1
00:00:06,842 --> 00:00:11,668
Viele unbewegliche Objekte um uns,
scheinen vollkommen reglos zu sein.

2
00:00:11,668 --> 00:00:15,663
Blickt man aber tief in den
atomaren Aufbau dieser Objekte,

3
00:00:15,663 --> 00:00:18,333
wird man eine Welt in
ständigem Wandel erkennen:

4
00:00:18,333 --> 00:00:19,138
sich dehnende,

5
00:00:19,138 --> 00:00:20,267
sich zusammenziehende,

6
00:00:20,267 --> 00:00:21,002
federnde,

7
00:00:21,002 --> 00:00:21,977
zitternde,

8
00:00:21,977 --> 00:00:25,068
wandernde Atome überall.

9
00:00:25,068 --> 00:00:28,355
Und obwohl diese Bewegungen
wirr erscheinen, sind sie nicht zufällig.

10
00:00:28,355 --> 00:00:30,180
Atome, die miteinander verbunden sind,

11
00:00:30,180 --> 00:00:32,269
und das beschreibt fast alle Stoffe,

12
00:00:32,269 --> 00:00:34,881
bewegen sich gemäß
einer Reihe von Grundsätzen.

13
00:00:34,881 --> 00:00:39,776
Zum Beispiel: Moleküle; Atome, die eine
Elektronenpaarbindung zusammenhält,

14
00:00:39,776 --> 00:00:42,322
können sich auf drei
grundsätzliche Arten bewegen:

15
00:00:42,322 --> 00:00:43,214
Drehung,

16
00:00:43,214 --> 00:00:44,337
Verschiebung

17
00:00:44,337 --> 00:00:45,886
und Schwingung.

18
00:00:45,886 --> 00:00:49,038
Drehungen und Verschiebungen
bewegen ein Molekül im Raum,

19
00:00:49,038 --> 00:00:52,166
während die Atome
den selben Abstand behalten.

20
00:00:52,166 --> 00:00:55,608
Schwingungen, andererseits,
verändern diese Abstände,

21
00:00:55,608 --> 00:00:58,250
und wandeln wirklich
die Form des Moleküls.

22
00:00:58,250 --> 00:01:02,688
Für jedes Molekül kann man die Anzahl
der Bewegungsmöglichkeiten abzählen.

23
00:01:02,688 --> 00:01:05,304
Das entspricht den Freiheitsgraden,

24
00:01:05,304 --> 00:01:06,941
die im Rahmen der Mechanik

25
00:01:06,941 --> 00:01:10,450
die Anzahl der Variablen meint,
die wir berücksichtigen müssen,

26
00:01:10,450 --> 00:01:13,345
um das ganze System zu verstehen.

27
00:01:13,345 --> 00:01:18,019
Drei-dimensionaler Raum wird durch
die x-, y-, und z-Achse umrissen.

28
00:01:18,019 --> 00:01:23,034
Die Verschiebung ermöglicht dem Molekül
sich auf jedes andere zuzubewegen.

29
00:01:23,034 --> 00:01:25,098
Das sind drei Freiheitsgrade.

30
00:01:25,098 --> 00:01:28,758
Es kann sich auch um jede
dieser drei Achsen drehen.

31
00:01:28,758 --> 00:01:29,990
Das sind drei weitere,

32
00:01:29,990 --> 00:01:33,042
außer es ist ein lineares Molekül,
wie Kohlendioxid.

33
00:01:33,042 --> 00:01:37,457
Da wirbelt die Drehung das Molekül
nur um seine eigene Achse herum,

34
00:01:37,457 --> 00:01:41,607
was nicht zählt, weil damit nicht
die Position des Atoms verändert wird.

35
00:01:41,607 --> 00:01:44,596
Bei Schwingungen
wird es ein wenig heikel.

36
00:01:44,596 --> 00:01:46,979
Nehmen wir ein einfaches
Molekül wie Wasserstoff.

37
00:01:46,979 --> 00:01:51,682
Die Länge der Bindung, die die zwei
Atome zusammenhält, ändert sich ständig,

38
00:01:51,682 --> 00:01:54,479
so als ob die Atome durch
eine Feder verbunden wären.

39
00:01:54,479 --> 00:01:58,985
Diese Änderung des Abstands ist winzig,
weniger als ein einmillionstel Meter.

40
00:01:58,985 --> 00:02:03,791
Je mehr Atome und Bindungen ein Molekül
hat, desto mehr Schwingungsformen hat es.

41
00:02:03,791 --> 00:02:06,816
Beispielsweise hat ein
Wasseratom drei Atome:

42
00:02:06,816 --> 00:02:10,164
Ein Sauerstoffatom, zwei
Wasserstoffatome und zwei Bindungen.

43
00:02:10,164 --> 00:02:12,366
Das ergibt drei Schwingungsformen:

44
00:02:12,366 --> 00:02:13,824
Symmetrische Streckschwingung,

45
00:02:13,824 --> 00:02:15,408
Asymmetrische Streckschwingung

46
00:02:15,408 --> 00:02:16,896
und Scher-Schwingung.

