Brownsche Bewegung: Warum bewegen sich Teilchen von selbst?

Beschreibung des Bildes: Simulation der Brownschen Bewegung (in Blau) eines Pollenpartikels (in Gelb), das in einer Flüssigkeit suspendiert ist und durch die frenetischen Bewegungen der Moleküle zufällig hin und her geworfen wird (in Schwarz).

Brownsche Bewegung nach Robert Brown: Zufall oder physikalisches Gesetz?

Robert Braun(1773-1858) schottischer Botaniker und Freund vonCharles Darwin(1809 - 1882) entdeckte 1827 durch die Beobachtung von in Wasser suspendierten Pollenkörnern unter einem Mikroskop, dass die Pollenkörner nicht stillstanden, sondern sich ständig und ohne ersichtlichen Grund unregelmäßig bewegten. Um zu bestätigen, dass die Bewegung nicht speziell mit lebenden Pollen zusammenhängt, wiederholte Brown das Experiment mit unbelebten Substanzen wie Staubfragmenten und sehr kleinen anorganischen Partikeln. Zu seiner großen Überraschung stellte er fest, dass auch diese inerten Teilchen die gleiche zufällige Bewegung zeigten. Brown dokumentierte dieses Phänomen genau, verstand aber seinen Ursprung nicht.

Jahrzehntelang haben viele Physiker das Experiment mit immer leistungsfähigeren Mikroskopen wiederholt und alle Messfehler (Luftströmungen im Raum, Strömungen im Wasser, in dem sich die Pollenkörner befinden, Vibrationen, Störungen durch Licht usw.) beseitigt, aber keiner hat eine Erklärung für diese natürliche Unruhe gefunden.

Die molekularkinetische Theorie des 19. Jahrhunderts

DortMolekularkinetische Theoriehat seine Wurzeln in der Arbeit mehrerer Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts. Es wurde hauptsächlich von drei großen Physikern formuliert und entwickelt:Rudolf Clausius (1822-1888), James Clerk Maxwell(1831-1879) undLudwig Boltzmann (1844-1906).

Die molekularkinetische Theorie schlug ein Modell vor, um die makroskopischen Eigenschaften von Materie anhand extrem kleiner Teilchen, sogenannter „Moleküle“ oder „Körperchen“, zu erklären. Obwohl das Konzept der Atome zu diesem Zeitpunkt noch nicht experimentell bewiesen war, postulierten Wissenschaftler die Existenz winziger, unsichtbarer Einheiten, um Phänomene wie … zu erklärenDruck, DortTemperaturund diegasförmiger Zustand.

Die kinetische Theorie basiert auf der Idee, dass alle Materie aus Einheiten besteht, die sich ständig bewegen. Zu diesem Zeitpunkt war die Existenz von Atomen noch umstritten, aber Wissenschaftler sahen die Idee dieser Teilchen als nützlich für die Erklärung beobachtbarer Phänomene. Beispielsweise entsteht der Druck, den ein Gas ausübt, durch die ständige Kollision der Gaspartikel mit den Wänden des Behälters. Je mehr Teilchen vorhanden sind und je schneller sie sind, desto stärker steigt der Druck. Die Temperatur wird als proportional zur durchschnittlichen kinetischen Energie der sich bewegenden Teilchen interpretiert. Ein heißeres Gas enthält also Teilchen, die sich schneller bewegen.

Ohne Bestätigung der Existenz von Atomen blieb die molekularkinetische Theorie ein abstraktes Modell. Die Idee bewegter Moleküle wurde von einigen als mathematische Beschreibung akzeptiert, andere Wissenschaftler blieben jedoch skeptisch und betrachteten diese Teilchen als hypothetische Einheiten ohne direkte experimentelle Grundlage.

