Brownsche Bewegung
Tauche ein in das Phänomen der brownschen Bewegung, die zufällige Bewegung von Teilchen in Flüssigkeiten oder Gasen. Verstehe, wie diese Bewegung einen der ersten Beweise für die Existenz von Atomen lieferte. Neugierig geworden? Erfahre mehr über ihre Entdeckung und die Theorien von Albert Einstein!
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Grundlagen zum Thema Brownsche Bewegung
Was ist die brownsche Bewegung?
Hast du schon einmal von der brownschen Bewegung gehört? Manchmal wird dafür auch der Begriff brownsche Molekularbewegung genutzt. Aber was versteht man unter der brownschen Bewegung?
Es handelt sich dabei um die zufällige, mikroskopische Bewegung kleiner Teilchen in Flüssigkeiten oder Gasen. Wie sie entdeckt wurde und wie sie zustande kommt, wollen wir uns im Folgenden anschauen. Wir werden auch herausfinden, warum die Entdeckung dieses Phänomens so bedeutend war.
Brownsche Bewegung – Entdeckung
Im Jahr 1827 untersuchte der Botaniker Robert Brown Pollen in einem Wassertropfen unter dem Mikroskop. Er beobachtete, dass sich die Pollen wie von selbst bewegten, und zwar in zufälliger Weise. Er nahm zunächst an, dass die Bewegung von den Pollen selbst ausging, sie also lebendig seien. Als er dieselbe Bewegung später an Rußpartikeln beobachtete, wurde ihm allerdings klar, dass dies nicht sein konnte. Es musste sich folglich um ein anderes Phänomen handeln, das nicht mit den Teilchen selbst, sondern mit der sie umgebenden Flüssigkeit zu tun hatte.
Nach Brown führten viele andere Forscherinnen und Forscher Experimente zu diesem Phänomen durch. Sie stellten fest, dass die mittlerweile nach Brown benannte brownsche Bewegung bei allen in Gas oder Luft befindlichen Teilchen auftritt, die klein genug sind. Die Bewegung der Teilchen ist dabei zufällig – sie ändern also ständig ihre Richtung und bewegen sich im Zickzack.
Eine solche Bewegung nennt man auch einen Random Walk (zu Deutsch: Zufallsweg).
Wie kommt die brownsche Bewegung zustande?
Nachdem die Beobachtungen Robert Browns mehrmals bestätigt worden waren, entwickelten Forscherinnen und Forscher die Theorie, dass die Bewegung der mikroskopisch kleinen Teilchen durch die Bewegung und Stöße noch kleinerer Teilchen hervorgerufen würde. Diese Erkenntnis macht die Entdeckung der brownschen Bewegung so bedeutend: Die brownsche Bewegung zählt zu den ersten Nachweisen für die Existenz von Atomen und Molekülen und für die Theorie der Wärmebewegung. Eine erste theoretische und quantitative Beschreibung der brownschen Bewegung, die später von anderen Forscherinnen und Forschern erweitert wurde, veröffentlichte Albert Einstein im Jahr 1905. Quantitativ bedeutet, dass man mit dieser Theorie bereits gewisse Parameter der brownschen Bewegung berechnen konnte.
Wir können uns die brownsche Bewegung vereinfacht folgendermaßen vorstellen:
Ein mikroskopisch kleiner Körper, wie zum Beispiel ein Staubkorn, befindet sich in einem Wassertropfen. Der Wassertropfen besteht aus vielen kleinen Wasserteilchen, die sich die ganze Zeit über bewegen, zusammenstoßen und die Richtung ändern. Die Wasserteilchen stoßen aber nicht nur miteinander, sondern auch gegen das Staubkorn. Da die Wasserteilchen viel kleiner und leichter sind als das Staubkorn, passiert bei einem einzelnen Stoß nichts. Manchmal stoßen aber zufällig mehrere Wasserteilchen gleichzeitig gegen das Staubkorn – dann bewegt es sich in die Richtung, in die es gestoßen wurde.
Da diese zufälligen Mehrfachstöße immer wieder passieren, bewegt sich das Staubkorn zufällig und vollführt einen Random Walk. Einstein fand auch heraus, dass die brownsche Bewegung von der Temperatur abhängt – sie ist größer, je höher die Temperatur ist. Auch das passt sehr gut zur Theorie der Wärmebewegung, also der Idee, dass sich Teilchen bei höheren Temperaturen stärker bewegen – die Flüssigkeit oder das Gas hat dann eine höhere innere Energie.
