Istraživački projekat na temu "Postoje li identične pahulje". Mogu li dvije pahulje biti potpuno iste?

Pionir proučavanja "teorije snijega" bio je mladi farmer Wilson Alison Bentley, prozvan "Pahulja". Od djetinjstva ga je privlačilo neobičan oblik kristali koji padaju sa neba. U njegovom rodnom gradu Jerihonu na sjeveru Sjedinjenih Država, snježne padavine su bile redovna pojava, a mladi Wilson je provodio mnogo vremena napolju proučavajući pahulje.

Wislon "Snowflakes" Bentley

Bentley je prilagodio kameru mikroskopu koji mu je majka poklonila za 15. rođendan i pokušao snimiti pahulje. Ali bilo je potrebno skoro pet godina da se poboljša tehnologija - tek 15. januara 1885. napravljena je prva jasna slika.

Tokom svog života, Wilson je fotografisao 5.000 različitih pahulja. Nikada nije prestao da se divi ljepoti ovih minijaturnih djela prirode. Da bi dobio svoja remek-djela, Bentley je radio na temperaturama ispod nule, stavljajući svaku cjelinu pahuljica koje je pronašao na crnu pozadinu.

Vilsonov rad su pohvalili i naučnici i umjetnici. Često je bio pozivan da govori u naučnim konferencijama ili izlagati fotografije u umjetničkim galerijama. Nažalost, Bentley je umro u 65. godini od upale pluća, a da to nije dokazano identične pahulje ne može biti.

Palicu "teorije snijega" stotinu godina kasnije preuzeo je istraživač Nacionalnog centra istraživanje atmosfere Nancy Knight. U radu objavljenom 1988. godine dokazala je suprotno – identične pahulje mogu i trebaju postojati!

Doktor Najt je pokušao da reproducira proces pravljenja pahuljica u laboratoriji. Da bi to učinila, uzgojila je nekoliko kristala vode, podvrgavajući ih istim procesima prehlađenja i prezasićenja. Kao rezultat eksperimenata, uspjela je dobiti snježne pahulje apsolutno identične jedna drugoj.

Dalja zapažanja na terenu i obrada eksperimentalnih grešaka omogućili su Nensi Najt da tvrdi da je pojava identičnih pahuljica moguća i da je određena samo teorijom verovatnoće. Nakon što je sastavio uporedni katalog nebeskih kristala, Knight je zaključio da pahulje imaju 100 znakova razlike. Tako način ukupno opcije izgled je 100! one. skoro 10 na 158. stepen.

Rezultirajući broj je dvostruko veći od broja atoma u svemiru! Ali to ne znači da su slučajnosti potpuno nemoguće - zaključuje u svom radu dr. Najt.

A sada - novo istraživanje o "teoriji snijega". Pre neki dan, profesor fizike na Univerzitetu Kalifornije, Kenneth Libbrecht, objavio je rezultate dugogodišnjeg istraživanja svog naučna grupa. “Ako vidite dvije identične pahulje, one su i dalje različite!” - kaže profesor.

Libbrecht je dokazao da na svakih pet stotina atoma kisika mase 16 g/mol u sastavu molekula snijega dolazi jedan atom mase 18 g/mol. Struktura veza molekule s takvim atomom je takva da podrazumijeva bezbroj mogućnosti za spojeve unutar kristalna rešetka. Drugim riječima, ako dvije snježne pahulje zaista izgledaju isto, onda njihov identitet još uvijek treba provjeriti na mikroskopskom nivou.

Učenje svojstava snijega (a posebno pahuljica) nije dječja igra. Poznavanje prirode snijega i snježnih oblaka je veoma važno u proučavanju klimatskih promjena. A neka neobična i neistražena svojstva leda mogu naći i praktičnu primjenu.

Hajde da vidimo kako se ovo može urediti.

Jedan molekul vode je jedan atom kisika i dva atoma vodika povezani zajedno. Kada se molekuli smrznute vode povežu, svaki molekul dobija četiri druga vezana molekula u blizini: po jedan na svakom od tetraedarskih vrhova iznad svakog pojedinačnog molekula. Ovo uzrokuje da se molekuli vode savijaju u oblik rešetke: heksagonalnu (ili heksagonalnu) kristalnu rešetku. Ali velike "kocke" leda, kao u naslagama kvarca, izuzetno su rijetke. Kada pogledate u najmanju skalu i konfiguracije, otkrićete da su gornja i donja ravnina ove mreže zbijene i povezane vrlo čvrsto: imate "ravne ivice" na dvije strane. Molekuli na preostalim stranama su otvoreniji, a dodatni molekuli vode se nasumičnije vezuju za njih. Konkretno, heksagonalni uglovi imaju najslabije veze, zbog čega uočavamo šesterostruku simetriju u rastu kristala.



