Изследователски проект на тема "Има ли еднакви снежинки". Могат ли две снежинки да бъдат напълно еднакви?

Пионерът на изучаването на "теорията на снега" беше младият фермер Уилсън Алисън Бентли, по прякор "Снежинката". От детството си е привлечен необичайна формакристали, падащи от небето. В родния му град Йерихон в северните щати снеговалежите бяха редовно явление и младият Уилсън прекарваше много време навън, изучавайки снежинките.

Вислон "Снежинки" Бентли

Бентли адаптира камера към микроскоп, подарен от майка му за 15-ия му рожден ден, и се опита да заснеме снежинки. Но усъвършенстването на технологията отнема почти пет години - едва на 15 януари 1885 г. е направена първата ясна снимка.

През целия си живот Уилсън е снимал 5000 различни снежинки. Той не спира да се възхищава на красотата на тези миниатюрни произведения на природата. За да получи своите шедьоври, Бентли работи при минусови температури, поставяйки всяка цяла снежинка, която намери, на черен фон.

Работата на Уилсън е оценена както от учени, така и от художници. Той често беше канен да говори при научни конференцииили изложете снимки в художествени галерии. За съжаление Бентли почина на 65-годишна възраст от пневмония, без да докаже това еднакви снежинкине може да бъде.

Щафетата на "теорията за снега" е подета сто години по-късно от изследователя на Националния център атмосферни изследванияНанси Найт. В статия, публикувана през 1988 г., тя доказва обратното – еднакви снежинки могат и трябва да съществуват!

Д-р Найт се опита да възпроизведе процеса на изграждане на снежинки в лабораторията. За да направи това, тя отглежда няколко водни кристала, подлагайки ги на същите процеси на преохлаждане и пренасищане. В резултат на експериментите тя успя да получи снежинки, абсолютно еднакви една с друга.

Допълнителни полеви наблюдения и обработка на експериментални грешки позволиха на Нанси Найт да твърди, че появата на еднакви снежинки е възможна и се определя само от теорията на вероятностите. След като състави сравнителен каталог на небесните кристали, Найт заключи, че снежинките имат 100 признака на разлика. Така че начин обща суманастроики външен виде 100! тези. почти 10 на 158-ма степен.

Полученото число е два пъти повече от броя на атомите във Вселената! Но това не означава, че съвпаденията са напълно невъзможни – заключава в своя труд д-р Найт.

А сега – нови изследвания върху „теорията на снега“. Онзи ден професорът по физика в Калифорнийския университет Кенет Либрехт публикува резултатите от многогодишните си изследвания научна група. „Ако видите две еднакви снежинки, те пак са различни!“ - казва професорът.

Либрехт доказва, че на всеки петстотин кислородни атома с маса 16 g/mol има един атом с маса 18 g/mol в състава на снежните молекули. Структурата на връзките на една молекула с такъв атом е такава, че предполага безброй много възможности за съединения вътре кристална решетка. С други думи, ако две снежинки наистина изглеждат еднакви, тогава тяхната идентичност все още трябва да бъде проверена на микроскопично ниво.

Научаването на свойствата на снега (и в частност на снежинките) не е детска игра. Знанието за природата на снега и снежните облаци е много важно при изучаването на изменението на климата. А някои от необичайните и неизследвани свойства на леда могат да намерят и практически приложения.

Нека да видим как може да се уреди това.

Една водна молекула е един кислороден атом и два водородни атома, свързани заедно. Когато замръзналите водни молекули се свържат, всяка молекула получава четири други прикрепени молекули наблизо: по една във всеки от тетраедричните върхове над всяка отделна молекула. Това кара водните молекули да се сгъват във форма на решетка: шестоъгълна (или шестоъгълна) кристална решетка. Но големи "кубчета" лед, както в кварцовите находища, са изключително редки. Когато погледнете в най-малките мащаби и конфигурации, ще откриете, че горната и долната равнина на тази мрежа са опаковани и свързани много плътно: имате „плоски ръбове“ от двете страни. Молекулите от останалите страни са по-отворени и допълнителни водни молекули се свързват с тях по-произволно. По-специално, шестоъгълните ъгли имат най-слабите връзки, поради което наблюдаваме шесткратна симетрия в растежа на кристалите.



