Il moto invisibile degli oggetti immobili - Ran Tivony

Guarda la lezione completa: http://ed.ted.com/lessons/the-invisible-motion-of-still-objects-ran-tivony

Molti degli oggetti inanimati che ti circondano sembrano perfettamente immobili. Ma guardando più a fondo, a livello della loro struttura atomica, è possibile vedere un mondo in costante mutamento, con atomi che si allungano, si contraggono, saltano, si agitano e si muovono allo sbando dovunque. Ran Tivony descrive come e perché avviene il movimento molecolare e si chiede se si potrà mai fermare.

Lezione di Ran Tivony, animazione di Zedem Media.

Gli oggetti inanimati che ti circondano
sembrano perfettamente immobili.

Ma guarda più a fondo
nella loro struttura atomica,

e vedrai un mondo in costante movimento.

Atomi che si allungano,
si contraggono,

saltano,

si agitano

e vanno dovunque, allo sbando.

Anche se il movimento può
sembrare caotico, non è casuale.

Gli atomi che sono legati assieme,

e questo è vero
per quasi tutte le sostanze,

si muovono seguendo dei principi.

Per esempio, prendi le molecole,
atomi tenuti insieme da legami covalenti.

Le molecole si possono muovere
in tre modi fondamentali:

rotazione,

traslazione

e vibrazione.

La rotazione e la traslazione
muovono le molecole nello spazio

mentre i loro atomi rimangono
alla stessa distanza.

La vibrazione, invece,
modifica quelle distanze,

alterando la forma delle molecole.

Per ogni molecola, è possibile calcolare
il numero di modi in cui può muoversi.

Questo corrisponde
ai suoi gradi di libertà,

che nel contesto della meccanica

indica il numero di variabili
da considerare

per comprendere l'intero sistema.

Lo spazio tridimensionale
è definito dagli assi x, y e z.

La traslazione permette alla molecola
di muoversi in ognuna di queste direzioni.

Questi sono tre gradi di libertà.

Può anche ruotare intorno a
ciascuno dei tre assi.

E questi sono altri tre,

se non è una molecola lineare,
come l'anidride carbonica.

In tal caso, una delle rotazioni
fa solo girare la molecola

attorno ad uno dei propri assi;

questo non conta, perché
la posizione degli atomi non cambia.

Nella vibrazione le cose
iniziano a complicarsi un po'.

Prendiamo una molecola semplice,
come l'idrogeno.

La lunghezza del legame che tiene insieme
i due atomi cambia costantemente

come se gli atomi fossero collegati
con una molla.

La variazione di distanza è piccolissima,
meno di un miliardesimo di metro.

Più atomi e legami ha una molecola,
più sono le modalità di vibrazione.

Per esempio, una molecola d'acqua
ha tre atomi:

uno d'ossigeno e due d'idrogeno,
e due legami.

Ciò le conferisce tre modalità
di vibrazione:

stretching simmetrico,

stretching asimmetrico

e bending.

Più complesse sono le molecole e più
elaborate sono le modalità di vibrazione,

come il rocking,

il wagging

ed il twisting.

Si possono calcolare i modi di vibrazione
di una molecola dal suo numero di atomi.

Inizia con i gradi di libertà totali,

tre volte il numero di atomi
presenti nella molecola.

Ciò perché ogni atomo può muoversi
in tre direzioni differenti.

Tre gradi di libertà
corrispondono alla traslazione

quando tutti gli atomi
vanno nella stessa direzione.

E tre, o due per le molecole lineari,
corrispondono alle rotazioni.

Il resto, 3N-6
o 3N-5 per le molecole lineari,

sono vibrazioni.

Quindi, cosa causa tutto questo moto?

Le molecole si muovono perché assorbono
l'energia che le circonda,

principalmente sotto forma di calore
o radiazione elettromagnetica.

Quando questa energia
viene trasferita alle molecole,

esse vibrano,

ruotano

o traslano più velocemente.

Un moto più veloce aumenta l'energia
cinetica delle molecole e degli atomi.

Ciò viene definito come un aumento
di temperatura e di energia termica.

Questo è il fenomeno che usa
il forno a microonde per scaldare il cibo.

Il forno emette microonde,
che vengono assorbite dalle molecole,

soprattutto da quelle di acqua.

Queste si muovono sempre più velocemente,

scontrandosi tra loro ed aumentando la
temperatura e l'energia termica del cibo.

Un altro esempio è l'effetto serra.

Parte della radiazione solare
che colpisce la superficie terrestre

viene riflessa verso l'atmosfera.

I gas serra, come il vapore acqueo
e l'anidride carbonica

assorbono questa radiazione e accelerano.

Tali molecole più calde e veloci emettono
radiazioni infrarosse in ogni direzione,

anche verso la Terra, riscaldandola.

Questo moto molecolare si ferma mai?

Si potrebbe pensare che ciò
accada allo zero assoluto,

la temperatura più fredda possibile.

Nessuno è mai riuscito
a raffreddare qualcosa così tanto,

ma anche se lo si facesse,

le molecole si muoverebbero ancora per
un principio della meccanica quantistica

chiamato energia del punto zero.

In altre parole, tutto si muove fin
dalla nascita dell'universo,

e continuerà a farlo,
anche quando noi non ci saremo più.