47
00:02:16,896 --> 00:02:21,142
Kompliziertere Moleküle haben sogar
noch ausgefallenere Schwingungsformen:

48
00:02:21,142 --> 00:02:22,426
Schaukel-Schwingung,

49
00:02:22,426 --> 00:02:23,607
Wipp-Schwingung,

50
00:02:23,607 --> 00:02:25,195
und Dreh-Schwingung.

51
00:02:25,195 --> 00:02:29,854
Weiß man, wie viele Atome ein Molekül hat,
kann man die Schwingungsformen zählen.

52
00:02:29,854 --> 00:02:32,011
Man fängt mit den
Gesamt-Freiheitsgraden an,

53
00:02:32,011 --> 00:02:35,427
indem man die Anzahl der Atome
im Molekül mal drei nimmt.

54
00:02:35,427 --> 00:02:38,837
Und zwar deshalb, weil jedes Atom
sich in drei Richtungen bewegen kann.

55
00:02:38,837 --> 00:02:41,393
Drei davon ergeben sich
aus der Verschiebung,

56
00:02:41,393 --> 00:02:44,633
wenn sich alle Atome
in dieselbe Richtung bewegen.

57
00:02:44,633 --> 00:02:49,430
Drei oder zwei bei linearen
Molekülen, ergeben sich aus der Drehung.

58
00:02:49,430 --> 00:02:53,999
Der ganze Rest, 3N-6 oder
3N-5 für lineare Moleküle,

59
00:02:53,999 --> 00:02:56,127
sind Schwingungen.

60
00:02:56,127 --> 00:02:57,961
Was verursacht die ganzen Bewegungen?

61
00:02:57,961 --> 00:03:02,053
Moleküle bewegen sich, da sie Energie
aus ihrer Umgebung aufnehmen,

62
00:03:02,053 --> 00:03:05,748
hauptsächlich in Form von Wärme
oder elektromagnetischer Strahlung.

63
00:03:05,748 --> 00:03:08,355
Wenn diese Energie auf
die Moleküle übertragen wird,

64
00:03:08,355 --> 00:03:09,415
schwingen sie,

65
00:03:09,415 --> 00:03:10,221
drehen sie sich,

66
00:03:10,221 --> 00:03:12,507
oder verschieben sich schneller.

67
00:03:12,507 --> 00:03:16,534
Schnellere Bewegung erhöht die
kinetische Energie der Moleküle und Atome.

68
00:03:16,534 --> 00:03:20,792
Man definiert das als Anstieg von
Temperatur und thermischer Energie.

69
00:03:20,792 --> 00:03:25,445
Die Mikrowelle nutzt dieses Phänomen,
um Mahlzeiten zu erhitzen.

70
00:03:25,445 --> 00:03:29,247
Die Mikrowelle gibt Mikrowellen-
Strahlung ab, die Moleküle aufnimmt,

71
00:03:29,247 --> 00:03:31,723
insbesondere die des Wassers.

72
00:03:31,723 --> 00:03:33,659
Sie bewegen sich immer schneller,

73
00:03:33,659 --> 00:03:38,101
stoßen ineinander und erhöhen die
Temperatur und die thermische Energie.

74
00:03:38,101 --> 00:03:40,513
Der Treibhaus-Effekt
ist ein anderes Beispiel.

75
00:03:40,513 --> 00:03:43,250
Etwas von der auf der Erde
auftreffenden Sonnenstrahlung

76
00:03:43,250 --> 00:03:45,605
wird in die Atmosphäre zurückgeworfen.

77
00:03:45,605 --> 00:03:51,006
Treibhausgase wie Wasserdampf und
Kohlendioxid nehmen diese Strahlung auf

78
00:03:51,006 --> 00:03:52,491
und beschleunigen die Bewegung.

79
00:03:52,491 --> 00:03:57,573
Diese heißeren, sich schneller bewegenden
Moleküle geben infrarote Strahlung ab,

80
00:03:57,573 --> 00:04:00,346
die die Erdoberfläche aufheizt.

81
00:04:00,346 --> 00:04:03,338
Hört diese Molekularbewegung
irgendwann auf?

82
00:04:03,338 --> 00:04:05,940
Man könnte meinen, das geschehe
am absoluten Nullpunkt,

83
00:04:05,940 --> 00:04:07,815
der tiefsten möglichen Temperatur.

84
00:04:07,815 --> 00:04:10,597
Niemandem ist es jemals gelungen,
etwas soweit abzukühlen,

85
00:04:10,597 --> 00:04:12,098
aber selbst wenn man es könnte,

86
00:04:12,098 --> 00:04:16,213
würden die Moleküle sich weiter bewegen,
gemäß einem Prinzip der Quantenmechanik,

87
00:04:16,213 --> 00:04:17,925
genannt Nullpunktsenergie.

88
00:04:17,925 --> 00:04:23,078
Anders gesagt: Alles bewegt sich seit den
allerersten Augenblicken des Universums

89
00:04:23,078 --> 00:04:27,121
und es wird so weitergehen,
lange nachdem wir verschwunden sind.