Ein Sauerstoffmolekül besteht aus zwei O-Atomen im Abstand von
. Die Masse eines O-Atoms beträgt
.

- Berechnen Sie das Trägheitsmoment eines Moleküls um eine Achse senkrecht zur Verbindungslinie der zwei Atome, die Sie als Massenpunkte betrachten können.
- Berechnen Sie die Rotationsenergie Erot eines O-Moleküls, wenn der Drehimpuls
beträgt. (Plancksches Wirkungsquantum:
) - Vergleichen Sie diese Energie mit der thermischen Energie pro Freiheitsgrad bei Zimmertemperatur
. Wie groß ist im Mittel der Drehimpuls des O-Moleküls bei Raumtemperatur? (Boltzmann-Faktor
) - Um das Trägheitsmoment (Drehachse ist nun die Verbindungslinie) abzuschätzen, nehmen Sie an, dass die jeweils acht Elektronen eine kugelförmige Massenverteilung mit dem Radius
haben (Kerne vernachlässigen). Berechnen Sie damit die Rotationsenergie des Sauerstoffmoleküls, wenn der Drehimpuls
beträgt. (Masse des Elektrons:
) - Vergleichen Sie die Rotationsenergie bei Rotation um die Längsachse bei
mit der thermischen Energie bei
.
Lösung
a )
Das Trägheitsmoment berechnet sich aus der Summe der Produkte aller Massepunkte mit ihrer Entfernung zur Drehachse zum Quadrat:

In diesem Fall haben wir zwei Massenpunkte. Ihr Abstand zur Drehachse ist die Hälfte des Atomabstandes:

Das Trägheitsmoment berechnet sich daher:

Die beiden Atome haben den gleichen Abstand zur Drehachse und die gleiche Masse. Daher gilt:

Nun setzen wir die Werte ein. Die Masse eines Sauerstoffatoms ist:

Der Radius ist die Hälfte des Atomabstandes:



b )
Die Rotationsenergie
berechnet man mit der Formel:

Dabei ist
das Trägheitsmoment (berechnet in Aufgabe a) und
die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung.
Es gilt weiterhin:

(Winkelgeschwindigkeit = Drehimpuls durch Trägheitsmoment)
Dies entspricht der Formel für die Translationsbewegung (Geschwindigkeit = Impuls durch Masse).
Es ergibt sich:

ist gegeben und
haben wir bereits berechnet. Wir setzen ein:

Zur Einheitenbetrachtung:
![Rendered by QuickLaTeX.com \left[ {E_{rot} } \right] = \frac{{J^2 s^2 }} {{kg \cdot m^2 }} = \frac{{kg^2 \cdot m^4 s^2 }} {{s^4 \cdot kg \cdot m^2 }} = \frac{{kg \cdot m^2 }} {{s^2 }} = J](http://me-lrt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-2dfba417218578657d5a404b92731933_l3.png)
c )
Die thermische Energie wird berechnet mit der Formel:

Hier soll die Energie pro Freiheitsgrad berechnet werden, wir teilen daher durch
:

Die Temperatur muss hier in Kelvin eingesetzt werden. 20°C entsprechen 293,15K:

Vergleich der beiden Energien:

Die thermische Energie ist also fast 100 Mal größer als die Rotationsenergie.
Für den Drehimpuls gilt, dass sich die thermische Energie auf die Rotationsenergie, die Translationsenergie und die potenzielle Energie (Schwingungsenergie) aufteilt. Wir nehmen in diesem Fall an, dass sich das Molekül nicht fortbewegt, sondern nur rotiert. Da das Molekül bei Raumtemperatur noch nicht stark schwingt, vernachlässigen wir auch die potenzielle Energie.
Es bleibt also nur die Rotationsenergie, die nun genau so groß sein soll, wie die thermische Energie bei Raumtemperatur.
Wir setzen daher gleich und stellen nach dem Drehimpuls um:



Nun müssen wir nur noch die gegebenen oder schon berechneten Werte für das Trägheitsmoment
und die thermische Energie
einsetzen:


Zur Einheitenbetrachtung:
![Rendered by QuickLaTeX.com \left[ L \right] = \sqrt {kg \cdot m^2 \cdot J} = \sqrt {\frac{{kg \cdot m^2 \cdot kg \cdot m^2 }} {{s^2 }}} = \sqrt {\frac{{kg^2 \cdot m^4 }} {{s^2 }}} = \frac{{kg \cdot m^2 }} {s} = Js](http://me-lrt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-9da31c9c8769eadeee293a45b128588e_l3.png)
d )
Das Trägheitsmoment für eine Kugel mit homogener Massenverteilung ist:

Als Masse nehmen wir die Masse der 16 Elektronen an, nämlich:

Eingesetzt:

Hieraus berechnen wir nun das Trägheitsmoment, wenn der Drehimpuls
beträgt. Wir benutzen die Formel:

e )
Rotationsenergie bei Rotation um die Längsachse:

Für die thermische Energie bei Raumtemperatur verwenden wir den Ansatz:

Einsetzen der Werte, wobei
. Dies kommt so zustande:
- 3 Freiheitsgrade der Translation, da sich das Molekül in jede Richtung bewegen kann
- 3 Freiheitsgrade der Rotation, da das Trägheitsmoment um die Figurenachse vernachlässigt wird
- 1 Freiheitsgrad der Schwingung (Vibration). Dieser wird bei der Berechnung der inneren Energie doppelt gezählt, da Schwingungen sowohl kinetische als auch potentielle Energie besitzen
Allgemein können die Freiheitsgrade eines Systems nach folgendem Schema bestimmt werden:
n atomig linear:
- 3 Translationsfreiheitsgrade
- 2 Rotationsfreiheitsgrade
- 3n-5 Schwingungsfreiheitsgrade (die bei der Berechnung der inneren Energie doppelt zählen)
- 3n = Summe aller Freiheitsgrade
n atomig nicht linear:
- 3 Translationsfreiheitsgrade
- 3 Rotationsfreiheitsgrade
- 3n-6 Schwingungsfreiheitsgrade (die bei der Berechnung der inneren Energie doppelt zählen)
- 3n = Summe aller Freiheitsgrade

Vergleich der beiden Werte ergibt:




