Многие неодушевлённые предметы вокруг нас кажутся совершенно неподвижными.
Однако присмотритесь к атомному строению любого из них,
и вы увидите целый мир, находящийся в постоянном движении.
Растягивающиеся,
сжимающиеся,
пружинящие,
дрожащие,
дрейфующие атомы повсюду.
И хотя это движение кажется хаотичным, оно не случайно.
Соединённые друг с другом атомы,
и это касается практически всех веществ,
двигаются, согласно набору определённых принципов.
Например молекулы. Атомы в них удерживаются ковалентными связями.
Есть три основных вида движения молекул:
вращение,
смещение,
и колебание.
При вращении и смещении молекулы в пространстве,
её атомы находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.
С другой стороны, колебание изменяет это расстояние,
при этом изменяя форму молекулы.
Для любой молекулы можно просчитать количество вариантов движения.
Оно соответствует её степеням свободы,
что в контексте механики
означает число переменных, которые необходимо принять во внимание,
чтобы понять систему в целом.
Трёхмерное пространство представляется в виде осей x, y и z.
Смещение позволяет молекуле двигаться в любом из этих направлений.
Это и есть три степени свободы.
Также она может вращаться вокруг любой из этих осей.
Это ещё три степени свободы.
Исключением является линейная молекула, вроде углекислого газа.
В этом случае вращения просто поворачивают молекулу вокруг своей оси
и не учитываются, так как положение атомов не изменяется.
С колебаниями всё немного сложнее.
Возьмём простую молекулу водорода.
Длина связи, удерживающая два атома, постоянно меняется,
будто их скрепили пружиной.
Это изменение ничтожно мало, менее одной миллиардной доли метра.
Чем больше у молекулы атомов и связей, тем больше типов колебаний.
Например, у молекулы воды 3 атома:
один атом кислорода, два атома водорода и две связи.
Это даёт ей 3 типа колебаний:
симметричное растяжение,
асимметричное растяжение
и искривление.
Более сложные молекулы имеют более причудливые типы колебаний:
маятниковое,
веерное,
крутильное.
Если вы знаете, сколько атомов у молекулы, то можете рассчитать типы её колебаний.
Начнём с общих степеней свободы,
которых в три раза больше, чем атомов в молекуле.
Дело в том, что каждый атом может двигаться в трёх разных направлениях.
Три из них соответствуют смещению,
когда все атомы двигаются в одном направлении.
А три, или две для линейных молекулы, соответствуют вращению.
Все остальные — 3N-6, или 3N-5 для линейных молекул, —
являются колебаниями.
Что же вызывает все эти движения?
Молекулы двигаются, потому что они поглощают энергию из окружающей среды,
в основном в виде тепла или электромагнитной радиации.
Когда эта энергия передаётся молекулам,
они колеблются,
вращаются
или смещаются быстрее.
Ускоренное движение увеличивает кинетическую энергию молекул и атомов.
Мы определяем это как рост температуры и тепловой энергии.
Этот феномен используется в микроволновой печи для разогрева еды.
Печь испускает микроволновое излучение, которое поглощают молекулы,
особенно молекулы воды.
Они перемещаются всё быстрее и быстрее,
ударяясь друг о друга и повышая температуру пищи и тепловую энергию.
Другим примером служит парниковый эффект.
Часть солнечной радиации, попадающей на поверхность Земли,
отражается обратно в атмосферу.
Парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ, поглощают эту радиацию
и ускоряются.
Эти горячие подвижные молекулы
испускают инфракрасное излучение во всех направлениях,
в том числе обратно к Земле, нагревая её.
Останавливается ли когда-нибудь это движение молекул?
Возможно, вы считаете, что это происходит при абсолютном ноле,
самой низкой температуре.
Никто ранее не смог охладить ничто до такой степени,
но даже если бы мы могли,
молекулы продолжили бы двигаться из-за квантово-механического принципа
под названием энергия нулевой точки.
Другими словами, с момента возникновения Вселенной всё находится в движении
и будет ещё долго продолжать двигаться после нашего исчезновения.