Người tiên phong nghiên cứu “lý thuyết tuyết” là người nông dân trẻ Wilson Alison Bentley, biệt danh là “Bông tuyết”. Từ nhỏ anh đã bị thu hút hình dạng khác thường tinh thể từ trên trời rơi xuống. Trong của anh ấy quê hươngỞ Jericho, miền bắc Hoa Kỳ, tuyết rơi thường xuyên và cậu bé Wilson đã dành nhiều thời gian bên ngoài để nghiên cứu về những bông tuyết.
Bentley "Bông tuyết" Whislon
Bentley đã điều chỉnh máy ảnh thành kính hiển vi mà mẹ anh tặng anh nhân dịp sinh nhật thứ 15 và cố gắng chụp những bông tuyết. Nhưng phải mất gần 5 năm để cải tiến công nghệ - chỉ đến ngày 15 tháng 1 năm 1885, người ta mới thu được hình ảnh rõ nét đầu tiên.
Trong suốt cuộc đời mình, Wilson đã chụp ảnh 5.000 bông tuyết khác nhau. Anh không ngừng ngưỡng mộ vẻ đẹp của những tác phẩm thiên nhiên thu nhỏ này. Để có được những kiệt tác của mình, Bentley đã làm việc ở nhiệt độ dưới 0, đặt từng bông tuyết hoàn chỉnh trên nền đen.
Công trình của Wilson đã được cả giới khoa học và nghệ sĩ đánh giá cao. Ông thường được mời phát biểu tại hội thảo khoa học hoặc đăng ảnh vào phòng trưng bày nghệ thuật. Thật không may, Bentley qua đời ở tuổi 65 vì bệnh viêm phổi, điều đó chưa bao giờ chứng minh được rằng không có hai bông tuyết nào giống nhau.
Chiếc dùi cui của “thuyết tuyết” được một nhà nghiên cứu nhặt được một trăm năm sau Trung tâm quốc gia Nghiên cứu khí quyển Nancy Knight. Trong một bài báo xuất bản năm 1988, bà đã chứng minh tuyên bố ngược lại - những bông tuyết giống hệt nhau có thể và nên tồn tại!
Tiến sĩ Knight đã cố gắng tái tạo lại quá trình hình thành những bông tuyết trong phòng thí nghiệm. Để làm được điều này, cô đã nuôi cấy một số tinh thể nước, cho chúng trải qua các quá trình siêu lạnh và siêu bão hòa giống nhau. Kết quả của các thí nghiệm của mình, cô đã thu được những bông tuyết hoàn toàn giống nhau.
Các quan sát thực địa sâu hơn và xử lý các lỗi thí nghiệm cho phép Nancy Knight khẳng định rằng sự xuất hiện của những bông tuyết giống hệt nhau là có thể xảy ra và chỉ được xác định bằng lý thuyết xác suất. Sau khi biên soạn một danh mục so sánh các tinh thể thiên thể, Knight kết luận rằng những bông tuyết có 100 dấu hiệu khác nhau. Vậy tổng số phương án vẻ bề ngoài là 100! những thứ kia. gần 10 mũ 158.
Con số thu được lớn gấp đôi số lượng nguyên tử trong Vũ trụ! Nhưng điều này không có nghĩa là sự trùng hợp là hoàn toàn không thể xảy ra, Tiến sĩ Knight kết luận trong tác phẩm của mình.
Và bây giờ - nghiên cứu mới về “lý thuyết tuyết”. Gần đây, giáo sư vật lý Kenneth Libbrecht của Đại học California đã công bố kết quả nhiều năm nghiên cứu của ông. nhóm khoa học. “Nếu bạn nhìn thấy hai bông tuyết giống hệt nhau thì chúng vẫn khác nhau!” - giáo sư nói.