и растеж на снежинка, конкретна конфигурация на леден кристал

След това новите структури растат в същите симетрични модели, изграждайки шестоъгълни асиметрии след достигане на определен размер. В големи, сложни снежни кристали има стотици лесно различими характеристики, когато се гледат под микроскоп. Стотици характеристики сред приблизително 1019 водни молекули, които изграждат типична снежинка, според Чарлз Найт от Националния център за атмосферни изследвания. За всяка от тези функции има милиони възможни места, където могат да се образуват нови клонове. Колко такива нови черти може да образува една снежинка и пак да не стане още една от многото?

Всяка година по света приблизително 10 15 (квадрилиона) кубични метра сняг падат върху земята и всеки кубичен метър съдържа от порядъка на няколко милиарда (10 9) отделни снежинки. Откакто Земята съществува от около 4,5 милиарда години, през цялата история на планетата са паднали 10 34 снежинки. И знаете ли колко, статистически казано, отделни, уникални, симетрични характеристики на разклоняване може да има снежинка и да очаква близнак в определен момент от историята на Земята? Само пет. Докато истинските, големи, естествени снежинки обикновено имат стотици от тях.



Дори на нивото на един милиметър в снежинката можете да видите несъвършенства, които трудно се дублират.

И само на най-обикновено ниво можете погрешно да видите две еднакви снежинки. И ако сте готови да слезете на молекулярно ниво, нещата стават много по-лоши. Кислородът обикновено има 8 протона и 8 неутрона, докато водородът има 1 протон и 0 неутрона. Но 1 от 500 кислородни атома има 10 неутрона, 1 от 5000 водородни атома има 1 неутрон, а не 0. Дори ако образувате перфектни шестоъгълни снежни кристали и сте преброили 10 34 снежни кристала в цялата история на планетата Земя, това ще да бъде достатъчно, за да се намали до размер от няколко хиляди молекули (по-малко от дължината Видима светлина), за да намерите уникална структура, каквато планетата не е виждала досега.



Но ако пренебрегнете атомните и молекулярните различия и се откажете от „естественото“, имате шанс. Изследователят на снежинките Кенет Либрехт от Калифорнийския технологичен институт е разработил техника за създаване на изкуствени „еднакви близнаци“ от снежинки и фотографирането им с помощта на специален микроскоп, наречен SnowMaster 9000.

Отглеждайки ги една до друга в лабораторията, той показа, че е възможно да се създадат две неразличими снежинки.



Две почти еднакви снежинки, отгледани в лаборатория на Калтех

почти. Те ще бъдат неразличими за човек, който гледа със собствените си очи през микроскоп, но няма да бъдат идентични в действителност. Подобно на еднояйчните близнаци, те ще имат много различия: ще имат различни местаснопове от молекули, различни свойства на разклоняване и колкото по-големи са те, толкова по-силни са тези разлики. Ето защо тези снежинки са много малки и защо микроскопът е мощен: те са по-сходни, когато са по-малко сложни.



Две почти еднакви снежинки, отгледани в лаборатория на Калтех

Въпреки това много снежинки са подобни една на друга. Но ако търсите наистина идентични снежинки на структурно, молекулярно или атомно ниво, природата никога няма да ви даде това. Такъв брой възможности е голям не само за историята на Земята, но и за историята на Вселената. Ако искате да знаете колко планети са ви необходими, за да получите две еднакви снежинки за 13,8 милиарда години от историята на Вселената, отговорът е от порядъка на 10 1000000000000000000000000. Като се има предвид, че има само 1080 атома в наблюдаваната вселена, това е много малко вероятно. Така че да, снежинките са наистина уникални. И това е меко казано.

Пионерът на изучаването на "теорията на снега" беше младият фермер Уилсън Алисън Бентли, по прякор "Снежинката". От детството си го привлича необичайната форма на кристали, падащи от небето. В родния му град Йерихон в северните щати снеговалежите бяха редовно явление и младият Уилсън прекарваше много време навън, изучавайки снежинките.

