הרבה מהעצמים הדוממים סביבכם כנראה נראים דוממים לגמרי.
אבל הביטו עמוק לתוך המבנה האטומי של כל אחד מהם,
ותראו עולם בתנועה מתמדת.
אטומים נמתחים,
מתכווצים,
קופצים,
רוטטים,
ונסחפים בכל מקום.
ולמרות שהתנועה אולי נראית כאוטית, היא לא אקראית.
אטומים שקשורים יחד,
וזה מתאר כמעט כל חומר,
נעים לפי סט של עקרונות.
לדוגמה, קחו מולקולות, אטומים מוחזקים יחד על ידי קשרים קוולנטיים.
יש שלוש דרכים בסיסיות שמולקולות יכולות לנוע:
סיבוב,
העתקה,
ורטט.
סיבוב והעתקה מניעים את המולקולה בחלל
בעוד האטומים שלה נשארים באותו מרחק אחד מהשני.
רטט, מצד שני, משנה את המרחקים האלה,
ולמעשה משנה את צורת המולקולה.
לכל מולקולה, אתם יכולים לספור את מספר הדרכים השונות בהן היא יכולה לנוע.
זה מתאים לדרגות החופש שלה,
שבהקשר של מכאניקה
בעיקרון אומר מספר המשתנים שאנחנו צריכים לקחת בחשבון
כדי להבין את כל המערכת.
מרחב תלת מימדי מוגדר על ידי צירי X Y ו Z.
העתקה מאפשרת למולקולה לנוע בכיוון של כל אחד מהם.
אלה שלוש דרגות חופש.
היא גם יכולה להסתובב על כל אחד מהצירים האלו.
זה עוד שלוש,
אלא אם זו מולקולה קווית, כמו פחמן דו חמצני.
שם, אחד הסיבובים פשוט מסובב את המולקולה על צירה שלה,
מה שלא נחשב בגלל שהיא לא משנה את המיקום של האטומים.
רטט הוא המקום בו זה נעשה מעט יותר מסובך.
בואו ניקח מולקולה פשוטה, כמו מימן.
אורך הקשר שמחזיק את שני האטומים משתנה תמידית
כאילו האטומים מחוברים על ידי קפיץ.
השינוי הזה במרחק הוא זעיר, פחות ממיליארדית המטר.
ככל שלמולקולה יש יותר אטומים וקשרים, יש יותר צורות רעד.
לדוגמה, למולקולת מים יש שלושה אטומים:
חמצן אחד ושני מימנים, ושני קשרים.
זה נותן לה שלוש צורות רעד:
מתיחה סימטרית.
מתיחה א-סימטרית,
ועיקום.
למולקולות יותר מורכבות יש צורות רטט אפילו יותר מורכבות,
כמו נדנוד,
כשכוש,
ופיתול.
אם אתם יודעים כמה אטומים יש למולקולה, אתם יכולים לספור את צורות הרטט שלה.
התחילו עם סך דרגות החופש,
שזה שלוש כפול מספר האטומים במולקולה.
זה בגלל שכל אטום יכול לנוע בשלושה כיוונים שונים.
שלושה מהסך מתייחסים להעתקה
כשכל האטומים נעים לאותו כיוון.
ושלושה, או שניים למולקולה לינארית, מתייחסים לסיבוב.
כל השאר, 3N-6 או 3N-5 למולקולות לינאריות,
הן רטיטות.
אז מה גורם לתנועה הזו?
מולקולות נעות בגלל שהן סופגות אנרגיה מהסביבה שלהן,
בעיקר בצורה של חום או קרינה אלקטרומגנטית.
כשהאנרגיה מועברת למולקולות,
הן רוטטות,
מסתובבות,
או מוזחות מהר יותר.
תנועה מהירה יותר מגבירה את האנרגיה הקינטית של המולקולות והאטומים.
אנחנו מגדירים את זה כעליה בטמפרטורה ואנרגיה תרמית.
זו התופעה בה המיקרוגל שלכם משתמש כדי לחמם את האוכל שלכם.
המיקרו משגר קרינת גלי מיקרו, שנספגת על ידי המולקולות,
בעיקר מולקולות מים.
הן נעות מהר יותר ויותר,
נתקלות אחת בשניה ומגבירות את טמפרטורת המזון והאנרגיה התרמית.
אפקת החממה הוא דוגמה נוספת.
חלק מקרינת השמש שפוגעת בפני כדור הארץ
מוחזרת חזרה לאטמוספירה.
גזי חממה, כמו אדי מים ופחמן דו חמצני סופגים את הקרינה הזו
ומאיצים.
המולקולות החמות יותר ונעות מהר יותר מפיצות קרינה אינפרא אדומה בכל הכיוונים,
כולל חזרה לכדור הארץ, ומחממים אותו.
האם כל התנועה המולקולרית הזו אי פעם תפסיק?
אתם אולי חושבים שזה יקרה באפס מוחלט,
הטמפרטורה הכי קרה שאפשרית.
אף אחד מעולם לא הצליח לקרר משהו כל כך נמוך,
אבל אפילו אם היינו יכולים,
מולקולות עדיין היו נעות בשל עקרון מכאניקה קוואנטית
שנקרא אנרגיית נקודת אפס.
במילים אחרות, הכל נע מאז הרגע הראשון של היקום,
וימשיך לנוע הרבה, הרבה אחרי שנעלם.