Rychlost částic při Brownovu pohybu půjde změřit

30. květen 2010 | 06.00 |

Brownův pohyb - chování pylových zrníček Lohanky (Clarkia pulchella)  v kapce vody pod mikroskopem byl znám už od roku 1827. Tehdy jej pozoroval anglický botanik Robert Brown, ale protože vědecký svět nevěděl o existenci molekul, nedokázal pohyb částic pylu dlouhou dobu nikdo uspokojivě vysvětlit. Vědci se domnívali, že  pohyb malých částeček rozptýlených ve vodě nebo v plynu je způsoben třeba vnitřními prouděním souvisejícím s vypařováním kapaliny nebo vlivem působení světla. Když v roce 1905 Albert Einstein vysvětlil Brownův pohyb, domníval se, že  rychlost Brownových částeček v kapalině nepůjde nikdy zjistit neboť se zkracujícím časem se bude blížit okamžitá rychlost částic k nekonečně velkým hodnotám. Časopis Science Express nyní zveřejnil výsledky experimentů amerických vědců, kterým se podařilo najít způsob jak změřit okamžitou rychlost Brownova pohybu v plynech, kde je řádově pomalejší.  

Einstein zdůvodnil, že tepelný pohyb částic je neuspořádaný pohyb způsobený neustálými srážkami částic (molekul, atomů) s částečkami látky. To rozhodně vedlo k podpoře rozvoje představy o stavbě látek z částic a platnosti kinetické teorie. Ukázal, jak analýzou pohybu zrníček pylu lze zjistit skutečnou velikost částic a tak se roku 1908 podařilo fyzikovi Jeanovi Perrinovi netradiční experimentální metodou stanovit Avogadrovu konstantu.

Einstein rovněž vyvrátil domněnku kritiků molekulárního vysvětlení, kteří argumentovali, že okamžitá rychlost pozorovaných mikročástic by někdy mohla dosahovat obrovských až k nekonečnu se blížících hodnot. Prokázal, že jenom pro nepředstavitelně krátké časové úseky mezi dvěma srážkami lze dráhu částice považovat za ovlivněnou pouze gravitací. V roce 1907 ale také předpověděl, že okamžitá rychlost částice na těchto extrémně krátkých úsecích se nebude dát nikdy experimentálně ověřit, což bývá považováno za jeho "omyl".

Američtí fyzikové z University of Texas at Austin uspořádali experiment, kterým okamžitou rychlost částic podléhajících Brownovu pohybu změřili. Tak prokázali, že se Einstein nemýlil ani na úrovni, na kterou si technické experimentální možnosti doposud nesáhly.

Problém měření okamžité rychlosti částic při Brownova pohybu je v tom, že mezi dvěma srážkami uplyne velmi krátký čas. Například 1 mikron velké silikagelové kuličky rozptýlené ve vodě mění jak směr, tak rychlost svého pohybu průměrně každých 100 nanosekund, tedy každou desetimiliontinu sekundy. Měření pod touto hranicí si vyžaduje detektor s reakčním časem kratším než 10 nanosekund.

Fyzikové nezkoumali Brownův pohyb částic v kapalině, ale ve vzduchu, kde je hustota molekul v plynu menší. Vzájemné vzdálenosti molekul jsou pak větší a tak se prodlužuje v závislosti na tlaku  i čas mezi jejich srážkami (nebo srážkami s prachovými částicemi) průměrně "až" na  100 mikrosekund. Zbývalo jen nějakým způsobem vykompenzovat vliv gravitačního působení na částečky. Vědci do prostoru ve speciální optické soustavě rozptýlili 3 mikrometry "velké" kuličky z oxidu křemičitého a počkali, až se nějaká z nich zachytí v takzvané optické pinzetě – v místě, kde tlak záření dvou různě polarizovaných laserových paprsků právě kompenzuje gravitační působení a umožňuje kuličce chvíli levitovat v prostoru. Jak se světlem uvězněná a molekulami plynu neustále narážená  kulička pohybuje sem a tam, nepatrně část některého z paprsků vychyluje. Každý posun se tak odrazí v pozměněném rozložení energie procházejícího světla. Jeho analýza umožnila fyzikům zkonstruovat graf časové závislosti polohy kuličky.

Na mikrosekundové škále pohyb částice odpovídá vzdálenosti než do sebe částice narazí. Vědci vydělením nepředstavitelně malých úseků trajektorie příslušným extrémně krátkým časem vypočítali okamžitou rychlost těchto částic. Tím prokázali, že tyto rychlosti odpovídají kinetické teorii a podléhají Maxwellovu – Boltzmannovu přerozdělení, které určuje jaká je pravděpodobnost, že se částice bude v plynu pohybovat jistou konkrétní rychlostí. Toto rozdělení se mění s teplotou systému. Když narůstá, zvyšuje se i nejpravděpodobnější rychlost. Důkaz, že  střední kinetická energie částice je přímo úměrná termodynamické teplotě a ne od její velikosti a hmotnosti, je důkazem ekvipartičního teorému – principu rovnoměrného rozdělení energie soustavy na všechny platné stupně volnosti. To znamená, že žádný z navzájem nezávislých možných pohybů podél tří souřadných os – není energeticky zvýhodněn a celá soustava se "snaží" energii rovnoměrně rozložit a maximalizovat svou míru neuspořádanosti  a tak zvyšovat entropii.

Fyzikové chtějí nyní upravit celé zařízení tak, aby v prostoru, kde mikročástici zachytí do laserové optické pinzety, bylo co nejlepší vakuum. Pak pomocí dalších paprsků se budou snažit tepelný pohyb částice kompenzovat a tím ji "zmrazit" na teplotu co nejbližší k 0 K, čímž by se přiblížili ke kvantovému základnímu pohybovému stavu "makroobjektu", ve kterém by se mohlo dát pozorovat jeho kvantové chování.

Podle Dagmar Gregorové

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 0.00 (0x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře