Chemie Grundlagen

Brownsche Molekularbewegung

Die Brownsche Molekularbewegung war entscheidend für die Entwicklung der Atomtheorie von Materie. Was die Brownsche Molekularbewegung ist und mehr erfährst du in diesem Beitrag.

Wenn du das Wichtigste aus diesem Beitrag in kurzer Zeit erfahren möchtest, dann schaue dir unser Video zu Brownsche Molekularbewegung an.

Inhaltsübersicht

Brownsche Molekularbewegung einfach erklärt

Der Botaniker Robert Brown entdeckte im Jahr 1827 unter einem Mikroskop, dass sich in Wasser aufgelöste Gräserpollen unregelmäßig und zickzack-artig umherbewegen. Das Wasser schien aber still zu sein. 

Brownsche Molekularbewegung

Die unregelmäßige, zickzack-artige Bewegung von Teilchen, die von winzigen Fluidteilchen umgeben sind, heißt Brownsche Molekularbewegung (kürzer: Brownsche Bewegung). 

Die theoretische Erklärung dieser Beobachtung durch Albert Einstein im Jahr 1905 war entscheidend für die Akzeptanz der Atomtheorie von Materie.

Was ist die Brownsche Molekularbewegung?

Die Brownsche Molekularbewegung ist also eine Form von zufälligen Bewegungen eines Teilchens, die durch unregelmäßige Stöße mit anderen Teilchen (Atomen oder Molekülen) hervorgerufen werden. Das Erstaunliche daran ist, dass die „anderen Teilchen“ so extrem klein sind, dass du sie mit bloßem Auge überhaupt nicht erkennen kannst. Trotzdem kann das im Vergleich dazu extrem große Teilchen durch eine Vielzahl an Stößen in Bewegung versetzt werden. Nur um dir ein Gefühl zu geben: Die Größe der Teilchen, die in Bewegung versetzt werden, kann um den Faktor 10.000 bis 100.000 größer sein als die Größe der Atome oder Moleküle, die die Bewegung hervorrufen.

Illustration durch Duft im Raum

Wenn du innerhalb der Familie jemanden hast, der gerne Parfüm aufträgt, dann wirst du mit großer Wahrscheinlichkeit die Brownsche Molekularbewegung in Aktion erlebt haben. 

Angenommen du sitzt an deinem Schreibtisch und jemand in deiner Familie sprüht sich im Zimmer nebenan etwas Parfüm an. Deine Tür steht offen. Direkt nachdem die Person außer Haus gegangen ist, wirst du in deinem Zimmer keine Änderungen feststellen können. Aber einige Sekunden später vernimmst du den typischen Geruch eines Parfüms. In der Tat, binnen weniger Sekunden, wirst du den Geruch in der gesamten Wohnung bemerken.

Erklärung

Was ist hier geschehen? Aus der Parfümflasche sind zum Zeitpunkt des Auftragens viele kleine „Duftpartikel“ herausgeströmt. Ein Teil dieser Partikel wurde von der Person mit nach außen geführt als sie die Wohnung verlassen hat. Der Rest befindet sich aber weiterhin innerhalb der Wohnung. Ebenfalls ist die Wohnung mit Luft umgeben. Die Größe solcher „Duftpartikel“ ist in etwa um den Faktor 1000 größer als die Größe der umgebenden „Luftmoleküle“. Wir befinden uns also in der Situation, wo sich große Teilchen in der Umgebung von einer Unmenge an winzigen Teilchen befinden. Die „Duftpartikel“ verbreiten sich daher innerhalb der Wohnung unter anderem durch die Brownsche Molekularbewegung, die durch Stöße mit den umgebenden „Luftmolekülen“ hervorgerufen wird.

Experiment: Tinte in Wasser

Die Illustration mit der Verteilung von Duft im Raum hat dir eine alltägliche Situation gezeigt, bei der die Brownsche Molekularbewegung entscheidend ist. Du konntest dabei aber die Brownsche Molekularbewegung nur „riechen“. Eine Möglichkeit, die Brownsche Molekularbewegung auch „sehen“ zu können, ist ein einfaches Experiment mit etwas Tinte (zum Beispiel von deinem Füller) und zwei Gläser Wasser.

In eines der beiden Gläser füllst du kaltes Wasser, in das andere heißes Wasser (etwa nach Aufkochen in einem Wasserkocher). Nun gibst du in beiden Gläsern etwas Tinte. Was wirst du erkennen können? Im kalten Wasser beginnt sich zwar die Tinte etwas zu verteilen, aber insgesamt sieht es so aus, als würde sich die Tinte als „Klotz“ in Richtung Boden bewegen. Du erkennst sogar einzelne „Tintenfaden“. Komplett anders sieht die Situation beim Glas mit heißem Wasser aus. Hier vermischt sich die Tinte zügig. Es sieht so aus, als hätte jemand die Tinte im Wasser verrührt. 

