브라운 운동

요약 액체 혹은 기체 안에 떠서 움직이는 작은 입자의 불규칙한 운동. 물에 떠 있는 꽃가루의 운동, 냄새의 확산현상 등에서 살펴볼 수 있다.

1827년 영국의 식물학자 로버트 브라운이 물에 떠 있는 꽃가루를 현미경으로 관찰하고 있을 때, 꽃가루에서 나온 작은 입자가 수면 위를 끊임없이 돌아다니는 것을 발견한 것이 시초이다.

브라운을 비롯한 당시 많은 학자들은 이 운동의 원인을 화분의 특별한 생명력에 의한 것으로 생각했으나, 1872년 프랑스의 P.J.델소 등은 당시의 시론적 단계에 있던 분자운동론을 이 현상에 적용, 열운동 때문에 움직이고 있는 액체 분자가 미소입자의 표면과 충돌하여 일으키는 현상이라는 학설을 제창하였다.
 
액체 속에 있는 물체의 표면에는 끊임없이 액체 분자가 충돌한다. 이런 액체 분자의 충돌은 불규칙하고 불균등하지만 물체의 표면이 넓은 경우 통계적으로 균등화된다. 따라서 크기가 큰 물체가 액체 속에서 역학적 평형상태에 이르면 더이상 움직이지 않는다. 하지만 마이크로미터(μm) 단위 정도의 미소입자의 경우에는 표면이 작아 충격의 불균형이 커지고, 그 영향으로 물체가 불규칙적인 운동을 하게 된다.


이 설은 1905년 알베르트 아인슈타인에 의해 더욱 이론화되어 분자운동론으로 브라운 운동을 기술할 수 있게 된다. 이에 따르면 미소입자의 움직임, 즉 변위(變位)의 RMS(root mean square, 제곱평균제곱근)값은

로 주어진다. 여기서 k_B는 볼츠만상수, T는 액체의 절대온도, m은 미소입자의 질량, β는 액체 안에서의 입자가 받는 저항계수, τ는 운동시간이다. 이 식에 따른 평균 변위 및 입자의 속력은 현미경으로 실제 관찰한 결과와 상당히 정확하게 일치한다. 브라운 운동은 물질의 분자적 구조와 열운동에 의해 어쩔 수 없이 발생하므로 측정기기의 정밀도의 한계에 영향을 미친다.

한편, 비슷한 시기에 프랑스의 물리학자 장 바티스트 페렝은 아인슈타인의 분석을 실험적으로 증명하였다. 그는 이 공로로 1926년에 노벨 물리학상을 수상했다. 브라운 운동에 대한 이론적 완성은 원자와 분자가 실제 물리적으로 존재하는지에 대한 의구심을 종결시켰다.

브라운 운동은 확산현상 외에도 콜로이드의 침강현상, 쌍극자로 이루어지는 계의 유전적 성질에도 연관이 있다. 그리고 고분자용액의 점탄성·화학반응 등, 일반적으로 비가역현상 이론의 기초로서 중요하다.