¿Qué es el movimiento browniano?
Movimiento browniano
El fenómeno de las partículas suspendidas que se mueven constantemente de manera irregular se llama movimiento browniano
Por ejemplo, observe una enredadera suspendida en agua bajo un microscopio. Este movimiento puede Puede verse al observar polvo amarillo, partículas de polen o partículas de humo y polvo en el aire en condiciones de calma. Cuanto mayor sea la temperatura, más intenso será el ejercicio. Fue descubierto por primera vez por el botánico R. Brown en 1827. Las partículas que experimentan el movimiento browniano son muy pequeñas, con un diámetro de aproximadamente 10-7 a 10-5 metros. Bajo la colisión de las moléculas de líquido o gas circundantes, se genera una fuerza neta fluctuante que provoca el movimiento browniano de las partículas. Si las partículas brownianas tienen pocas posibilidades de colisionar entre sí y pueden considerarse como un gas ideal compuesto de moléculas enormes, entonces, después de alcanzar el equilibrio térmico en el campo gravitatorio, la distribución de su densidad numérica según la altura debería seguir la distribución de Boltzmann. El experimento de J.B. Perrin lo confirmó y así midió con bastante precisión la constante de Avogadro y una serie de datos relacionados con las partículas. En 1905, A. Einstein estableció la teoría estadística del movimiento browniano basada en la ecuación de difusión. El descubrimiento, la investigación experimental y el análisis teórico del movimiento browniano confirmaron indirectamente el movimiento térmico irregular de las moléculas, que fue de gran importancia para el establecimiento de la teoría cinética de los gases y la confirmación de la atomicidad de la estructura material, y promovieron el desarrollo de Física estadística, especialmente la teoría de las fluctuaciones. Dado que el movimiento browniano representa un fenómeno de fluctuación aleatoria, su teoría se utiliza ampliamente en el estudio de los límites de la precisión de las mediciones de instrumentos y el estudio del ruido de fondo en circuitos de telecomunicaciones de gran aumento.
Este fue descubierto en 1826 por el botánico británico Brown (1773-1858) utilizando un microscopio para observar el polen suspendido en agua. Posteriormente, este movimiento de partículas en suspensión se denominó movimiento browniano. El movimiento browniano se puede observar no sólo en el polen y las pequeñas partículas de carbono, sino también en una variedad de diferentes partículas suspendidas en líquidos.
Entonces, ¿cómo surge el movimiento browniano? Un líquido que parece una sola pieza al microscopio en realidad está formado por muchas moléculas. Las moléculas líquidas siguen realizando movimientos irregulares, atrapando constantemente partículas de mayor calidad. Cuando las partículas suspendidas son lo suficientemente pequeñas, las moléculas líquidas que vienen de todas direcciones las golpean de manera desequilibrada. En un momento determinado, las partículas reciben un fuerte impacto en otra dirección, provocando que las partículas se muevan en otras direcciones. De esta forma se produce un movimiento browniano irregular de las partículas.
En 1827, el botánico escocés R. Brown descubrió que el polen y otras pequeñas partículas suspendidas en el agua se mueven constantemente en curvas irregulares, lo que se llama movimiento browniano. La gente no supo cómo funcionaba durante mucho tiempo. Cincuenta años después, J. Delso propuso que estas diminutas partículas se movían mediante colisiones desequilibradas de moléculas circundantes. Esto fue demostrado más tarde por la investigación de Einstein. El movimiento browniano se ha convertido en la base para el desarrollo de la teoría cinética molecular y la mecánica estadística.
Las partículas (ancho de línea ~10-3 mm) suspendidas en líquido o gas muestran un movimiento irregular interminable, como el movimiento irregular de las partículas de carbón en el agua después de la dilución de la tinta, partículas de Garcinia, movimiento irregular en el agua... . Y cuanto mayor es la temperatura, más intenso es el movimiento browniano de las partículas. El movimiento browniano representa un fenómeno de fluctuación aleatoria, que no sólo refleja la irregularidad del movimiento molecular dentro del fluido circundante, sino que su teoría también tiene aplicaciones importantes en muchos otros campos, como el estudio del límite de precisión de los instrumentos de medición, el estudio de amplificación de gran aumento Investigación sobre ruido de fondo en circuitos de telecomunicaciones, etc.