i rast pahulje, posebna konfiguracija ledenog kristala

Nove strukture tada rastu u istim simetričnim obrascima, izgrađujući heksagonalne asimetrije nakon postizanja određene veličine. U velikim, složenim snježnim kristalima, postoje stotine lako prepoznatljivih karakteristika kada se posmatraju pod mikroskopom. Stotine karakteristika među otprilike 1019 molekula vode koje čine tipičnu pahulju, prema Charlesu Knightu iz Nacionalnog centra za istraživanje atmosfere. Za svaku od ovih funkcija postoje milioni mogućih mjesta na kojima se mogu formirati nove grane. Koliko takvih novih karakteristika može formirati pahulja, a da ne postane još jedna od mnogih?

Svake godine širom svijeta otprilike 10 15 (kvadriliona) kubnih metara snijega padne na tlo, a svaki kubni metar sadrži reda veličine nekoliko milijardi (10 9) pojedinačnih pahulja. Budući da Zemlja postoji oko 4,5 milijardi godina, 1034 pahulje su pale na planetu kroz istoriju. A znate li koliko bi, statistički gledano, odvojenih, jedinstvenih, simetričnih granastih karakteristika pahulja mogla imati i očekivati ​​blizanca u određenom trenutku u istoriji Zemlje? Samo pet. Dok prave, velike, prirodne pahulje obično imaju stotine njih.



Čak i na nivou od jednog milimetra u pahulji, možete uočiti nedostatke koje je teško ponoviti.

I samo na najobičnijem nivou možete pogrešno vidjeti dvije identične pahulje. A ako ste voljni da se spustite na molekularni nivo, stvari postaju mnogo gore. Kiseonik obično ima 8 protona i 8 neutrona, dok vodonik ima 1 proton i 0 neutrona. Ali 1 od 500 atoma kiseonika ima 10 neutrona, 1 od 5000 atoma vodika ima 1 neutron, a ne 0. Čak i ako formirate savršene heksagonalne snežne kristale, a izbrojali ste 10 34 snežnih kristala u čitavoj istoriji planete Zemlje, to će biti dovoljan da se smanji na nekoliko hiljada molekula (manje od dužine vidljivo svetlo) pronaći jedinstvenu strukturu kakvu planeta nikada prije nije vidjela.



Ali ako zanemarite atomske i molekularne razlike i napustite "prirodno", imate šansu. Istraživač snježnih pahulja Kenneth Libbrecht sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju razvio je tehniku ​​za stvaranje umjetnih "identičnih blizanaca" snježnih pahulja i fotografiranje pomoću posebnog mikroskopa nazvanog SnowMaster 9000.

Uzgajajući ih jednu pored druge u laboratoriji, pokazao je da je moguće stvoriti dvije snježne pahulje koje se ne mogu razlikovati.



Dvije gotovo identične snježne pahulje uzgojene u Caltech laboratoriju

Skoro. Oni će biti nerazlučivi za osobu koja gleda svojim očima kroz mikroskop, ali u istini neće biti identična. Poput identičnih blizanaca, oni će imati mnogo razlika: imaće različitim mjestima snopovi molekula, različita svojstva grananja, a što su veći, to su te razlike jače. Zato su ove pahulje jako male i zašto je mikroskop moćan: sličnije su kada su manje složene.



Dvije gotovo identične snježne pahulje uzgojene u Caltech laboratoriju

Ipak, mnoge pahulje su slične jedna drugoj. Ali ako tražite istinski identične pahulje na strukturnom, molekularnom ili atomskom nivou, priroda vam to nikada neće dati. Toliki broj mogućnosti je veliki ne samo za istoriju Zemlje, već i za istoriju Univerzuma. Ako želite da znate koliko vam je planeta potrebno da dobijete dvije identične pahulje u 13,8 milijardi godina istorije svemira, odgovor je reda veličine 10 1000000000000000000000000. S obzirom na to da postoji samo 1080 atoma u svemiru koji se može promatrati, to je vrlo malo vjerovatno. Dakle, da, pahulje su zaista jedinstvene. I to je blago rečeno.

Pionir proučavanja "teorije snijega" bio je mladi farmer Wilson Alison Bentley, prozvan "Pahulja". Od djetinjstva ga je privlačio neobičan oblik kristala koji padaju s neba. U njegovom rodnom gradu Jerihonu na sjeveru Sjedinjenih Država, snježne padavine su bile redovna pojava, a mladi Wilson je provodio mnogo vremena napolju proučavajući pahulje.