Вислон "Снежинки" Бентли

Бентли адаптира камера към микроскоп, подарен от майка му за 15-ия му рожден ден, и се опита да заснеме снежинки. Но усъвършенстването на технологията отнема почти пет години - едва на 15 януари 1885 г. е направена първата ясна снимка.

През целия си живот Уилсън е снимал 5000 различни снежинки. Той не спира да се възхищава на красотата на тези миниатюрни произведения на природата. За да получи своите шедьоври, Бентли работи при минусови температури, поставяйки всяка цяла снежинка, която намери, на черен фон.

Работата на Уилсън е оценена както от учени, така и от художници. Често е канен да говори на научни конференции или да излага снимки в художествени галерии. За съжаление Бентли почина на 65 години от пневмония, без да докаже, че няма еднакви снежинки.

Щафетата на "теорията за снега" е подета сто години по-късно от Нанси Найт, изследовател в Националния център за атмосферни изследвания. В статия, публикувана през 1988 г., тя доказва обратното – еднакви снежинки могат и трябва да съществуват!

Д-р Найт се опита да възпроизведе процеса на изграждане на снежинки в лабораторията. За да направи това, тя отглежда няколко водни кристала, подлагайки ги на същите процеси на преохлаждане и пренасищане. В резултат на експериментите тя успя да получи снежинки, абсолютно еднакви една с друга.

Допълнителни полеви наблюдения и обработка на експериментални грешки позволиха на Нанси Найт да твърди, че появата на еднакви снежинки е възможна и се определя само от теорията на вероятностите. След като състави сравнителен каталог на небесните кристали, Найт заключи, че снежинките имат 100 признака на разлика. Така общият брой на опциите за външен вид е 100! тези. почти 10 на 158-ма степен.

Полученото число е два пъти повече от броя на атомите във Вселената! Но това не означава, че съвпаденията са напълно невъзможни – заключава в своя труд д-р Найт.

А сега – нови изследвания върху „теорията на снега“. Онзи ден професорът по физика в Калифорнийския университет Кенет Либрехт публикува резултатите от дългогодишни изследвания на неговата научна група. „Ако видите две еднакви снежинки, те пак са различни!“ - казва професорът.

Либрехт доказва, че на всеки петстотин кислородни атома с маса 16 g/mol има един атом с маса 18 g/mol в състава на снежните молекули. Структурата на връзките на една молекула с такъв атом е такава, че предполага безброй много възможности за съединения в кристалната решетка. С други думи, ако две снежинки наистина изглеждат еднакви, тогава тяхната идентичност все още трябва да бъде проверена на микроскопично ниво.

Научаването на свойствата на снега (и в частност на снежинките) не е детска игра. Знанието за природата на снега и снежните облаци е много важно при изучаването на изменението на климата. А някои от необичайните и неизследвани свойства на леда могат да намерят и практически приложения.

MOBU "Средно училище Ruem"

"Могат ли снежинките да бъдат еднакви"

(проект)

Изпълнител: Пугачева Алина,

Ученик от 2 клас

Ръководител: Захарова А.М.,

начален учител

с. Руем, 2013г

Обичам да гледам падащи снежинки. Чудех се дали всички снежинки са еднакви? Реших да попитам момчетата от моя клас какво мислят за това.

За да отговоря на този въпрос, ще трябва да прегледам допълнителна научна и образователна литература, търсене допълнителен материалв интернета.

Мнозина вероятно знаят, че в природата е невъзможно да се срещне двойка еднакви снежинки, но те могат да бъдат много подобни една на друга. Този феномен е вековната мистерия, която процесът на компютърна симулация е помогнал да се разкрие днес.

За първи път немският астроном и математик Йоханес Кеплер се опитва да се доближи до решението, като пише в един от своите трактати, че всички снежинки имат шест лица и една ос на симетрия. Великият учен свързва такава структура с естеството на подреждането на частиците. неговите предположения са в основата на науката кристалография.