Ihr könnt die brownsche Bewegung auch selbst im Experiment beobachten, allerdings braucht ihr dazu ein gutes Mikroskop. Wenn ihr zum Beispiel in der Schule ein gutes Mikroskop habt, könnt ihr damit die sich zufällig bewegenden Fetttröpfchen in verdünnter Milch beobachten.
Brownsche Bewegung – Zusammenfassung
Wir wollen die wichtigsten Punkte zur brownschen Bewegung noch einmal zusammenfassen:
- Die brownsche Bewegung wurde von Robert Brown im Jahr 1827 entdeckt.
- Bei der brownschen Bewegung handelt es sich um die zufällige, ruckartige Bewegung mikroskopisch kleiner Partikel in einem Gas oder einer Flüssigkeit.
- Sie war einer der ersten Nachweise für die Existenz von Atomen und Molekülen.
- Sie war außerdem eine Bestätigung der Theorie der Wärmebewegung.
- Einstein erklärte die brownsche Bewegung im Jahr 1905. Sie wird durch zufällige, wiederholte Stöße mit Atomen oder Molekülen verursacht.
Transkript Brownsche Bewegung
Hallo,
in diesem Video möchte ich euch erklären, was die Brown'sche Bewegung ist und was das mit dem Teilchenmodell und Temperatur zu tun hat.
Betrachten wir mal dieses Staubkorn hier, welches sich in Luft befinden soll. Wenn man das jetzt unter dem Mikroskop anguckt, kann man die Bewegung des Staubkorns verfolgen. Aber dann kommt was ganz Komisches bei heraus, denn das Staubkorn bewegt sich ständig, ohne aufzuhören in irgendwelche Richtungen, kreuz und quer, ohne jegliche Struktur. Das ist schon komisch, denn warum bleibt es nicht einfach irgendwann stehen? Man stellt sich dann doch die Frage, woher kommt diese Energie? Es muss doch dann eine unsichtbare Kraft geben, die das Staubkorn immer wieder anstößt und in unterschiedliche Richtungen drängt. Genau dieselbe Frage stellte sich Robert Brown schon im Jahre 1827 und die Antwort darauf ist Folgende:
Das Staubkorn befindet sich ja in Luft. Also schweben um es herum etliche von kleinen Luftmolekülen. Und genau diese für uns unsichtbaren Luftmoleküle sind die Ursache für die komische Bewegung, die das Staubkorn in der Luft vollführt. Denn die Luftmoleküle selbst bewegen sich ja auch. Und dabei stoßen sie sehr oft gegeneinander, wechseln die Richtung und stoßen natürlich auch gegen das Staubkorn, weswegen die eigenartige Bewegungsstruktur entsteht. Es finden also in der Luft ständige Bewegungsenergieübertragungen durch Stöße statt.
Schauen wir nun mal, was passiert, wenn wir die Luft ein wenig erhitzen. Wenn man einen Stoff erhitzt, bedeutet das ja, dass sich die Teilchen in dem Stoff schneller bewegen, d.h., die Stöße gegen das Staubkorn werden auch stärker und dieses bewegt sich nun schneller.
Also was hat man nun mit dieser Entdeckung herausgefunden? Man weiß nun: Eine höhere Temperatur in einem Stoff bedeutet auch eine größere Bewegungsenergie der Teilchen, also der Moleküle oder der Atome. Und eine größere Bewegungsenergie bedeutet dann auch eine größere Innere Energie des gesamten Stoffes.
Übrigens könnt ihr zu Hause auch mal selbst probieren, ob ihr die Brown'sche Bewegung sehen könnt. Ihr nehmt euch einfach sehr fetthaltige Milch, am besten Bio-Milch, und verdünnt diese stark mit Wasser. Und dann könnt ihr in dem Gemisch die kleinen Fetttröpfchen der Milch beobachten. Und ich wette mit euch, die werden nicht zur Ruhe kommen.
Also, das war's. Bis zum nächsten Mal, tschüss.
Brownsche Bewegung Übung
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Nenne die Frage, die sich Brown zu dem Staubkorn stellte.
TippsÜberlege, welche Fragen sich bei einem Objekt wie einem Staubkorn wohl leicht beantworten lassen, und welche vielleicht nach einem physikalischen Rätsel aussehen.
