Brownsche Molekularbewegung erstmals im Labor beobachtet

Wissenschaftlern in der Schweiz ist es gelungen, die Brownschen Molekularbewegung mit Laserfalle und neuartigem Detektor zu messen

Laserfalle und Detektor
Laserfalle und Detektor

Basel (Schweiz) - Die Brownsche Molekularbewegung wurde bereits von dem Botaniker Robert Brown vor etwa 200 Jahren entdeckt und später von Albert Einstein theoretisch erklärt. Sie beschreibt die Bewegung Mikrometer großer Teilchen in einer Flüssigkeit, die durch Zusammenstöße mit Molekülen in eine zufällige Bewegung versetzt werden. Mittels einer optischen Laserfalle und eines neu entwickelten Detektors konnte eine internationale Forschergruppe unter Mitwirkung des Nationalen Forschungsschwerpunktes (NFS) Nanowissenschaft an der Universität Basel nun die schnellen Bewegungen eines einzelnen Teilchens in einer Flüssigkeit verfolgen. Dabei konnte nicht nur die von Einstein theoretisch beschriebene Diffusionsbewegung des Teilchens, sondern sogar die freie Bewegung zwischen den Stößen mit den Molekülen bestimmt werden, die sogenannte ballistische Bewegung.

Brown hatte diesen Effekt unter einem Lichtmikroskop an Pflanzenpollen in Wasser beobachtet. Dabei führten die Pflanzenpollen ruckartige und zufällige Bewegungen aus. Einstein erklärte dies durch Stöße der durch das Mikroskop unsichtbaren Wassermoleküle mit den Pollen, wobei diese in verschiedene Richtungen geschubst werden. Er war jedoch der Meinung, dass der Effekt der Wassermoleküle auf die Bewegung der mikroskopischen Teilchen unmöglich gemessen werden könnte, da es technisch nicht möglich war, diese Vorgänge auf kleinstem Raum bei Zeiten im Nanosekundenbereich zu messen.

Im Experiment konnten die Forscher mit ihrer optischen Falle ein einzelnes Teilchen in Wasser gefangen halten, wo es der Brownschen Molekularbewegung ausgesetzt ist. Das Laserlicht in der optischen Falle wird dann teilweise am Teilchen gestreut, sodass durch Interferenzeffekte am Detektor Intensitätsschwankungen gemessen werden und auf die Bewegung des Teilchens rückgeschlossen werden kann. Die gemessenen Daten stimmten exakt mit den theoretischen Vorhersagen überein.