لا توجد رقاقات ثلجية متطابقة في العالم. عمل المشروع "هل هناك أي رقاقات ثلجية متطابقة"

وكان رائد دراسة "نظرية الثلج" هو المزارع الشاب ويلسون أليسون بنتلي، الملقب بـ "ندفة الثلج". منذ الطفولة كان منجذبا شكل غير عاديبلورات تسقط من السماء. في بلده مسقط رأسفي أريحا، في شمال الولايات المتحدة، كان تساقط الثلوج أمرًا منتظمًا، وكان ويلسون الشاب يقضي الكثير من الوقت في الخارج في دراسة رقاقات الثلج.

ويسلون "رقاقات الثلج" بنتلي

قام بنتلي بتكييف الكاميرا مع المجهر الذي قدمته له والدته في عيد ميلاده الخامس عشر وحاول التقاط رقاقات الثلج. لكن الأمر استغرق ما يقرب من خمس سنوات لتحسين التكنولوجيا - فقط في 15 يناير 1885، تم الحصول على أول صورة واضحة.

على مدار حياته، قام ويلسون بتصوير 5000 قطعة ثلج مختلفة. لم يتوقف أبدًا عن الإعجاب بجمال هذه الأعمال المصغرة للطبيعة. للحصول على روائعه، عمل بنتلي في درجات حرارة تحت الصفر، حيث وضع كل ندفة ثلج كاملة على خلفية سوداء.

لقد حظي عمل ويلسون بإشادة كبيرة من قبل العلماء والفنانين. تمت دعوته كثيرًا للتحدث في المؤتمرات العلميةأو نشر الصور في المعارض الفنية. لسوء الحظ، توفي بنتلي عن عمر يناهز 65 عامًا بسبب الالتهاب الرئوي، ولم يثبت أبدًا أنه لا يوجد رقاقات ثلج متشابهة.

التقط أحد الباحثين عصا "نظرية الثلج" بعد مائة عام المركز الوطنيأبحاث الغلاف الجوي نانسي نايت. وفي ورقة بحثية نشرت عام 1988، أثبتت العكس: رقاقات الثلج المتطابقة يمكن ويجب أن توجد!

حاول الدكتور نايت إعادة إنتاج عملية بناء رقاقات الثلج في المختبر. وللقيام بذلك، قامت بتنمية العديد من بلورات الماء، وأخضعتها لنفس عمليات التبريد الفائق والتشبع الفائق. ونتيجة لتجاربها، تمكنت من الحصول على رقاقات ثلجية متطابقة تماما مع بعضها البعض.

سمحت المزيد من الملاحظات الميدانية ومعالجة الأخطاء التجريبية لنانسي نايت بالادعاء بأن حدوث رقاقات ثلجية متطابقة أمر ممكن ويتم تحديده فقط من خلال نظرية الاحتمالية. بعد أن قام نايت بتجميع كتالوج مقارن للبلورات السماوية، توصل إلى أن رقاقات الثلج تحتوي على 100 علامة اختلاف. وبالتالي فإن العدد الإجمالي للخيارات مظهرهو 100! أولئك. ما يقرب من 10 أس 158.

والعدد الناتج هو ضعف عدد الذرات الموجودة في الكون! لكن هذا لا يعني أن المصادفات مستحيلة تماما، كما يخلص الدكتور نايت في عمله.

والآن - بحث جديد عن "نظرية الثلج". في الآونة الأخيرة، أعلن أستاذ الفيزياء بجامعة كاليفورنيا، كينيث ليبرشت، عن نتائج سنوات عديدة من البحث عنه المجموعة العلمية. "إذا رأيت ندفتين ثلجيتين متطابقتين، فإنهما لا تزالان مختلفتين!" - يقول الأستاذ.

أثبت ليبرشت أنه في تكوين جزيئات الثلج، تقريبًا لكل خمسمائة ذرة أكسجين كتلتها 16 جم/مول، توجد ذرة واحدة كتلتها 18 جم/مول. إن بنية روابط الجزيء مع مثل هذه الذرة تشير إلى عدد لا يحصى من الخيارات للاتصالات داخل الشبكة البلورية. بمعنى آخر، إذا كانت رقاقات الثلج تبدو متشابهة حقًا، فلا تزال هناك حاجة للتحقق من هويتها على المستوى المجهري.

