Die unsichtbare Bewegung regloser Objekte – Ran Tivony

Sehen Sie die ganze Lektion: http://ed.ted.com/lessons/the-invisible-motion-of-still-objects-ran-tivony

Viele unbewegliche Objekte um uns herum wirken vollkommen reglos. Blickt man aber tief in ihren atomaren Aufbau, erkennt man eine Welt in ständigem Wandel – durch ein Dehnen, Zusammenziehen, Federn, Zittern und Wandern von allen Atomen. Ran Tivony beschreibt, wie und warum sich Molekularbewegungen ereignen und untersucht, ob sie vielleicht jemals aufhören könnten.

Lektion von Ran Tivony, Animation von Zedem Media.

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.