Einstein und das Geheimnis der sich bewegenden Teilchen

Im Jahr 1905 wurde die physikalische Realität von Atomen und Molekülen umfassender bestätigt und bildete eine solide Grundlage für die molekularkinetische Theorie. Der Artikel vonAlbert Einstein, veröffentlicht am 11. Mai 1905, mit dem Titel „On the Motion of Particles Suspended in a Fluid at Rest Implied by the Molecular Kinetic Theory of Heat“, befasst sich mit der Brownschen Bewegung. Einstein versuchte, die Brownsche Bewegung mit der molekularkinetischen Theorie zu verknüpfen, die die Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten anhand molekularer Bewegungen beschreibt.

Einstein ging von der Idee aus, dass bei der Brownschen Bewegung schwebender Staub kontinuierlich von Molekülen der umgebenden Flüssigkeit bombardiert wird. Die Staubbewegung ist auf die unausgeglichenen Stöße dieser Moleküle zurückzuführen, die zufällig, aber konstant wirken.

Einstein entwickelte eine Gleichung, die diese zufällige Bewegung quantitativ beschreibt. Es setzt die durchschnittliche Partikelverschiebung mit der Zeit, der Flüssigkeitstemperatur, der Flüssigkeitsviskosität und der Partikelgröße (Pollengröße) in Beziehung.

DortMathematische Modellierungist ⟨x2⟩ = 2kB Tt/6πηr, wobei ⟨x2⟩ die mittlere quadratische Distanz ist, die ein Partikel (Pollen) nach einer Zeit t zurücklegt, �������� die Boltzmann-Konstante ist, ���� die absolute Temperatur der Flüssigkeit ist, ���� die Viskosität der Flüssigkeit ist, ���� der Radius des Partikels ist. DasGleichungverknüpft mikroskopische Eigenschaften (wie die thermische Bewegung von Molekülen) mit makroskopischen Beobachtungen (der beobachtbaren Bewegung von Pollen oder anderen Partikeln).

Vorhersagen und Beweise für die Existenz von Atomen

Einstein zeigt, dass die Brownsche Bewegung es ermöglicht, die damals noch umstrittene Existenz von Atomen und Molekülen experimentell nachzuweisen. Die Bewegung der beobachteten Teilchen entspricht genau dem, was die molekularkinetische Theorie vorhersagt. Albert Einstein bestimmt in seinem Artikel nicht direkt die Größe eines Atoms, aber er legt Grundlagen fest, die es uns ermöglichen, die atomare Natur der Materie zu erforschen.

Jean Perrin(1870-1942), ein französischer Physiker, führte in den Jahren 1908-1909 eine Reihe von Experimenten durch, um Einsteins Vorhersagen zu überprüfen. Durch die Messung der Bewegungen von in Wasser suspendierten Harzpartikeln unter einem Mikroskop stellte Perrin fest, dass die Ergebnisse mit Einsteins Berechnungen übereinstimmten und den Zusammenhang zwischen Partikelbewegung und molekularen Kollisionen bestätigten.

Die Brownsche Bewegung: eine Verbindung zwischen zwei Welten

Auf mikroskopischer Ebene wird die Brownsche Bewegung durch Wechselwirkungen zwischen unsichtbaren Molekülen (wie Wassermolekülen) verursacht, die sich schnell und chaotisch bewegen. Diese Moleküle interagieren mit schwebenden Partikeln, was zu scheinbar zufälligen Bewegungen führt. Auf makroskopischer Ebene ist die Brownsche Bewegung mit bloßem Auge (unter einem Mikroskop) anhand des Verhaltens suspendierter Partikel erkennbar. Beispielsweise kann man beobachten, wie sich Pollenkörner unregelmäßig in einem Wassertropfen bewegen.

Zusammenfassend fungiert die Brownsche Bewegung als Brücke zwischenmikroskopische Weltund diemakroskopische Welt. Es veranschaulicht, wie Ereignisse auf atomarer und molekularer Ebene in messbares und vorhersehbares Verhalten auf größeren Skalen umgesetzt werden können, wodurch unser Verständnis physikalischer Phänomene auf verschiedenen Ebenen gestärkt wird.