Tutkimusprojekti aiheesta "Onko olemassa identtisiä lumihiutaleita". Voiko kaksi lumihiutaletta olla täsmälleen sama?

"Lumiteorian" tutkimuksen pioneeri oli nuori maanviljelijä Wilson Alison Bentley, lempinimeltään "Lumihiutale". Lapsuudesta lähtien hän oli houkutellut epätavallinen muoto taivaalta putoavia kristalleja. Kotikaupungissaan Jerichossa Pohjois-Yhdysvalloissa lumisade oli säännöllinen, ja nuori Wilson vietti paljon aikaa ulkona lumihiutaleita tutkien.

Whislon "Snowflakes" Bentley

Bentley mukautti kameran mikroskooppiin, jonka hänen äitinsä antoi hänelle tämän 15-vuotissyntymäpäivälahjaksi, ja yritti vangita lumihiutaleita. Mutta tekniikan parantaminen kesti melkein viisi vuotta - vasta 15. tammikuuta 1885 saatiin ensimmäinen selkeä kuva.

Wilson kuvasi elämänsä aikana 5000 erilaista lumihiutaletta. Hän ei koskaan lakannut ihailemasta näiden luonnon miniatyyriteosten kauneutta. Saadakseen mestariteoksensa Bentley työskenteli nollan puolella ja asetti jokaisen täydellisen lumihiutaleen mustalle taustalle.

Wilsonin työ on saanut paljon kiitosta sekä tiedemiehiltä että taiteilijoilta. Häntä kutsuttiin usein puhumaan tieteellisiä konferensseja tai esitellä valokuvia taidegallerioissa. Valitettavasti Bentley kuoli 65-vuotiaana keuhkokuumeeseen, todistamatta sitä koskaan identtisiä lumihiutaleita ei voi olla.

"Lumiteorian" viestikapula nappasi sata vuotta myöhemmin National Centerin tutkija. Ilmakehän tutkimus Nancy Knight. Vuonna 1988 julkaistussa artikkelissa hän osoitti päinvastaisen väitteen - identtisiä lumihiutaleita voi ja niiden pitäisi olla!

Tri. Knight yritti toistaa lumihiutaleiden rakentamisprosessia laboratoriossa. Tätä varten hän kasvatti useita vesikiteitä altistaen ne samalle alijäähdytys- ja ylikyllästysprosesseille. Kokeidensa tuloksena hän onnistui saamaan lumihiutaleita, jotka olivat täysin identtisiä keskenään.

Lisähavainnot ja kokeellisten virheiden käsittely antoivat Nancy Knightille mahdollisuuden väittää, että identtisten lumihiutaleiden esiintyminen on mahdollista ja sen määrää vain todennäköisyysteoria. Knight laatinut vertailevan luettelon taivaankiteistä päätteli, että lumihiutaleissa on 100 eron merkkiä. Niin, kaikki yhteensä vaihtoehtoja ulkomuoto on 100! nuo. lähes 10 158. potenssiin.

Tuloksena oleva luku on kaksi kertaa suurempi kuin atomien määrä universumissa! Mutta tämä ei tarkoita, että sattumat olisivat täysin mahdottomia, tri. Knight päättelee työssään.

Ja nyt - uusi tutkimus "lumiteoriasta". Kalifornian yliopiston fysiikan professori Kenneth Libbrecht ilmoitti äskettäin tuloksista, joita hän on tehnyt vuosia kestäneen tutkimuksensa. tieteellinen ryhmä. "Jos näet kaksi identtistä lumihiutaletta, ne ovat silti erilaisia!" - sanoo professori.

Libbrecht osoitti, että lumimolekyylien koostumuksessa noin jokaista viittäsataa happiatomia kohden, jonka massa on 16 g/mol, on yksi atomi, jonka massa on 18 g/mol. Molekyylin sidosten rakenne tällaisen atomin kanssa on sellainen, että se ehdottaa lukemattomia yhteyksien muunnelmia sisällä kristallihila. Toisin sanoen, jos kaksi lumihiutaletta todella näyttävät samalta, niiden identiteetti on vielä tarkistettava mikroskooppisella tasolla.

Lumen (ja erityisesti lumihiutaleiden) ominaisuuksien tutkiminen ei ole lasten leikkiä. Lumen ja lumipilvien luonteen tunteminen on erittäin tärkeää ilmastonmuutosta tutkittaessa. Ja jotkut jään epätavallisista ja tutkimattomista ominaisuuksista voivat löytää käytännön sovellusta.

