Броуновское движение

Файл:Translational motion.gif

Тепловое движение частиц вещества таких как атомы и молекулы

Бро́уновское движе́ние — тепловое движение микроскопических, взвешенных в жидкости (или газе) частиц (броуновские частицы) твёрдого вещества (пылинки, крупинки взвеси, частички пыльцы растения и так далее). В математике, а точнее в теории случайных процессов, Броуновское движение (Винеровский процесс) - это гауссовский процесс с независимыми приращениями, у которого математическое ожидание равно нулю, а среднеквадратическое отклонение равно $t\cdot\sigma$.

Сущность явления

Броуновское движение происходит из-за того, что все жидкости и газы состоят из атомов или молекул — мельчайших частиц, которые находятся в постоянном хаотическом тепловом движении, и потому непрерывно толкают броуновскую частицу с разных сторон.

Когда в среду погружено крупное тело, то толчки, происходящие в огромном количестве, усредняются и формируют постоянное давление. Если крупное тело окружено средой со всех сторон, то давление практически уравновешивается, остаётся только подъёмная сила Архимеда — такое тело плавно всплывает или тонет.

Если же тело мелкое, как броуновская частица, то становятся заметны флуктуации давления, которые создают заметную случайно изменяющуюся силу, приводящую к колебаниям частицы. Броуновские частицы обычно не тонут и не всплывают, а находятся в среде во взвешенном состоянии.

Иногда под броуновским движением неправильно понимают само тепловое движение атомов и молекул. Скорость движения частиц зависит от температуры.

Как наблюдать броуновское движение

Чтобы увидеть броуновское движение, требуется сильный световой микроскоп.

Открытие броуновского движения

Это явление открыто Броуном в 1827 г., когда он проводил исследования пыльцы растений.

Измерение броуновского движения микроскопической частицы

Специалисты из политехнического университета Лозанны EPFL, университета Техаса в Остине (University of Texas at Austin) и Европейской молекулярно-биологической лаборатории (Гейдельберг) впервые точно измерили броуновское движение микроскопической частицы.

В уникальном опыте броуновское движение взвешенной в жидкости частицы микронного размера удалось записать с геометрической точностью менее одного нанометра и с временным шагом в несколько микросекунд. Такой точности измерений удалось добиться с помощью так называемого фотонного силового микроскопа.

Оказалось, броуновское движение единственной частицы происходит иначе, чем постулировал Эйнштейн сто лет назад. Потому команда исследователей предложила исправленную версию стандартной модели броуновского движения.

Эйнштейн первый рассчитал параметры броуновского движения, показав, что нерегулярное перемещение частиц, взвешенных в жидкости, вызвано случайными ударами соседних молекул, совершающих тепловое движение.

Исследователи теоретически знали: если частица является намного большей чем окружившие её молекулы, она не будет совершать совершенно случайное движение, которое предсказал Эйнштейн. Получив импульс от столкновения с молекулой, частица, в свою очередь, влияет на поток в жидкости, причём огромную роль тут будет играть и инерция жидкости, и инерция частицы.

Но до сих пор не было никакого экспериментального подтверждения этим представлениям, на уровне единственной частицы, которое наглядно показало бы все эти эффекты.

Именно такой опыт и поставила международная команда. В нём физики увидели, что время, которое требуется частице, чтобы сделать переход от баллистического движения (после удара) до движения диффузионного – намного больше, чем предсказывала классическая теория.

Исследователи составили новую версию уравнения, описывающего броуновское движение, и отметили, что расхождение с прежней теорией наблюдается тем большее, чем к меньшим масштабам времени переходит наблюдатель.

Эти данные очень важны для исследований в ряде областей – в нанотехнологиях, например, или в биохимии, где броуновские эффекты играют огромную роль.

См. также

• Броуновское дерево

Ссылки

http://www.falstad.com/gas/ - java-апплет, демонстрирующий броуновское движение