Ruch Browna to losowy ruch cząstek w płynie z powodu ich zderzeń z innymi atomami lub cząsteczkami. Ruch Browna jest również znany jako pedezja, które pochodzi od greckiego słowa „skaczący”. Mimo że cząsteczka może być duża w porównaniu do wielkości atomów i cząsteczek w otaczającym ośrodku, można go poruszać uderzeniem wieloma drobnymi, szybko poruszającymi się szerokie rzesze. Ruch Browna można uznać za makroskopowy (widoczny) obraz cząstki, na którą wpływa wiele mikroskopowych efektów losowych.
Ruch Browna bierze swoją nazwę od szkockiego botanika Roberta Browna, który obserwował ziarna pyłku poruszające się losowo w wodzie. Opisał ten ruch w 1827 roku, ale nie był w stanie go wyjaśnić. Chociaż pedesis bierze swoją nazwę od Browna, nie był pierwszą osobą, która to opisała. Rzymski poeta Lukrecjusz opisuje ruch cząstek pyłu około 60 roku p.n.e., który wykorzystał jako dowód atomów.
Zjawisko transportu pozostało niewyjaśnione do 1905 roku Albert Einstein opublikował artykuł wyjaśniający, że cząsteczki wody w cieczy poruszają pyłek. Podobnie jak w przypadku Lukrecjusza, wyjaśnienia Einsteina posłużyły jako pośredni dowód na istnienie atomów i cząsteczek. Na przełomie XIX i XX wieku istnienie tak małych jednostek materii było tylko teorią. W 1908 r. Jean Perrin eksperymentalnie zweryfikował hipotezę Einsteina, która przyniosła Perrin Nagrodę Nobla z 1926 r. W dziedzinie fizyki „za pracę nad nieciągłą strukturą materii”.
Matematyczny opis ruchu Browna jest stosunkowo prostym obliczeniem prawdopodobieństwa, istotnym nie tylko w fizyce i chemii, ale także w celu opisania innych zjawisk statystycznych. Pierwszą osobą, która zaproponowała model matematyczny ruchu Browna, był Thorvald N. Thiele w artykule na temat metoda najmniejszych kwadratów który został opublikowany w 1880 roku. Współczesnym modelem jest proces Wienera, nazwany na cześć Norberta Wienera, który opisał funkcję procesu stochastycznego w czasie ciągłym. Ruch Browna jest uważany za proces Gaussa i proces Markowa z ciągłą ścieżką występującą w ciągłym czasie.
Co to jest ruch Browna?
Ponieważ ruchy atomów i cząsteczek w cieczy i gazie są losowe, z czasem większe cząstki będą się równomiernie rozpraszać w całym ośrodku. Jeśli istnieją dwa sąsiednie obszary materii, a obszar A zawiera dwa razy więcej cząstek niż obszar B, prawdopodobieństwo, że cząstka opuści obszar A, aby wejść do obszaru B, jest dwa razy większa niż prawdopodobieństwo, że cząstka opuści obszar B, aby wejść ZA. Dyfuzja, ruch cząstek z obszaru o wyższym do niższego stężenia, można uznać za makroskopowy przykład ruchu Browna.
Każdy czynnik wpływający na ruch cząstek w płynie wpływa na szybkość ruchu Browna. Na przykład podwyższona temperatura, zwiększona liczba cząstek, mały rozmiar cząstek i niski lepkość zwiększyć tempo ruchu.
Przykłady ruchu Browna
Większość przykładów ruchu Browna to procesy transportowe, na które wpływają większe prądy, ale jednocześnie wykazują pedezę.
Przykłady zawierają:
- Ruch ziaren pyłku na wodzie niegazowanej
- Ruch drobinek kurzu w pomieszczeniu (choć w dużej mierze pod wpływem prądów powietrza)
- Dyfuzja zanieczyszczeń w powietrzu
- Dyfuzja wapnia przez kości
- Ruch „dziur” ładunku elektrycznego w półprzewodnikach
Znaczenie ruchu Browna
Początkowe znaczenie definiowania i opisywania ruchu Browna polegało na tym, że wspierał on współczesną teorię atomową.
Dzisiaj modele matematyczne opisujące ruch Browna są używane w matematyce, ekonomii, inżynierii, fizyce, biologii, chemii i wielu innych dyscyplinach.
Ruch Browna a ruchliwość
Rozróżnienie między ruchem może być trudne z powodu ruchu Browna i ruchu z powodu innych efektów. W biologia, na przykład obserwator musi być w stanie stwierdzić, czy okaz się porusza, ponieważ jest ruchliwy (zdolny do samodzielnego przemieszczania się, być może z powodu rzęsek lub wici) lub dlatego, że podlega Browarowi ruch. Zazwyczaj możliwe jest rozróżnienie między procesami, ponieważ ruch Browna wydaje się gwałtowny, losowy lub wibruje. Prawdziwa ruchliwość pojawia się często jako ścieżka lub ruch skręca lub skręca w określonym kierunku. W mikrobiologii ruchliwość można potwierdzić, jeśli próbka zaszczepiona w półstałym podłożu migruje od linii cięcia.
Źródło
„Jean Baptiste Perrin - Fakty”. NobelPrize.org, Nobel Media AB 2019, 6 lipca 2019 r.