептик» придал понятию «химический элемент» новый смысл, близкий к современному. Затем в XVIII–XIX вв. М. В. Ломоносов, Д. Дальтон, А. Крёниг, Л. Больцман, Д. Максвелл и другие учёные разрабатывали и совершенствовали атомистические воззрения в качестве научной теории, получившей название классической молекулярно-кинетической теории.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения:

1. Вещество имеет дискретное строение, т. е. состоит из микроскопических частиц.

2. Частицы вещества беспорядочно движутся.

3. Частицы вещества взаимодействуют между собой.

Дискретное строение вещества. Как вы уже знаете, реальность существования молекул подтверждают экспериментальные факты. Например, растворение веществ в воде и в других растворителях, механическое дробление вещества (рис. 3), сжатие и расширение всех тел и особенно газов, диффузия, броуновское движение и многое другое.

Вещество имеет дискретное строение, т. е. состоит из отдельных частиц (молекул, атомов, ионов). Глаз может различить две точки, если расстояние между ними не менее 0,1 мм. Благодаря современным оптическим микроскопам можно различать структуры с расстоянием между элементами порядка 200 нм и более. Они позволяют наблюдать и фотографировать очень большие молекулы, состоящие из сотен и даже тысяч атомов (молекулы некоторых витаминов, гормонов и белков). На рисунке 4 представлена фотография молекулы нуклеиновой кислоты нитевидной формы, общая длина которой 34 мкм.

Использование электронных микроскопов позволяет наблюдать и фотографировать атомарные структуры.

Расстояние между центрами соседних атомов золота r = 2,90 · 10 –10 м. Какое число атомов определяет толщину листочка золота, числовое значение которой d = 0,210 мкм?

Из истории физики

4 марта 1981 г. немецкий учёный Герд Бинниг и швейцарский учёный Генрих Рорер впервые в мире наблюдали отдельные атомы на поверхности кремния с помощью туннельного микроскопа (рис. 5). За разработку и создание электронного микроскопа (рис. 6, а) немецкому учёному Эрнсту Руске и за изобретение сканирующего туннельного микроскопа (рис. 6, б) Г. Биннигу и Г. Рореру присуждена Нобелевская премия по физике за 1986 г.

Тепловое движение частиц вещества. Молекулы, атомы и другие частицы, образующие вещество, находятся в непрерывном тепловом движении.

Тепловое движение — беспорядочное движение частиц вещества, интенсивность которого зависит от температуры тела.

В 1827 г. английский ботаник Роберт Броун (1773–1858), наблюдая в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде, обнаружил, что частицы взвеси непрерывно двигались, описывая весьма причудливые траектории. Это движение частиц, признанное экспериментальным подтверждением теплового движения частиц вещества, назвали броуновским движением.

Броуновское движение — беспорядочное движение взвешенных* в жидкости или газе мельчайших нерастворимых твёрдых частиц размерами порядка 1 мкм и меньше.

Броуновские частицы движутся непрерывно и беспорядочно, а траектории их движений очень сложны. На рисунке 7 изображена упрощённая траектория движения броуновской частицы. Точками отмечены положения частицы через одинаковые промежутки времени. Траектория движения в течение каждого промежутка времени заменена отрезком прямой, который представляет собой модуль результирующего перемещения частицы.

Броуновское движение обусловлено свойствами жидкости или газа. Оно не зависит от природы вещества броуновской частицы и внешних воздействий (кроме температуры). Причиной броуновского движения является тепловое движение частиц среды, окружающих броуновскую частицу, и отсутствие точной компенсации ударов, испытываемых частицей со стороны окружающих её молекул (атомов или ионов) (рис. 8), поскольку движение молекул носит случайный характер.

Если взвешенная частица достаточно велика, то число молекул, налетающих на неё со всех сторон, чрезвычайно велико. Их удары в каждый момент времени компенсируются, и частица остаётся на месте. Чем меньше размеры и масса броуновской частицы, тем заметнее становятся изменения её импульса под воздействием ударов. Эти удары не уравновешивают друг друга, а порождают результирующую силу, меняющуюся по величине и направлению. Это и является причиной того, что броуновская частица движется случайным образом по всему объёму, занимаемому жидкостью или газом.

Интенсивность движения броуновских частиц растёт с повышением температуры и уменьшением вязкости среды. Броуновское движение едва удаётся подметить в глицерине, а в газах оно, напротив, чрезвычайно интенсивно.

1. Можно ли считать броуновским беспорядочное движение пылинок в воздухе (рис. 9)?

2. При рассмотрении в микроскопе капли крови можно увидеть на фоне бесцветной жидкости красные кровяные тельца, которые непрерывно и беспорядочно движутся (рис. 10). Как объяснить это явление?