La investigación sobre el movimiento browniano en el siglo XIX
El descubrimiento de Brown es un fenómeno novedoso ¿Cuál es su motivo? La gente está confundida. Después de Brown, esta cuestión se ha planteado repetidamente y muchos académicos han realizado investigaciones a largo plazo sobre esta cuestión. Algunos de los primeros investigadores simplemente lo atribuyeron a factores externos como el calor o la electricidad. La primera persona que señaló vagamente una explicación razonable fue Wiener (1826-1896), propuso que el movimiento browniano se originaba a partir de la vibración de las moléculas. También publicó la primera observación de la relación entre la velocidad y el tamaño de las partículas. Sin embargo, su modelo molecular no era un modelo moderno. Lo que vio en realidad fue el desplazamiento de partículas, no vibraciones.
Después de Wiener, S. Exner también midió la velocidad de movimiento de las partículas. Propuso que el movimiento browniano se debía a un flujo a escala microscópica. No explicó el origen de este flujo, pero vio que el movimiento de las partículas se intensificaba cuando el calor y la luz reducían la viscosidad del líquido. De esta manera, tanto Wiener como S. Exner atribuyeron el movimiento browniano a la naturaleza del propio sistema físico. En este período también estuvo Cantoni, quien intentó explicar el movimiento browniano basándose en la teoría termodinámica. Creía que las partículas pueden considerarse como moléculas gigantes que se encuentran en equilibrio térmico con el medio líquido. de la ósmosis y su interacción con el entorno Interacciones entre líquidos.
En las décadas de 1970 y 1980, algunos estudiosos atribuyeron claramente el movimiento browniano al impacto de las moléculas líquidas sobre las partículas. Estos estudiosos incluyen a Caponnel, Delso y Thierry, así como a Negri. El botánico Negri (1879) creía que estas partículas no podían hundirse ni siquiera en el aire en calma basándose en el fenómeno de la transmisión de hongos y bacterias a través del aire. En relación con la conclusión de la física de que las moléculas de gas se mueven en todas direcciones a velocidades muy altas, especuló que el polvo volador que se ve en el sol es el resultado del impacto de las moléculas de gas desde todas las direcciones. Dijo: "Estas pequeñas partículas de polvo se lanzan como bolas elásticas y el resultado es que pueden permanecer suspendidas durante mucho tiempo como las propias moléculas". Sin embargo, Negri abandonó esta posible forma de lograr la explicación correcta. Cuando las moléculas de gas y las partículas de polvo chocan elásticamente, la velocidad de las partículas es muchos órdenes de magnitud menor que la que realmente se observa. Por lo tanto, creía que debido a la irregularidad del movimiento de las moléculas de gas, su acción simultánea no podía hacer que las partículas. alcanzar la velocidad observada. Sin embargo, en los líquidos, debido a la resistencia a la fricción del medio y las partículas y a la adhesión entre las moléculas, la suposición del movimiento molecular no puede ser una explicación adecuada.
Entre 1874 y 1880, el trabajo de Caponel, Delso y Tyrion solucionó los problemas encontrados por Negri. La clave aquí es que creen que existen fluctuaciones de densidad y presión a escala microscópica en líquidos o gases debido a la irregularidad del movimiento molecular y la distribución de velocidades moleculares. Esta fluctuación se anula en la escala macro. Pero si el aspecto de la presión es lo suficientemente pequeño, esta falta de homogeneidad no se puede eliminar y pueden aparecer las correspondientes perturbaciones en el líquido. Por tanto, mientras las partículas suspendidas en el líquido sean lo suficientemente pequeñas, seguirán oscilando. Caponel señaló claramente que el único factor que afecta este efecto es el tamaño de las partículas, pero consideró este movimiento principalmente como una oscilación, mientras que Delso, basándose en la opinión de Clausius de que el movimiento molecular se atribuía a la traslación y la rotación, consideraba que el movimiento de. partículas es el desplazamiento irregular, que es la principal contribución de Delso.
