The invisible motion of still objects - Ran Tivony

Nhiều vật xung quanh bạn tưởng chừng đứng yên.

Nhưng xét về cấu trúc vi mô của chúng

bạn sẽ thấy một thế giới luôn chuyển động

Các nguyên tử dãn

co ngắn

đàn hồi

động đậy

di chuyển mọi nơi.

trông có vẻ hỗn loạn, nhưng chúng không chuyển động tuỳ ý

Nguyên tử liên kết với nhau

và điều đó miêu tả mọi vật

chuyển động theo quy luật

Ví dụ như phân tử, do các nguyên tử liên kết cộng hoá trị với nhau.

Có ba trạng thái chuyển động chính

chuyển động quay

tịnh tiến

và dao động

quay và tịnh tiến là chuyển động không gian

và các nguyên tử vẫn giữ khoảng cách

Mặt khác, dao động làm thay đổi khoảng cách

thực chất là thay đổi hình dạng phân tử

bạn có thể đếm số cách chuyển động của bất lỳ phân tử nào

con số đó liên hệ với bậc tự do,

theo nghĩa cơ học là

số đại lượng ta tính toán

để hiểu rõ cả hệ thống

không gian 3 chiều xác định bở ba trục x, y, z

Tịnh tiến di chuyển trên cả 3 trục

nên có bậc tự do là 3

quay cũng có thể trên cả 3 trục

nên thêm 3 nữa

ngoại trừ phân tử thẳng như CO2

nó chỉ quay quanh trục phân tử

và không làm đổi vị trí nên không được tính

Dao động hơi có chút rắc rối

lấy ví dụ là H2

độ dài nối của H2 thay đổi không ngừng

giống như 2 nguyên tử nối bởi chiếc lò xo

sử thay đổi độ dài rất bé, chưa đến 1 phần tỉ mét

càng nhiều nguyên tử liên kết, càng nhiều cách dao động

Ví dụ, nước có 3 nguyên tử

1 oxy nối với 2 hidro qua 2 liên kết

nên có 3 cách dao động

dãn có đối xứng

dãn không đối xứng

và co dãn góc liên kết

Các phân tử phức tạp thậm chí dao động dữ dội

như đu đưa

lúc lắc

và cả xoắn

Nếu bạn biết số nguyên tử, bạn biết được số cách dao động

Bắt đầu với bậc tự do

là 3 lần số lượng nguyên tử

bởi vì mỗi nguyên tử di chuyển theo 3 cách

có ba trục liên hệ với tính tiến

khi tất cả nguyên tử di chuyển cùng trục

và 3 trục (hay 2 cho phân tử thẳng) liên hệ với quay

Vậy, 3N-6 (hay 3N-5 cho phân tử thẳng)

là số cách dao động

nhưng điểu gì gây ra chuyển động?

Phân tử di chuyển do sự hấp thụ năng lượng từ môi trường

chú yếu là nhiệt hay sóng điện từ

Khi năng lượng truyền cho phân tử

chúng dao động

quay

và tịnh tiến nhanh hơn

Chuyển động cành nhanh tăng động năng của phân tử

do sự tăng nhiệt độ cũng như nhiệt năng

Hiện tương này giống như hâm đồ ăn trong lò vi sóng

khi phân tử hấp thụ các bức xạ

đặc biệt là các phân tử nước.

chúng chuyển động ngày càng nhanh

tác động lẫn nhau và tăng nhiệt độ thức ăn

Hiệu ứng nhà khính là một ví dụ khác

bức xạ nhiệt xuống trái đất

phản lại không khí

bị các khí nhà kính như hơi nước, CO2 hấp thụ

và các khí này chuyển động

chúng nóng lên và chuyển động, toả ra tia hồng ngoại

trở về và làm nóng trái đất

Có bao giờ phân tử ngừng chuyển động

Bạn nghĩ rằng sẽ đúng ở 0 độ tuyệt đối

nhiệt độ lạnh nhất có thể

Không có ai hạ nhiệt độ đến đó cả

nhưng giả sử ta có thể

phân tử vẫn chuyển động theo như nguyên lý lượng tử

gọi là năng lượng điểm 0

Nói chung, mọi thứ chuyển động từ khi bắt đầu

và cứ thế chuyển động