מבוא לתנועה בראונית

תנועה בראונית היא תנועה אקראית של חלקיקים בנוזל עקב התנגשויותיהם עם אטומים או מולקולות אחרות. תנועה בראונית ידועה גם בשם pedesis, שמקורו במילה היוונית "קפיצות". למרות שחלקיק עשוי להיות גדול בהשוואה לגודל של אטומים ומולקולות במדיום שמסביב, זה יכול להיות מועבר על ידי ההשפעה עם הרבה זעירים, מהירים המונים. תנועה בראונית עשויה להיחשב כתמונה מקרוסקופית (גלויה) של חלקיק המושפע מהשפעות אקראיות מיקרוסקופיות רבות.

תנועה בראונית שמה את שמו מהבוטנאי הסקוטי רוברט בראון, שצפה בדגני אבקה הנעים באקראי במים. הוא תיאר את ההצעה בשנת 1827 אך לא הצליח להסביר אותה. בעוד ש pedesis לוקח את שמו מברון, הוא לא היה האדם הראשון שתיאר זאת. המשורר הרומאי לוקרטיוס מתאר את תנועתם של חלקיקי אבק סביב שנת 60 לפנה"ס, בהם השתמש כעדות לאטומים.

תופעת התובלה נותרה בלתי מוסברת עד 1905 אז אלברט איינשטיין פרסם מאמר שהסביר שהאבקה מועברת על ידי מולקולות המים בנוזל. כמו אצל לוקרטיוס, גם ההסבר של איינשטיין שימש עדות עקיפה לקיומם של אטומים ומולקולות. בשלהי המאה העשרים, קיומם של יחידות חומר כה זעירות היה רק ​​תיאוריה. בשנת 1908, ז'אן פרין אימת באופן ניסיוני את השערתו של איינשטיין, שזיכה את פרין בפרס נובל לפיזיקה משנת 1926 "על עבודתו על מבנה החומר הבלתי-רצוף".

התיאור המתמטי של תנועה בראונית הוא חישוב הסתברות פשוט יחסית, בעל חשיבות לא רק לפיזיקה וכימיה, אלא גם לתאר תופעות סטטיסטיות אחרות. האדם הראשון שהציע מודל מתמטי לתנועה בראונית היה Thorvald N. Thiele בעיתון על שיטת הכי פחות ריבועים שפורסם בשנת 1880. מודל מודרני הוא תהליך וינר, שנקרא לכבוד נורברט וינר, שתיאר את תפקידו של תהליך סטוכסטי ברציפות. תנועה בראונית נחשבת לתהליך גאוסי ותהליך מרקוב עם דרך רציפה המתרחשת לאורך זמן רציף.

מכיוון שתנועות האטומים והמולקולות בנוזל ובגז הם אקראיים, לאורך זמן חלקיקים גדולים יותר יתפזרו באופן שווה בכל המדיום. אם ישנם שני אזורים סמוכים לחומר ואזור A מכיל חלקיקים רבים פי שניים מאזור B, ההסתברות לכך חלקיק ישאיר את אזור A כדי להיכנס לאזור B גבוה פי שניים מההסתברות שחלקיק ישאיר את אזור B כדי להיכנס א. ריכוךתנועה של חלקיקים מאזור בעל ריכוז גבוה יותר לנמוך, יכולה להיחשב כדוגמה מקרוסקופית לתנועה בראונית.

כל גורם המשפיע על תנועת החלקיקים בנוזל משפיע על קצב התנועה הבראונית. לדוגמה, עלייה בטמפרטורה, עלייה במספר החלקיקים, גודל החלקיקים הקטן ונמוך צמיגות הגדל את קצב התנועה.

רוב הדוגמאות לתנועה בראונית הם תהליכי תעבורה המושפעים מזרמים גדולים יותר, אך עם זאת הם מציגים פדזה.

דוגמאות מכילות:

• תנועת גרגרי אבקה על מים דוממים
• תנועה של מוטות אבק בחדר (אם כי מושפעות במידה רבה מזרמי אוויר)
• דיפוזיה של מזהמים באוויר
• דיפוזיה של סידן דרך העצמות
• תנועה של "חורים" של מטען חשמלי במוליכים למחצה

החשיבות הראשונית של הגדרת התיאור הברוניאני ותיאורו הייתה שתומכת בתיאוריה האטומית המודרנית.

כיום משתמשים במודלים המתמטיים המתארים תנועה בראונית בתחומי המתמטיקה, הכלכלה, ההנדסה, הפיזיקה, הביולוגיה, הכימיה ושלל תחומים אחרים.

זה יכול להיות קשה להבחין בין תנועה הנובעת מתנועה בראונית לבין תנועה כתוצאה מהשפעות אחרות. בתוך ביולוגיהלדוגמה, מתבונן צריך להיות מסוגל לדעת אם הדגימה זזה מכיוון שהיא תנועה (בעל יכולת תנועה בפני עצמה, אולי בגלל ציציות או סמלונים) או מכיוון שהוא כפוף לבראוניאני תנועה. בדרך כלל, ניתן להבדיל בין התהליכים מכיוון שתנועה בראונית נראית קופצנית, אקראית, או כמו רטט. תנועתיות אמיתית מופיעה לעתים קרובות כנתיב, אחרת התנועה מתפתלת או מסתובבת לכיוון ספציפי. במיקרוביולוגיה, ניתן לאשר תנועתיות אם דגימה מחוסנת במדיום חצי מוצק נודדת הרחק מקו דקירה.

"ז'אן בפטיסט פרין - עובדות." NobelPrize.org, Nobel Media AB 2019, 6 ביולי, 2019.