إن دراسة خصائص الثلج (وخاصة رقاقات الثلج) ليست لعبة أطفال. تعتبر المعرفة بطبيعة الثلوج والسحب الثلجية مهمة جدًا عند دراسة تغير المناخ. ويمكن لبعض خصائص الجليد غير العادية وغير المستكشفة أن تجد تطبيقات عملية.

عمل المشروعهل هناك أي رقاقات ثلجية متشابهة أكملها: ماكار زيخاريف، الصف الثالث، صالة حفلات رقم 179، سانت بطرسبرغ. رئيس: أجافونوفا إس.في.

أثناء تساقط الثلوج، نادرًا ما نعتقد أن رقاقات الثلج العادية يمكنها إظهار التعقيد المذهل لبنيتها وانتظامها وتنوع أشكالها. وهذا واضح للعيان حتى بالعين المجردة، ولكن إذا فحصنا رقاقات الثلج بالمجهر، فسوف تنكشف لنا تفاصيل جديدة ومثيرة للدهشة للغاية.

هدف البحث في الخطة: دراسة رقاقات الثلج، كيف ظاهرة مذهلةطبيعة. أهداف البحث: مراقبة رقاقات الثلج في الطبيعة؛ دراسة تشكيل رقاقات الثلج. التعرف على تنوع أشكال ندفة الثلج وأسباب صرير الثلوج؛ مراقبة تجريبيا تشكيل رقاقات الثلج. التعرف على معرفة الطلاب حول رقاقات الثلج؛

الفرضية: إذا تشكل الماء عندما تذوب رقاقات الثلج، فإن رقاقات الثلج تظهر من الماء. إذا كان هناك الكثير من رقاقات الثلج، فيجب أن تكون موجودة في الطبيعة عدد كبيررقاقات الثلج متطابقة.

موضوع الدراسة رقاقات الثلج

ما هي ندفة الثلج ندفة الثلج هي بنية متناظرة معقدة تتكون من بلورات الجليد. يتشكل الثلج عندما قطرات مجهريةينجذب الماء الموجود في السحب إلى جزيئات الغبار ويتجمد. بلورات الجليد التي تظهر تتساقط وتنمو نتيجة تكثف رطوبة الهواء عليها. وهذا ينتج أشكال بلورية سداسية. ويتم إرسال ندفة الثلج إلى الأرض كنجمة سداسية. ;

دراسة ندفة الثلج البروفيسور ويلسون أ. بنتلي ليبرخت

دراسة رقاقات الثلج

التجربة الأولى: قمت بتجميد قطرات الماء، لكن رقاقات الثلج لم تظهر. وهذا يعني أن الثلج لا يظهر من قطرات الماء. يمكن لقطرات الماء أن تتحول إلى حبات برد أو كتل من الجليد، ولكن ليس رقاقات ثلجية.

التجربة الثانية: في الثلج، خرجت ووضعت قفازتي تحت الثلج. سقطت عليها عدة رقاقات ثلجية. بدأت بفحصهم باستخدام عدسة مكبرة. لا يمكن رؤية Nezhinki بوضوح إلا عندما تقع في راحة يدك. تحت تأثير حتى قوة صغيرة، فإنها تنكسر، مما يعني أن رقاقات الثلج هشة للغاية.

ما هي رقاقات الثلج؟

المقابلة أجريت مقابلة مع 25 طالبًا من الصف 3-أ في المدرسة رقم 619، حيث يدرس صديقي. وفقا لنتائج المقابلة، يدعي 20 من أصل 25 رجلا أن ندفة الثلج تتكون من الماء؛ - 24 من 25 رجلاً يزعمون أن هناك رقاقات ثلج متطابقة؛

أسطورة حول نفس رقاقات الثلج

حقائق مثيرة للاهتمام حول رقاقات الثلج

الاستنتاجات أثناء العمل على هذا الموضوع، حققت هدفي وتعلمت الكثير عن رقاقات الثلج. وفي عملية الدراسة والبحث، قمت بحل المشكلات التي حددتها. لسوء الحظ، لم يتم تأكيد فرضياتي. ولهذا السبب، أصبحنا نعرف الآن بالضبط كيف تتشكل رقاقات الثلج وما هي أشكالها.

