WEBVTT

00:00:06.842 --> 00:00:11.668
Многие неодушевлённые предметы вокруг нас
кажутся совершенно неподвижными.

00:00:11.668 --> 00:00:15.553
Однако присмотритесь
к атомному строению любого из них,

00:00:15.553 --> 00:00:18.333
и вы увидите целый мир,
находящийся в постоянном движении.

00:00:18.333 --> 00:00:19.138
Растягивающиеся,

00:00:19.138 --> 00:00:20.067
сжимающиеся,

00:00:20.067 --> 00:00:21.002
пружинящие,

00:00:21.002 --> 00:00:21.977
дрожащие,

00:00:21.977 --> 00:00:24.858
дрейфующие атомы повсюду.

00:00:24.918 --> 00:00:28.355
И хотя это движение кажется хаотичным,
оно не случайно.

00:00:28.355 --> 00:00:29.890
Соединённые друг с другом атомы,

00:00:29.890 --> 00:00:32.269
и это касается практически всех веществ,

00:00:32.269 --> 00:00:34.881
двигаются, согласно набору
определённых принципов.

00:00:34.881 --> 00:00:39.776
Например молекулы. Атомы в них 
удерживаются ковалентными связями.

00:00:39.776 --> 00:00:42.322
Есть три основных вида движения молекул:

00:00:42.322 --> 00:00:43.214
вращение,

00:00:43.214 --> 00:00:44.337
смещение,

00:00:44.337 --> 00:00:45.886
и колебание.

00:00:45.886 --> 00:00:49.038
При вращении и смещении
молекулы в пространстве,

00:00:49.038 --> 00:00:52.386
её атомы находятся
на одинаковом расстоянии друг от друга.

00:00:52.386 --> 00:00:55.608
С другой стороны,
колебание изменяет это расстояние,

00:00:55.608 --> 00:00:58.250
при этом изменяя форму молекулы.

00:00:58.250 --> 00:01:02.688
Для любой молекулы можно просчитать
количество вариантов движения.

00:01:02.688 --> 00:01:05.304
Оно соответствует её степеням свободы,

00:01:05.304 --> 00:01:06.941
что в контексте механики

00:01:06.941 --> 00:01:10.450
означает число переменных,
которые необходимо принять во внимание,

00:01:10.450 --> 00:01:13.345
чтобы понять систему в целом.

00:01:13.345 --> 00:01:18.019
Трёхмерное пространство
представляется в виде осей x, y и z.

00:01:18.019 --> 00:01:23.034
Смещение позволяет молекуле
двигаться в любом из этих направлений.

00:01:23.034 --> 00:01:25.098
Это и есть три степени свободы.

00:01:25.098 --> 00:01:28.328
Также она может вращаться
вокруг любой из этих осей.

00:01:28.328 --> 00:01:29.990
Это ещё три степени свободы.

00:01:29.990 --> 00:01:33.042
Исключением является линейная молекула,
вроде углекислого газа.

00:01:33.042 --> 00:01:37.457
В этом случае вращения просто
поворачивают молекулу вокруг своей оси

00:01:37.457 --> 00:01:41.607
и не учитываются,
так как положение атомов не изменяется.

00:01:41.607 --> 00:01:44.596
С колебаниями всё немного сложнее.

00:01:44.596 --> 00:01:46.979
Возьмём простую молекулу водорода.

00:01:46.979 --> 00:01:51.682
Длина связи, удерживающая два атома,
постоянно меняется,

00:01:51.682 --> 00:01:54.479
будто их скрепили пружиной.

00:01:54.479 --> 00:01:58.985
Это изменение ничтожно мало,
менее одной миллиардной доли метра.

00:01:58.985 --> 00:02:03.851
Чем больше у молекулы атомов и связей,
тем больше типов колебаний.

00:02:03.851 --> 00:02:06.461
Например, у молекулы воды 3 атома:

00:02:06.461 --> 00:02:10.246
один атом кислорода,
два атома водорода и две связи.

00:02:10.246 --> 00:02:12.514
Это даёт ей 3 типа колебаний:

00:02:12.514 --> 00:02:13.886
симметричное растяжение,

00:02:13.896 --> 00:02:15.354
асимметричное растяжение

00:02:15.354 --> 00:02:16.508
и искривление.

