Brownse beweging is de willekeurige beweging van deeltjes in een vloeistof als gevolg van hun botsingen met andere atomen of moleculen. Brownse beweging is ook bekend als pedese, dat komt van het Griekse woord voor "springen". Ook al kan een deeltje groot zijn vergeleken met de grootte van atomen en moleculen in het omringende medium, kan het door de impact worden verplaatst met veel kleine, snel bewegende massa. Brownse beweging kan worden beschouwd als een macroscopisch (zichtbaar) beeld van een deeltje dat wordt beïnvloed door veel microscopische willekeurige effecten.
Brownse beweging dankt zijn naam aan de Schotse botanicus Robert Brown, die stuifmeelkorrels willekeurig in water bewoog. Hij beschreef de motie in 1827, maar kon hem niet uitleggen. Hoewel pedesis zijn naam aan Brown ontleent, was hij niet de eerste persoon die het beschreef. De Romeinse dichter Lucretius beschrijft de beweging van stofdeeltjes rond het jaar 60 voor Christus, die hij gebruikte als bewijs van atomen.
Het transportfenomeen bleef tot 1905 onverklaard
Albert Einstein publiceerde een paper waarin werd uitgelegd dat het stuifmeel werd verplaatst door de watermoleculen in de vloeistof. Net als bij Lucretius diende de verklaring van Einstein als indirect bewijs van het bestaan van atomen en moleculen. Aan het begin van de 20e eeuw was het bestaan van zulke kleine materie-eenheden slechts een theorie. In 1908 verifieerde Jean Perrin experimenteel de hypothese van Einstein, die Perrin de Nobelprijs voor natuurkunde 1926 opleverde 'voor zijn werk aan de discontinue structuur van materie'.De wiskundige beschrijving van Brownse beweging is een relatief eenvoudige kansberekening, niet alleen van belang in de natuurkunde en scheikunde, maar ook om andere statistische verschijnselen te beschrijven. De eerste persoon die een wiskundig model voor Brownse beweging voorstelde, was Thorvald N. Thiele in een krant over de kleinste kwadraten methode dat werd gepubliceerd in 1880. Een modern model is het Wiener-proces, genoemd ter ere van Norbert Wiener, die de functie van een continu stochastisch proces beschreef. Brownse beweging wordt beschouwd als een Gauss-proces en een Markov-proces met een continu pad dat zich gedurende een continue tijd voordoet.
Wat is Brownse beweging?
Omdat de bewegingen van atomen en moleculen in een vloeistof en gas willekeurig zijn, zullen grotere deeltjes na verloop van tijd gelijkmatig door het medium worden verspreid. Als er twee aangrenzende materieregio's zijn en regio A tweemaal zoveel deeltjes bevat als regio B, is de kans groot dat een deeltje zal gebied A verlaten om gebied B binnen te gaan is tweemaal zo groot als de kans dat een deeltje gebied B zal verlaten om binnen te komen EEN. Verspreiding, de beweging van deeltjes uit een gebied met een hogere naar een lagere concentratie, kan worden beschouwd als een macroscopisch voorbeeld van Brownse beweging.
Elke factor die de beweging van deeltjes in een vloeistof beïnvloedt, heeft invloed op de snelheid van Brownse beweging. Bijvoorbeeld verhoogde temperatuur, verhoogd aantal deeltjes, kleine deeltjesgrootte en laag viscositeit verhoog de bewegingssnelheid.
Brownse bewegingsvoorbeelden
De meeste voorbeelden van Brownse beweging zijn transportprocessen die worden beïnvloed door grotere stromen, maar vertonen ook pedese.
Voorbeelden hiervan zijn:
- De beweging van stuifmeelkorrels op stilstaand water
- Beweging van stofbewegingen in een kamer (hoewel grotendeels beïnvloed door luchtstromen)
- Verspreiding van verontreinigende stoffen in de lucht
- Verspreiding van calcium door botten
- Beweging van "gaten" van elektrische lading in halfgeleiders
Belang van Brownse beweging
Het initiële belang van het definiëren en beschrijven van Brownse beweging was dat het de moderne atoomtheorie ondersteunde.
Tegenwoordig worden de wiskundige modellen die Brownse beweging beschrijven gebruikt in wiskunde, economie, techniek, natuurkunde, biologie, scheikunde en tal van andere disciplines.
Brownse beweging versus motiliteit
Het kan moeilijk zijn om een onderscheid te maken tussen een beweging als gevolg van Brownse beweging en beweging als gevolg van andere effecten. In biologieeen waarnemer moet bijvoorbeeld kunnen zien of een preparaat beweegt omdat het beweeglijk is (kan zelfstandig bewegen, misschien door trilharen of flagella) of omdat het onderhevig is aan Brownian beweging. Meestal is het mogelijk om onderscheid te maken tussen de processen omdat Brownse beweging schokkerig, willekeurig of als een trilling lijkt. Echte beweeglijkheid verschijnt vaak als een pad, anders is de beweging aan het draaien of draaien in een specifieke richting. In de microbiologie kan de motiliteit worden bevestigd als een monster dat is geïnoculeerd in een halfvast medium weg migreert van een steeklijn.
Bron
'Jean Baptiste Perrin - Feiten.' NobelPrize.org, Nobel Media AB 2019, 6 juli 2019.