分子不會(huì)完全靜止的緣由與量子熱學(xué)和熱力學(xué)基本原理有關(guān)。
依照量子熱學(xué)的海森堡不確定原理,一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)被精確檢測(cè)。換句話說(shuō),當(dāng)我們更精確地曉得一個(gè)粒子的位置時(shí),它的動(dòng)量才會(huì)顯得愈發(fā)不確定,反之亦然。因而,從量子熱學(xué)的角度來(lái)看,粒子(包括分子)不能完全靜止,否則它們的位置和動(dòng)量將同時(shí)被精確檢測(cè),這與海森堡不確定原理相矛盾。
海森堡不確定原理()是量子熱學(xué)中的一個(gè)基本原理,由日本化學(xué)學(xué)家瓦爾納·海森堡()在1927年提出。這個(gè)原理描述了在量子系統(tǒng)中,個(gè)別化學(xué)量(比如位置和動(dòng)量)的檢測(cè)不確定性之間的關(guān)系。它表明,在一個(gè)給定的時(shí)間內(nèi),我們不能同時(shí)精確地檢測(cè)粒子的位置和動(dòng)量。
海森堡不確定原理可以用物理公式表示為:
Δx*Δp≥?/2

其中,Δx表示位置的不確定性,Δp表示動(dòng)量的不確定性,?是約化普朗克常數(shù)(h/2π,h為普朗克常數(shù))。公式表明,位置和動(dòng)量的不確定性乘積起碼等于約化普朗克常數(shù)的一半。換句話說(shuō)物體的內(nèi)能分子熱運(yùn)動(dòng),當(dāng)我們企圖更精確地檢測(cè)一個(gè)粒子的位置時(shí),它的動(dòng)量才會(huì)顯得愈發(fā)不確定,反之亦然。
這個(gè)原理闡明了量子世界與精典化學(xué)世界的一個(gè)重要區(qū)別。在精典化學(xué)學(xué)中,我們可以同時(shí)精確地檢測(cè)一個(gè)物體的位置和動(dòng)量。但是,在量子世界中,這是不可能的。海森堡不確定原理表明了量子熱學(xué)中的固有不確定性,致使我們不能精確地預(yù)測(cè)微觀粒子的行為。這一原理對(duì)量子熱學(xué)的發(fā)展形成了深遠(yuǎn)影響,并在許多現(xiàn)代科技領(lǐng)域(如量子估算和納米技術(shù))中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
據(jù)悉,按照熱力學(xué)的基本原理,分子、原子和電子在室溫作用下會(huì)形成熱運(yùn)動(dòng)。只要分子所處的系統(tǒng)的氣溫低于絕對(duì)零度(0K,-273.15°C),分子都會(huì)有一定程度的熱運(yùn)動(dòng)。在絕對(duì)零度時(shí),熱運(yùn)動(dòng)理論上應(yīng)達(dá)到最低,分子的動(dòng)能也將趨向最小。但是,依據(jù)量子熱學(xué)的零點(diǎn)能概念,在絕對(duì)零度時(shí),分子依然具有一定的最低能量,雖然是在這個(gè)極低的氣溫下,分子也不會(huì)完全靜止。
熱力學(xué)能(亦稱為內(nèi)能)與分子熱運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。熱力學(xué)能(內(nèi)能)是指一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部所有微觀粒子(如分子、原子和電子)的能量總和物體的內(nèi)能分子熱運(yùn)動(dòng),包括其動(dòng)能和勢(shì)能。分子熱運(yùn)動(dòng)是指分子、原子和電子在室溫作用下所形成的無(wú)規(guī)律的、不斷變化的運(yùn)動(dòng)。分子熱運(yùn)動(dòng)有三種基本類型:平動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和震動(dòng)。平動(dòng)是指分子在空間中沿直線或曲線運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)是指分子繞某一軸旋轉(zhuǎn),而震動(dòng)是指分子內(nèi)部原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式對(duì)應(yīng)著分子的動(dòng)能,而分子間的互相作用對(duì)應(yīng)著勢(shì)能。當(dāng)氣溫變化時(shí),系統(tǒng)內(nèi)部的熱力學(xué)能(內(nèi)能)發(fā)生變化,進(jìn)而影響分子熱運(yùn)動(dòng)的硬度和方式。
熱力學(xué)能與分子熱運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系可以從以下幾個(gè)方面理解:
當(dāng)物體吸收熱量時(shí),熱力學(xué)能降低,分子、原子和電子的運(yùn)動(dòng)激化,熱運(yùn)動(dòng)更為活躍。
當(dāng)物體釋放熱量時(shí),熱力學(xué)能降低,分子、原子和電子的運(yùn)動(dòng)減小,熱運(yùn)動(dòng)顯得不太活躍。
當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)漸趨平衡時(shí),熱力學(xué)能在系統(tǒng)內(nèi)分布均勻,各類運(yùn)動(dòng)方式的能量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。
在相變過(guò)程中,熱力學(xué)能的變化會(huì)造成分子熱運(yùn)動(dòng)的明顯變化,進(jìn)而影響物質(zhì)的狀態(tài)(如從固體變?yōu)橐后w或二氧化碳)。
其實(shí),熱力學(xué)能與分子熱運(yùn)動(dòng)之間存在密切的聯(lián)系,熱力學(xué)能的變化直接影響分子熱運(yùn)動(dòng)的硬度和方式。
綜上所述,因?yàn)榱孔訜釋W(xué)的海森堡不確定原理和熱力學(xué)的基本原理,分子是不會(huì)完全靜止的。在任何非零濕度下,分子都將進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng),雖然在極低氣溫下,分子仍具有一定的最低能量,不會(huì)完全靜止。