Katsotaan kuinka tämä voidaan järjestää.

Yksi vesimolekyyli on yksi happiatomi ja kaksi vetyatomia, jotka ovat yhteydessä toisiinsa. Kun jäätyneet vesimolekyylit sitoutuvat toisiinsa, jokainen molekyyli saa neljä muuta kytkettyä molekyyliä lähelle: yksi kussakin tetraedrisissä kärjessä kunkin yksittäisen molekyylin yläpuolella. Tämä saa vesimolekyylit laskostumaan hilan muotoon: kuusikulmainen (tai kuusikulmainen) kidehila. Mutta suuret "jääkuutiot", kuten kvartsiesiintymistä löytyvät, ovat erittäin harvinaisia. Kun tarkastelet pienimpiä mittakaavoja ja kokoonpanoja, huomaat, että tämän hilan ylä- ja alatasot ovat pakattu ja yhdistetty erittäin tiukasti: sinulla on "litteät reunat" kahdella sivulla. Jäljellä olevat molekyylit ovat avoimempia, ja lisävesimolekyylit sitoutuvat niihin satunnaisemmin. Erityisesti kuusikulmaisissa kulmissa on heikoimmat sidokset, minkä vuoksi havaitsemme kuusinkertaisen symmetrian kiteen kasvussa.



ja lumihiutaleen kasvu, jääkiteen erityinen muoto

Uudet rakenteet kasvavat sitten samoissa symmetrisissä kuvioissa ja lisääntyvät kuusikulmainen epäsymmetria, kun ne saavuttavat tietyn koon. Suurissa, monimutkaisissa lumikiteissä on satoja helposti erotettavia piirteitä mikroskoopilla katsottuna. Kansallisen ilmakehän tutkimuskeskuksen Charles Knightin mukaan tyypillisen lumihiutaleen muodostavien noin 10 19 vesimolekyylin joukossa on satoja ominaisuuksia. Jokaiselle näistä toiminnoista on miljoonia mahdollisia paikkoja, joihin voi muodostua uusia sivukonttoreita. Kuinka monta tällaista uutta ominaisuutta lumihiutale voi muodostaa ilman, että siitä tulee vain yksi monista?

Joka vuosi maan päälle sataa noin 10 15 (kvadriljoonaa) kuutiometriä lunta maailmanlaajuisesti ja jokaisessa kuutiometrissä on noin useita miljardeja (10 9) yksittäisiä lumihiutaleita. Koska maapallo on ollut olemassa noin 4,5 miljardia vuotta, planeetalle on pudonnut 10 34 lumihiutaletta historian aikana. Ja tiedätkö tilastollisesta näkökulmasta, kuinka monta erillistä, ainutlaatuista, symmetristä haarautumispiirrettä lumihiutaleella voisi olla ja odottaa saavansa kaksosen tietyssä vaiheessa maapallon historiaa? Vain viisi. Aidoissa, suurissa, luonnollisissa lumihiutaleissa niitä on yleensä satoja.



Jopa yhden millimetrin tasolla lumihiutaleessa voit nähdä epätäydellisyyksiä, joita on vaikea kopioida

Ja vain arkipäiväisimmällä tasolla voit vahingossa nähdä kaksi identtistä lumihiutaletta. Ja jos olet valmis laskeutumaan molekyylitasolle, tilanne pahenee paljon. Tyypillisesti hapessa on 8 protonia ja 8 neutronia, kun taas vetyatomissa on 1 protoni ja 0 neutronia. Mutta 1:ssä 500 happiatomista on 10 neutronia, 1:ssä 5000 vetyatomista on 1 neutroni, ei 0:ssa. Vaikka muodostaisit täydellisiä kuusikulmiokiteitä, ja koko maapallon historian aikana on laskettu 10 34 lumikitettä, se on riittää pudottamaan useiden tuhansien molekyylien kokoon (pienempi kuin pituus näkyvä valo) löytääksesi ainutlaatuisen rakenteen, jota planeetta ei ole koskaan ennen nähnyt.



Mutta jos jätät huomioimatta atomi- ja molekyylierot ja hylkäät "luonnollisen", sinulla on mahdollisuus. Lumihiutaletutkija Kenneth Libbrecht Kalifornian teknologiainstituutista on kehittänyt tekniikan keinotekoisten "identtisten kaksosten" luomiseksi lumihiutaleista ja valokuvannut ne erityisellä SnowMaster 9000 -mikroskoopilla.

