WEBVTT 00:00:06.842 --> 00:00:11.668 Viele unbewegliche Objekte um uns, scheinen vollkommen reglos zu sein. 00:00:11.668 --> 00:00:15.663 Blickt man aber tief in den atomaren Aufbau dieser Objekte, 00:00:15.663 --> 00:00:18.333 wird man eine Welt in ständigem Wandel erkennen: 00:00:18.333 --> 00:00:19.138 sich dehnende, 00:00:19.138 --> 00:00:20.267 sich zusammenziehende, 00:00:20.267 --> 00:00:21.002 federnde, 00:00:21.002 --> 00:00:21.977 zitternde, 00:00:21.977 --> 00:00:25.068 wandernde Atome überall. 00:00:25.068 --> 00:00:28.355 Und obwohl diese Bewegungen wirr erscheinen, sind sie nicht zufällig. 00:00:28.355 --> 00:00:30.180 Atome, die miteinander verbunden sind, 00:00:30.180 --> 00:00:32.269 und das beschreibt fast alle Stoffe, 00:00:32.269 --> 00:00:34.881 bewegen sich gemäß einer Reihe von Grundsätzen. 00:00:34.881 --> 00:00:39.776 Zum Beispiel: Moleküle; Atome, die eine Elektronenpaarbindung zusammenhält, 00:00:39.776 --> 00:00:42.322 können sich auf drei grundsätzliche Arten bewegen: 00:00:42.322 --> 00:00:43.214 Drehung, 00:00:43.214 --> 00:00:44.337 Verschiebung 00:00:44.337 --> 00:00:45.886 und Schwingung. 00:00:45.886 --> 00:00:49.038 Drehungen und Verschiebungen bewegen ein Molekül im Raum, 00:00:49.038 --> 00:00:52.166 während die Atome den selben Abstand behalten. 00:00:52.166 --> 00:00:55.608 Schwingungen, andererseits, verändern diese Abstände, 00:00:55.608 --> 00:00:58.250 und wandeln wirklich die Form des Moleküls. 00:00:58.250 --> 00:01:02.688 Für jedes Molekül kann man die Anzahl der Bewegungsmöglichkeiten abzählen. 00:01:02.688 --> 00:01:05.304 Das entspricht den Freiheitsgraden, 00:01:05.304 --> 00:01:06.941 die im Rahmen der Mechanik 00:01:06.941 --> 00:01:10.450 die Anzahl der Variablen meint, die wir berücksichtigen müssen, 00:01:10.450 --> 00:01:13.345 um das ganze System zu verstehen. 00:01:13.345 --> 00:01:18.019 Drei-dimensionaler Raum wird durch die x-, y-, und z-Achse umrissen. 00:01:18.019 --> 00:01:23.034 Die Verschiebung ermöglicht dem Molekül sich auf jedes andere zuzubewegen. 00:01:23.034 --> 00:01:25.098 Das sind drei Freiheitsgrade. 00:01:25.098 --> 00:01:28.758 Es kann sich auch um jede dieser drei Achsen drehen. 00:01:28.758 --> 00:01:29.990 Das sind drei weitere, 00:01:29.990 --> 00:01:33.042 außer es ist ein lineares Molekül, wie Kohlendioxid. 00:01:33.042 --> 00:01:37.457 Da wirbelt die Drehung das Molekül nur um seine eigene Achse herum, 00:01:37.457 --> 00:01:41.607 was nicht zählt, weil damit nicht die Position des Atoms verändert wird. 00:01:41.607 --> 00:01:44.596 Bei Schwingungen wird es ein wenig heikel. 00:01:44.596 --> 00:01:46.979 Nehmen wir ein einfaches Molekül wie Wasserstoff. 00:01:46.979 --> 00:01:51.682 Die Länge der Bindung, die die zwei Atome zusammenhält, ändert sich ständig, 00:01:51.682 --> 00:01:54.479 so als ob die Atome durch eine Feder verbunden wären. 00:01:54.479 --> 00:01:58.985 Diese Änderung des Abstands ist winzig, weniger als ein einmillionstel Meter. 00:01:58.985 --> 00:02:03.791 Je mehr Atome und Bindungen ein Molekül hat, desto mehr Schwingungsformen hat es. 00:02:03.791 --> 00:02:06.816 Beispielsweise hat ein Wasseratom drei Atome: 00:02:06.816 --> 00:02:10.164 Ein Sauerstoffatom, zwei Wasserstoffatome und zwei Bindungen. 00:02:10.164 --> 00:02:12.366 Das ergibt drei Schwingungsformen: 00:02:12.366 --> 00:02:13.824 Symmetrische Streckschwingung, 00:02:13.824 --> 00:02:15.408 Asymmetrische Streckschwingung 00:02:15.408 --> 00:02:16.896 und Scher-Schwingung. 