Из истории физики

Первую количественную теорию броуновского движения предложил в 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879–1955). Польский физик Мариан Смолуховский (1872–1917) в 1906 г. также разработал количественную теорию броуновского движения. Экспериментальное подтверждение предложенной учёными теории явилось заслугой французского физика Жана Перрена (1870–1942). «За доказательство существования молекул» Ж. Перрену присуждена Нобелевская премия по физике за 1926 г.

Ещё одним подтверждением теплового движения частиц (молекул, атомов или ионов) вещества является диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание).

Диффузия — процесс взаимного проникновения частиц соприкасающихся веществ между частицами другого вещества вследствие их теплового движения.

Если частицы соприкасающихся веществ распределены в пространстве неоднородно, то данный процесс приводит к самопроизвольному выравниванию их концентраций.

Концентрация частиц — физическая величина, численно равная числу частиц, содержащихся в единичном объёме:

Если в разных частях одного и того же тела концентрации частиц не совпадают, то вследствие их теплового движения при постоянной температуре и отсутствии внешних сил происходит упорядоченное перемещение. Оно приводит к выравниванию концентраций (рис. 11).

Скорость диффузии зависит от характера движения частиц вещества, который определяется температурой и особенно агрегатным состоянием. В газах диффузия происходит быстрее, чем в жидкостях, а тем более в твёрдых телах.

Диффузия играет важную роль в природе и технике. Благодаря диффузии осуществляется питание растений необходимыми веществами из почвы, в живых организмах происходит всасывание питательных веществ через стенки сосудов пищеварительного тракта. Для увеличения твёрдости стальных деталей их поверхностный слой подвергают диффузионному насыщению углеродом. Диффузию используют в ядерных технологиях как один из способов обогащения урана.

Что общего у броуновского движения и диффузии? Чем они различаются?

Интересно знать

Интересно знать Впервые воочию убедиться, что диффузия происходит не только в газах и жидкостях, но и в твёрдых телах, удалось в 1896 г. английскому металлургу Робертсу-Аустену. Он прижал друг к другу золотой диск и свинцовый цилиндр и поместил их на 10 суток в печь, в которой поддерживалась температура 200 °С. Когда печь открыли и извлекли из неё диск и цилиндр, оказалось, что их невозможно разъединить. Диффузия привела к тому, что золото и свинец буквально «проросли» друг в друга. В настоящее время такая технология соединения деталей хорошо изучена и получила название диффузионной сварки.

* Взвешенные частицы — это частицы с плотностью вещества, сравнимой с плотностью среды (жидкости или газа), в которой они находятся, распределившиеся определённым образом по всему объёму этой среды. ↑

Взаимодействие частиц вещества. Факт существования твёрдых и жидких тел подтверждает, что между частицами веществ, образующих эти тела, действуют силы взаимного притяжения. Именно этими силами частицы (молекулы, атомы или ионы) в телах удерживаются вместе.

Из повседневного опыта известно, что силы взаимного притяжения нагляднее всего проявляются в твёрдых телах. Тонкий стальной трос диаметром 2 мм достаточно прочен, чтобы удержать на весу гирю, масса которой 150 кг.

То, что газы занимают весь предоставленный им объём, указывает на весьма незначительное проявление сил взаимного притяжения между их молекулами*. Причина в том, что усреднённое расстояние между молекулами газов существенно превышает размеры самих молекул, а также расстояния между центрами соседних частиц жидкости и твёрдых тел.

Относительно малая сжимаемость жидкостей и твёрдых тел указывает на то, что между молекулами вещества существуют и силы взаимного отталкивания. Силы притяжения и силы отталкивания действуют одновременно. В противном случае устойчивых состояний больших совокупностей молекул не могло бы существовать: составляющие их частицы стягивались бы в одном месте или разлетались в разные стороны.

1. В одном из учебников, изданном в 1885 г., можно прочитать: «Твёрдый атом… живёт в виде невероятной, но всё ещё неопровергнутой гипотезы… Однако несравненно правдоподобнее теория, по которой материя… непрерывна, то есть не состоит из частиц с промежутками». Какие аргументы вы можете привести автору этих строк, чтобы доказать существование мельчайших частиц вещества?

2. Представьте себе, что ваш друг скептически относится к атомам и молекулам и полагает, что броуновское движение не является доказательством их существования. Он считает, что движение взвешенных в жидкости или газе частиц может быть также хорошо объяснено движением потоков воздуха или жидкости, их окружающих. Какие аргументы вы можете привести против такой интерпретации экспериментальных наблюдений (рис. 12)?

3. Почему броуновское движение заметно лишь у частиц с малыми размерами (d ≤ 1 мкм) и массой?

4. Почему стеклянную хорошо притёртую пробку трудно вынуть из горлышка стеклянного флакона?

5. Дополните схему в кратких выводах, добавив опытные обоснования основных положений молекулярно-кинетической теории.

* Несмотря на то что не все газы и жидкости состоят из молекул (они могут состоять и из атомов, и из ионов), в дальнейшем, говоря о газах и жидкостях, мы будем использовать термин «молекула». ↑

Источник