水中と真空中におけるブラウン運動の違いについて

ブラウン運動とはよく知られていますように、
花粉の微粒子が水分子など媒質のランダムの衝突により動く現象です。


一方で、

http://granite.phys.s.u-tokyo.ac.jp/ando/Brown/m …

> 広い意味では熱運動によって生ずる巨視的な物理量の不規則な運動をすべてブラウン運動とよぶ
> ことができる。その意味では、抵抗の熱雑音も調和振動子の熱運動も共にブラウン運動であるが、
> この実験では後者のみをブラウン運動とよぶことにする。

とあるように、水分子など関係なく熱的に運動する現象を全てブラウン運動と呼ぶそうです。

それで疑問なのですが、
数十ナノメートルの振動子があったとして、
これを真空中に置いたとしても振動子自身の熱で熱振動すると思います。

一方で、水中に入れた場合には、自身の熱で熱振動するだけでなく
媒質である水分子がぶつかったことによっても熱振動することになると思います。

それなら、真空中よりも水中の方が熱的に得られるエネルギーや振動量は大きくなるのでしょうか？

例えば、
http://www7b.biglobe.ne.jp/~ftanaka/member/ftana …
このページの一ページ目の式を見ると、
分母に粘度が入っており、
もし真空中なら粘度はゼロなので、拡散係数は無限大になってしまいます。
すると、むしろ真空中の方が高速に運動することを意味します。

http://granite.phys.s.u-tokyo.ac.jp/ando/Brown/m …

このページにも書かれてあるように
水中の方が粘性抵抗による影響で振動子の共振周波数が小さくなるため、
低周波における動きが大きくなり、
目に見えて見える動きが大きく表れると解釈すべきでしょうか？

しかし、上で述べた通り、水中の方が水分子によりぶつかりエネルギーがあるはずですが
これはどのように影響しているのでしょうか？

No.4 回答者： amerikaumare 回答日時： 2019/07/19 10:50

ブラウン運動と熱による振動とを混同しないように．．．

熱による振動で真空と水中の比較ですが　周囲の温度が書かれてなければ回答になりません。
真空中でも輻射熱は受けるので片方が白片方が黒の羽根車に太陽光をあてると回る（装置を何と言ったのかド忘れした）
のように圧力は受けます
水中では輻射熱を受けても水が奪ってしまいます

No.3 回答者： doc_somday 回答日時： 2019/07/18 21:14

振動子自身の熱＞これはブラウン運動ではありません。

なぜなら衝突ではないからです。これについては統計力学の教科書をお読み下さい。

No.2 回答者： rnakamra 回答日時： 2019/07/18 10:44

>一方で、水中に入れた場合には、自身の熱で熱振動するだけでなく

媒質である水分子がぶつかったことによっても熱振動することになると思います。

一方的に振動子がエネルギーを受け取るわけではありません。
逆に水分子がエネルギーを奪い取ることもあります。
この受け渡しはどちらかが一方的に行われるものではなく確率的に両方とも起こります。
この収支の方向性を決めるのは振動子と水の温度です。振動子の温度が水の温度よりも高ければ振動子が水にエネルギーを渡す確率が高くなります。

真空中であっても真空は熱放射で満たされていて、その放射と振動子が相互作用します。

これらのエネルギーの収支のスピードはどちらが速いとは一概には言い切れず、特に温度の影響が強く出ます。
振動子と周囲との温度差が大きいと出入りは大きくなりますし、熱的に平衡していればトータルではほぼプラスマイナス0となります。

この回答へのお礼

ありがとうございます。


つまり、物体の媒質間に温度勾配がなければ、ブラウン運動することはないという意味でしょうか？


あと、水中に微小物体があるとゆらゆらと動いていくのがブラウン運動と呼びますが、
無重力真空中に微小物体があったとしてもゆらゆら動かないと思います。

一方で、微小振動子の場合には、水中であっても真空中であっても
ブラウン運動により振動するのはなぜなのでしょうか？

お礼日時：2019/07/18 12:15

No.1 回答者： konjii 回答日時： 2019/07/18 07:54

ブラウン運動とはよく知られていますように、

花粉の微粒子が水分子など媒質のランダムの衝突により動く現象です。
数十ナノメートルの振動子は目に見えないのでブラウン運動を観察できません。
真空中で数十ナノメートルの振動子を電子顕微鏡で拡大して観察する場合、電子のエネルギーで何処かへふっ飛ばされて、見失うのが落ちです。