شكرًا لكم على اهتمامكم!!!

لقد تم التشكيك مرارًا وتكرارًا في التأكيد المألوف لدى كل تلميذ أنه لا توجد رقاقات ثلج متشابهة. لكن البحث الفريد من نوعه في كاليفورنيا الجامعة التكنولوجيةكانوا قادرين على وضع اللمسات الأخيرة على هذا حقا سؤال العام الجديد.

يتشكل الثلج عندما تنجذب قطرات الماء المجهرية الموجودة في السحب إلى جزيئات الغبار وتتجمد.

بلورات الجليد التي تظهر، والتي لا يتجاوز قطرها في البداية 0.1 ملم، تتساقط وتنمو نتيجة تكثف رطوبة الهواء عليها. وهذا ينتج أشكال بلورية سداسية.

ونظرًا لبنية جزيئات الماء، فإن الزوايا الممكنة هي 60 درجة و120 درجة فقط بين أشعة البلورة. بلورة الماء الرئيسية لها شكل مستو مسدس منتظم. ثم تترسب بلورات جديدة على رؤوس هذا الشكل السداسي، وتترسب بلورات جديدة عليها، وهكذا تكون النتيجة أشكال مختلفةنجوم ندفة الثلج.

أعلن أستاذ الفيزياء بجامعة كاليفورنيا كينيث ليبرشت عن نتائج سنوات عديدة من البحث الذي أجرته مجموعته البحثية. "إذا رأيت ندفتين ثلجيتين متطابقتين، فإنهما لا تزالان مختلفتين!" - يقول الأستاذ.

أثبت ليبرشت أنه في تكوين جزيئات الثلج، تقريبًا لكل خمسمائة ذرة أكسجين كتلتها 16 جم/مول، توجد ذرة واحدة كتلتها 18 جم/مول.

إن بنية روابط الجزيء مع مثل هذه الذرة تشير إلى عدد لا يحصى من الخيارات للاتصالات داخل الشبكة البلورية.

بمعنى آخر، إذا كانت رقاقات الثلج تبدو متشابهة حقًا، فلا تزال هويتها بحاجة إلى التحقق على المستوى المجهري.

إن دراسة خصائص الثلج (وخاصة رقاقات الثلج) ليست لعبة أطفال. تعتبر المعرفة بطبيعة الثلوج والسحب الثلجية مهمة جدًا عند دراسة تغير المناخ.

يحدد العلماء خيارين لتكوين بلورات الثلج. في الحالة الأولى، يمكن لبخار الماء الذي تحمله الرياح إلى ارتفاع عالٍ جدًا، حيث تبلغ درجة الحرارة حوالي 40 درجة مئوية، أن يتجمد فجأة، مكونًا بلورات ثلجية. في الطبقة السفلية من السحب، حيث يتجمد الماء بشكل أبطأ، يتم إنشاء بلورة حول بقعة صغيرة من الغبار أو جسيمات التربة. هذه البلورة، التي يوجد منها من 2 إلى 200 في ندفة ثلج واحدة، لها شكل مسدس، لذا فإن معظم رقاقات الثلج عبارة عن نجمة سداسية.

"أرض الثلوج" - هذا هو الاسم الشعري الذي اخترعه سكانها للتبت.

يعتمد شكل ندفة الثلج على عدة عوامل: درجة الحرارة المحيطة والرطوبة والضغط. ومع ذلك، هناك 7 أنواع رئيسية من البلورات: الصفائح (إذا كانت درجة الحرارة في السحابة من -3 إلى 0 درجة مئوية)، بلورات على شكل نجمة، أعمدة (من -8 إلى -5 درجة مئوية)، الإبر، التشعبات المكانية، أعمدة مع طرف و أشكال غير منتظمة. من الجدير بالذكر أنه إذا دارت ندفة الثلج أثناء سقوطها، فسيكون شكلها متماثلًا تمامًا، ولكن إذا سقطت بشكل جانبي أو بطريقة أخرى، فلن يحدث ذلك.

