Importancia del Movimiento Browniano en la comprobación de la Teoría Cinética de la Materia

En el año de 1828 el botánico inglés  Robert Brown observó que en una solución de agua el polen de cierta hierba (Clarkia pulchella) realizaba un  movimiento continuo, muy accidentado, en zigzag. Al examinar estas partículas y después de observaciones repetidas se convenció de que estos movimiento no surgían de corrientes en el fluido, ni de su gradual evaporación, sino que pertenecían a la misma partícula.

Gracias a esto se logró concluir para ese momento que el movimiento que lleva a cabo una partícula muy pequeña que está inmersa en un fluido, se llama movimiento Browniano, este movimiento se caracteriza por ser continuo y muy irregular.

Figura 1. Trayectoria irregular que sigue una partícula browniana.

Con ayuda de lo mencionado anteriormente y de los puntos ya expuestos en el blog “Postulados de la Teoría Cinética de la Materia" y “La deducción matemática de la presión y la temperatura, bajo la Teoría Cinética de la Materia" les expondremos como el Movimiento Browniano tiene de gran importancia en la comprobación de la Teoría Cinética de la Materia.

Hacia mediados del siglo XIX se enfrentaba la siguiente situación: por un lado, se habían planteado las leyes de la termodinámica que, se referían a aspectos macroscópicos del comportamiento de las sustancias; y por el otro lado, ya se tenía un cuerpo de teoría adecuado, aunque incompleto que implicaba que la materia estaba compuesta de partículas microscópicas, llamadas átomos.  

Entonces ante la necesidad de conciliar estos dos conocimientos, se planteó la siguiente cuestión: si la materia, en efecto, está compuesta de partículas microscópicas, ¿qué consecuencias macroscópicas tiene el comportamiento microscópico de una sustancia?

Gracias a esto entre 1850 y 1875 Agust Krönig (1822-1879) Rudolf Clausius, James C. Maxwell (1831-1879) y Ludwing Boltzmann (1844-1906) desarrollaron las bases de la moderna teoría cinética de la materia. Supusieron que las sustancias estaban compuestas de átomos y a partir de su comportamiento microscópico obtuvieron como consecuencia algunas propiedades macroscópicas.

Igualmente hacia mediados del siglo XIX se habían formado muchas hipótesis del Movimiento Browniano, en particular se pudo probar de manera contundente que este movimiento no se debía a que hubiera diferencias de temperatura entre dos regiones del espacio. El movimiento browniano se presenta también cuando la temperatura es la misma en todos los puntos del fluido. En 1863 Wiener formuló varios argumentos para mostrar que el movimiento browniano no podía atribuirse a causas externas, sino que tenía que deberse a movimientos internos del fluido. Asimismo, Cantoni lo atribuyó a movimientos térmicos en el líquido, y consideró que este fenómeno nos daba una demostración experimental, bella y directa, de los principios fundamentales de la teoría mecánica del calor.

Figura 2. Las velocidades de los átomos de un fluido tienen todos las posibles direcciones y sentidos.

Como se ha ido explicando para estos tiempos ya se hablaba de que las partículas que componían las sustancias se movían, combinando así la materia y los estados de está con el movimiento browniano. Algunas personas consideraron la posibilidad de que el movimiento browniano fuera causado por las colisiones de los átomos del fluido con la partícula inmersa en él. El botánico alemán Karl Nägeli publicó un trabajo en 1879 en el que trató de probar que este mecanismo no podía ser el causante del movimiento browniano. Para ello, usó las estimulaciones de las masas y velocidades de los átomos que se habían obtenido de la teoría cinética para calculas los cambios en la velocidad que experimenta la partícula browniana después de una colisión con un átomo del fluido. El químico inglés William Ramsay llego simultáneamente a la misma conclusión y argumento que la partícula inmersa en el fluido tiene una masa mucho mayor que la de un átomo del fluido entonces al chocar estas dos partículas, la partícula masiva casi no es afectada por el choque. 

Figura 3. Colisión de un átomo del fluido con partícula browniana.

En el año de 1905 el físico Albert Einstein público un célebre trabajo el que propuso la explicación del movimiento browniano. El artículo se titulaba "Sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en líquidos en reposo requerido por la teoría cinético-molecular del calor" 

En este trabajo describió el movimiento de las moléculas suspendidas en un líquido, y que quizás este fenómeno era idéntico a un fenómeno químico del que había oído hablar, el movimiento browniano. Con ayuda de ese punto de partida, continuó demostrando que podía usar las teorías del calor en vigor para describir cómo el calor, incluso a temperatura ambiente, provocaría que las moléculas del líquido estuviesen en continuo movimiento. Este movimiento haría a su vez que cualquier partícula suspendida en el líquido resultase empujada. Einstein obtuvo además de conclusiones cualitativas predicciones cuantitativas que podrían compararse con resultados experimentales. Entre estas predicciones destacan dos muy importantes: predijo la distancia que debe recorrer una partícula suspendida en un fluido y además mostró que la segunda ley de la termodinámica se cumple sólo en promedio.

Figura 4. El desplazamiento cuadrático medio de la partícula browniana predicho por Einstein. 

Es así como el trabajo de Einstein ofrece la explicación del movimiento browniano y a su vez como este va de la mano con la teoría cinética de la materia.