Desde entonces, Guy realizó un gran número de observaciones experimentales sobre el movimiento browniano desde 1888 hasta 1895. La descripción de Guy del comportamiento molecular no era mejor que la de Caponnel y otros, y no entendía el concepto de fluctuaciones. Sin embargo, lo que tiene de especial es que no enfatiza la explicación física del movimiento browniano, sino que utiliza el movimiento browniano como herramienta para explorar la naturaleza del movimiento molecular. Dijo: "El movimiento browniano muestra que no es el movimiento de las moléculas, sino algunos resultados derivados del movimiento de las moléculas, los que pueden proporcionarnos evidencia directa y visible de que la hipótesis sobre la naturaleza del calor es correcta. Según este punto de Desde su punto de vista, este estudio del fenómeno jugó un papel importante en la física molecular. "Los documentos de Guy tuvieron un impacto importante, por lo que Beran luego atribuyó a Guy la fuente de la explicación correcta del movimiento browniano.
En 1900, F. Exner completó el trabajo final de las primeras investigaciones sobre el movimiento browniano. Usó muchas suspensiones para realizar el mismo tipo de investigación que había realizado su padre, S. Exner, hace 30 años. Midió el desplazamiento de las partículas en 1 minuto y, al igual que sus predecesores, confirmó que la velocidad de las partículas disminuía a medida que aumentaba el tamaño de las mismas y aumentaba a medida que aumentaba la temperatura. Reconoció claramente que las partículas, como moléculas gigantes, se unían al movimiento térmico de las moléculas líquidas, y señaló que desde este punto de vista, "se puede deducir la relación entre la energía cinética de las partículas y la temperatura". Dijo: "Este movimiento visible y". Sus valores medidos serán de gran valor para que podamos comprender claramente el movimiento dentro del líquido".
Lo anterior es la situación básica del estudio del movimiento browniano antes de 1900.
Naturalmente, estos estudios están estrechamente relacionados con el establecimiento de la teoría cinética molecular. Un importante avance conceptual en la teoría cinética de las moléculas de gas establecida por Maxwell y Boltzmann en las décadas de 1960 y 1970 fue el abandono del seguimiento detallado de moléculas individuales y su reemplazo por el tratamiento estadístico de un gran número de moléculas, lo que sentó las bases para su clarificación. El origen del movimiento browniano. Estrechamente relacionada con el estudio del movimiento browniano está la ciencia de los coloides establecida por Graham en la década de 1960. El llamado coloide es un sistema de dispersión formado por partículas con un tamaño de partícula entre macropartículas y micromoléculas. El movimiento browniano es el movimiento de partículas coloidales en medios líquidos.
Para el estudio del movimiento browniano, 1900 es una línea divisoria importante. Llegados a este punto, se ha demostrado el modelo físico apropiado del movimiento browniano y el problema restante es hacer una descripción teórica cuantitativa.
Teoría del movimiento browniano de Einstein
En 1905, Einstein propuso la teoría del movimiento browniano basada en el principio de la teoría cinética molecular. Casi al mismo tiempo, Smolukhovsky también logró el mismo resultado. Su teoría respondió satisfactoriamente a la pregunta sobre la naturaleza del movimiento browniano.
Cabe señalar que el trasfondo histórico del trabajo de Einstein fue el debate sobre la autenticidad de las moléculas en la comunidad científica de aquella época. Este debate tiene una larga historia y existe desde el nacimiento de la teoría atómica y molecular. A principios de este siglo, algunas personas, representadas por el físico y filósofo Mach y el químico Ostwald, volvieron a criticar la teoría atómica y molecular y dudaron de los átomos y las moléculas desde la perspectiva del positivismo o del energismo, generando este debate. una cuestión central en las fronteras de la ciencia. Para responder a esta pregunta, aparte de las diferencias filosóficas, la propia ciencia necesita proporcionar pruebas más poderosas que demuestren la existencia real de átomos y moléculas. Por ejemplo, la masa atómica relativa y la masa molecular relativa medidas en el pasado son solo valores comparativos relativos de masa. Si son reales, los valores absolutos de la masa atómica relativa y la masa molecular relativa pueden y deben medirse. las preguntas necesitan ser respondidas.
Debido a las circunstancias anteriores, como Einstein señaló en su artículo, su propósito era "encontrar los hechos más convincentes que puedan confirmar la existencia de átomos de un determinado tamaño". Según la teoría cinética molecular del calor, debido al movimiento molecular del calor, los objetos de un tamaño que pueden observarse fácilmente con un microscopio suspendidos en un líquido deben experimentar un movimiento que sea fácilmente observable con un microscopio. Quizás el movimiento que se analiza aquí sea el mismo. -llamado movimiento molecular 'browniano'". Creía que mientras se pudiera observar este movimiento y la regularidad esperada, "sería posible determinar con precisión el tamaño real de los átomos". "Por otro lado, si la predicción sobre este movimiento resulta ser incorrecta, proporcionaría una evidencia de peso contra la visión del calor como movimiento molecular".