Libbrecht đã chứng minh rằng trong thành phần của các phân tử tuyết, cứ khoảng năm trăm nguyên tử oxy có khối lượng 16 g/mol thì có một nguyên tử có khối lượng 18 g/mol. Cấu trúc liên kết của một phân tử với một nguyên tử như vậy cho thấy có vô số lựa chọn cho các kết nối trong mạng tinh thể. Nói cách khác, nếu hai bông tuyết thực sự trông giống nhau thì danh tính của chúng vẫn cần được xác minh ở cấp độ vi mô.
Nghiên cứu các đặc tính của tuyết (và đặc biệt là bông tuyết) không phải là trò chơi trẻ con. Kiến thức về bản chất của tuyết và mây tuyết rất quan trọng khi nghiên cứu biến đổi khí hậu. Và một số đặc tính khác thường và chưa được khám phá của băng có thể được ứng dụng thực tế.
công việc dự án CÓ BẤT KỲ TUYẾT NÀO GIỐNG NHƯ Người hoàn thành: Makar Zhikharev, lớp 3, Lyceum số 179, St. Petersburg. Người đứng đầu: Agafonova S.V.
Khi tuyết rơi, chúng ta hiếm khi nghĩ rằng những bông tuyết thông thường có thể thể hiện sự phức tạp đáng kinh ngạc về cấu trúc, tính đều đặn và hình dạng đa dạng của chúng. Điều này có thể nhìn thấy rõ ràng ngay cả bằng mắt thường, nhưng nếu chúng ta quan sát những bông tuyết qua kính hiển vi, chúng ta sẽ tiết lộ những chi tiết mới và rất đáng ngạc nhiên.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU KẾ HOẠCH: nghiên cứu về những bông tuyết, làm thế nào hiện tượng đáng kinh ngạc thiên nhiên. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: quan sát bông tuyết trong tự nhiên; nghiên cứu sự hình thành của bông tuyết; xác định sự đa dạng về hình dạng của bông tuyết và nguyên nhân khiến tuyết kêu cót két; quan sát thực nghiệm sự hình thành của bông tuyết; xác định kiến thức của học sinh về bông tuyết;
GIẢ THUYẾT Nếu nước được hình thành khi bông tuyết tan chảy thì bông tuyết sẽ xuất hiện từ nước. Nếu có nhiều bông tuyết như vậy thì trong tự nhiên chắc chắn phải có số lượng lớn những bông tuyết giống hệt nhau.
Đối tượng nghiên cứu TUYẾT TUYẾT
Bông tuyết là gì Bông tuyết là một cấu trúc đối xứng phức tạp bao gồm các tinh thể băng. Tuyết hình thành khi giọt siêu nhỏ Nước trong mây bị thu hút bởi các hạt bụi và đóng băng. Các tinh thể băng xuất hiện rơi xuống và phát triển do sự ngưng tụ hơi ẩm từ không khí trên chúng. Điều này tạo ra các dạng tinh thể sáu cánh. Và bông tuyết được gửi xuống mặt đất dưới dạng một ngôi sao sáu cánh. ;
NGHIÊN CỨU BÔNG TUYẾT Wilson A. Bentley Giáo sư Libbrecht
NGHIÊN CỨU BÔNG TUYẾT
THÍ NGHIỆM 1 Tôi đóng băng những giọt nước, nhưng những bông tuyết không xuất hiện. Điều này có nghĩa là tuyết không xuất hiện từ những giọt nước. Những giọt nước có thể trở thành mưa đá, cục băng nhưng không thể trở thành bông tuyết.
THÍ NGHIỆM 2 Khi trời tuyết, tôi đi ra ngoài và đặt chiếc găng tay của mình dưới tuyết. Một vài bông tuyết rơi trên người cô. Tôi bắt đầu kiểm tra chúng bằng kính lúp. Nezhinki chỉ có thể được nhìn thấy rõ ràng khi chúng rơi vào lòng bàn tay của bạn. Dưới tác động của một lực nhỏ, chúng bị vỡ, điều đó có nghĩa là những bông tuyết rất mỏng manh.
Những bông tuyết là gì?
