什么是布朗運動(dòng)？

什么是布朗運動(dòng)？

布朗運動(dòng)是講看起來(lái)連成一片的液體，在高倍顯微鏡下看其實(shí)是由許許多多分子組成的。液體分子不停地做無(wú)規則的運動(dòng)，不斷地隨機撞擊懸浮微粒。當懸浮的微粒足夠小的時(shí)候，由于受到 的來(lái)自各個(gè)方向的液體分子的撞擊作用是不平衡的。在某一瞬間，微粒在另一個(gè)方向受到的撞擊作用超強的時(shí)候，致使微粒又向其它方向運動(dòng)，這樣，就引起了微粒的無(wú)規則的運動(dòng)就是布朗 運動(dòng)。

布朗運動(dòng)定義：被分子撞擊的懸浮微粒做無(wú)規則運動(dòng)的現象叫做布朗運動(dòng)

布朗運動(dòng)案例：在顯微鏡下觀(guān)察懸浮在水中的藤黃粉、花粉微粒，或在無(wú)風(fēng)情形觀(guān)察空氣中的煙粒、塵埃時(shí)都會(huì )看到這種運動(dòng)。溫度越高，運動(dòng)越激烈。

它是1827年植物學(xué)家R.布朗最先用顯 微鏡觀(guān)察懸浮在水中花粉的運動(dòng)而發(fā)現的。作布朗運動(dòng)的粒子非常微小，直徑約1~10微米， 在周?chē)后w或氣體分子的碰撞下，產(chǎn)生一種漲落不定的凈作用力，導致微粒的布朗運動(dòng)。

如果布朗 粒子相互碰撞的機會(huì )很少，可以看成是巨大分子組成的理想氣體，則在重力場(chǎng)中達到熱平衡后，其數密度按高度的分布應遵循玻耳茲曼分布。

J.B.佩蘭的實(shí)驗證實(shí)了這一點(diǎn)，并由此相當精確 地測定了阿伏伽德羅常量及一系列與微粒有關(guān)的數據。

1905年A.愛(ài)因斯坦根據擴散方程建立了布朗運動(dòng)的統計理論。布朗運動(dòng)的發(fā)現、實(shí)驗研究和理論分析間接地證實(shí)了分子的無(wú)規則熱運動(dòng) ，對于氣體動(dòng)理論的建立以及確認物質(zhì)結構的原子性具有重要意義，并且推動(dòng)統計物理學(xué)特別是漲落理論的發(fā)展。

由于布朗運動(dòng)代表一種隨機漲落現象，它的理論對于儀表測量精度限制的研 究以及高倍放大電訊電路中背景噪聲的研究等有廣泛應用。

這是1826年英國植物學(xué)家布朗（1773-1858）用顯微鏡觀(guān)察懸浮在水中的花粉時(shí)發(fā)現的。后來(lái)把懸浮微粒的這種運動(dòng)叫做布朗運動(dòng)。不只是花粉和小炭粒，對于液體中各種不同的懸浮微粒，都 可以觀(guān)察到布朗運動(dòng)。布朗運動(dòng)可在氣體和液體中進(jìn)行。

布朗運動(dòng)五大特點(diǎn)：

布朗運動(dòng)無(wú)規則每個(gè)液體分子對小顆粒撞擊時(shí)給顆粒一定的瞬時(shí)沖力，由于分子運動(dòng)的無(wú)規則性，每一瞬間，每個(gè)分子撞擊時(shí)對小顆粒的沖力大小、方向都不相同，合力大小、方向隨時(shí)改變，因而布朗運動(dòng)是無(wú)規則的。

布朗運動(dòng)永不停歇

因為液體分子的運動(dòng)是永不停息的，所以液體分子對固體微粒的撞擊也是永不停息的。

布朗運動(dòng)顆粒越小，布朗運動(dòng)越明顯

顆粒越小，顆粒的表面積越小，同一瞬間，撞擊顆粒的液體分子數越少，據統計規律，少量分子同時(shí)作用于小顆粒時(shí)，它們的合力是不可能平衡的。而且，同一瞬間撞擊的分子數越少，其合 力越不平衡，又顆粒越小，其質(zhì)量越小，因而顆粒的加速度越大，運動(dòng)狀態(tài)越容易改變，故顆粒越小，布朗運動(dòng)越明顯。