Los logros de Einstein generalmente se pueden dividir en dos aspectos. La primera es la derivación basada en el principio del movimiento térmico molecular.
Es el promedio estadístico del desplazamiento de partículas en una determinada dirección durante el tiempo t, es decir, el valor cuadrático medio, y D es el coeficiente de difusión de las partículas. Esta fórmula es el resultado inevitable del movimiento browniano aparentemente irregular que obedece a las leyes del movimiento térmico molecular.
El segundo aspecto de los resultados de Einstein es que para partículas esféricas, dedujo que a se puede calcular.
En la fórmula, eta es la viscosidad del medio, a es el radio. de la partícula, y R es la constante de los gases, NA es la constante de Avogadro. De acuerdo con esta fórmula, siempre que se mida realmente el coeficiente de difusión exacto D o la orientación media del movimiento browniano, se puede obtener la masa absoluta de átomos y moléculas. Einstein utilizó una vez el coeficiente de difusión del azúcar en el agua medido por sus predecesores y estimó el valor de NA en 3,3 × 1023, que fue revisado a 6,56 × 1023 un año después (1906).
Los resultados teóricos de Einstein encontraron una manera de confirmar la autenticidad de las moléculas y también aclararon con éxito el origen y la regularidad del movimiento browniano. El siguiente trabajo consiste en utilizar suficientes experimentos para probar la confiabilidad de esta teoría. Einstein dijo: "No quiero comparar los escasos datos experimentales de que dispongo con los resultados de esta teoría aquí, sino dejarlo en manos de aquellos que han dominado este tema en los experimentos".
"¡Ojalá algún investigador pudiera resolver inmediatamente el problema aquí presentado, que es de gran importancia para la teoría del calor!" Esta tarea propuesta por Einstein fue pronto seguida por Belan (1870-1942) y Swei De Burgh realizó un excelente trabajo. trabajo respectivamente. También hay que mencionar aquí que un avance experimental importante en el estudio del movimiento browniano a principios de este siglo fue la invención del ultramicroscopio por Zygmundi (1865-1929) en 1902, con el que se puede observar directamente el movimiento browniano de partículas coloidales. visto y medido. Esto también confirmó la autenticidad de las partículas coloidales. Por esto, Zygmundi ganó el Premio Nobel de Química en 1925. Swedberg midió el movimiento browniano utilizando un ultramicroscopio.
El experimento de Beran para determinar la constante de Avogadro
De 1908 a 1913, Beran realizó experimentos para verificar la teoría de Einstein y determinar la constante de Avogadro. Su trabajo abarca varios ámbitos. En los primeros días, su idea era que, dado que las partículas que experimentan movimiento browniano en líquidos pueden considerarse moléculas gigantes que experimentan movimiento térmico, deberían seguir las leyes del movimiento molecular, siempre que encuentre una propiedad de las partículas que pueda serlo. Observada experimentalmente, esta propiedad es lógicamente equivalente a la ley de los gases y puede usarse para determinar la constante de Avogadro. En 1908, pensó que las partículas suspendidas en un líquido eran equivalentes a una "atmósfera en miniatura de moléculas visibles", por lo que la fórmula de distribución de altura de la concentración de partículas (número en unidad de volumen) debería tener la misma forma que la ecuación de presión del aire, excepto que Se debe corregir la fuerza de flotación sobre las partículas. Esta fórmula es: ln(n/n0)=-mgh(1-ρ/ρ0)/kt. En la fórmula, k es la constante de Boltzmann. Dado que la relación entre k y NA, la fórmula también se puede escribir como ln(n/n0)=-NA mgh(1-ρ/ρ0)/RT. De acuerdo con esta fórmula, k y NA se pueden calcular a partir de los datos de distribución de altura de la concentración de partículas medidos experimentalmente.