PHỎNG VẤN Tôi đã thực hiện một cuộc phỏng vấn với 25 học sinh lớp 3-A tại trường số 619, nơi bạn tôi đang học. Theo kết quả phỏng vấn, 20 trong số 25 chàng trai cho rằng bông tuyết bao gồm nước; - 24 trong số 25 chàng trai cho rằng có những bông tuyết giống hệt nhau;
LẦM TƯỞNG VỀ CÙNG NHỮNG BÔNG TUYẾT
SỰ THẬT THÚ VỊ VỀ bông tuyết
KẾT LUẬN Khi thực hiện chủ đề này, tôi đã đạt được mục tiêu của mình và học được rất nhiều điều về bông tuyết. Trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu tôi đã giải quyết được những vấn đề tôi đặt ra. Thật không may, giả thuyết của tôi đã không được xác nhận. Nhờ đó, giờ đây chúng ta biết chính xác những bông tuyết được hình thành như thế nào và chúng trông như thế nào.
CẢM ƠN BẠN ĐÃ QUAN TÂM!!!
Lời khẳng định quen thuộc với mọi học sinh rằng không có hai bông tuyết nào giống nhau đã nhiều lần bị nghi ngờ. Nhưng nghiên cứu độc đáo của người California Đại học Công nghệđã có thể hoàn tất việc này một cách thực sự Câu hỏi năm mới.
Tuyết hình thành khi những giọt nước cực nhỏ trong mây bị thu hút bởi các hạt bụi và đóng băng.
Các tinh thể băng xuất hiện, ban đầu có đường kính không quá 0,1 mm, rơi xuống và phát triển do sự ngưng tụ hơi ẩm từ không khí trên chúng. Điều này tạo ra các dạng tinh thể sáu cánh.
Do cấu trúc của các phân tử nước, góc giữa các tia của tinh thể chỉ có thể là 60° và 120°. Tinh thể nước chính có hình dạng phẳng lục giác đều. Sau đó, các tinh thể mới được lắng đọng trên các đỉnh của hình lục giác đó, các tinh thể mới được lắng đọng trên chúng và kết quả là nhiều hình thức khác nhau những ngôi sao bông tuyết.
Giáo sư vật lý Kenneth Libbrecht của Đại học California đã công bố kết quả nghiên cứu nhiều năm của nhóm nghiên cứu của ông. “Nếu bạn nhìn thấy hai bông tuyết giống hệt nhau thì chúng vẫn khác nhau!” - giáo sư nói.
Libbrecht đã chứng minh rằng trong thành phần của các phân tử tuyết, cứ khoảng năm trăm nguyên tử oxy có khối lượng 16 g/mol thì có một nguyên tử có khối lượng 18 g/mol.
Cấu trúc liên kết của một phân tử với một nguyên tử như vậy cho thấy có vô số lựa chọn cho các kết nối trong mạng tinh thể.
Nói cách khác, nếu hai bông tuyết thực sự trông giống nhau thì danh tính của chúng vẫn cần được xác minh ở cấp độ vi mô.
Nghiên cứu các đặc tính của tuyết (và đặc biệt là bông tuyết) không phải là trò chơi trẻ con. Kiến thức về bản chất của tuyết và mây tuyết rất quan trọng khi nghiên cứu biến đổi khí hậu.
Các nhà khoa học xác định hai lựa chọn cho sự hình thành tinh thể tuyết. Trong trường hợp đầu tiên, hơi nước được gió mang đến độ cao rất cao, nơi có nhiệt độ khoảng 40°C, có thể đóng băng đột ngột, tạo thành các tinh thể băng. Ở lớp mây phía dưới, nơi nước đóng băng chậm hơn, một tinh thể được tạo ra xung quanh một hạt bụi hoặc hạt đất nhỏ. Tinh thể này, trong đó có từ 2 đến 200 trong một bông tuyết, có hình lục giác, vì vậy hầu hết các bông tuyết đều là ngôi sao sáu cánh.