溫度越高，布朗運動(dòng)越明顯溫度越高，液體分子的運動(dòng)越劇烈，分子撞擊顆粒時(shí)對顆粒的撞擊力越大，因而同一瞬間來(lái)自各個(gè)不同方向的液體分子對顆粒撞擊力越大，小顆粒的運動(dòng)狀態(tài)改變 越快，故溫度越高，布朗運動(dòng)越明顯。

布朗運動(dòng)肉眼看不見(jiàn)

做布朗運動(dòng)的固體顆粒很小，肉眼是看不見(jiàn)的，必須在顯微鏡才能看到。布朗運動(dòng)間接反映并證明了分子熱運動(dòng)。

布朗運動(dòng)產(chǎn)生的原因及歷史進(jìn)程：

1827年，蘇格蘭植物學(xué)家羅伯特·布朗發(fā)現水中的花粉及其它懸浮的微小顆粒不停地作不規則的曲線(xiàn)運動(dòng)，稱(chēng)為布朗運動(dòng)。人們長(cháng)期都不知道其中的原理。

50年后，J·德耳索提出這些微小顆 粒是受到周?chē)肿拥牟黄胶獾呐鲎捕鴮е碌倪\動(dòng)。后來(lái)得到愛(ài)因斯坦的研究的證明。

布朗運動(dòng)也就成為分子運動(dòng)論和統計力學(xué)發(fā)展的基礎。

懸浮在液體或氣體中的微粒(線(xiàn)度~10－3mm)表現出的永不停止的無(wú)規則運動(dòng)，如墨汁稀釋后碳粒在水中的無(wú)規則運動(dòng)，藤黃顆粒在水中的無(wú)規則運動(dòng)……。而且溫度越高，微粒的布朗運動(dòng)越 劇烈。布朗運動(dòng)代表了一種隨機漲落現象。

布朗運動(dòng)是大量分子做無(wú)規則運動(dòng)對懸浮的固體微粒各個(gè)方向撞擊作用的不均衡性造成的，所以布朗運動(dòng)是大量液體分子集體行為的結果。

布朗的發(fā)現是一個(gè)新奇的現象，它的原因是什么？人們是迷惑不解的。在布朗之后，這一問(wèn)題一再被提出，為此有許多學(xué)者進(jìn)行過(guò)長(cháng)期的研究。一些早期的研究者簡(jiǎn)單地把它歸結為熱或電等 外界因素引起的。

最早隱約指向合理解釋的是維納(1826——1896)，1863年他提出布朗運動(dòng)起源于分子的振動(dòng)，他還公布了首次對微粒速度與粒度關(guān)系的觀(guān)察結果。不過(guò)他的分子模型還不是 現代的模型，他看到的實(shí)際上是微粒的位移，并不是振動(dòng)。

布朗運動(dòng)流動(dòng)根源

在維納之后，S·?？怂辜{也測定了微粒的移動(dòng)速度。他提出布朗運動(dòng)是由于微觀(guān)范圍的流動(dòng)造成的，他沒(méi)有說(shuō)明這種流動(dòng)的根源，但他看到在加熱和光照使液體粘度降低時(shí)，微粒的運動(dòng)加劇了。就這樣，維納和S·?？怂辜{都把布朗運動(dòng)歸結為物系自身的性質(zhì)。這一時(shí)期還有康托尼，他試圖在熱力理論的基礎上解釋布朗運動(dòng)，認為微?？梢钥闯墒蔷薮蠓肿?，它們與液體介質(zhì)處于熱平衡，它們與液體的相對運動(dòng)起源于滲透作用和它們與周?chē)后w之間的相互作用。

布朗運動(dòng)撞擊微粒到了70——80年代，一些學(xué)者明確地把布朗運動(dòng)歸結為液體分子撞擊微粒的結果，這些學(xué)者有卡蓬內爾、德?tīng)査骱吞萑鸢?，還有耐格里。植物學(xué)家耐格里(1879)從真菌、細菌等通過(guò)空氣傳播的現象，認為這些微粒即使在靜止的空氣中也可以不沉。聯(lián)系到物理學(xué)中氣體分子以很高速度向各方向運動(dòng)的結論，他推測在陽(yáng)光下看到的飛舞的塵埃是氣體分子從各方向撞擊的結果。

他說(shuō)：“這些微小塵埃就象彈性球一樣被擲來(lái)擲去，結果如同分子本身一樣能保持長(cháng)久的懸浮?！辈贿^(guò)耐格里又放棄了這一可能達到正確解釋的途徑，他計算了單個(gè)氣體分子和塵埃微粒發(fā)生彈性碰撞時(shí)微粒的速度，結果要比實(shí)際觀(guān)察到的小許多數量級，于是他認為由于氣體分子運動(dòng)的無(wú)規則性，它們共同作用的結果不能使微粒達到觀(guān)察速度值，而在液體中則由于介質(zhì)和微粒的摩擦阻力和分子間的粘附力，分子運動(dòng)的設想不能成為合適的解釋。