% Hier kommt Abbildung 2 aus dem Videoskript hin

Erklärung

Wie kann das sein? Die „Tintenmoleküle“ sind in etwa 1000-mal größer als die umgebenden Wassermoleküle. Sowohl im kalten als auch im heißen Wasser erfahren die „Tintenmoleküle“ eine Unmenge an Stöße mit den Wassermolekülen. Der Unterschied liegt darin, dass die Wassermoleküle im Glas mit heißem Wasser eine deutlich höhere Geschwindigkeit als die Wassermoleküle im Glas mit kaltem Wasser besitzen. Dadurch kommt es nicht nur zu häufigeren Stößen, sondern die „Tintenmoleküle“ erfahren auch einen stärkeren Stoß. Diese Beobachtung ist nicht nur eine Veranschaulichung für die Brownsche Molekularbewegung, sondern auch ein Hinweis darauf, dass die Brownsche Molekularbewegung irgendwie mit der Temperatur zusammenhängt. 

Brownsche Molekularbewegung in der Biologie

Das Experiment mit der Tinte im Wasser hat uns eine wichtige Erkenntnis gegeben: Die Brownsche Molekularbewegung hängt irgendwie mit der Temperatur der umgebenden Moleküle zusammen. In diesem Abschnitt wollen wir drauf näher eingehen und zeigen dir weitere wichtige Phänomene, bei denen die Brownsche Molekularbewegung entscheidend ist.

Diffusion, Temperatur und Motilität

Die Brownsche Molekularbewegung hängt nicht nur irgendwie mit der Temperatur zusammen, sondern die Brownsche Molekularbewegung ist Temperatur. Die zufällige Bewegung eines makroskopischen Teilchens reflektiert nichts anderes als die Bewegung der Teilchen auf mikroskopischer Ebene. Und genau diese „Bewegung der Teilchen auf mikroskopischer Ebene“ wird als Temperatur bezeichnet. 

Die Beobachtung der Verteilung des Duftes im Raum fällt auch unter der Bezeichnung Diffusion . Die Diffusion beschreibt allgemeine die Bewegung von Teilchen von einem Ort höherer „Teilchenkonzentration“ zu einem Ort niedrigerer „Teilchenkonzentration“. Diese beobachtbare Bewegung ist ein makroskopisches Beispiel für die Brownsche Molekularbewegung.

In der Biologie ist es wesentlich, zwischen der Bewegung aufgrund der Motilität einer Probe und der Bewegung durch die Brownsche Molekularbewegung zu unterscheiden. Oft ist diese Unterscheidung dadurch möglich, dass die Brownsche Molekularbewegung unregelmäßig ist. Die Bewegung aufgrund der Motilität hingegen wirkt so, als ob die Probe einen Weg verfolgen würde.

Brownsche Molekularbewegung Geschichte

Die Brownsche Molekularbewegung wurde als erstes vom römischen Philosophen Titus Lucretius Carus vor über 2000 Jahren gesehen. Er beobachtete Staubpartikel als Sonnenlicht in den verstaubten Raum hineinscheinte. Dabei bemerkte er wie die Staubpartikel Zitterbewegungen ausführten. 

Wissenschaftlich wurde es von Robert Brown im Jahre 1827 dokumentiert, als er in Wasser aufgelöste Gräserpollen unter einem Mikroskop beobachtete. Die Pollen bewegten sich unregelmäßig und zickzack-artig, obwohl das Wasser still zu sein schien. Anfangs dachte Brown, dass diese Bewegung aufgrund einer in den Pollen enthaltenen Lebenskraft stattfinden würde. Er wiederholte aber das Experiment mit unbelebten Staubpartikeln und stellte die gleiche Bewegung fest. Damit war die Begründung mit der Lebenskraft falsifiziert.

Es dauerte fast 80 Jahre bis eine physikalische Erklärung für diese Beobachtung durch Albert Einstein geliefert werden konnte. Unabhängig zur Arbeit Einsteins, entwickelte der Physiker Marian von Smoluchowski ebenfalls eine physikalische Theorie zur Erklärung der beobachteten Zitterbewegungen. 

Der Physiker Jean-Baptiste Perrin konnte 1908 in einem Experiment die Vorhersagen der physikalischen Theorie nachweisen und erhielt dafür im Jahre 1926 den Nobelpreis für Physik. Der experimentelle Nachweis für die Brownsche Molekularbewegung war entscheidend, um die Physiker zu dieser Zeit von der Existenz von Atomen und Molekülen zu überzeugen.

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