Brownian Motion

Τι είναι η Brownian Motion;

Η κίνηση Brown είναι η τυχαία κίνηση των σωματιδίων σε ένα υγρό ή αέριο. Αυτή η κίνηση συμβαίνει ακόμα κι αν δεν εφαρμόζονται εξωτερικές δυνάμεις. Τα σωματίδια δεν μένουν ποτέ εντελώς ακίνητα. Αντίθετα, η κίνηση συμβαίνει λόγω των σωματιδίων που συγκρούονται μεταξύ τους σε ένα υγρό ή αέριο. Παρόμοια με τον τρόπο με τον οποίο οι μπάλες του μπιλιάρδου προκαλούν την καθεμία να αλλάζει κατεύθυνση, το ίδιο ισχύει και για τα μόρια. Το σωματίδιο ένα που χτυπά το σωματίδιο δύο θα αναγκάσει και τα δύο σωματίδια να αλλάξουν την ορμή τους (κατεύθυνση και ταχύτητα).

Τα βήματα που κάνει το σωματίδιο είναι μη συσχετισμένα. Κάθε βήμα είναι τυχαίο και ανεξάρτητο από το προηγούμενο βήμα. Η κίνηση Brown συχνά μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας έναν «τυχαίο περίπατο». Η απόσταση ενός σωματιδίου από την αρχική του θέση θα είναι μια κατανομή Gaussian, με το πλάτος του Gaussian να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι όσο περνά ο καιρός, το σωματίδιο είναι πιο πιθανό να βρίσκεται πιο μακριά από την αρχική του θέση.

Άλλα ονόματα για την κίνηση Brown περιλαμβάνουν την κίνηση Brown και το pedesis (στα ελληνικά σημαίνει «άλμα»). Η κίνηση Brown ονομάζεται επίσης θερμικός θόρυβος λόγω της σχέσης της με τη θερμοκρασία. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, υπάρχει περισσότερη ενέργεια στο σύστημα και η κίνηση αυξάνεται.

Παράγοντες που αυξάνουν την κίνηση των σωματιδίων

• Αύξηση θερμοκρασίας :Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο περισσότερη ενέργεια έχει κάθε σωματίδιο.
• Λιγότερο παχύρρευστο διάλυμα :Όσο πιο παχύρρευστο είναι ένα διάλυμα τόσο περισσότερη ενέργεια χρειάζεται για να κινηθεί ένα σωματίδιο μέσα από αυτό. Σκεφτείτε να προσπαθήσετε να μετακινηθείτε μέσα από τη μελάσα (πολύ παχύρρευστη) σε σύγκριση με το νερό (λιγότερο παχύρρευστο). Το νερό θα είναι ευκολότερο να περάσει μέσα. Το ίδιο ισχύει και στη μικρότερη κλίμακα με μεμονωμένα σωματίδια.
• Μικρότερα σωματίδια :Η ταχύτητα των σωματιδίων σχετίζεται αντιστρόφως με το μέγεθος του σωματιδίου. Επομένως, τα μικρότερα σωματίδια θα κινούνται πιο γρήγορα και θα ταξιδεύουν πιο μακριά από τα μεγαλύτερα.

Κίνηση Brown σε κολλοειδή

Ένα κολλοειδές είναι ένα ομοιογενές μείγμα με μεγάλα σωματίδια αιωρούμενα σε διάλυμα άλλης ουσίας. Το γάλα και η ομίχλη είναι κοινά παραδείγματα κολλοειδών. Τα μεγαλύτερα σωματίδια μένουν αιωρούμενα σε διάλυμα και δεν κατακάθονται στον πυθμένα όπως προβλέπεται λόγω της βαρύτητας. Αντίθετα, η κίνηση Brown είναι αυτή που διατηρεί τα σωματίδια σε διάλυμα.

Η επίδραση όλων των μικρότερων σωματιδίων που χτυπούν τα μεγαλύτερα σωματίδια είναι αρκετή για να εξουδετερώσει τη βαρύτητα και να κάνει τα μεγάλα σωματίδια να παραμείνουν σε διάλυμα.

Παραδείγματα κίνησης Brownian

Η κίνηση Brown μπορεί να είναι δύσκολο να παρατηρηθεί. Όλα τα σωματίδια σε ένα υγρό ή αέριο κινούνται λόγω της κίνησης Brown.

Η διάχυση συμβαίνει εν μέρει λόγω της κίνησης Brown. Τα σωματίδια απομακρύνονται από την αρχική τους θέση και κατανέμονται τυχαία.

Ένα συνηθισμένο πείραμα όπου η κίνηση Brown μπορεί εύκολα να παρακολουθηθεί είναι η παρακολούθηση φθοριζόντων χρωστικών σε ένα διάλυμα. Τα μεμονωμένα σωματίδια παρακολουθούνται ανιχνεύοντας τα φωτόνια ή το φως που απελευθερώνεται από μεμονωμένα μόρια καθώς κινούνται μέσα στο διάλυμα.

Η σύντομη ταινία παραπάνω δείχνει φθορίζουσες χάντρες να κινούνται μέσα σε ένα διάλυμα. Αυτή η κίνηση οφείλεται στην κίνηση Brown. Τα σφαιρίδια έχουν το καθένα μια τυχαία τροχιά και δεν κινούνται όλα προς την ίδια κατεύθυνση.

Ποιος ανακάλυψε την κίνηση Brownian;

Ο Σκωτσέζος βοτανολόγος Ρόμπερτ Μπράουν ήταν ο πρώτος γνωστός που διερεύνησε την κίνηση του Μπράουν το 1827. Εξέταζε σπόρους φυτών και μπερδεύτηκε με την κίνησή τους ακόμα και όταν ήταν νεκροί. Από αυτή την παρατήρηση, συμπέρανε ότι συνέβαινε κάποιο άλλο φαινόμενο.

Μετά την ανακάλυψη του Μπράουν, ο Αϊνστάιν συνέχισε να ερευνά αυτό το φαινόμενο. Και το 1905 δημοσίευσε την πρώτη εργασία για το θέμα. Στη συνέχεια, ο Jean Baptiste Perrin προώθησε τις σπουδές του Αϊνστάιν. Και για το έργο του, ο Perrin τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1926.

Στις αρχές του 1900, ο Norbert Wiener ήταν επίσης μια σημαντική προσωπικότητα στην εκμάθηση της κίνησης Brown. Ο Wiener εστίασε στα μαθηματικά μοντέλα της κίνησης Brown και σε άλλες στοχαστικές διαδικασίες.

Πολλοί άλλοι επιστήμονες έχουν επίσης επικεντρωθεί στη μελέτη του κινήματος Μπράουν και εξακολουθεί να είναι ένας συνεχής ερευνητικός τομέας σήμερα.

Άλλοι πόροι και παραπομπές:

Για μια βαθύτερη κατάδυση στο περίπλοκο θέμα του κινήματος Brown, δείτε τους παρακάτω συνδέσμους:

• "Brownian Motion" από τον Michael Fowler στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια.
• “Making Sense of Brownian Motion:Colloid Characterization by Dynamic Light Scattering” του Hassan et. al. στο ACS Langmuir

Περαιτέρω ανάγνωση

Μάθετε περισσότερα ενδιαφέροντα χημεία εξερευνώντας κάποια άλλα θέματα!

• Κατάσταση ύλης
• Κατιόντα και ανιόντα
• Ιδιότητες στερεών, υγρών και αερίων