Para poder realizar este experimento, primero se deben preparar las partículas adecuadas. El método de preparación consiste en agregar primero una gran cantidad de agua a la solución alcohólica de la resina, luego la resina precipitará en pequeñas bolas de varios tamaños y luego la clasificará varias veces utilizando el método de separación por sedimentación para obtener fracciones de tamaño uniforme (por ejemplo). (por ejemplo, aproximadamente 3/4 μm de diámetro) de Garcinia cambogia). Utilice algunos métodos elaborados para determinar el diámetro y la densidad de los gránulos. El siguiente paso es determinar la distribución de altura de las perlas en la suspensión. La suspensión se coloca en un recipiente transparente y hermético y se observa con un microscopio. Una vez que la sedimentación alcanza el equilibrio, se mide la concentración de partículas a diferentes alturas. Puedes tomar una foto rápida y luego contar. Una vez que se miden los datos de distribución de altura, se puede calcular NA. Beran y sus colegas variaron varias condiciones experimentales: material (garcinia, incienso), masa de partículas (de 1 a 50), densidad (1,20 a 1,06), medio (agua, agua azucarada concentrada, glicerol) y temperatura (-90° a 60°). ), el valor NA resultante es 6,8×1023.
Otro de los experimentos de Beran fue medir el movimiento browniano, lo que se puede decir que es una prueba más directa de la teoría del movimiento térmico de las moléculas. Según la fórmula mencionada anteriormente derivada por Einstein para partículas esféricas, siempre que se utilice el líquido experimental, la proyección horizontal de las partículas se observa con un microscopio dentro de un período de tiempo seleccionado, se miden muchos valores de desplazamiento y luego se analizan estadísticamente. Se realizan promedios. Beran cambió varias condiciones experimentales y obtuvo el valor de NA de (5,5-7,2) × 1023. Beran también utilizó otros métodos. Los valores de NA obtenidos mediante varios métodos son:
6,5 × 1023 utilizando un método de distribución de suspensión de gas similar,
6,2 × 1023 utilizando un líquido similar. Método de distribución de suspensión,
6.0×1023 Determinación de turbulencia en suspensión concentrada,
6.5×1023 Determinación del movimiento browniano traslacional,
6.5×1023 Determinación de rotación Movimiento browniano.
Estos resultados son bastante consistentes y están cerca del valor aceptado moderno de 6.022×1023. Esto es bastante notable teniendo en cuenta que el método implica muchas suposiciones físicas y dificultades técnicas experimentales. Muchos investigadores posteriores determinaron los valores de NA basándose en otros principios y confirmaron la exactitud de los resultados de Belain.
Aproximadamente al mismo tiempo que Beran, Swedberg (1907) utilizó un ultramicroscopio para observar el movimiento browniano del sol de oro y también realizó un trabajo destacado al determinar la constante de Avogadro y verificar la teoría de Einstein. Se puede decir que fueron los primeros en pesar la masa atómica, por lo que en 1926, Beland y Swedberg ganaron el Premio Nobel de Física y Química respectivamente.
De esta forma, tras más de medio siglo de investigaciones desde el descubrimiento del movimiento browniano, poco a poco se ha ido acercando a una correcta comprensión del mismo. A principios de este siglo, primero con las teorías de Einstein y Smolukhovsky, y luego con los experimentos de Beran y Swedberg, este importante problema científico se resolvió satisfactoriamente y por primera vez la av. La constante de Gadreau proporciona una evidencia intuitiva y convincente de la existencia real de moléculas, lo cual es de gran importancia para la ciencia básica y la filosofía. A partir de este momento llegó a su fin el debate científico sobre la realidad de los átomos y las moléculas. Como dijo Ostwald, el principal oponente original de la teoría atómica: "La consistencia del movimiento browniano y la hipótesis dinámica han sido confirmadas tan satisfactoriamente por Beran que incluso los científicos más críticos tienen que admitir que se trata de una evidencia experimental de la composición atómica". de materia que llena el espacio”. El matemático y físico Poincaré concluyó en 1913: "La brillante determinación del número de átomos realizada por Bérin completó la victoria de la teoría atómica". "El atomismo de los químicos es ahora una realidad."
El movimiento browniano representa un fenómeno de fluctuación aleatoria, y su teoría también tiene importantes aplicaciones en otros campos. Como la investigación sobre el límite de precisión de los instrumentos de medición; la investigación sobre el ruido de fondo en circuitos de telecomunicaciones de gran aumento, etc.
El movimiento browniano, también conocido como movimiento térmico molecular, está relacionado con la temperatura y el número de partículas. Cuánto mayor es la temperatura, mayor es el movimiento browniano. Cuanto más intenso es, menos partículas hay y más intenso es el movimiento térmico de las moléculas.