“Vùng đất tuyết” - đây là cái tên thơ mộng mà cư dân ở đây nghĩ ra cho Tây Tạng.
Hình dạng của bông tuyết phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ xung quanh, độ ẩm, áp suất. Tuy nhiên, có 7 loại tinh thể chính: dạng tấm (nếu nhiệt độ trong đám mây từ -3 đến 0 ° C), tinh thể hình ngôi sao, cột (từ -8 đến -5 ° C), hình kim, đuôi gai không gian, cột có đầu và hình dạng bất thường. Đáng chú ý là nếu một bông tuyết quay khi rơi, thì hình dạng của nó sẽ đối xứng hoàn hảo, nhưng nếu nó rơi sang một bên hoặc theo một cách nào đó thì không.
Tinh thể băng có hình lục giác: chúng không thể được nối bằng một góc - chỉ bằng một cạnh. Do đó, các tia từ bông tuyết luôn phát triển theo sáu hướng và sự phân nhánh của tia chỉ có thể mở rộng một góc 60 hoặc 120°.
Kể từ năm 2012, “Ngày Tuyết Thế giới” đã được tổ chức vào Chủ nhật áp chót của tháng Giêng. Điều này được khởi xướng bởi Liên đoàn Trượt tuyết Quốc tế.
Những bông tuyết có màu trắng vì không khí chứa trong đó: ánh sáng tần số khác nhauđược hiển thị trên các cạnh giữa các tinh thể và nằm rải rác. Kích thước của một bông tuyết thông thường có đường kính khoảng 5 mm và khối lượng của nó là 0,004 g.
Khi chấm điểm cho bộ phim “Alexander Nevsky”, tiếng kêu cót két của tuyết có được bằng cách ép hỗn hợp đường và muối.
Người ta tin rằng không có hai bông tuyết nào giống nhau. Điều này lần đầu tiên được chứng minh vào năm 1885, khi nông dân người Mỹ Wilson Bentley chụp bức ảnh thành công đầu tiên về bông tuyết dưới kính hiển vi. Ông đã cống hiến 46 năm cho việc này và chụp hơn 5.000 bức ảnh, trên cơ sở đó lý thuyết đã được xác nhận.
Hãy xem làm thế nào điều này có thể được sắp xếp.
Một phân tử nước là một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro liên kết với nhau. Khi các phân tử nước đóng băng liên kết với nhau, mỗi phân tử sẽ có bốn phân tử liên kết khác ở gần đó: một phân tử ở mỗi đỉnh tứ diện phía trên mỗi phân tử riêng lẻ. Điều này làm cho các phân tử nước tạo thành dạng lưới: lục giác (hoặc lục giác) mạng tinh thể. Nhưng những “khối” băng lớn, giống như những khối được tìm thấy trong trầm tích thạch anh, là cực kỳ hiếm. Khi bạn nhìn vào các tỷ lệ và cấu hình nhỏ nhất, bạn sẽ thấy rằng các mặt phẳng trên và dưới của mạng này được đóng gói và kết nối rất chặt chẽ: bạn có các "cạnh phẳng" ở hai bên. Các phân tử ở các mặt còn lại cởi mở hơn và các phân tử nước bổ sung liên kết với chúng một cách ngẫu nhiên hơn. Đặc biệt, các góc lục giác có nhiều nhất mối quan hệ yếu, vì vậy chúng tôi quan sát thấy sự đối xứng bậc sáu trong sự phát triển của tinh thể.
và sự phát triển của bông tuyết, một hình dạng đặc biệt của tinh thể băng
Sau đó, các cấu trúc mới phát triển theo kiểu đối xứng giống nhau, tăng dần độ bất đối xứng hình lục giác khi chúng đạt đến một kích thước nhất định. Những tinh thể tuyết lớn, phức tạp có hàng trăm đặc điểm dễ phân biệt khi nhìn dưới kính hiển vi. Theo Charles Knight thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia, có hàng trăm đặc điểm nằm trong số khoảng 1019 phân tử nước tạo nên một bông tuyết điển hình. Đối với mỗi chức năng này, có hàng triệu vị trí có thể hình thành các nhánh mới. Một bông tuyết có thể hình thành bao nhiêu đặc điểm mới như vậy mà không trở thành một trong nhiều đặc điểm khác?
