Fisica
Il moto invisibile della materia
Molti degli oggetti inanimati che ci circondano sembrano completamente immobili. Se però osservassimo la loro struttura atomica in tempo reale osserveremmo un mondo in un flusso continuo di movimento. Per quanto il movimento degli atomi sembri caotico, non è per niente casuale. Gli atomi legati assieme si muovono secondo un numero ben definito di spostamenti, una regola che è valida per tutte le sostanze che esistono. In questo video di Ted-ed ci viene illustrato il complesso moto delle molecole, ovvero composti dove gli atomi sono tenuti assieme da legami covalenti.
Nelle molecole gli atomi possono effettuare tre tipi di movimento: rotazione, traslazione e vibrazione. Nei primi due casi si tratta di movimenti che permettono di muovere gli atomi nello spazio senza cambiarne le relative distanze. La vibrazione invece cambia le distanze relative tra questi atomi, modificando la forma della molecola stessa. Per ogni molecola è possibile contare in quanti modi può muoversi, il che definisce il suo grado di libertà. Nell’ambito della meccanica del loro movimento significa capire il numero di variabili da tenere in conto per descrivere il sistema in questione.
drogenoLo spazio tridimensionale è caratterizzato dai tre assi x,y,z. La traslazione permette alla molecola di muoversi in ciascuna di queste dimensioni, quindi 3 gradi di libertà. Inoltre può ruotare attorno a ciascuno di questi 3 assi, aggiungendo altri 3 gradi di libertà. Se tuttavia si trattasse di una molecola lineare allora uno dei 3 assi di rotazione non conterebbe, poiché non modificherebbe la posizione degli atomi della molecola. Se consideriamo la vibrazione le cose cominciano a complicarsi. Cominciamo con una molecola semplice, l’idrogeno gassoso, costituito da due atomi di idrogeno legati da un legame covalente. Questo legame è in continua vibrazione, come se fosse una molla. La differenza tra l’estensione massima e minima dell’idrogeno è meno di un miliardesimo di un metro.
Più atomi e legami contiene una molecola, più si possono identificare modalità diverse di vibrazione. Consideriamo una molecola d’acqua, costituita da tre atomi, uno di ossigeno e due di idrogeno, uniti da due legami covalenti. L’acqua possiede tre modalità di vibrazione, una simmetrica, una asimmetrica e una di torsione dell’angolo tra i due legami.
Molecole più complesse hanno modalità di vibrazione ancora più strane, come l’etilene che è in grado di dondolamento, ondeggiamento e la rotazione. Per ogni molecola, anche le più complesse è possibile calcolare i gradi di libertà. Si comincia moltiplicando per 3 il numero degli atomi, poiché ogni atomo può muoversi in 3 direzioni. Di questo totale 3 sono dovuti alla traslazione di tutti gli atomi assieme e 3 sono dovuti alla rotazione di tutti gli atomi assieme (2 se la molecola è lineare).
Tutti i rimanenti gradi di libertà sono dovuti alla vibrazione. Che cosa provoca tutti questi movimenti? Le molecole assorbono continuamente energia dall’ambiente che li circonda, principalmente sotto forma di calore e altre radiazioni elettromagnetiche. Quando quest’energia si trasferisce alle molecole, queste vibrano, traslano o ruotano. Con l’aumento di questi movimenti aumenta l’energia cinetica di queste molecole, evento che definiamo come un aumento della temperatura di queste molecole.
Si tratta dello stesso fenomeno che usa il forno microonde per scaldare il cibo. Il forno microonde emette radiazioni elettromagnetiche assorbite dalle molecole d’acqua che cominciano a muoversi sempre più velocemente e colpendosi a vicenda. L’effetto serra è un altro esempio di questo fenomeno. Quando le radiazioni del Sole colpiscono l’atmosfera terrestre alcune vibrazioni vengono riflesse fuori dall’atmosfera, altre vengono assorbite dalle molecole nell’atmosfera, come l’acqua, che cominciano così a muoversi e ad emettere radiazioni infrarosse in tutte le direzioni, anche nuovamente verso la Terra che così si riscalda ulteriormente.
Tutti questi movimenti arrivano mai a fermarsi? Si potrebbe pensare che allo zero assoluto (-273°C) le molecole dovrebbero essere totalmente ferme. Nessuno è mai riuscito a raffreddare un elemento fin a questo punto, ma è possibile che anche allora le molecole continuerebbero a muoversi per un principio della meccanica quantistica chiamato energia del punto zero.