بلورات الجليد سداسية الشكل: لا يمكن توصيلها بزاوية - فقط بحافة. ولذلك، فإن الأشعة الصادرة عن ندفة الثلج تنمو دائمًا في ستة اتجاهات، ولا يمكن أن يمتد التفرع من الشعاع إلا بزاوية 60 أو 120 درجة.

منذ عام 2012، يتم الاحتفال بـ "اليوم العالمي للثلج" في يوم الأحد قبل الأخير من شهر يناير. بدأ هذا من قبل الاتحاد الدولي للتزلج.

تظهر رقاقات الثلج باللون الأبيض بسبب الهواء الذي تحتويه: الضوء ترددات مختلفةيتم عرضها على الحواف بين البلورات وهي متناثرة. يبلغ حجم ندفة الثلج العادية حوالي 5 مم، وكتلتها 0.004 جم.

عند تسجيل فيلم "ألكسندر نيفسكي"، تم الحصول على صرير الثلج عن طريق عصر خليط السكر والملح.

ويعتقد أنه لا يوجد رقاقات ثلج متشابهة. وقد تم إثبات ذلك لأول مرة في عام 1885، عندما التقط المزارع الأمريكي ويلسون بنتلي أول صورة ناجحة لندفة ثلج تحت المجهر. لقد كرس 46 عامًا لهذا الأمر والتقط أكثر من 5000 صورة تم على أساسها تأكيد النظرية.

دعونا نرى كيف يمكن ترتيب ذلك.

جزيء الماء الواحد عبارة عن ذرة أكسجين واحدة وذرتين هيدروجين متصلتين ببعضهما البعض. عندما ترتبط جزيئات الماء المتجمد معًا، يحصل كل جزيء على أربعة جزيئات أخرى مرتبطة بالقرب منه: واحد عند كل من رؤوس رباعي السطوح فوق كل جزيء على حدة. يؤدي هذا إلى تكوين جزيئات الماء لشكل شبكي: سداسي (أو سداسي) شعرية الكريستال. لكن "مكعبات" الجليد الكبيرة، مثل تلك الموجودة في رواسب الكوارتز، نادرة للغاية. عندما تنظر إلى أصغر المقاييس والتكوينات، تجد أن المستويين العلوي والسفلي لهذه الشبكة مكتظان ومتصلان بإحكام شديد: لديك "حواف مسطحة" على الجانبين. تكون الجزيئات الموجودة على الجوانب المتبقية أكثر انفتاحًا، وترتبط بها جزيئات الماء الإضافية بشكل أكثر عشوائية. على وجه الخصوص، الزوايا السداسية لديها أكثر من غيرها علاقات ضعيفة، لذلك نلاحظ التماثل السداسي في نمو البلورات.



ونمو ندفة الثلج، وهو تكوين معين لبلورة الجليد

ثم تنمو الهياكل الجديدة بنفس الأنماط المتناظرة، وتزداد عدم تناسق الأشكال السداسية بمجرد وصولها إلى حجم معين. تحتوي بلورات الثلج الكبيرة والمعقدة على مئات من الميزات التي يمكن تمييزها بسهولة عند رؤيتها تحت المجهر. توجد مئات الميزات من بين ما يقرب من 10 19 جزيء ماء تشكل ندفة الثلج النموذجية، وفقًا لتشارلز نايت من المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي. ولكل وظيفة من هذه الوظائف هناك ملايين الأماكن المحتملة التي يمكن أن تتشكل فيها فروع جديدة. كم عدد هذه الميزات الجديدة التي يمكن أن تتشكل منها ندفة الثلج دون أن تصبح مجرد سمة أخرى من بين العديد من الميزات؟

في كل عام، يتساقط ما يقرب من 10 15 (كوادريليون) متر مكعب من الثلوج على الأرض في جميع أنحاء العالم، ويحتوي كل متر مكعب على حوالي عدة مليارات (10 9) من رقاقات الثلج الفردية. منذ وجود الأرض منذ حوالي 4.5 مليار سنة، تساقطت 10 34 ندفة ثلجية على الكوكب عبر التاريخ. وهل تعلم، من وجهة نظر إحصائية، كم عدد السمات المتفرعة الفردية والفريدة والمتماثلة التي يمكن أن تمتلكها ندفة الثلج وتتوقع أن يكون لها توأم في مرحلة معينة من تاريخ الأرض؟ خمسة فقط. في حين أن رقاقات الثلج الطبيعية الكبيرة والحقيقية عادة ما تحتوي على المئات منها.