00:02:16.896 --> 00:02:21.142 Kompliziertere Moleküle haben sogar noch ausgefallenere Schwingungsformen: 00:02:21.142 --> 00:02:22.426 Schaukel-Schwingung, 00:02:22.426 --> 00:02:23.607 Wipp-Schwingung, 00:02:23.607 --> 00:02:25.195 und Dreh-Schwingung. 00:02:25.195 --> 00:02:29.854 Weiß man, wie viele Atome ein Molekül hat, kann man die Schwingungsformen zählen. 00:02:29.854 --> 00:02:32.011 Man fängt mit den Gesamt-Freiheitsgraden an, 00:02:32.011 --> 00:02:35.427 indem man die Anzahl der Atome im Molekül mal drei nimmt. 00:02:35.427 --> 00:02:38.837 Und zwar deshalb, weil jedes Atom sich in drei Richtungen bewegen kann. 00:02:38.837 --> 00:02:41.393 Drei davon ergeben sich aus der Verschiebung, 00:02:41.393 --> 00:02:44.633 wenn sich alle Atome in dieselbe Richtung bewegen. 00:02:44.633 --> 00:02:49.430 Drei oder zwei bei linearen Molekülen, ergeben sich aus der Drehung. 00:02:49.430 --> 00:02:53.999 Der ganze Rest, 3N-6 oder 3N-5 für lineare Moleküle, 00:02:53.999 --> 00:02:56.127 sind Schwingungen. 00:02:56.127 --> 00:02:57.961 Was verursacht die ganzen Bewegungen? 00:02:57.961 --> 00:03:02.053 Moleküle bewegen sich, da sie Energie aus ihrer Umgebung aufnehmen, 00:03:02.053 --> 00:03:05.748 hauptsächlich in Form von Wärme oder elektromagnetischer Strahlung. 00:03:05.748 --> 00:03:08.355 Wenn diese Energie auf die Moleküle übertragen wird, 00:03:08.355 --> 00:03:09.415 schwingen sie, 00:03:09.415 --> 00:03:10.221 drehen sie sich, 00:03:10.221 --> 00:03:12.507 oder verschieben sich schneller. 00:03:12.507 --> 00:03:16.534 Schnellere Bewegung erhöht die kinetische Energie der Moleküle und Atome. 00:03:16.534 --> 00:03:20.792 Man definiert das als Anstieg von Temperatur und thermischer Energie. 00:03:20.792 --> 00:03:25.445 Die Mikrowelle nutzt dieses Phänomen, um Mahlzeiten zu erhitzen. 00:03:25.445 --> 00:03:29.247 Die Mikrowelle gibt Mikrowellen- Strahlung ab, die Moleküle aufnimmt, 00:03:29.247 --> 00:03:31.723 insbesondere die des Wassers. 00:03:31.723 --> 00:03:33.659 Sie bewegen sich immer schneller, 00:03:33.659 --> 00:03:38.101 stoßen ineinander und erhöhen die Temperatur und die thermische Energie. 00:03:38.101 --> 00:03:40.513 Der Treibhaus-Effekt ist ein anderes Beispiel. 00:03:40.513 --> 00:03:43.250 Etwas von der auf der Erde auftreffenden Sonnenstrahlung 00:03:43.250 --> 00:03:45.605 wird in die Atmosphäre zurückgeworfen. 00:03:45.605 --> 00:03:51.006 Treibhausgase wie Wasserdampf und Kohlendioxid nehmen diese Strahlung auf 00:03:51.006 --> 00:03:52.491 und beschleunigen die Bewegung. 00:03:52.491 --> 00:03:57.573 Diese heißeren, sich schneller bewegenden Moleküle geben infrarote Strahlung ab, 00:03:57.573 --> 00:04:00.346 die die Erdoberfläche aufheizt. 00:04:00.346 --> 00:04:03.338 Hört diese Molekularbewegung irgendwann auf? 00:04:03.338 --> 00:04:05.940 Man könnte meinen, das geschehe am absoluten Nullpunkt, 00:04:05.940 --> 00:04:07.815 der tiefsten möglichen Temperatur. 00:04:07.815 --> 00:04:10.597 Niemandem ist es jemals gelungen, etwas soweit abzukühlen, 00:04:10.597 --> 00:04:12.098 aber selbst wenn man es könnte, 00:04:12.098 --> 00:04:16.213 würden die Moleküle sich weiter bewegen, gemäß einem Prinzip der Quantenmechanik, 00:04:16.213 --> 00:04:17.925 genannt Nullpunktsenergie. 00:04:17.925 --> 00:04:23.078 Anders gesagt: Alles bewegt sich seit den allerersten Augenblicken des Universums 00:04:23.078 --> 00:04:27.121 und es wird so weitergehen, lange nachdem wir verschwunden sind.