Brown-mozgás

Az anyagot alkotó részecskék (atomok, illetve molekulák) állandó rendszertelen mozgásban vannak, amit hőmozgásnak nevezünk. Ez a megállapítás a gázokra is érvényes, amit a következő kísérlettel is megerősíthetünk.

Fújjunk cigaretta füstöt vékony gumicsövön át egy oldalról megvilágítható kisméretű tartályba, melynek felül átlátszó fala van, többi oldalát belülről fekete fényelnyelő anyag borítja a belső fényvisszaverődések ellen. A tartályban lévő füstöt vízszintesen erős fénnyel világítsuk meg, és a mikroszkópon át felülről figyeljük meg. A mikroszkópban rengeteg apró, fénylő pontot láthatunk, melyek állandó nyüzsgésben, rendszertelen mozgásban vannak. Ezek a pontok a füstben lévő koromszemcsék, melyek fényvisszaverődéssel képesek az oldalról érkező fényt a mikroszkóp tárgylencséjébe továbbítani. A jelenség ahhoz hasonló, mint amikor egy sötét, poros szobában a bevilágító napsugarakat megfigyeljük. Nem közvetlenül a napsugarakat látjuk, hanem a porszemcsékről felénk visszaverődő fényt. A fénysugárban táncoló porszemcsék mozgása ugyanolyan jelenség, mint a füstben lévő koromszemcsék nyüzsgése.

A jelenséget Brown-mozgásnak nevezzük, amit felfedezőjéről, Robert Brown (1773-1858) skót botanikusról neveztek el, aki 1827-ben folyadékba kevert virágport vizsgált mikroszkópjában. Megfigyelte a virágpor szemcsék szabálytalan mozgását, azonban nem tudta helyesen megmagyarázni, mi okozza a mozgást. A magyarázat a huszadik század elejéig váratott magára, a jelenség első matamatikai leírását Albert Einstein (1879-1955) adta meg.

Brown-mozgás bemutatására szolgáló berendezés

A Brown-mozgás magyarázata

A Brown-mozgás magyarázata azon alapszik, hogy a levegő részecskéi, molekulái állandó, rendszertelen mozgásban vannak, szakadatlanul lökdösik a náluk sokkal nagyobb koromszemcséket, illetve ugyanígy a folyadék molekulái minden irányból lökdösik a virágpor szemcséket. Azonban ezek az ütközésekg egy adott pillanatban nem egyenletesek minden irányból, hanem véletlenszerűen ingadoznak, ami a szemcsék szabálytalan mozgását eredményezi. A jelenség csak akkor látható, ha a szemcsék elegendően kicsik ahhoz, hogy a kismértékű ingadozások észrevehetően mozgatni tudják őket. Gondoljunk csak egy vékony fonál végére rögzített függőónra. A hőmozgásból származó ütközések annyira kiegyenlítik egymást minden irányból, hogy a fonál végén függő test mozdulatlannak látszik. Azonban a szemcsék nem lehetnek túlságosan kicsik sem, mert akkor még mikroszkópban sem tudnánk megfigyelni őket.

A Brown-mozgást jól modellezhetjük a következő példával. Képzeljünk el egy nagyon nagy, mondjuk 5-10 méter átmérőjű, könnyű, fényes labdát egy nagy rét közepén, amivel gyerekek játszanak négy egymás ellen küzdő csapatban. Az egyes csapatok célja a labda mozgatása a négy égtáj egy-egy iránya felé. A rét felett magasan repülő halad. A pilóta a fényes, nagy méretű labdát látja fentről, azonban a gyerekeket nem. Megfigyelheti, hogy a fénylő pont szabálytalanul ide-oda mozog a réten látszólag minden ok nélkül. A mikroszkópban mi is csak a koromszemcséket látjuk, a levegő molekuláit nem.

Brown-mozgás modellezése