Молекулы всех тел непрерывно движутся. На это указывает явление, которое открыл британский ботаник Роберт Броун в 1827 году. Он рассматривал в микроскоп крохотные частички растений, находящиеся в жидкости, и заметил, что они непрерывно движутся.
Движение частичек было беспорядочным, иначе говоря, хаотичным. Это движение назвали броуновским движением. А сами частички назвали броуновскими частицами.
Броуновское движение никогда не прекращается. Однако оно может менять интенсивность в зависимости от температуры. При повышении температуры движение ускоряется, а при снижении — замедляется.
Если смотреть на броуновские частицы в микроскоп, то, кажется, что они двигаются сами по себе. Но это не так. Их двигают молекулы жидкости, в которой они находятся. Просто молекулы настолько малы, что их невозможно увидеть в оптический микроскоп.
Они сами двигаются непрерывно и бесконечно.
Большие группы молекул постоянно ударяются о броуновские частицы. В один момент времени, с одной стороны частицы, оказывается больше молекул, чем с других сторон. Большая группа молекул сдвигает частицу в сторону меньшей группы молекул. Причём чем меньше частица, тем дальше её могут сдвинуть молекулы.
В следующий момент, по любой другой стороне бьёт больше молекул и направление движения частицы меняется. Этот процесс происходит бесконечно. Он является причиной хаотичного движения частиц, иначе говоря, броуновского движения.
Непрерывное движение позволяет одним молекулам перемешиваться с другими. Этот процесс мы испытываем на себе постоянно.
Если внести в комнату ароматное вещество, например кофе, то его молекулы будут смешиваться с молекулами воздуха и постепенно распространятся на весь объём помещения. Таким образом, мы можем почувствовать запах кофе, находясь в нескольких метрах от него.
Рассмотрим следующий опыт.
Возьмём прозрачный сосуд, до половины наполненный раствором медного купороса. Это жидкость синего цвета тяжелее воды. Поверх раствора нальём воду. Сначала между жидкостями будет видна чёткая граница. Но, постепенно, молекулы вблизи границы будут меняться местами, и соответственно она будет размываться. Со временем молекулы медного купороса проникают ещё глубже в воду, а молекулы воды всё глубже проникают в медный купорос. Граница становится вовсе не видна. Когда молекулы полностью перемешаются, окраска жидкости станет однородной.
В данном опыте мы сталкиваемся с физическим явлением, под названием диффузия.
Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.
Она происходит в газах, жидкостях и даже в твёрдых телах.
Быстрее всего смешиваются газы. Жидкости смешиваются гораздо медленнее. Но дольше всего диффузия происходит в твёрдых телах.
В одном из опытов, гладко отшлифованные пластинки свинца и золота положили одну на другую и поставили на них груз. При комнатной температуре, лишь за 5 лет золото и свинец «срослись», взаимно проникнув друг в друга на расстояние 1 мм.
Разница в скорости диффузии происходит по следующим причинам. Молекулы твёрдого вещества как бы закреплены в стройных рядах. Они только колеблются на своих местах и очень редко их покидают. Расстояние между молекулами жидкости того же порядка, что и расстояние между молекулами твёрдого тела. Но, тем не менее, они способны «бродить» друг между другом. А молекулы газа находятся на большом расстоянии друг от друга и перемещаются относительно свободно.
Скорость отдельных молекул сотни метров в секунду. Тем не менее, диффузия происходит на порядки медленнее. Иначе запах распространялся бы на сотни метров за секунду. Этого не происходит, потому что молекулы одного вещества проникают в другое вещество не по прямой траектории. Они постоянно сталкиваются с молекулами другого вещества, и меняют направление движения. Получается одни молекулы как бы «мешают» другим молекулам быстро проникать вглубь вещества.
Скорость диффузии зависит ещё и от температуры. Чем выше температура, тем с большей скоростью движутся молекулы. А чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее они смешиваются. Получается диффузия ускоряется с ростом температуры.
Например, если мы нагреем вышеуказанные пластины свинца и золота до нескольких сотен градусов цельсия, то они «срастутся» не за 5 лет, а за несколько суток или даже часов.
Диффузия играет большую роль в природе. Например, она поддерживает однородный состав воздуха в атмосфере.