基于生活中的物理現象探究中學物理中的擴散現象與布朗運動的區別與聯系

高旭陽

（沂南一中，沂南 276300）

1 引言

生活中我們周圍存在著很多物體會在一定的條件或者環境下產生向周邊進行擴散的現象，這些現象或多或少會對我們的生活產生一定的影響，而且這一現象是一部分科學家們一直在致力研究的方向，但一般情況下，在沒有足夠的知識儲備和好奇心時，但人們不會對這些現象產生了解和求知的興趣。我在生活中對常見的一些現象都保持著一種求知欲望，且在學校的物理學習過程中了解到了與擴散現象極為相像的布朗運動。本文通過探尋發生這兩種現象的原理，從而將兩種現象應用于生活。

2 研究過程

2.1 認識擴散現象

在生活中我們對擴散現象的認識大概是物體會從一個中心點往四周伸展出去，或者這個物體擴散之前受到約束的話他會向著特定的方向擴散。通過對擴散現象相關文獻的進一步研究，我發現學者們已經對擴散現象已經有了較為明確的分類界定，他們將擴散現象分為互擴散、自擴散、熱擴散三種，隨后我通過相關視頻對學者們的分類分別進行了認識和區分。什么是互擴散呢？例如把白墨水和紅墨水放在同一個密閉容器里，黑墨水放在左邊，紅墨水放在右邊，中間用隔板隔開，兩部分液體壓強、溫度全部相等。如果把隔板抽出，我們會觀察到，右邊的紅墨水逐漸向左邊的黑墨水擴散，與此同時，左邊的黑墨水也逐漸向右邊的紅墨水擴散。經過一段時間后，兩種顏色不同的液體會融為一體，直至均勻分布在容器中，這就是互擴散。而自擴散是一種使發生互擴散的兩種氣體分子之間的量變小，使它們相互擴散的速率趨于相等的互擴散過程，而自擴散現象只有用放射性同位素技術才能測出。最后一種熱擴散，是指流體分子因溫度差而引起的擴散。

通過對文獻的查找，結合老師的講解，我認識到擴散現象是氣體分子的內遷現象。微觀角度是大量氣體分子做無規則熱運動時，分子之間不斷碰撞的結果。在分子分布多的地方，分子之間碰撞的幾率大，次數多，所以向周圍擴散的幅度大，不斷這樣擴散形成均勻分布的狀態。

2.2 認識布朗運動

1827年英國植物學家R.布朗觀察到花粉顆粒在其水溶液中進行著不停息的無規則運動。此后，科學家們發現除了花粉顆粒，其他懸浮在流體中的微粒，例如空氣中的塵埃，也能表現出這種無規則運動。因R.布朗是對這種現象進行科學研究的第一人，后人就把這種微粒的運動稱之為布朗運動。[1]

從J.德耳索首先指出布朗動是由于顆粒受到液體分子碰撞的不平衡力作用而引起的，到愛因斯坦發表了《關于熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》一文，分析布朗運動，再到皮蘭驗證愛因斯坦的理論[2]，人們在長期的研究過程中發現布朗運動有著五個鮮明的特點：第一是每個分子在不同時刻撞擊小顆粒沖力的方向、大小皆不相同，因而布朗運動是無規則的。第二是液體分子的運動是永不停息的，所以液體分子對固體微粒的撞擊也是永不停息的。第三是顆粒越小，則其質量越小，在外力一定時，顆粒受撞擊瞬間的加速度越大，運動狀態越容易改變，故布朗運動越明顯。第四點是溫度越高，液體分子越不穩定，運動越劇烈，分子撞擊顆粒時對顆粒的撞擊力越大，小顆粒的運動狀態改變越快，故布朗運動越明顯。第五點因做布朗運動的固體顆粒很小，故肉眼是很難看見的，必須在顯微鏡下才能看到。

2.3 生活中的擴散現象

生活中有很多擴散現象，我們要用發現的眼睛來看待生活，舉幾個例子可以更好的幫助大家認識擴散現象。

固體擴散現象：常放煤泥的墻角會變得很黑，而且用水沖不干凈，這是因為黑煤已經擴散進墻角去了。

液體擴散現象：小河岸邊的角落里，有一個排污口在偷偷地排放污水，過了不一會兒，整條小河的水就變了顏色；清水中滴入幾滴黑墨水，過一段時間，水就都染上黑色了。

氣體擴散現象：隔壁鄰居炒菜，過了一會我就聞到了香味；房間里用了電蚊香，不久客廳也能聞到蚊香的香味。不僅有這三種擴散現象，還有一種熱量擴散，比如冬天，房間里開了暖氣或取暖器，過了一會整個房間就變得暖洋洋的了。[3]

2.4 生活中的布朗運動

每當晚上我們寫作業時，我們仔細觀察就能看到燈光照射下的空氣有漂浮的灰塵。這就是在沒有風的環境下，空氣中有很多氣體分子做無規則運動，打擊空氣中的灰塵，所以我們能看到灰塵漂浮。

吞噬細胞是人體中的一道防線，他們中有中性粒細胞。中性粒細胞在顯微鏡下可以分為定向運動和隨機運動。不規則的隨機運動就是布朗運動。

3 研究結論

3.1 布朗運動和擴散現象的區別

從定義看，布朗運動是懸浮顆粒由于分子的熱運動被撞擊而產生的運動。就像用顯微鏡看水中的花粉顆粒做無規則運動，原因就是水分子因為分子熱運動而撞擊花粉。擴散現象是由于分子熱運動而產生的質量遷移現象，而且主要是密度差和濃度差引起的。即不同物質進入對方，如往水里撒鹽，一會后水會變咸。這兩者的區別我用一個實例來說明吧，把一滴墨水滴到清水里，看到的墨水彌散，這個過程是分子熱運動的表現，而且是擴散。等到液體顏色均勻了，擴散就終止了，墨水分子仍然在做分子熱運動，但是這個過程沒有布朗運動，布朗運動不是分子的運動，是小顆粒收到分子撞擊的運動。

從應用方面看，布朗運動是隨機漲落的典型代表，不僅應用于測量儀器靈敏度的研究，也可以用來作為社會現象的模型，如股市價格變動。而擴散現象對我們生活中的一些現象的解釋和規避有著一定的作用，如避免堆放的煤炭擴散到墻壁中無法處理等，同時也經常體現在基礎的物理化學實驗中。

3.2 布朗運動和擴散現象的聯系

雖然兩者有很大區別，但是還是有一定的聯系。首先，布朗運動是分子擴散現象的宏觀體現，而分子擴散現象是布朗運動的微觀解釋。其次，兩者都反映了分子永不停息地在做無規則運動，而且都隨溫度的升高表現得更為明顯。[4]

4 結束語

擴散現象是物質分子從高濃度區域向低濃度區域轉移直到均勻分布的現象，布朗運動是漂浮顆粒被進行熱運動分子撞擊所產生的不規則運動。擴散現象與布朗運動有很大的區別，也有一定的聯系。擴散現象直接體現了分子熱運動，而布朗運動則間接體現了分子熱運動。與此同時，我們在查閱相關資料了解到布朗觀察克拉花粉無意間的發現，導致的一系列科學的進展，擴散現象也是人們在平時的一些小事中發現并進行深入研究才有后來的理論成果，并運用到其他領域。在這個過程中，我們應該在此學到其中的一些科研精神，留意生活中的一些細節，對所面臨的事物產生疑問時，要有自己的思考，多問自己為什么，并自己想方法來解答疑問，真正做到在求知中成長。