布朗運動(dòng)解決難題

1874——1880年間，卡蓬內爾、德耳索和梯瑞昂的工作解決了耐格里遇到的難題。這里的關(guān)鍵是他們認為由于分子運動(dòng)的無(wú)規則性和分子速度有一分布，在液體或氣體中的微觀(guān)尺度上存在密 度和壓力的漲落。這種漲落在宏觀(guān)尺度上抵消掉了。但是如果壓方面足夠微小，這種不均勻性就不能抵消，液體中的相應的擾動(dòng)就能表現出來(lái)。因此懸浮在液體中的微粒只要足夠小，就會(huì )不 停地振蕩下去?？ㄅ顑葼柮鞔_地指出唯一影響此效應的因素是微粒的大小，不過(guò)他把這種運動(dòng)主要看成振蕩，而德耳索根據克勞修斯把分子運動(dòng)歸結為平動(dòng)和轉動(dòng)的觀(guān)點(diǎn)，認為微粒的運動(dòng)是 無(wú)規則位移，這是德耳索的主要貢獻。

布朗運動(dòng)實(shí)驗觀(guān)察

此后，古伊在1888——1895年期間對布朗運動(dòng)進(jìn)行過(guò)大量的實(shí)驗觀(guān)察。古伊對分子行為的描述并不比卡蓬內爾等人高明，他也沒(méi)有弄清漲落的見(jiàn)解。

不過(guò)他的特別之處是他強調的不是對布朗 運動(dòng)的物理解釋?zhuān)前巡祭蔬\動(dòng)作為探究分子運動(dòng)性質(zhì)的一個(gè)工具。

他說(shuō)：“布朗運動(dòng)表明，并不是分子的運動(dòng)，而是從分子運動(dòng)導出的一些結果能向我們提供直接的和可見(jiàn)的證據，說(shuō)明對熱本質(zhì)假設的正確性。按照這樣的觀(guān)點(diǎn)，這一現象的研究承擔了對分子物理學(xué)的重要作用?！惫乓恋奈墨I產(chǎn)生過(guò)重要的影響，所以后來(lái)貝蘭把布朗運動(dòng)正確解釋的來(lái)源歸功于古伊。

布朗運動(dòng)研究工作

到了1900年，F·?？怂辜{完成了布朗運動(dòng)前期研究的最后工作。他用了許多懸濁液進(jìn)行了和他的父親S·?？怂辜{30年前作過(guò)的同類(lèi)研究。

他測定了微粒在1min內的位移，與前人一樣，證實(shí)了微粒的速度隨粒度增大而降低，隨溫度升高而增加。他清楚地認識到微粒作為巨大分子加入了液體分子的熱運動(dòng)，指出從這一觀(guān)點(diǎn)出發(fā)“就可以得出微粒的動(dòng)能和溫度之間的關(guān)系。

”他說(shuō) ：“這種可見(jiàn)的運動(dòng)及其測定值對我們清楚了解液體內部的運動(dòng)會(huì )有進(jìn)一步的價(jià)值”。

布朗運動(dòng)研究情況

以上是1900年前對布朗運動(dòng)研究的基本情況。自然，這些研究與分子運動(dòng)論的建立是密切相關(guān)的。由麥克斯威和玻爾茲曼在60——70年代建立的氣體分子運動(dòng)論在概念上的一個(gè)重大發(fā)展是拋棄了對單個(gè)分子進(jìn)行詳細跟蹤的方法，而代之以對大量分子的統計處理，這為弄清布朗運動(dòng)的根源打下了基礎。與布朗運動(dòng)的研究有密切關(guān)系的還有在60年代由格雷哈姆建立的膠體科學(xué)。

所謂膠體是由粒度介于宏觀(guān)粒子和微觀(guān)分子之間的微粒形成的分散體系，布朗運動(dòng)正是膠體粒子在液體介質(zhì)中表現的運動(dòng)。

對于布朗運動(dòng)的研究，1900年是個(gè)重要的分界線(xiàn)。至此，布朗運動(dòng)的適當的物理模型已經(jīng)顯明，剩下的問(wèn)題是需要作出定量的理論描述了。

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