Viele unbewegliche Objekte um uns, scheinen vollkommen reglos zu sein.
Blickt man aber tief in den atomaren Aufbau dieser Objekte,
wird man eine Welt in ständigem Wandel erkennen:
sich dehnende,
sich zusammenziehende,
federnde,
zitternde,
wandernde Atome überall.
Und obwohl diese Bewegungen wirr erscheinen, sind sie nicht zufällig.
Atome, die miteinander verbunden sind,
und das beschreibt fast alle Stoffe,
bewegen sich gemäß einer Reihe von Grundsätzen.
Zum Beispiel: Moleküle; Atome, die eine Elektronenpaarbindung zusammenhält,
können sich auf drei grundsätzliche Arten bewegen:
Drehung,
Verschiebung
und Schwingung.
Drehungen und Verschiebungen bewegen ein Molekül im Raum,
während die Atome den selben Abstand behalten.
Schwingungen, andererseits, verändern diese Abstände,
und wandeln wirklich die Form des Moleküls.
Für jedes Molekül kann man die Anzahl der Bewegungsmöglichkeiten abzählen.
Das entspricht den Freiheitsgraden,
die im Rahmen der Mechanik
die Anzahl der Variablen meint, die wir berücksichtigen müssen,
um das ganze System zu verstehen.
Drei-dimensionaler Raum wird durch die x-, y-, und z-Achse umrissen.
Die Verschiebung ermöglicht dem Molekül sich auf jedes andere zuzubewegen.
Das sind drei Freiheitsgrade.
Es kann sich auch um jede dieser drei Achsen drehen.
Das sind drei weitere,
außer es ist ein lineares Molekül, wie Kohlendioxid.
Da wirbelt die Drehung das Molekül nur um seine eigene Achse herum,
was nicht zählt, weil damit nicht die Position des Atoms verändert wird.
Bei Schwingungen wird es ein wenig heikel.
Nehmen wir ein einfaches Molekül wie Wasserstoff.
Die Länge der Bindung, die die zwei Atome zusammenhält, ändert sich ständig,
so als ob die Atome durch eine Feder verbunden wären.
Diese Änderung des Abstands ist winzig, weniger als ein einmillionstel Meter.
Je mehr Atome und Bindungen ein Molekül hat, desto mehr Schwingungsformen hat es.
Beispielsweise hat ein Wasseratom drei Atome:
Ein Sauerstoffatom, zwei Wasserstoffatome und zwei Bindungen.
Das ergibt drei Schwingungsformen:
Symmetrische Streckschwingung,
Asymmetrische Streckschwingung
und Scher-Schwingung.
Kompliziertere Moleküle haben sogar noch ausgefallenere Schwingungsformen:
Schaukel-Schwingung,
Wipp-Schwingung,
und Dreh-Schwingung.
Weiß man, wie viele Atome ein Molekül hat, kann man die Schwingungsformen zählen.
Man fängt mit den Gesamt-Freiheitsgraden an,
indem man die Anzahl der Atome im Molekül mal drei nimmt.
Und zwar deshalb, weil jedes Atom sich in drei Richtungen bewegen kann.
Drei davon ergeben sich aus der Verschiebung,
wenn sich alle Atome in dieselbe Richtung bewegen.
Drei oder zwei bei linearen Molekülen, ergeben sich aus der Drehung.
Der ganze Rest, 3N-6 oder 3N-5 für lineare Moleküle,
sind Schwingungen.
Was verursacht die ganzen Bewegungen?
Moleküle bewegen sich, da sie Energie aus ihrer Umgebung aufnehmen,
hauptsächlich in Form von Wärme oder elektromagnetischer Strahlung.
Wenn diese Energie auf die Moleküle übertragen wird,
schwingen sie,
drehen sie sich,
oder verschieben sich schneller.
Schnellere Bewegung erhöht die kinetische Energie der Moleküle und Atome.
Man definiert das als Anstieg von Temperatur und thermischer Energie.
Die Mikrowelle nutzt dieses Phänomen, um Mahlzeiten zu erhitzen.
Die Mikrowelle gibt Mikrowellen- Strahlung ab, die Moleküle aufnimmt,
insbesondere die des Wassers.
Sie bewegen sich immer schneller,
stoßen ineinander und erhöhen die Temperatur und die thermische Energie.
Der Treibhaus-Effekt ist ein anderes Beispiel.
Etwas von der auf der Erde auftreffenden Sonnenstrahlung
wird in die Atmosphäre zurückgeworfen.
Treibhausgase wie Wasserdampf und Kohlendioxid nehmen diese Strahlung auf
und beschleunigen die Bewegung.
Diese heißeren, sich schneller bewegenden Moleküle geben infrarote Strahlung ab,
die die Erdoberfläche aufheizt.
Hört diese Molekularbewegung irgendwann auf?
Man könnte meinen, das geschehe am absoluten Nullpunkt,
der tiefsten möglichen Temperatur.
Niemandem ist es jemals gelungen, etwas soweit abzukühlen,
aber selbst wenn man es könnte,
würden die Moleküle sich weiter bewegen, gemäß einem Prinzip der Quantenmechanik,
genannt Nullpunktsenergie.
Anders gesagt: Alles bewegt sich seit den allerersten Augenblicken des Universums
und es wird so weitergehen, lange nachdem wir verschwunden sind.