حتى على مستوى ملليمتر واحد في ندفة الثلج، يمكنك رؤية العيوب التي يصعب تكرارها

وفقط على المستوى الأكثر دنيوية يمكنك أن ترى عن طريق الخطأ رقاقات ثلجية متطابقة. وإذا كنت على استعداد للنزول المستوى الجزيئي، سوف يصبح الوضع أسوأ بكثير. عادة، يحتوي الأكسجين على 8 بروتونات و8 نيوترونات، بينما تحتوي ذرة الهيدروجين على بروتون واحد و0 نيوترون. لكن 1 من 500 ذرة أكسجين تحتوي على 10 نيوترونات، و1 من 5000 ذرة هيدروجين تحتوي على نيوترون واحد، وليس 0. حتى لو قمت بتكوين بلورات ثلج سداسية مثالية، وفي تاريخ كوكب الأرض بأكمله، تم إحصاء 10 34 بلورة ثلجية، فهذا سيكون كافياً لإسقاط عدة آلاف من الجزيئات إلى الحجم (أقل من الطول الضوء المرئي) للعثور على هيكل فريد لم يشهده الكوكب من قبل.



ولكن إذا تجاهلت الاختلافات الذرية والجزيئية وتخلت عن "الطبيعي"، فلديك فرصة. الباحث في ندفة الثلج كينيث ليبرشت من كاليفورنيا معهد التكنولوجياطورت تقنية لإنشاء "توائم متطابقة" اصطناعية من رقاقات الثلج وتصويرها باستخدام مجهر خاص يسمى SnowMaster 9000.

ومن خلال زراعتها جنبًا إلى جنب في المختبر، أظهر أنه من الممكن إنشاء رقاقات ثلج لا يمكن تمييزها.



رقاقات ثلج متطابقة تقريبًا تمت زراعتها في مختبر معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

حسنًا تقريبًا. ولن يكون من الممكن تمييزهما عن شخص ينظر بعينيه من خلال المجهر، لكنهما لن يكونا متطابقين في الحقيقة. مثل التوائم المتطابقة، سيكون لديهم العديد من الاختلافات: سيكون لديهم أماكن مختلفةحزم من الجزيئات، خصائص مختلفةالفروع، وكلما كانت أكبر، كانت هذه الاختلافات أقوى. ولهذا السبب فإن رقاقات الثلج هذه صغيرة جدًا، لكن المجهر قوي: فهي أكثر تشابهًا عندما تكون أقل تعقيدًا.



رقاقتان ثلجيتان متطابقتان تقريبًا تمت زراعتهما في مختبر في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

ومع ذلك، فإن العديد من رقاقات الثلج متشابهة مع بعضها البعض. ولكن إذا كنت تبحث عن رقاقات ثلجية متطابقة حقًا على المستوى الهيكلي أو الجزيئي أو المستوى الذريفالطبيعة لن تمنحك هذا أبدًا. هذا العدد من الاحتمالات رائع ليس فقط لتاريخ الأرض، ولكن أيضًا لتاريخ الكون. إذا كنت تريد معرفة عدد الكواكب التي تحتاجها للحصول على رققتي ثلج متطابقتين على مدار تاريخ الكون البالغ 13.8 مليار سنة، فالإجابة هي 10 100000000000000000000000. وبالنظر إلى أن هناك 1080 ذرة فقط في الكون المرئي، فإن هذا غير مرجح على الإطلاق. لذا، نعم، رقاقات الثلج فريدة حقًا. وهذا بعبارة ملطفة.