分子運動の魅力的な世界

要約

この記事では、原子や分子の絶え間ない運動と、それらが一定の原則に従って動く方法について探求します。回転、平行移動、振動という3つの基本的な分子の動き方と、それらが自由度に対応することを掘り下げます。また、分子が周囲からエネルギーを吸収することにより、振動、回転、または平行移動が速くなり、これが温度や熱エネルギーと関係していることについても議論します。最後に、分子運動が決して完全に止まらない量子力学の原理であるゼロ点エネルギーに触れます。

原子と分子の絶え間ない運動

私たちの周りにある無生物の物体の多くは完全に静止しているように見えますが、その原子構造を深く観察すると、常に流動する世界が見えてきます。原子は常に伸び、縮み、跳ね返り、震え、漂っています。この運動はカオス的に見えるかもしれませんが、ランダムではありません。ほとんどすべての物質を記述する原子が結合し合っている場合、原子は一定の原則に従って動きます。

分子が動く3つの基本的な方法

共有結合で結合している原子の集まりである分子は、回転、平行移動、振動の3つの基本的な方法で動くことができます。回転と平行移動は、原子の間の距離が同じままで分子を空間内で移動させます。一方、振動は、実際に分子の形状を変えるため、その距離を変えます。どの分子でも、それが動くことができる異なる方法の数を数えることができ、それは自由度に対応します。

自由度

力学の文脈での自由度とは、全体のシステムを理解するために考慮する必要がある変数の数を基本的に意味します。3次元空間はX、Y、Z軸によって定義されます。平行移動は、分子をこれらの軸のいずれかの方向に移動させることができ、これは3つの自由度に対応します。また、これらの3つの軸のいずれかを中心に回転することができ、これは3つの自由度をさらに追加しますが、二酸化炭素のような線形分子では、分子を自軸周りに回転させる回転は位置を変えないため、カウントされません。振動は少し複雑になります。

エネルギーの吸収と温度

分子が動くのは、周囲から熱や電磁放射の形でエネルギーを吸収するためです。このエネルギーが分子に転移すると、分子は振動、回転、または平行移動が速くなります。速い動きは分子や原子の運動エネルギーを増加させ、これは温度と熱エネルギーの増加と定義されます。これが、電子レンジが食べ物を加熱する現象です。電子レンジはマイクロ波放射を放出し、水分子のようなものに吸収されます。分子はどんどん動き回り、互いにぶつかり合い、食べ物の温度と熱エネルギーを増加させます。温室効果もその例です。