布朗運動一直是高中物理學習中的難點，很多同學害怕布朗運動，老師們教學中也存在一些因為知識缺陷導致的教學局限。
一、什么是布朗運動，布朗運動的實質 ? ??? ?1、布朗粒子 ? ? ? ?首先一個基本問題是，布朗運動到底是指的什么東西的運動。 ? ? ? ?作布朗運動的，是懸浮在液體或氣體中的固體顆粒，比如花粉顆粒或墨汁顆粒。為了更加突出這個問題，我把這種固體顆粒稱之為布朗粒子。所謂布朗運動，實際上是布朗粒子的運動。 ? ? ? ?布朗粒子的尺度，一般來說在10－7m~10-5m之間，肉眼無法看到，必須顯微鏡下才能觀測到布朗粒子。因此，陽光下肉眼看得到的空氣中漂浮的塵埃不能算布朗粒子。 ? ? ? ?一個易錯點是，很多同學以為布朗運動是液體或氣體分子的運動，這是錯的！布朗運動，是布朗粒子的運動，也就是懸浮的固體顆粒的運動。 ? ? ???2、布朗粒子運動的機制 ? ? ? ?布朗粒子并非因為自身“生命活動”而運動，而是被周圍的液體或氣體分子撞擊導致的運動。 ? ? ? ?那么，為什么通常所見的浸在水里的石頭沒有發生無規則的不停息的運動，它不一樣時刻受到周圍液體分子的撞擊作用嗎？ ? ? ? ?實際上，所有浸在液體或氣體中的固體都會受到周圍分子的撞擊作用，但是，只有尺度小到布朗粒子尺度，這種撞擊作用才會導致被撞擊固體顆粒明顯的無規則運動。這是為什么呢？ ? ? ? ?液體（或氣體）分子對固體顆粒撞擊的不平衡性！ ? ? ? ?只有顆粒足夠小時，同時撞擊到顆粒上的分子數才不太多，這樣，某一時刻撞到固體顆粒左右兩側（或前后兩側、上下兩側）的液體分子數目、撞擊力度就很難相互平衡（如下圖所示），也就是固體顆粒在某一時刻所受撞擊力合力朝向一側，而不是零，這就會使固體顆粒向合力一側加速。 固體顆粒太大，比如達到看得到的石塊那么大，可以說，周圍液體分子對石塊左右兩側的撞擊力基本上平衡了；另外，石塊質量太大，即便是周圍分子對它的撞擊力有些微的不平衡，也無法產生可觀的加速度，也就無法引起石塊的明顯變速運動。而布朗粒子質量小，合力就會引起較大的加速度，因而很容易改變運動狀態，便可以產生可觀的無規則運動。 ? ? ? ?3、布朗運動的特點 ? ? ??（1）無規則 ? ? ? ?如下圖所示，每隔一段時間觀察記錄一次布朗粒子的位置，將得到布朗粒子無規則運動的直觀圖景。圖中兩點之間雖然用直線連起來了，但這并不表示布朗粒子在兩點間就是作直線運動，如果記錄的時間間隔更短一些，兩點之間的粒子連線將是更加細致的無規則折線。 ?布朗粒子運動的無規則，實際上是周圍液體（或氣體）分子的熱運動永不停息且無規則，導致它們對布朗粒子的撞擊也就不停息且無規則，布朗粒子每時每刻所受的撞擊合力方向、大小都各不相同，布朗粒子的運動當然就無規則了。 ? ? ??（2）溫度越高，布朗運動越明顯 ? ? ? ?溫度越高，液體（或氣體）分子無規則的熱運動也就越劇烈，它們對布朗粒子的撞擊力度、不平衡性也就越明顯，所以，布朗粒子的無規則運動也就越劇烈。 ? ? ??（3）固體顆粒越小，布朗運動越明顯 ? ? ? ?這個問題前面已經做了解釋，那就是布朗顆粒越小，周圍液體（或氣體）分子對它撞擊的不平衡性也就越明顯；同時，布朗粒子質量越小，同樣的力引起的加速度也就越大，布朗粒子的運動狀態也就更容易改變。 ? ? ? ?4、布朗運動是液體（或氣體）分子無規則熱運動的反映 ? ? ? ?從上述分析可以看出這個結論。