Sbírka fyzikálních pokusů

Brownův pohyb

Pokus číslo: 1876

• Cíl pokusu

  Cílem experimentu je pomocí mikroskopu ukázat reálný Brownův pohyb.

• Teorie

  V roce 1827 skotský botanik Robert Brown (1773-1858, obr. 1) jako první pozoroval chaotický pohyb pylových zrnek ve vodě. Zdánlivě neměl tento pohyb, který dostal na počest svého objevitele jeho jméno, žádnou vnější příčinu a dlouhá desetiletí odolával snaze vědců jej objasnit; se správným vysvětlením přišli až v letech 1905 a 1906 nezávisle na sobě Albert Einstein a Marian Smoluchowski. Vysvětlení vychází z kinetické teorie látek a zdůvodňuje pohyb pylových zrnek (tzv. brownovských částic) jejich srážkami s mnohem menšími molekulami vody. Tyto chaoticky se pohybující molekuly narážejí do konkrétního pylového zrnka ze všech stran, a pokud krátkodobě působení z jedné strany převáží, udělí molekuly vody brownovské částici zrychlení jedním směrem; v nové poloze se vše znovu opakuje. Výsledný pohyb je tedy neuspořádaný a trhaný.

  

  Brownův pohyb bývá považován za jeden z experimentálních důkazů skutečnosti, že částice v látkách se neustále neuspořádaně pohybují.

• Pomůcky

  Mikroskop, smetana do kávy, krycí a podložní sklíčko, štěteček, nádobka s vodou.

• Postup

  1. Nejdříve si připravíme roztok pro studium Brownova pohybu. Do přibližně 20 ml vody štětečkem přidáme několika kapek smetany do kávy (obr. 2 vlevo) a vzniklý roztok promícháme.

  2. Naneseme vzorek roztoku na podložní sklíčko a přikryjeme sklíčkem krycím.

  3. Vložíme vzorek pod mikroskop a podle potřeby obraz doostříme. Pozorujeme přímo okulárem mikroskopu nebo k němu přiložíme kameru (obr. 2 vpravo) a promítáme obraz na plátno.

  

• Vzorový výsledek

  Pozorujeme Brownův pohyb, kde roli brownovských částic představují tukové kapénky smetany do kávy a prostředím je – stejně jako v původním pokusu Roberta Browna – voda. Vzorový výsledek ukazuje video níže, ve kterém bylo použito šestisetnásobné zvětšení.

• Technické poznámky

  • Pokud si chceme připravit vzorek před hodinou, je třeba ho uchovávat v nádobce, nikoliv nanesený mezi podložním a krycím sklíčkem – zde vzorek rychle vysychá.

  • Máme-li mikroskop s bezdrátovým, USB či jiným připojením, můžeme experiment s výhodou přenést na monitor počítače nebo na plátno.

  • Relativně dostupnou učební pomůcku představují v současnosti jednoduché kompaktní digitální USB mikroskopy „do ruky“, nabízející maximální zvětšení např. 220 či 400. Bohužel, autorům pokusu se nepodařilo pomocí nich Brownův pohyb zachytit.

• Metodické poznámky

  • Do výuky můžeme přijít s již namíchaným roztokem, čímž se vyhneme riziku, že se nám nepodaří připravit vhodný vzorek. Pro studenty může být ale přínosné sledovat i vlastní přípravu vzorku, resp. se na ní podílet – pak je nezbytné si vhodný poměr mezi množstvím použité smetany a vody vyzkoušet předem.

  • Průběh vlastního experimentu si zasluhuje komentář vyučujícího, protože se v něm typicky odehrává více dějů naráz. Především – kromě chaotického kmitání brownovských částic se často vzorek jako celek pohybuje jedním daným směrem – hovoříme o tzv. tečení vzorku a je nutné zdůraznit, že tento jen s Brownovým pohybem nesouvisí. K tečení dochází například při proudění vzorku po podložním sklíčku vlivem tíhové síly nebo při jeho nerovnoměrném prohřívání lampou mikroskopu. Dále můžeme kromě Brownova pohybu někdy zaznamenat i pohyb živých mikroorganismů.

  • Studenti se občas podivují nad tím, že některé brownovské částice se pohledem mikroskopu jeví jako světlé a jiné jako tmavé, přičemž mnohé částice během experimentu navíc „mění barvu“. Tyto efekty má na svědomí vlnová povaha světla, přesněji interferenční/difrakční jevy na sledovaných částicích.

• Komentář

  Mikroskop vhodný k provedení výše popsaného experimentu není samozřejmou výbavou každé školy, v případě jeho absence se tedy můžeme uchýlit k animaci či appletu. Těch se na internetu vyskytuje v rozličné kvalitě velké množství – doporučit lze například následující animaci Brownian motion publikovanou na serveru YouTube:

• Zajímavost

  Einsteinův článek O pohybu malých částic suspendovaných v nehybné kapalině, předpokládaném molekulárně-kinetickou teorií tepla z r. 1905, který bývá považován za vysvětlení Brownova pohybu, se paradoxně o tomto pohybu vůbec nezmiňuje – článek měl jiný cíl a Einstein si zřejmě souvislost s Brownovým pohybem uvědomil až při jeho tvorbě. Spojením Brownova pohybu s osobou Alberta Einsteina se podrobně zabývá článek Oldřicha Bílka Albert Einstein a Brownův pohyb, publikovaný v roce 2005 v časopise Pokroky matematiky, fyziky a astronomie.