Movimiento browniano
¿Qué es el movimiento browniano?
El movimiento browniano es el movimiento aleatorio de partículas en un líquido o un gas. Este movimiento se produce aunque no se apliquen fuerzas externas. Las partículas nunca permanecen completamente quietas. En su lugar, el movimiento se produce porque las partículas chocan entre sí en un líquido o gas. Al igual que las bolas de billar al chocar entre sí cambian de dirección, lo mismo ocurre con las moléculas. Si la partícula uno choca con la partícula dos, ambas cambian de momentum (dirección y velocidad).
Las partículas amarillas chocan aleatoriamente con las negras y su trayectoria se traza en azul. (Fuente: Wikipedia Commons)
Los pasos que da la partícula no están correlacionados. Cada paso es aleatorio e independiente del anterior. El movimiento browniano suele modelarse mediante un «paseo aleatorio». La distancia de una partícula desde su posición inicial será una distribución gaussiana, con la anchura de la gaussiana aumentando con el tiempo. Esto significa que, a medida que pasa el tiempo, es más probable que la partícula se aleje más de su posición inicial.
Probabilidad de encontrar una partícula a cierta distancia después de diferentes cantidades de tiempo. La línea azul corresponde al menor tiempo transcurrido. La línea naranja corresponde al mayor tiempo transcurrido. (Fuente: Wikipedia Commons)
Otros nombres del movimiento browniano son movimiento browniano y pedesis (en griego «salto»). El movimiento browniano también se denomina ruido térmico por su relación con la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, hay más energía en el sistema y aumenta el movimiento.
Factores que aumentan el movimiento de las partículas
- Aumentar la temperatura: A mayor temperatura, más energía tiene cada partícula.
- Solución menos viscosa: Cuanto más viscosa es una solución, más energía necesita una partícula para moverse a través de ella. Piensa en la melaza (muy viscosa) comparada con el agua (menos viscosa). El agua será más fácil de atravesar. Lo mismo ocurre a menor escala con las partículas individuales.
- Partículas más pequeñas: la velocidad de las partículas está inversamente relacionada con su tamaño. Por lo tanto, las partículas más pequeñas se moverán más rápido y viajarán más lejos que las partículas más grandes.
Movimiento browniano en coloides
Un coloide es una mezcla homogénea con partículas grandes suspendidas en una solución de otra sustancia. La leche y la niebla son ejemplos comunes de coloides. Las partículas de mayor tamaño permanecen suspendidas en la solución y no se depositan en el fondo como cabría esperar debido a la gravedad. En su lugar, el movimiento browniano es lo que mantiene las partículas en la solución.
El efecto de todas las partículas más pequeñas que chocan con las más grandes es suficiente para contrarrestar la gravedad y hacer que las partículas grandes permanezcan en la solución.
Ejemplos de movimiento browniano
El movimiento browniano puede ser difícil de observar. Todas las partículas de un líquido o un gas se mueven debido al movimiento browniano.
La difusión se produce en parte debido al movimiento browniano. Las partículas se alejan de su posición original y se distribuyen aleatoriamente.
Un experimento común en el que se puede seguir fácilmente el movimiento browniano es observar tintes fluorescentes en una solución. Las partículas individuales se rastrean detectando los fotones o la luz liberada por moléculas individuales a medida que se mueven por la solución.
Se pueden ver perlas fluorescentes moviéndose en la solución. (Fuente: Wikipedia Commons)
La breve película de arriba muestra perlas fluorescentes moviéndose a través de una solución. Este movimiento se debe al movimiento browniano. Cada perla tiene una trayectoria aleatoria y no todas se mueven en la misma dirección.
¿Quién descubrió el movimiento browniano?
El botánico escocés Robert Brown fue el primero conocido que investigó el movimiento browniano en 1827. Estaba examinando semillas de plantas y le extrañó su movimiento incluso cuando estaban muertas. A partir de esta observación, dedujo que se estaba produciendo algún otro fenómeno.
Tras el descubrimiento de Brown, Einstein siguió investigando este fenómeno. Y en 1905 publicó el primer artículo sobre el tema. Jean Baptiste Perrin profundizó entonces los estudios de Einstein. Por su trabajo, Perrin recibió el Premio Nobel de Física en 1926.
A principios del siglo XX, Norbert Wiener también fue una figura importante en el aprendizaje del movimiento browniano. Wiener se centró en los modelos matemáticos del movimiento browniano y otros procesos estocásticos.
Muchos otros científicos también se han centrado en el estudio del movimiento browniano y hoy en día sigue siendo un área de investigación en curso.
Otros recursos y referencias:
Para profundizar en el complejo tema del movimiento browniano, consulte los enlaces siguientes:
- «Movimiento browniano», por Michael Fowler, en la Universidad de Virginia.
- “Making Sense of Brownian Motion: Colloid Characterization by Dynamic Light Scattering” por Hassan et. al. en ACS Langmuir
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