Друг философ и математик, французинът Рене Декарт, през 1635 г. започва да изучава и описва снежинките, наблюдавайки ги с просто око. Ученият описва тяхната структура като подобна на рози, лилии и механични зъбни колела с шест зъба. Декарт е и първият, който вижда и описва снежинка с 12 лъча. Досега се смята, че дванадесетолъчката снежинка е рядкост, не е известно със сигурност при какви условия възниква нейното образуване.

През 1665 г. английският натуралист Робърт Хук изследва снежинките под микроскоп. той се остави на науката голям бройскици. А първите снимки са направени от американския фермер Уайлс Бентли. Този човек от детството обичаше структурата на снежинките и когато имаше възможност, той се посвещаваше на снимките им. За да получи първите снимки, той прекара две години. Проектирана от Bentley, камерата е хибрид на камера и микроскоп. Интересно е, че първоначално тези снимки не се смятаха за автентични, но няколко години по-късно бяха признати и успешно използвани като илюстрации за различни научни статии. През 1931 г. Бентли публикува книгата „Снежни кристали“, която съдържа над 2500 снимки.

Но японците подходиха най-стриктно към проучването на въпроса. Укихиро Накая, професор в университета на Хокайдо, започва да отглежда изкуствени снежинки през 1932 г., което му позволява да създаде първата класификация на снежните кристали. както и да се определи зависимостта на формата и размера на тези образувания от температурата и влажността на околния въздух. Той създава класификация, съдържаща 41 отделни вида. В град Кага, който се намира в западната част на остров Хоншу, има "Музей на снега и леда", носещ името на учен. има складирана машина за производство на изкуствени снежинки. Много години по-късно, през 1996 г., 80 типа са описани от метеоролозите Магано и Сю Ли.

По този начин, след като проучи научната и образователна литература по този проблем, ровейки се в интернет, след като гледах падащите снежинки, стигнах до себе сизаключението, че Няма еднакви снежинки, всяка снежинка е красива по свой начин.

снежинки

Зимата е покрита със сняг

От сутрин до тъмно.

Снежинките се извиват, въртят се

На нашия прозорец.

Сякаш звездите са искри

разпръснати наоколо.

Сребърните бързат

Те гледат в къщата.

Тогава те ще поискат стая,

Пак бягат

Зад стъклото се втурват

Викат на улицата.

С. Баруздин

Използвани източници:

1. Снежинките еднакви ли са или какво се крие в замръзналата вода? - Режим на достъп:http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-33171/
2. Стихове за сняг и снежинки. - Режим на достъп:http://www.razumniki.ru/stihi_ro_sneg_i_sneginki.html

Познато на всеки ученик твърдение, че няма две еднакви снежинки, многократно е поставяно под въпрос. Но уникалните изследвания на калифорнийския технологичен университетуспяха да сложат край на този наистина новогодишен проблем.

Снегът се образува, когато микроскопични капчици вода в облаците се привличат от прахови частици и замръзват.

Появяващите се при това ледени кристали, които първоначално не надвишават 0,1 мм в диаметър, падат надолу и нарастват в резултат на кондензация на влага от въздуха върху тях. В този случай се образуват шестоъгълни кристални форми.

Поради структурата на водните молекули между лъчите на кристала са възможни ъгли само от 60° и 120°. Основният воден кристал има форма в равнината правилен шестоъгълник. След това върху върховете на такъв шестоъгълник се отлагат нови кристали, върху тях се отлагат нови и така се получават различни форми на звезди снежинки.

Професорът по физика в Калифорнийския университет Кенет Либрехт публикува резултатите от дългогодишни изследвания на неговата научна група. „Ако видите две еднакви снежинки, те пак са различни!“ казва професорът.

Либрехт доказва, че на всеки петстотин кислородни атома с маса 16 g/mol има един атом с маса 18 g/mol в състава на снежните молекули.

Структурата на връзките на една молекула с такъв атом е такава, че предполага безброй много възможности за съединения в кристалната решетка.

С други думи, ако две снежинки наистина изглеждат еднакви, тогава тяхната идентичност все още трябва да бъде проверена на микроскопично ниво.

Научаването на свойствата на снега (и в частност на снежинките) не е детска игра. Знанието за природата на снега и снежните облаци е много важно при изучаването на изменението на климата.