Molekülbewegung

Molekülbewegung bezeichnet die Bewegung einzelner Moleküle und die damit verbundenen dynamischen Prozesse auf mikroskopischer Ebene. Sie umfasst Translationalbewegung, Rotation und Schwingung der Moleküle. In Gasen bewegen sich Moleküle relativ frei und mit hohen Geschwindigkeiten; in Flüssigkeiten sind sie durch intermolekulare Kräfte gebunden, bewegen sich aber weiterhin durch Kollisionen und Umherwirbeln; in Festkörpern vibrieren Atome und Moleküle um ihre Gleichgewichtspositionen.

Nach der kinetischen Theorie der Gase hängt die Wärme einer Struktur von der durchschnittlichen kinetischen Energie der Moleküle ab. Die Equipartition der Energie besagt, dass jede Freiheitsgrad der Bewegung bei ausreichend hoher Temperatur zu einem Teil der Gesamtenergie beiträgt. Translationale Energie trägt 3/2 k_B T bei, Rotationen weitere Freiheitsgrade, während Vibrationsmoden oft höhere Temperaturen benötigen, um signifikant gefüllt zu werden. Die genaue Verteilung hängt von Phase, Dichte und Wechselwirkungen ab.

Ein zentrales Phänomen der Molekülbewegung in Flüssigkeiten ist die Brownsche Bewegung: zufällige Bewegungen kleinster Träger ergeben sich aus fortlaufenden Stößen benachbarter Moleküle. Dieses Phänomen lieferte wichtige Belege für die molekulare Natur der Materie und lässt sich durch Diffusion und statistische Modelle beschreiben.

Die Bewegungen bestimmen Diffusion, Wärmetransport, Viskosität und Reaktionskinetik. In Kristallen dominieren Phononen — kollektive Gitter-vibrationen — den Wärmetransport. Historisch bildeten die Maxwell-Boltzmann-Verteilung und Einsteins Erklärungen der Brownschen Bewegung grundlegende Konzepte zur Molekülbewegung in Physik, Chemie und Biologie.