Номер 2, страница 12 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

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)?

Рис. 12

Предположение о том, что броуновское движение вызвано макроскопическими потоками жидкости или воздуха, а не хаотичным движением атомов и молекул, противоречит ряду ключевых экспериментальных наблюдений. Чтобы убедить в этом вашего друга-скептика, можно привести следующие аргументы:

• Характер движения. Движение броуновской частицы абсолютно хаотично и непредсказуемо. Частица постоянно и случайным образом меняет направление и скорость своего движения. Если бы причиной были потоки жидкости или воздуха (например, конвекционные), то они имели бы определённое, пусть и сложное, направление. В этом случае все взвешенные частицы, находящиеся поблизости, двигались бы согласованно, в одном общем направлении. Однако в эксперименте наблюдается, что соседние частицы движутся совершенно независимо друг от друга, что полностью опровергает идею о едином потоке, увлекающем их за собой.
• Движение в условиях равновесия. Броуновское движение никогда не прекращается, даже если жидкость находится в полной изоляции от внешних воздействий (механических вибраций, сквозняков) и при постоянной температуре (в состоянии термодинамического равновесия). Макроскопические потоки, такие как конвекция, возникают только при наличии разности температур. В системе с однородной температурой любые потоки должны были бы быстро затухнуть из-за вязкости. Тот факт, что движение частиц продолжается бесконечно долго при постоянной температуре, указывает на то, что его причина – внутреннее, тепловое движение самой среды, которое не прекращается, пока температура выше абсолютного нуля.
• Зависимость от характеристик частиц и среды. Интенсивность броуновского движения сильно зависит от размера взвешенных частиц и свойств среды.
  • Чем меньше размер частицы, тем быстрее и активнее она движется.
  • Чем выше температура среды, тем интенсивнее движение.
  • Чем больше вязкость среды, тем движение слабее.

  Гипотеза о потоках не может внятно объяснить эти зависимости, особенно обратную связь с размером частицы. Молекулярно-кинетическая теория же объясняет это идеально: на маленькую частицу с малой инертностью неуравновешенные удары молекул среды оказывают гораздо более заметное влияние, чем на крупную. Повышение температуры увеличивает энергию молекул и силу их ударов, а вязкость создаёт большее сопротивление движению частицы.

• Количественное теоретическое описание. Существование атомов и молекул не просто качественное объяснение, оно подтверждено количественной теорией, разработанной Альбертом Эйнштейном и Марианом Смолуховским. Их теория точно предсказывает, как среднее смещение броуновской частицы зависит от температуры, вязкости и размера частицы. Формула для среднего квадрата смещения $\langle (\Delta x)^2 \rangle$ за время $t$ выглядит так:

  $\langle (\Delta x)^2 \rangle = \frac{k_B T}{3\pi\eta r} t$

  где $T$ – абсолютная температура, $\eta$ – вязкость жидкости, $r$ – радиус частицы, а $k_B$ – фундаментальная физическая константа, постоянная Больцмана, напрямую связанная с идеей о дискретном строении вещества. Экспериментальная проверка этой формулы, проведённая Жаном Перреном, с высокой точностью подтвердила теорию и позволила вычислить число Авогадро. Это стало одним из решающих доказательств реальности атомов и молекул. Гипотеза о макроскопических потоках не способна дать подобные точные количественные предсказания.

Таким образом, хаотичность, непрерывность в равновесных условиях и чёткие зависимости от параметров системы, подкреплённые строгой количественной теорией, являются мощными аргументами в пользу того, что броуновское движение — это прямое следствие существования и теплового движения атомов и молекул.

Ответ: Аргументами против гипотезы о том, что броуновское движение вызвано потоками жидкости или газа, являются: 1) абсолютно хаотичный и независимый характер движения соседних частиц, что противоречит идее направленного потока; 2) непрекращающееся движение в системе, находящейся в полном тепловом равновесии и изоляции, где любые макроскопические потоки должны отсутствовать; 3) чёткая зависимость интенсивности движения от размера частиц (чем меньше частица, тем интенсивнее движение), температуры и вязкости среды; 4) существование точной количественной теории (теории Эйнштейна-Смолуховского), которая связывает наблюдаемые характеристики движения с фундаментальными константами (постоянной Больцмана, числом Авогадро) и была блестяще подтверждена экспериментально.