Kasvatamalla niitä vierekkäin laboratoriossa hän osoitti, että oli mahdollista luoda kaksi lumihiutaletta, joita ei voi erottaa toisistaan.



Kaksi lähes identtistä lumihiutaletta, jotka on kasvatettu Caltechin laboratoriossa

Melkein. Omin silmin mikroskoopin läpi katsova henkilö ei voi erottaa niitä, mutta todellisuudessa ne eivät ole identtisiä. Kuten identtisillä kaksosilla, heillä on monia eroja: heillä on eri paikkoja molekyylinippuja, erilaisia ​​haarautumisominaisuuksia, ja mitä suurempia ne ovat, sitä voimakkaampia nämä erot ovat. Siksi nämä lumihiutaleet ovat hyvin pieniä, mutta mikroskooppi on tehokas: ne ovat samankaltaisempia, kun ne ovat vähemmän monimutkaisia.



Kaksi lähes identtistä lumihiutaletta, jotka on kasvatettu Caltechin laboratoriossa

Siitä huolimatta monet lumihiutaleet ovat samanlaisia ​​​​toistensa kanssa. Mutta jos etsit todella identtisiä lumihiutaleita rakenteellisella, molekyyli- tai atomitasolla, luonto ei koskaan anna sitä sinulle. Tämä mahdollisuuksien määrä on suuri paitsi Maan, myös maailmankaikkeuden historian kannalta. Jos haluat tietää, kuinka monta planeettaa tarvitset saadaksesi kaksi identtistä lumihiutaletta universumin 13,8 miljardin vuoden historian aikana, vastaus on luokkaa 10 1000000000000000000000000. Kun otetaan huomioon, että havaittavassa maailmankaikkeudessa on vain 10 80 atomia, tämä on erittäin epätodennäköistä. Joten kyllä, lumihiutaleet ovat todella ainutlaatuisia. Ja se on lievästi sanottuna.

"Lumiteorian" tutkimuksen pioneeri oli nuori maanviljelijä Wilson Alison Bentley, lempinimeltään "Lumihiutale". Lapsuudesta lähtien häntä houkutteli taivaalta putoavien kiteiden epätavallinen muoto. Kotikaupungissaan Jerichossa Pohjois-Yhdysvalloissa lumisade oli säännöllinen, ja nuori Wilson vietti paljon aikaa ulkona lumihiutaleita tutkien.

Whislon "Snowflakes" Bentley

Bentley mukautti kameran mikroskooppiin, jonka hänen äitinsä antoi hänelle tämän 15-vuotissyntymäpäivälahjaksi, ja yritti vangita lumihiutaleita. Mutta tekniikan parantaminen kesti melkein viisi vuotta - vasta 15. tammikuuta 1885 saatiin ensimmäinen selkeä kuva.

Wilson kuvasi elämänsä aikana 5000 erilaista lumihiutaletta. Hän ei koskaan lakannut ihailemasta näiden luonnon miniatyyriteosten kauneutta. Saadakseen mestariteoksensa Bentley työskenteli nollan puolella ja asetti jokaisen täydellisen lumihiutaleen mustalle taustalle.

Wilsonin työ on saanut paljon kiitosta sekä tiedemiehiltä että taiteilijoilta. Hänet kutsuttiin usein puhumaan tieteellisiin konferensseihin tai esittämään valokuvia taidegallerioissa. Valitettavasti Bentley kuoli 65-vuotiaana keuhkokuumeeseen, mutta ei koskaan todistanut, että kaksi samanlaista lumihiutaletta ei ole olemassa.

National Center for Atmospheric Research -tutkija Nancy Knight otti "lumiteorian" -sauman sata vuotta myöhemmin. Vuonna 1988 julkaistussa artikkelissa hän osoitti päinvastaisen väitteen - identtisiä lumihiutaleita voi ja niiden pitäisi olla!

Tri. Knight yritti toistaa lumihiutaleiden rakentamisprosessia laboratoriossa. Tätä varten hän kasvatti useita vesikiteitä altistaen ne samalle alijäähdytys- ja ylikyllästysprosesseille. Kokeidensa tuloksena hän onnistui saamaan lumihiutaleita, jotka olivat täysin identtisiä keskenään.

Lisähavainnot ja kokeellisten virheiden käsittely antoivat Nancy Knightille mahdollisuuden väittää, että identtisten lumihiutaleiden esiintyminen on mahdollista ja sen määrää vain todennäköisyysteoria. Knight laatinut vertailevan luettelon taivaankiteistä päätteli, että lumihiutaleissa on 100 eron merkkiä. Ulkoasuvaihtoehtojen kokonaismäärä on siis 100! nuo. lähes 10 158. potenssiin.

