Vědcům se podařilo vůbec poprvé pozorovat jednotlivé atomy difundující plynem. Němečtí fyzici z Technische Universität Kaiserslautern zjistili, jak jednotlivé kolize mezi částicemi difuzi ovlivňují. Nová studie by mohla pomoci modelovat difuzi ve zvláštních prostředích, například v mezihvězdném prostoru nebo ve vakuových systémech.
Difuze je proces samovolného rozptylování látky v prostoru. Podílí se významně na mnoha biologických, chemických i fyzikálních procesech. Fyzikální podstatou je podle druhého zákona termodynamiky to, že systém vždy zvyšuje svou entropii, neboli míru neuspořádanosti, čímž se dostává do stavu s nejnižší vnitřní energií. Veškeré látky mají tendenci přecházet z prostředí, kde mají vyšší koncentraci, do prostředí s koncentrací nižší. Pokud se částice mohou volně pohybovat, činí tak na základě náhodných pohybů.
Difuzi poprvé popsal skotský botanik Robert Brown. Pozoroval, že zrnka pylu, která se pohybují klikatě kapalinou, se občas zachvějí. Tzv. Brownův pohyb látkám umožňuje, aby se rozptylovaly a mísily. Albert Einstein v roce 1905 difuzi popsal na mikroskopické úrovni a ukázal, že Brownův pohyb probíhá díky kolizím částic s molekulami okolního prostředí.
V prvních studiích Brownova pohybu se vyskytovaly částice, které byly mnohem větší než molekuly v okolním prostředí. To znamená, že ke změně dráhy takových částic bylo potřeba miliardy kolizí. V těchto studiích byl však spíše modelován kolektivní vliv srážek jako náhodný fluktuační proces. Když se zkombinuje s viskozitou média, lze vypočítat, jakou energii předaly částice svému okolí. Tento přístup popisuje Langevinova rovnice, která může být použita například k výpočtu časové změny průměrné rychlosti částic.
Pokud však difundující částice mají přibližně stejnou hmotnost jako atomy plynu nebo kapalného média, jsou daleko důležitější individuální kolize. Aby tento jev osvětlil, zjišťoval německý tým fyziků, jak několik atomů cesia difunduje řídkým mrakem podchlazených atomů rubidia udržovaných v optické pasti. Při velmi nízkých teplotách se počet srážek mezi atomy cesia a rubidia drasticky redukuje, takže se dají sledovat jejich individuální pohyby.
Základem experimentu bylo vystřelování cesiových atomů, jednoho po druhém, do rubidiového plynu. Po určitém čase zastavil tým pohyb cesiových atomů aplikováním světelného pole na past a zaznamenal polohu uvězněných atomů použitím různých laserových paprsků.
Změnou doby mezi vstřelením cesiových atomů a jejich laserovému zastavení byli fyzici schopni určit, jak se pohyb cesiových atomů mění, když se srazí s atomy rubidia. Vědci ukázali, že pouze jediná srážka stačí k tomu, aby odebrala atomu cesia kinetickou energii, a to tak, že cesiový atom skončí s prakticky stejnou energií, jakou mají okolní atomy rubidia. Cesiový atom je tedy prakticky v tepelné rovnováze s okolními atomy rubidia už po jediné srážce.
I když pracovali daleko od klasické situace, pro kterou Langevinova rovnice platí, německý tým objevil, že rovnice může platit i za těchto experimentálních podmínek. Musí však být modifikována zavedením koeficientu tření, který vyjadřuje, jak závisí viskozita média na rychlosti difundujících atomů.
Takto modifikovaná Langevinova rovnice může být použita k popisu difuze v nespojitých médiích, jako jsou třeba aerosoly (heterogenní směsi malých pevných nebo kapalných částic v plynu) rozptýlené v řídkých vrstvách vzduchu v horních vrstvách atmosféry, v mezihvězdném prostoru nebo v různých vakuových systémech.
Původní práce byla uveřejněna v Physical Review Letters. První verze byla uveřejněna na nanotechweb.org.
Mohlo by vás zajímat:
Záhadná
magnetosféra Uranu
Atomové
hodiny prověřily Einsteinovu teorii
„Plazmové
koště“ bude uklízet na Marsu
Ozářený
materiál má strukturu jako kapalina