Gerakan Brown dan Difusi

Zarah halus yang terampai dalam cecair atau gas boleh bergerak secara tidak sekata walaupun bendalir itu kelihatan tenang. Gerakan ini bukan tanda zarah mempunyai enjin kecil. Pada skala mikroskopik, molekul bendalir sentiasa bergerak akibat tenaga haba dan menghentam zarah dari pelbagai arah. Imbangan hentaman tidak pernah sempurna pada setiap saat, lalu kedudukan zarah berubah secara rawak. Robert Brown melihat gerakan tidak teratur pada zarah berkaitan debunga pada abad ke-19, tetapi eksperimen lanjut menunjukkan zarah bukan hidup juga bergerak dengan cara yang sama.

Daripada hentaman molekul kepada laluan rawak

Bagi zarah yang cukup kecil, turun naik bilangan dan momentum molekul yang menghentam setiap sisinya menjadi ketara. Arah gerakan sesaat sukar diramal. Namun, apabila banyak langkah rawak dikaji secara statistik, corak yang teratur muncul: taburan kedudukan melebar mengikut masa. Inilah hubungan penting antara gerakan Brown pada zarah individu dengan difusi pada kumpulan zarah. Dalam model resapan mudah, purata sesaran boleh kekal hampir sifar kerana arah gerakan tidak berat sebelah, sedangkan purata kuasa dua sesaran bertambah dengan masa.

Difusi ialah hasil kolektif gerakan rawak

Jika banyak zarah bermula dalam kawasan yang sempit, gerakan rawak menyebabkan sebahagiannya bergerak keluar ke pelbagai arah. Lama-kelamaan taburan zarah menjadi lebih luas. Pada skala makroskopik, perubahan taburan ini disebut difusi. Tiada zarah individu yang perlu mengetahui arah kawasan kurang tumpat; corak penyebaran boleh terhasil daripada banyak gerakan mikroskopik yang rawak.

Saiz, suhu dan kelikatan mempengaruhi gerakan

Gerakan Brown lebih mudah diperhatikan bagi objek yang sangat kecil kerana turun naik hentaman molekul menjadi lebih penting berbanding dengan inersia objek. Dalam model mudah bagi zarah sfera di dalam cecair, pekali difusi meningkat apabila suhu meningkat dan berkurang apabila saiz zarah atau kelikatan bendalir meningkat. Hubungan kuantitatif memerlukan andaian tentang bentuk zarah dan sifat bendalir.

Gerakan Brown bukan aliran bendalir

Aliran pukal boleh mengangkut zarah dalam satu arah purata, manakala gerakan Brown menghasilkan turun naik rawak di sekeliling gerakan purata itu. Dalam eksperimen sebenar, kedua-duanya boleh berlaku serentak. Arus perolakan, getaran meja atau hanyutan sampel perlu dikawal supaya tidak tersalah dianggap sebagai gerakan Brown.

Bukti bagi gambaran molekul jirim

Pada tahun 1905, Albert Einstein mengemukakan penjelasan kuantitatif gerakan Brown yang kemudiannya diuji melalui pemerhatian, sekali gus mengukuhkan bukti tentang kewujudan atom dan molekul. Ramalan tentang penyebaran zarah boleh dibandingkan dengan pemerhatian mikroskop. Persetujuan antara ramalan statistik dan eksperimen menyokong tafsiran bahawa hentaman molekul benar-benar menghasilkan gerakan yang diperhatikan.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?