Wislon "Snowflakes" Bentley

Bentley je prilagodio kameru mikroskopu koji mu je majka poklonila za 15. rođendan i pokušao snimiti pahulje. Ali bilo je potrebno skoro pet godina da se poboljša tehnologija - tek 15. januara 1885. napravljena je prva jasna slika.

Tokom svog života, Wilson je fotografisao 5.000 različitih pahulja. Nikada nije prestao da se divi ljepoti ovih minijaturnih djela prirode. Da bi dobio svoja remek-djela, Bentley je radio na temperaturama ispod nule, stavljajući svaku cjelinu pahuljica koje je pronašao na crnu pozadinu.

Vilsonov rad su pohvalili i naučnici i umjetnici. Često su ga pozivali da govori na naučnim konferencijama ili izlaže fotografije u umjetničkim galerijama. Nažalost, Bentley je umro u 65. godini od upale pluća, a da nije dokazao da ne postoje identične pahulje.

Palicu "teorije snijega" stotinu godina kasnije preuzela je Nancy Knight, istraživačica u Nacionalnom centru za istraživanje atmosfere. U radu objavljenom 1988. godine dokazala je suprotno – identične pahulje mogu i trebaju postojati!

Doktor Najt je pokušao da reproducira proces pravljenja pahuljica u laboratoriji. Da bi to učinila, uzgojila je nekoliko kristala vode, podvrgavajući ih istim procesima prehlađenja i prezasićenja. Kao rezultat eksperimenata, uspjela je dobiti snježne pahulje apsolutno identične jedna drugoj.

Dalja zapažanja na terenu i obrada eksperimentalnih grešaka omogućili su Nensi Najt da tvrdi da je pojava identičnih pahuljica moguća i da je određena samo teorijom verovatnoće. Nakon što je sastavio uporedni katalog nebeskih kristala, Knight je zaključio da pahulje imaju 100 znakova razlike. Dakle, ukupan broj opcija izgleda je 100! one. skoro 10 na 158. stepen.

Rezultirajući broj je dvostruko veći od broja atoma u svemiru! Ali to ne znači da su slučajnosti potpuno nemoguće - zaključuje u svom radu dr. Najt.

A sada - novo istraživanje o "teoriji snijega". Pre neki dan, profesor fizike na Univerzitetu Kalifornije, Kenneth Libbrecht, objavio je rezultate dugogodišnjeg istraživanja svoje naučne grupe. “Ako vidite dvije identične pahulje, one su i dalje različite!” - kaže profesor.

Libbrecht je dokazao da na svakih pet stotina atoma kisika mase 16 g/mol u sastavu molekula snijega dolazi jedan atom mase 18 g/mol. Struktura veza molekula s takvim atomom je takva da implicira bezbroj opcija za spojeve unutar kristalne rešetke. Drugim riječima, ako dvije snježne pahulje zaista izgledaju isto, onda njihov identitet još uvijek treba provjeriti na mikroskopskom nivou.

Učenje svojstava snijega (a posebno pahuljica) nije dječja igra. Poznavanje prirode snijega i snježnih oblaka je veoma važno u proučavanju klimatskih promjena. A neka neobična i neistražena svojstva leda mogu naći i praktičnu primjenu.

MOBU "Srednja škola Ruem"

"Mogu li pahulje biti iste"

(projekat)

Završila: Pugačeva Alina,

Učenik 2. razreda

Rukovodilac: Zakharova A.M.,

nastavnik osnovne škole

Naselje Ruem, 2013

Volim da gledam pahulje koje padaju. Pitao sam se da li su sve pahulje iste? Odlučio sam da pitam momke iz razreda šta misle o ovome.

Da bih odgovorio na ovo pitanje, morat ću pregledati dodatnu naučnu i obrazovnu literaturu, potražiti dodatni materijal na internetu.

Mnogi vjerovatno znaju da je nemoguće sresti par identičnih pahulja u prirodi, ali one mogu biti vrlo slične jedna drugoj. Ovaj fenomen je vekovima stara misterija koju je proces kompjuterske simulacije pomogao da se otkrije danas.

Po prvi put, njemački astronom i matematičar Johannes Kepler pokušao je da se približi rješenju, napisavši u jednoj od svojih rasprava da sve pahulje imaju šest lica i jednu os simetrije. Veliki naučnik je povezao takvu strukturu sa prirodom rasporeda čestica. njegove pretpostavke činile su osnovu nauke o kristalografiji.

