Ruchy Browna

Ruch Browna to przypadkowy ruch cząstek w cieczy lub w gazie. Ruch ten jest powodowany przez szybko poruszające się atomy lub molekuły, które uderzają w cząsteczki. Ruch Browna został odkryty w 1827 roku przez botanika Roberta Browna. W 1827 roku, patrząc przez mikroskop na cząsteczki uwięzione w jamach wewnątrz ziaren pyłku w wodzie, zauważył, że cząsteczki te poruszały się w wodzie, ale nie był w stanie dowiedzieć się, co było przyczyną tego ruchu.

Atomy i molekuły od dawna były teoretycznie uważane za główne części materii. Albert Einstein opublikował w 1905 roku pracę, w której dokładnie wyjaśnił, jak ruch, jaki zaobserwował Brown, był wynikiem przemieszczania się pyłku przez poszczególne cząsteczki wody. Był to jeden z jego pierwszych dużych wkładów do nauki i przekonał wielu naukowców, że atomy i molekuły istnieją, zostało to następnie zweryfikowane eksperymentalnie przez Jeana Perrina w 1908 roku. Perrin otrzymał w 1926 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki "za pracę nad nieciągłą strukturą materii". Kierunek siły bombardowania atomowego stale się zmienia, a w różnym czasie cząstka uderza bardziej po jednej stronie niż po drugiej, co prowadzi do pozornie przypadkowej natury ruchu.

Istnieje zbyt wiele oddziaływań molekularnych, które sprawiają, że wzorzec Browna jest zbyt duży, więc żaden naukowy model nie może uwzględnić ich wszystkich. Dlatego do jego opisu mogą być użyte tylko probabilistyczne modele populacji molekularnych. Poniżej przedstawiono dwa takie modele mechaniki statystycznej, wykonane przez Einsteina i Smoluchowskiego. Innym, czysto probabilistycznym rodzajem modeli są modele procesów stochastycznych. Istnieją zarówno prostsze, jak i bardziej skomplikowane procesy stochastyczne, które w skrajnych przypadkach ("doprowadzone do granic możliwości") mogą opisywać Ruch Browna (patrz losowy spacer i twierdzenie Donskera).

Albert Einstein i Norbert Wiener z większą matematyczną precyzją studiowali również Ruch Browna.

Historia

Poemat naukowy rzymskiego Lukrecjusza "O naturze rzeczy" (ok. 60 p.n.e.) zawiera opis ruchu cząstek pyłu brunatnego w wierszach 113-140 z Księgi II. Używa on tego, aby pomóc ludziom wiedzieć na pewno o istnieniu atomów:

"Obserwuj, co się dzieje, gdy światło słoneczne wpuszcza się do budynku, a małe budynki oświetlają jego zacienione miejsca. Zobaczysz ilość maleńkich cząsteczek poruszających się na wiele sposobów..."

O ile Jan Ingenhousz opisał dziwny ruch cząstek pyłu węglowego na wierzchołku alkoholu w 1785 r., o tyle odkrycie tego faktu jest często przekazywane botanikowi Robertowi Brownowi w 1827 roku. Brown badał ziarna pyłku rośliny Clarkia pulchella zawieszone w wodzie pod mikroskopem, kiedy obserwował drobne cząstki, wyrzucane przez ziarna pyłku, wykonując ruch rozedrgany. Powtarzając eksperyment z cząstkami nieorganicznej materii, był w stanie wykluczyć, że ruch ten był związany z życiem, chociaż jego pochodzenie nie było jeszcze znane.

Pierwszą osobą, która opisała matematykę stojącą za ruchem Browna był Thorvald N. Thiele w opublikowanej w 1880 roku pracy na temat metody najmniejszych kwadratów. Następnie w 1900 roku Louis Bachelier w swojej pracy doktorskiej "Teoria spekulacji", w której przedstawił analizę rynków akcji i opcji. Często stosowany jest model ruchu Browna na giełdzie, ale Benoit Mandelbrot zaprzeczył jego zastosowaniu do ruchów cen akcji.

Albert Einstein (w jednej ze swoich prac z 1905 roku) i Marian Smoluchowski (1906) zwrócili uwagę fizyków na rozwiązanie problemu i przedstawili je jako sposób na pośrednie potwierdzenie istnienia atomów i cząsteczek. Ich równania opisujące ruch Browna zostały sprawdzone w pracy eksperymentalnej Jeana Baptiste'a Perrina w 1908 roku.

Z książki Jeana Baptiste'a Perrina, Les Atomes, pokazano trzy ślady ruchu cząstek o linii 0,53 µm, widzianych pod mikroskopem. Kolejne pozycje co 30 sekund łączone są liniami prostymi (rozmiar oczka wynosi 3,2 µm).Zoom
Z książki Jeana Baptiste'a Perrina, Les Atomes, pokazano trzy ślady ruchu cząstek o linii 0,53 µm, widzianych pod mikroskopem. Kolejne pozycje co 30 sekund łączone są liniami prostymi (rozmiar oczka wynosi 3,2 µm).

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest ruch Browna?


A: Ruch Browna to przypadkowy ruch cząsteczek w cieczy lub gazie, spowodowany przez szybko poruszające się atomy lub cząsteczki, które uderzają w te cząsteczki.

P: Kto odkrył ruch Browna?


A: Ruch Browna został odkryty w 1827 roku przez botanika Roberta Browna.

P: W jaki sposób Albert Einstein przyczynił się do zrozumienia ruchu Browna?


A: W 1905 roku Albert Einstein opublikował pracę, w której wyjaśnił, że ruch zaobserwowany przez Roberta Browna był spowodowany uderzeniami pojedynczych cząsteczek wody w cząsteczki. To pomogło przekonać wielu naukowców, że atomy i cząsteczki istnieją.

P: Kto zweryfikował eksperymentalnie teorię Einsteina?


O: Jean Perrin zweryfikował eksperymentalnie teorię Einsteina w 1908 roku i otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swoją pracę nad strukturą materii.

P: Jak powstaje ten przypadkowy wzór?


O: Kierunek siły działającej podczas bombardowania atomowego ciągle się zmienia, co powoduje, że różne strony cząsteczki są uderzane w różnym czasie i powoduje pozornie przypadkowe wzory ruchu.

P: Jakich modeli używa się, aby to opisać? O: Do opisu stosuje się probabilistyczne modele populacji molekularnych, takie jak modele Einsteina i Smoluchowskiego, a także modele procesów stochastycznych.

P: Kto jeszcze badał ruch Browna z większą matematyczną precyzją? O: Norbert Wiener również badał ruch Browna z większą matematyczną precyzją.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3