Przedmioty nieożywione mogą wydawać się zupełnie nieruchome.
Ale przyjrzyj się wnikliwie ich strukturze atomowej,
a ujrzysz świat w ciągłym ruchu.
Rozciąganie,
kurczenie,
sprężynowanie,
drganie,
ruch atomów na każdym kroku.
Choć ruchy mogą wydawać się chaotyczne, nie są przypadkowe.
Atomy, które są ze sobą związane,
co dotyczy prawie całej materii,
poruszają się według określonych zasad.
Na przykład cząsteczki, atomy złączone wiązaniem kowalencyjnym.
Wyróżniamy trzy sposoby poruszania się cząsteczek:
rotacje,
ruch postępowy,
drganie.
Dwa pierwsze zmieniają położenie cząsteczki w przestrzeni,
podczas gdy ich atomy pozostają w tej samej odległości od siebie.
Drganie natomiast zmienia te odległości,
realnie zmieniając kształt cząsteczki.
Można obliczyć na ile sposobów porusza się każda cząsteczka.
Ta ilość określa liczbę stopni swobody,
która w kontekście mechaniki
oznacza liczbę zmiennych, które trzeba wziąć pod uwagę,
aby zrozumieć cały system.
Trójwymiarowa przestrzeń jest określona przez osie x, y i z.
Przesunięcie pozwala na ruch wzdłuż każdej z nich.
To są trzy stopnie swobody.
Cząsteczka może się też obracać wokół każdej z tych trzech osi.
To daje trzy więcej,
chyba że chodzi o cząsteczkę linearną, jak dwutlenek węgla.
W tym przypadku cząsteczka obraca się wokół własnej osi,
co się nie liczy, bo nie zmienia położenia atomów.
Przy drganiu zaczyna być trudniej.
Weźmy na przykład prostą cząsteczkę, jak wodór.
Długość wiązania między dwoma atomami ciągle się zmienia,
jakby łączyła je sprężyna.
To niewielka zmiana, mniej niż jedna miliardowa metra.
Im więcej atomów i wiązań w cząsteczce, tym więcej typów drgań.
Na przykład, cząsteczka wody składa się z trzech atomów:
jednego tlenu, dwóch wodoru i ma dwa wiązania.
To daje nam trzy typy drgań:
symetryczne rozciąganie,
asymetryczne rozciąganie
i zginanie.
Bardziej złożone cząsteczki mają jeszcze bardziej zróżnicowane drgania.
jak drgania wahadłowe,
drgania nożycowe
i drgania skręcające.
Znając ilość atomów w cząsteczce, można policzyć typy drgań.
Zacznij od sumy stopni swobody,
która jest trzy razy większa od liczby atomów w cząsteczce,
bo każdy atom może się ruszać w trzech różnych kierunkach.
Trzy z nich odnoszą się do przesunięcia,
kiedy wszystkie atomy poruszają się w tym samym kierunku.
Trzy lub dwa odnoszą się do obrotów w przypadku cząsteczki linearnej.
Cała reszta, 3N-6 lub 3N-5 dla cząsteczek linearnych,
to drgania.
Co powoduje te ruchy?
Cząsteczki poruszają się, bo chłoną energię z otoczenia,
głównie w formie ciepła
lub promieniowania elektromagnetycznego.
Po otrzymaniu tej energii
cząsteczki wibrują, wirują
lub przesuwają się szybciej.
Szybszy ruch zwiększa energię kinetyczną cząsteczek i atomów.
Określamy to jako wzrost temperatury i energii termalnej.
To zjawisko pozwala kuchence mikrofalowej podgrzewać jedzenie.
Kuchenka emituje promieniowanie mikrofalowe pochłaniane przez cząsteczki,
zwłaszcza cząsteczki wody.
Poruszają się coraz szybciej,
wpadają na siebie i podnoszą temperaturę i energię termalną potraw.
Kolejnym przykładem jest efekt cieplarniany.
Promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni ziemi
częściowo wraca do atmosfery.
Gazy, jak para wodna i dwutlenek węgla, pochłaniają to promieniowanie
i przyśpieszają.
Te cieplejsze, szybsze cząsteczki emitują promieniowanie podczerwone,
które wraca na ziemię i ogrzewa ją.
Czy ruchy cząsteczek kiedykolwiek ustają?
Myślisz, że tak się dzieje przy zerze bezwzględnym,
możliwie najniższej temperaturze.
Nikomu nie udało się jeszcze niczego tak ochłodzić.
Nawet gdyby się udało,
ruch nie ustanie, na skutek zasady mechaniki kwantowej,
zwanej energią punktu zerowego.
Innymi słowy, wszystko się porusza od powstania wszechświata.
i będzie się się poruszać długo po tym, jak nas nie będzie.