在此就不贅述。這里容易犯錯的是，以為布朗運動就是液體（或氣體）分子的運動，或者以為布朗運動是布朗粒子內部分子熱運動的反映。這都是沒有準確理解布朗粒子的運動機制導致的。 二、布朗運動的范圍 ? ? ? 高中物理課本上，并沒有給出布朗運動的定義，而只是說像花粉顆粒或墨汁顆粒這種懸浮在液體中的顆粒的無規則運動，被稱之為布朗運動。 ? ? ??很多老師據此就認為，布朗運動只是液體中才能發生，不知道“靜止”氣體中懸浮固體顆粒的無規則運動也是布朗運動，比如PM2.5的運動。 ? ? ? 課本上不給出布朗運動的定義，而只是舉例說明，是有原因的，那就是在其他情況下也有布朗運動的發生。 ? ? ? 首先，固體中也可以發生布朗運動，嵌入某種固體物質中的其他固體顆粒，也會受到無規則熱運動的固體分子的撞擊而作無規則的運動，這也是布朗運動。不過是，固體中的布朗運動通常情況下沒有液體、氣體中明顯，因為固體物質中分子運動沒有液體氣體中分子運動那么自由和劇烈。 ? ? ? 其次，在熱輻射腔（黑體空腔）里，光子被不斷的吸收、發射，大量光子的運動也就類似于氣體分子的運動，動量大小、方向各異，這時，輻射腔內懸浮的電子就會不斷的被光子撞擊（實質是吸收光子和輻射新光子），電子的運動也就如同懸浮在液體中的花粉顆粒一樣無規則的運動起來。電子在光子氣中的無規則運動，也是布朗運動。 ? ? ? ?由此可見，布朗運動實際上就是較大的粒子受到很小的粒子無規則撞擊的不平衡性所導致的無規則運動。 三、布朗運動的歷史 ? ? ??1、布朗的發現 ? ? ? ?最早觀察到布朗運動的是英國植物學家布朗，他在1827年通過顯微鏡觀察到懸浮在水中的花粉顆粒的不停息的無規則運動。 ? ? ? 最開始他以為是花粉顆粒的生命運動導致的，后來他又觀察了存放了上百年的花粉顆粒以及一些沒有生命的無機物粉末，一樣的觀察到了這種無規則的運動。 ? ? ??2、德爾索的分析 ? ? ??布朗運動最開始被以為是儀器的震動、液體的對流引起的，但是進一步實驗表明，在盡可能排除外界干擾的情況下，只要固體顆粒夠小，任何液體，甚至氣體中都會發生這樣的運動！這說明，布朗粒子的運動，不可能是外界影響導致的。 ? ? ???1877年，德爾索指出，布朗粒子的運動是受到液體分子從四面八方撞擊的不平衡所引起的。這實際上就是高中課本上對布朗運動的解釋。 ? ? ??3、愛因斯坦的貢獻 ? ? ? 德爾索的論斷缺乏系統的定量的分析，加之原子、分子之說在十九世紀除了麥克斯韋、玻爾茲曼等少數物理學家和道爾頓、阿伏加德羅等幾個化學家所認可外，大部分嚴肅的科學家都是認為那是無根無據的，不值得信任的。即便是十九世紀末電子被發現，也依然沒引起大家的足夠認可。年輕的玻爾茲曼甚至因為原子、分子論基礎上建立起來的統計物理學不被大家認可而早早的結束了自己可貴的生命！ ? ? ? 是愛因斯坦1905年發表的三篇偉大論文之一《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮粒子的運動》，拯救了原子、分子學說，物理學家們才停止了懷疑，認可了原子分子的存在。 ? ? ? ?愛因斯坦在這篇文章中，根據麥克斯韋和玻爾茲曼的分子速率分布律的統計理論，定量的分析指出，如果固體顆粒受到的正是麥克斯韋、玻爾茲曼所描述規律運動的看不見的粒子（分子或原子）的不斷的撞擊的話，固體顆粒的運動恰恰就是布朗所觀察到的這種形式！ 作者：陳恩譜物理