Drugi filozof i matematičar, Francuz René Descartes, 1635. godine počeo je proučavati i opisivati ​​pahulje, posmatrajući ih golim okom. Naučnik je opisao njihovu strukturu kao sličnu ružama, ljiljanima i mehaničkim zupčanicima sa šest zuba. Descartes je također prvi vidio i opisao pahulju s 12 zraka. Do sada se smatra da je dvanaestokraka pahulja rijetkost, ne zna se pouzdano pod kojim uslovima dolazi do njenog formiranja.

Godine 1665. engleski prirodnjak Robert Hooke proučavao je pahulje pod mikroskopom. prepustio se nauci veliki broj skice. A prve fotografije napravio je američki farmer Wiles Bentley. Ovaj čovjek od djetinjstva volio je strukturu pahuljica, a kada je imao priliku, posvetio se njihovom fotografisanju. Da bi dobio prve snimke, proveo je dvije godine. Dizajniran od strane Bentleyja, kamera je hibrid kamere i mikroskopa. Zanimljivo je da se te slike u početku nisu smatrale autentičnim, ali su nekoliko godina kasnije prepoznate i uspješno korištene kao ilustracije za razne naučni članci. Godine 1931. Bentley je objavio knjigu Snježni kristali, koja je sadržavala preko 2.500 fotografija.

Ali Japanci su najsavjesnije pristupili proučavanju ovog pitanja. Ukihiro Nakaya, profesor na Univerzitetu Hokaido, počeo je uzgajati umjetne pahulje 1932. godine, što mu je omogućilo da stvori prvu klasifikaciju snježnih kristala. kao i da se utvrdi zavisnost oblika i veličine ovih formacija od temperature i vlažnosti okolnog vazduha. Napravio je klasifikaciju koja sadrži 41 pojedinačni tip. U gradu Kaga, koji se nalazi na zapadu ostrva Honšu, nalazi se "Muzej snega i leda", koji nosi ime naučnika. postoji mašina za proizvodnju vještačkih pahuljica. Mnogo godina kasnije, 1996. godine, meteorolozi Magano i Xu Li opisali su 80 tipova.

Dakle, proučivši naučnu i nastavnu literaturu o ovaj problem, pretražujući internet, nakon što sam gledao snježne pahulje, došao sam k sebi zaključak da Ne postoje identične pahulje, svaka pahulja je lijepa na svoj način.

Pahuljice

Zima je prekrivena snijegom

Od jutra do mraka.

Pahulje se uvijaju, vrte

Na našem prozoru.

Kao da su zvezde iskre

razbacane okolo.

Srebrni jure

Gledaju u kuću.

Onda će tražiti sobu,

Opet beže

Iza stakla jure

Zovu na ulicu.

S. Baruzdin

Korišteni izvori:

1. Jesu li pahulje iste, ili šta se krije u zaleđenoj vodi? - Način pristupa:http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-33171/
2. Pjesme o snijegu i pahuljama. - Način pristupa:http://www.razumniki.ru/stihi_ro_sneg_i_sneginki.html

Svakom školarcu poznata tvrdnja da ne postoje dvije identične pahulje je više puta dovedena u pitanje. Ali jedinstvene studije kalifornijskog tehnološki univerzitet uspjeli staviti tačku na ovo zaista novogodišnje izdanje.

Snijeg nastaje kada mikroskopske kapljice vode u oblacima privlače čestice prašine i smrzavaju se.

Kristali leda koji se pojavljuju u ovom slučaju, koji u početku ne prelaze 0,1 mm u prečniku, padaju i rastu kao rezultat kondenzacije vlage iz zraka na njima. U ovom slučaju nastaju šestokraki kristalni oblici.

Zbog strukture molekula vode, mogući su uglovi od samo 60° i 120° između zraka kristala. Glavni kristal vode ima oblik u ravnini pravilan heksagon. Potom se na vrhove takvog šesterokuta talože novi kristali, na njih se talože novi i tako se dobijaju različiti oblici zvijezda pahuljica.

Profesor fizike na Kalifornijskom univerzitetu Kenneth Libbrecht objavio je rezultate dugogodišnjeg istraživanja svoje naučne grupe. “Ako vidite dvije identične pahulje, one su i dalje različite!” kaže profesor.

Libbrecht je dokazao da na svakih pet stotina atoma kisika mase 16 g/mol u sastavu molekula snijega dolazi jedan atom mase 18 g/mol.

Struktura veza molekula s takvim atomom je takva da implicira bezbroj opcija za spojeve unutar kristalne rešetke.

Drugim riječima, ako dvije snježne pahulje zaista izgledaju isto, onda njihov identitet još uvijek treba provjeriti na mikroskopskom nivou.

Učenje svojstava snijega (a posebno pahuljica) nije dječja igra. Poznavanje prirode snijega i snježnih oblaka je veoma važno u proučavanju klimatskih promjena.