Tuloksena oleva luku on kaksi kertaa suurempi kuin atomien määrä universumissa! Mutta tämä ei tarkoita, että sattumat olisivat täysin mahdottomia, tri. Knight päättelee työssään.

Ja nyt - uusi tutkimus "lumiteoriasta". Äskettäin Kalifornian yliopiston fysiikan professori Kenneth Libbrecht julkisti tieteellisen ryhmänsä monivuotisen tutkimuksen tulokset. "Jos näet kaksi identtistä lumihiutaletta, ne ovat silti erilaisia!" - sanoo professori.

Libbrecht osoitti, että lumimolekyylien koostumuksessa noin jokaista viittäsataa happiatomia kohden, jonka massa on 16 g/mol, on yksi atomi, jonka massa on 18 g/mol. Molekyylin sidosten rakenne tällaisen atomin kanssa on sellainen, että se ehdottaa lukemattomia vaihtoehtoja kidehilan sisäisille yhteyksille. Toisin sanoen, jos kaksi lumihiutaletta todella näyttävät samalta, niiden identiteetti on vielä tarkistettava mikroskooppisella tasolla.

Lumen (ja erityisesti lumihiutaleiden) ominaisuuksien tutkiminen ei ole lasten leikkiä. Lumen ja lumipilvien luonteen tunteminen on erittäin tärkeää ilmastonmuutosta tutkittaessa. Ja jotkut jään epätavallisista ja tutkimattomista ominaisuuksista voivat löytää käytännön sovellusta.

MOBU "Ruem Secondary School"

"Voivatko lumihiutaleet olla samanlaisia"

(projekti)

Täydentäjä: Alina Pugacheva,

2. luokan oppilas

Pää: Zakharova A.M.,

peruskoulun opettaja

Ruem kylä, 2013

Rakastan lumihiutaleiden putoamista. Mietin, ovatko kaikki lumihiutaleet samanlaisia? Päätin kysyä luokkani miehiltä, ​​mitä he ajattelivat tästä.

Vastatakseni tähän kysymykseen minun on selattava muuta tieteellistä kirjallisuutta, haettava lisämateriaalia internetissä.

Monet ihmiset luultavasti tietävät, että luonnosta on mahdotonta löytää paria identtisiä lumihiutaleita, mutta ne voivat olla hyvin samanlaisia ​​​​toistensa kanssa. Tämä ilmiö on vuosisatoja vanha mysteeri, jonka tietokonemallinnusprosessi on auttanut paljastamaan nykypäivänämme.

Ensimmäistä kertaa saksalainen tähtitieteilijä ja matemaatikko Johannes Kepler yritti päästä lähemmäksi vastausta kirjoittamalla yhdessä tutkielmissaan, että kaikilla lumihiutaleilla on kuusi kasvoa ja yksi symmetria-akseli. Suuri tiedemies liitti tämän rakenteen hiukkasten järjestelyn luonteeseen. hänen oletuksensa muodostivat kristallografian tieteen perustan.

Toinen filosofi ja matemaatikko, ranskalainen Rene Descartes, alkoi tutkia ja kuvailla lumihiutaleita vuonna 1635 tarkkaillen niitä paljain silmin. Tiedemies kuvaili niiden rakennetta samanlaisena kuin ruusut, liljat ja kuusihampaiset mekaaniset hammaspyörät. Descartes oli myös ensimmäinen, joka näki ja kuvasi lumihiutaleen, jossa oli 12 sädettä. Edelleen uskotaan, että kaksitoistakärkinen lumihiutale on hyvin harvinainen, eikä varmuudella tiedetä, missä olosuhteissa se muodostuu.

Vuonna 1665 englantilainen luonnontieteilijä Robert Hooke tutki lumihiutaleita mikroskoopilla. hän jätti sen tieteelle suuri määrä luonnoksia. Ja ensimmäiset valokuvat otti amerikkalainen maanviljelijä Wheels Bentley. Tämä mies oli kiehtonut lumihiutaleiden rakennetta pienestä pitäen, ja tilaisuuden tullen hän omistautui niiden kuvaamiseen. Häneltä kesti kaksi vuotta saada ensimmäiset kuvat. Bentleyn suunnittelema kamera on kameran ja mikroskoopin hybridi. Mielenkiintoista on, että aluksi näitä valokuvia ei pidetty aitoina, mutta muutaman vuoden kuluttua ne tunnistettiin ja niitä käytetään menestyksekkäästi kuvina erilaisille tieteellisiä artikkeleita. Vuonna 1931 Bentley julkaisi kirjan Snow Crystals, joka sisälsi yli 2500 valokuvaa.

