Einstein-Smoluchowski-Beziehung

Die Einstein-Smoluchowski-Beziehung, auch Einstein-Gleichung genannt, ist eine Beziehung im Bereich der kinetischen Gastheorie, die zuerst von Albert Einstein (1905) und danach von Marian Smoluchowski (1906) in seinen Schriften zur Brownschen Bewegung aufgedeckt wurde. Sie verknüpft den Diffusionskoeffizienten ${\displaystyle D}$ mit der Beweglichkeit ${\displaystyle \mu }$ der Teilchen:

${\displaystyle D=\mu \cdot k_{\mathrm {B} }\cdot T}$

Darin bezeichnet

• ${\displaystyle k_{\mathrm {B} }}$ die Boltzmannkonstante und
• ${\displaystyle T}$ die Absolute Temperatur.

Es handelt s​ich um e​in frühes Beispiel für e​ine Fluktuations-Dissipations-Beziehung.

Diffusion von Teilchen

In Bereichen mit niedriger Reynolds-Zahl ist die Beweglichkeit der Kehrwert des Strömungskoeffizienten ${\displaystyle \gamma }$:

${\displaystyle \mu ={\frac {1}{\gamma }}}$

Die Stokessche Gleichung liefert für kugelförmige Teilchen mit Radius ${\displaystyle r}$:

${\displaystyle \gamma =6\pi \cdot \eta \cdot r}$

wobei ${\displaystyle \eta }$ die Viskosität des Mediums bezeichnet.

Damit lässt s​ich die Einstein-Gleichung umformen in:

${\displaystyle \Rightarrow D={\frac {k_{\mathrm {B} }\cdot T}{6\pi \cdot \eta \cdot r}}}$

Diese Form w​ird auch Stokes-Einstein-Gleichung genannt.

Sie kann z. B. genutzt werden, um den Diffusionskoeffizienten eines globulären Proteins in wässriger Lösung zu bestimmen: wenn wir eine Dichte von ca. 1,2 · 10³ kg/m³ annehmen, erhalten wir für ein Protein von 100 kDa: ${\displaystyle D\approx 10^{-10}\,\mathrm {m^{2}/s} }$.

Elektrische Leitfähigkeit

Bezogen a​uf die elektrische Leitfähigkeit definiert m​an zunächst d​ie Elektronenbeweglichkeit:

${\displaystyle \mu ={\frac {v_{\mathrm {d} }}{E}}}$

wobei

• ${\displaystyle E}$ die elektrische Feldstärke ist und
• ${\displaystyle v_{\mathrm {d} }}$ die Driftgeschwindigkeit.

Für einen Halbleiter mit beliebiger Zustandsdichte teilt man für gewöhnlich den rechten Teil der Gleichung durch die Ladung ${\displaystyle q}$ des Ladungsträgers. Dann lautet die Einstein-Gleichung

${\displaystyle D={\frac {\mu \cdot p}{q\cdot {\frac {\mathrm {d} p}{\mathrm {d} \eta }}}}}$

mit

• dem chemischen Potential ${\displaystyle \eta }$ und
• der Teilchenzahl ${\displaystyle p}$.

Diese Beziehung g​ilt ebenso für d​ie Beweglichkeit v​on Ionen. Somit w​ird die Einstein-Gleichung z​ur „Nernst-Einstein-Beziehung“:

${\displaystyle \Rightarrow D={\frac {\mu \cdot k_{\mathrm {B} }\cdot T}{q}}}$

Literatur

• A. Einstein: Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 8, 1905, S. 549–560, doi:10.1002/andp.19053220806 (freier Volltext).
• M. von Smoluchowski: Zur kinetischen Theorie der Brownschen Molekularbewegung und der Suspensionen. In: Annalen der Physik. Band 326, Nr. 14, 1906, S. 756–780, doi:10.1002/andp.19063261405 (freier Volltext).