00:02:16.508 --> 00:02:21.096
Более сложные молекулы
имеют более причудливые типы колебаний:

00:02:21.096 --> 00:02:22.362
маятниковое,

00:02:22.362 --> 00:02:23.335
веерное,

00:02:23.335 --> 00:02:25.075
крутильное.

00:02:25.075 --> 00:02:29.565
Если вы знаете, сколько атомов у молекулы,
то можете рассчитать типы её колебаний.

00:02:29.565 --> 00:02:31.254
Начнём с общих степеней свободы,

00:02:31.254 --> 00:02:34.591
которых в три раза больше,
чем атомов в молекуле.

00:02:34.591 --> 00:02:38.507
Дело в том, что каждый атом может
двигаться в трёх разных направлениях.

00:02:38.507 --> 00:02:41.357
Три из них соответствуют смещению,

00:02:41.357 --> 00:02:44.353
когда все атомы двигаются
в одном направлении.

00:02:44.353 --> 00:02:49.113
А три, или две для линейных молекулы,
соответствуют вращению.

00:02:49.113 --> 00:02:53.880
Все остальные — 3N-6,
или 3N-5 для линейных молекул, —

00:02:53.880 --> 00:02:55.629
являются колебаниями.

00:02:55.739 --> 00:02:57.837
Что же вызывает все эти движения?

00:02:57.837 --> 00:03:01.751
Молекулы двигаются, потому что они
поглощают энергию из окружающей среды,

00:03:01.751 --> 00:03:05.311
в основном в виде тепла
или электромагнитной радиации.

00:03:05.311 --> 00:03:08.328
Когда эта энергия передаётся молекулам,

00:03:08.328 --> 00:03:09.395
они колеблются,

00:03:09.395 --> 00:03:10.315
вращаются

00:03:10.355 --> 00:03:11.801
или смещаются быстрее.

00:03:11.801 --> 00:03:16.567
Ускоренное движение увеличивает
кинетическую энергию молекул и атомов.

00:03:16.567 --> 00:03:20.324
Мы определяем это
как рост температуры и тепловой энергии.

00:03:20.324 --> 00:03:25.109
Этот феномен используется
в микроволновой печи для разогрева еды.

00:03:25.109 --> 00:03:29.395
Печь испускает микроволновое излучение,
которое поглощают молекулы,

00:03:29.395 --> 00:03:31.227
особенно молекулы воды.

00:03:31.227 --> 00:03:33.313
Они перемещаются всё быстрее и быстрее,

00:03:33.313 --> 00:03:37.709
ударяясь друг о друга и повышая
температуру пищи и тепловую энергию.

00:03:37.709 --> 00:03:40.691
Другим примером служит парниковый эффект.

00:03:40.711 --> 00:03:43.653
Часть солнечной радиации,
попадающей на поверхность Земли,

00:03:43.653 --> 00:03:45.460
отражается обратно в атмосферу.

00:03:45.460 --> 00:03:51.035
Парниковые газы, такие как водяной пар
и углекислый газ, поглощают эту радиацию

00:03:51.035 --> 00:03:52.626
и ускоряются.

00:03:52.626 --> 00:03:54.241
Эти горячие подвижные молекулы

00:03:54.241 --> 00:03:57.241
испускают инфракрасное излучение
во всех направлениях,

00:03:57.241 --> 00:04:00.833
в том числе обратно к Земле, нагревая её.

00:04:00.983 --> 00:04:03.526
Останавливается ли когда-нибудь
это движение молекул?

00:04:03.526 --> 00:04:06.488
Возможно, вы считаете, что это происходит
при абсолютном ноле,

00:04:06.488 --> 00:04:08.340
самой низкой температуре.

00:04:08.360 --> 00:04:10.985
Никто ранее не смог
охладить ничто до такой степени,

00:04:10.985 --> 00:04:12.697
но даже если бы мы могли,

00:04:12.757 --> 00:04:16.248
молекулы продолжили бы двигаться
из-за квантово-механического принципа

00:04:16.248 --> 00:04:18.003
под названием энергия нулевой точки.

00:04:18.083 --> 00:04:22.921
Другими словами, с момента возникновения
Вселенной всё находится в движении

00:04:22.921 --> 00:04:26.187
и будет ещё долго продолжать двигаться
после нашего исчезновения.