Mutta japanilaiset lähestyivät asian tutkimista perusteellisemmin. Hokkaidon yliopiston professori Ukihiro Nakaya aloitti keinolumihiutaleiden kasvattamisen vuonna 1932, minkä ansiosta hän pystyi luomaan ensimmäisen lumikiteiden luokituksen. sekä määrittää näiden muodostumien muodon ja koon riippuvuuden ympäröivän ilman lämpötilasta ja kosteudesta. Hän loi luokituksen, joka sisälsi 41 yksittäistä tyyppiä. Honshun saaren länsiosassa sijaitsevassa Kagan kaupungissa on tiedemiehen mukaan nimetty "Lumi- ja jäämuseo". siellä pidetään konetta keinolumihiutaleiden tuottamiseksi. Monta vuotta myöhemmin, vuonna 1996, meteorologit Magano ja Xiu Li kuvasivat 80 tyyppiä.

Siten tutkittuaan tieteellistä ja opetuskirjallisuutta tästä asiasta, etsimällä Internetistä, katsellen putoavia lumihiutaleita, tulin johtopäätös siitä Identtisiä lumihiutaleita ei ole olemassa, jokainen lumihiutale on kaunis omalla tavallaan.

Lumihiutaleet

Talvi on täynnä lunta

Aamusta pimeään.

Lumihiutaleet käpristyvät ja pyörivät

Meidän ikkunassa.

Kuin tähdet kimaltelevat

hajallaan ympäriinsä.

Hopeat ryntäävät,

He katsovat taloon.

Sitten he pyytävät sinua tulemaan huoneeseen,

He pakenevat taas

He ryntäävät lasin taakse,

He kutsuvat minua ulos.

S. Baruzdin

Käytetyt lähteet:

1. Ovatko lumihiutaleet samat vai mitä jäädytettyyn veteen kätkeytyy? - Pääsytila:http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-33171/
2. Runoja lumesta ja lumihiutaleista. - Pääsytila:http://www.razumniki.ru/stihi_ro_sneg_i_sneginki.html

Jokaiselle koululaiselle tuttu väite, että kahta samanlaista lumihiutaletta ei ole olemassa, on kyseenalaistettu toistuvasti. Mutta Kalifornian ainutlaatuinen tutkimus teknillinen korkeakoulu Pystyimme viimeistelemään tämän uudenvuoden kysymyksen.

Lumi muodostuu, kun pilvissä olevat mikroskooppiset vesipisarat houkuttelevat pölyhiukkasia ja jäätyvät.

Ilmestyvät jääkiteet, joiden halkaisija ei aluksi ylitä 0,1 mm, putoaa ja kasvaa ilmasta tiivistyneen kosteuden seurauksena. Tämä tuottaa kuusikärkisiä kiteisiä muotoja.

Vesimolekyylien rakenteesta johtuen kiteen säteiden välillä on mahdollista muodostaa vain 60° ja 120° kulmat. Päävesikiteellä on tasomainen muoto säännöllinen kuusikulmio. Tämän jälkeen tällaisen kuusikulmion huipulle kerrostuu uusia kiteitä, ja niille kerrostuu uusia, ja näin saadaan erimuotoisia lumihiutaletähtiä.

Kalifornian yliopiston fysiikan professori Kenneth Libbrecht julkisti tutkimusryhmänsä monivuotisen tutkimuksen tulokset. "Jos näet kaksi identtistä lumihiutaletta, ne ovat silti erilaisia!" - sanoo professori.

Libbrecht osoitti, että lumimolekyylien koostumuksessa noin jokaista viittäsataa happiatomia kohden, jonka massa on 16 g/mol, on yksi atomi, jonka massa on 18 g/mol.

Molekyylin sidosten rakenne tällaisen atomin kanssa on sellainen, että se ehdottaa lukemattomia vaihtoehtoja kidehilan sisäisille yhteyksille.

Toisin sanoen, jos kaksi lumihiutaletta todella näyttävät samalta, niiden identiteetti on vielä tarkistettava mikroskooppisella tasolla.

Lumen (ja erityisesti lumihiutaleiden) ominaisuuksien tutkiminen ei ole lasten leikkiä. Lumen ja lumipilvien luonteen tunteminen on erittäin tärkeää ilmastonmuutosta tutkittaessa.