LösungDie Frage, auf die Brown eine Antwort suchte, war die, warum sich diese Staubkörner dauernd bewegen. Sie sind zwar im Medium Luft, aber es gibt keinen Wind oder andere erkennbare Kräfte.
Alle anderen Aussagen sind dagegen falsch und führen auch zu keinen sonderlich revolutionären Erkenntnissen.
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Beschreibe Browns Antwort auf die Frage mit dem Staubkorn.
TippsDas Staubkorn liegt einfach frei, aber in einem geschlossenen System unter einem Mikroskop.
LösungWarum bewegt sich ein Staubkorn von allein?
Die Antwort darauf ist, dass es sich in Luft befindet. Denn Luft besteht aus Molekülen, welche immer in Bewegung sind. Dabei stoßen sie das Staubkorn an.
Diese Energie reicht bei einem Staubkorn bereits aus, um es zu bewegen.
Das nennt man dann Brown'sche Bewegung.
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Erkläre, wie man die Brown'sche Bewegung verstärken kann.
TippsÜberlege, was dir bei dem Begriff „Innere Energie“ einfällt.
Eine Feder ist im Vergleich zum Staubkorn sehr schwer.
LösungDie Energie wird von den Luft-Molekülen auf das Staubkorn übertragen, aber welche Energie ist es? Weiß man das, so weiß man auch, wie man sie verstärkt.
Da dort Stöße stattfinden, klingt kinetische Energie einleuchtend und das stimmt sogar.
Aber in dieser Größenordnung, nämlich der der Moleküle und Atome, betrachten wir die innere Energie, dort ist die Bewegungsenergie nicht die kinetische Energie, sondern die thermische Energie.
Eine höhere Temperatur hat also schon der Definition nach eine stärkere Molekülbewegung zur Folge.
Das bedeutet dann stärkere Stöße, das Staubkorn bewegt sich stärker.
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Beschreibe die Energieformen der inneren Energie.
TippsDie Brown'sche Bewegung wird durch mehr thermische Energie verstärkt.
LösungDie innere Energie ist die Energie der Atome und Moleküle, also der Teilchen.
Wie diese Teilchen zusammenhalten, ist von ihrer Bindungsenergie abhängig, sie wird oft in der Chemie betrachtet.
Die potentielle Energie ist die Energie im Atomkern, welche bei einer Kernspaltung frei wird.
Die für dieses Thema wichtige Energie ist die thermische Energie, sie beschreibt die Teilchenbewegung. Hohe Temperaturen führen also zu chaotischeren und stärkeren Teilchenbewegungen.
Die Bewegungsenergie würde man normalerweise als kinetische Energie beschreiben. Bei der thermischen Energie sind allerdings viele Teilchen gemeint, die sich frei umher bewegen, anstelle von einem Teilchen mit berechenbarer Bewegung, daher spricht man von thermischer Energie.
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Beschreibe Robert Browns Erkenntnisweg.
TippsEs geht hier in erster Linie um Bewegungsprozesse, also im weitesten Sinne um kinetische Energie.
LösungRobert Brown fand heraus, dass dieses Staubkorn, das unaufhörlich auf seinem Mikroskop zappelte, durch die Luft-Teilchen angestoßen wurde. Diese haben eine Bewegungsenergie, die thermische Energie, wodurch sie sich in alle Richtungen bewegen.
Das bedeutet, sie stoßen das Staubkorn ständig an.
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Unterscheide zwischen Temperatur und Wärme.
TippsWärme verteilt sich gleichmäßig im Medium.
LösungDie Begriffe „Temperatur“ und „Wärme“ werden fälschlicherweise oft gleichbedeutend verwendet.
Doch mit Wärme meint man die thermische Energie, also die Wärmeenergie.
Die Temperatur ist dann der Grad an Wärme im Gefäß.
Da die Kerzen nun beide gleich viel Energie abgeben, erhalten beide Gefäße auch die gleiche Menge thermischer Energie.
Ihre Temperatur ist dennoch verschieden, denn die erhaltene Energie wird im großen Gefäß auf viel mehr Teilchen verteilt als im kleinen, dort bekommt jedes Teilchen eine größere „Portion“ Energie.
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Super Viedeo 👌
Gut
Tolles Video danke
Top erklärt vielen Dank 👍👍👍
echt suoer