Niewidoczny ruch przedmiotów nieożywionych - Ran Tivony

Zobacz całą lekcję tutaj: http://ed.ted.com/lessons/the-invisible-motion-of-still-objects-ran-tivony

Może uważasz, że przedmioty nieożywione są zupełnie nieruchome. Ale przyjrzyj się wnikliwie atomicznej strukturze któregoś z nich, a ujrzysz świat w ciągłym ruchu - rozciąganie, kurczenie, sprężynowanie, drganie, poruszające atomy są na każdym kroku. Ran Tivony opisuje ruch cząsteczek i jego przyczyny, a także bada, czy moża go zatrzymać.

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.