Moto browniano dei colloidi

Guarda al microscopio una minuscola particella sospesa nell’acqua e la vedrai tremolare e zigzagare senza posa, come se fosse viva. Non lo è: è spinta dagli urti invisibili delle molecole del liquido. Questo tremolio incessante è il moto browniano, e capirlo ha avuto un’importanza enorme nella storia della scienza.

Vediamo da dove nasce questo movimento, perché tiene sospesi i colloidi e come la sua semplice osservazione abbia dimostrato l’esistenza delle molecole.

Un tremolio senza sosta

Il moto browniano è il movimento continuo, irregolare e imprevedibile di una piccola particella sospesa in un fluido. La particella non sta mai ferma: scatta in una direzione, poi in un’altra, descrivendo un cammino a zigzag che non porta da nessuna parte in particolare. Più la particella è piccola, più questo movimento è vistoso. Fu osservato per la prima volta guardando granelli di polline nell’acqua, che parevano agitarsi da soli.

Gli urti delle molecole

La causa del moto browniano sono gli urti delle molecole del fluido. La particella è bombardata da ogni lato da innumerevoli molecole in continuo movimento. In media gli urti si bilanciano, ma in ogni istante c’è sempre uno sbilanciamento casuale: un po’ più di urti da un lato spingono la particella nella direzione opposta, e l’istante dopo la spingono altrove. Il risultato è quel tremolio senza meta, specchio dell’agitazione termica invisibile del fluido.

Perché tiene sospesi i colloidi

Il moto browniano è ciò che impedisce alle particelle colloidali di depositarsi sul fondo. La gravità tenderebbe a farle sedimentare, ma per le particelle abbastanza piccole l’incessante rimescolamento dovuto agli urti termici vince sulla gravità, mantenendole disperse e sospese a lungo. È per questo che il latte, l’inchiostro o la nebbia restano stabili e non si separano in fretta: le loro particelle sono tenute su dal moto browniano.

‹x²›  =  2 D t   (lo spostamento quadratico medio cresce in proporzione al tempo)

Quanto si allontana

Anche se ogni passo è casuale, in media la particella si allontana dal punto di partenza in modo regolare. La grandezza che lo descrive è lo spostamento quadratico medio, che cresce proporzionalmente al tempo trascorso. Questo significa che per allontanarsi del doppio occorre quattro volte il tempo: la diffusione browniana è lenta sulle lunghe distanze. La rapidità del movimento dipende dalla temperatura, dalla dimensione della particella e da quanto è viscoso il fluido: particelle piccole in liquidi poco viscosi e caldi si muovono più in fretta.

La prova dell’esistenza delle molecole

Il moto browniano ha avuto un ruolo storico straordinario. All’inizio del Novecento l’esistenza stessa di atomi e molecole era ancora messa in dubbio. Una celebre analisi teorica mostrò che, se le molecole esistono davvero, il loro continuo bombardamento deve produrre proprio quel tipo di movimento, con una legge precisa. Misure accurate al microscopio confermarono la previsione, fornendo una prova diretta dell’esistenza delle molecole e permettendo persino di contarne il numero. Da semplice curiosità osservata al microscopio, il moto browniano divenne così uno dei pilastri sperimentali della teoria atomica, un esempio splendido di come un fenomeno minuscolo possa avere conseguenze enormi.

Cosa rende il moto più o meno vivace

L’intensità del moto browniano non è sempre la stessa: dipende da tre fattori che vale la pena distinguere. La temperatura lo aumenta, perché molecole più calde si muovono più in fretta e urtano la particella con maggiore vigore. La dimensione della particella lo riduce: una particella grande e pesante è meno scossa dai singoli urti, perché la sua inerzia smorza gli sbilanciamenti, ed è per questo che il moto browniano è vistoso solo su scala microscopica e del tutto trascurabile per un oggetto visibile a occhio nudo. Infine la viscosità del fluido lo frena, perché un mezzo più denso e “appiccicoso” oppone più resistenza al movimento. Questi stessi fattori determinano la rapidità con cui i colloidi diffondono e si rimescolano, e spiegano perché una particella minuscola in acqua calda vaghi molto più in fretta di una grande in un liquido viscoso e freddo.

Domande frequenti

Che cos’è il moto browniano?

È il movimento continuo, irregolare e casuale di una piccola particella sospesa in un fluido, causato dagli urti incessanti delle molecole del fluido. La particella zigzaga senza meta, e il movimento è tanto più evidente quanto più la particella è piccola, mentre per un oggetto grande gli urti si bilanciano così bene da non produrre alcun movimento percepibile.

Da cosa è causato?

Dagli urti delle molecole del fluido, che bombardano la particella da ogni lato. In media si bilanciano, ma in ogni istante un piccolo sbilanciamento casuale spinge la particella in una direzione, poi in un’altra: ne risulta il tremolio senza meta, specchio diretto dell’incessante agitazione termica delle molecole del fluido che non possiamo vedere, ma di cui la particella sospesa rivela indirettamente la presenza con il suo continuo zigzagare, tanto più rapido quanto più il fluido è caldo e quanto più la particella è piccola e leggera.

Perché impedisce ai colloidi di depositarsi?

Perché per le particelle abbastanza piccole il continuo rimescolamento dovuto agli urti termici vince sulla gravità, che tenderebbe a farle sedimentare. Così le particelle restano disperse e sospese a lungo: è il motivo per cui latte, inchiostro o nebbia sono stabili.

Quanto velocemente si sposta una particella?

Lo descrive lo spostamento quadratico medio, che cresce proporzionalmente al tempo: per allontanarsi del doppio serve quattro volte il tempo. La velocità del movimento aumenta con la temperatura e diminuisce con la dimensione della particella e la viscosità del fluido.

Perché è stato importante nella storia della scienza?

Perché ha fornito una prova diretta dell’esistenza delle molecole. Si dimostrò che gli urti molecolari devono produrre proprio quel movimento, con una legge precisa, e le misure al microscopio lo confermarono, rendendo il moto browniano un pilastro della teoria atomica e una delle prove più convincenti che la materia sia fatta di particelle in continua agitazione.