Hàng năm, có khoảng 10 15 (nghìn tỷ) mét khối tuyết rơi trên mặt đất trên toàn thế giới và mỗi mét khối chứa khoảng vài tỷ (10 9) bông tuyết riêng lẻ. Kể từ khi Trái đất tồn tại được khoảng 4,5 tỷ năm, trong suốt lịch sử, đã có 1034 bông tuyết rơi trên hành tinh này. Và bạn có biết, từ quan điểm thống kê, một bông tuyết có thể có bao nhiêu đặc điểm phân nhánh đối xứng, độc đáo, riêng lẻ và mong đợi có một cặp song sinh tại một thời điểm nhất định trong lịch sử Trái đất? Chỉ năm thôi. Trong khi những bông tuyết thật, lớn, tự nhiên thường có hàng trăm bông tuyết.
Ngay cả ở mức độ một milimet trong bông tuyết, bạn cũng có thể thấy những điểm không hoàn hảo khó lặp lại
Và chỉ ở mức độ trần tục nhất, bạn mới có thể nhìn nhầm hai bông tuyết giống hệt nhau. Và nếu bạn đã sẵn sàng để tiếp tục cấp độ phân tử, tình hình sẽ trở nên tồi tệ hơn nhiều. Thông thường, oxy có 8 proton và 8 neutron, trong khi nguyên tử hydro có 1 proton và 0 neutron. Nhưng 1 trong 500 nguyên tử oxy có 10 neutron, 1 trong 5000 nguyên tử hydro có 1 neutron chứ không phải 0. Ngay cả khi bạn tạo thành các tinh thể tuyết hình lục giác hoàn hảo và trong toàn bộ lịch sử của hành tinh Trái đất, người ta đã đếm được 10 34 tinh thể tuyết, nó sẽ đủ để giảm xuống kích thước vài nghìn phân tử (nhỏ hơn chiều dài ánh sáng nhìn thấy được) để tìm ra cấu trúc độc đáo mà hành tinh này chưa từng thấy trước đây.
Nhưng nếu bạn bỏ qua những khác biệt về nguyên tử và phân tử và từ bỏ cái “tự nhiên”, bạn sẽ có cơ hội. Nhà nghiên cứu bông tuyết Kenneth Libbrecht ở California Viện công nghệđã phát triển một kỹ thuật tạo ra những bông tuyết “cặp song sinh giống hệt nhau” nhân tạo và chụp ảnh chúng bằng kính hiển vi đặc biệt có tên SnowMaster 9000.
Bằng cách trồng chúng cạnh nhau trong phòng thí nghiệm, ông đã chứng tỏ rằng có thể tạo ra hai bông tuyết không thể phân biệt được.
Hai bông tuyết gần như giống hệt nhau được trồng trong phòng thí nghiệm Caltech
Vâng, gần như vậy. Chúng sẽ không thể phân biệt được khi một người nhìn tận mắt qua kính hiển vi, nhưng thực tế chúng sẽ không giống nhau. Giống như những cặp song sinh giống hệt nhau, chúng sẽ có nhiều điểm khác biệt: chúng sẽ có những nơi khác nhau bó phân tử, tính chất khác nhau nhánh, và chúng càng lớn thì sự khác biệt này càng mạnh. Đó là lý do tại sao những bông tuyết này rất nhỏ nhưng kính hiển vi lại có tác dụng mạnh mẽ: chúng giống nhau hơn khi chúng ít phức tạp hơn.
Hai bông tuyết gần như giống hệt nhau được trồng trong phòng thí nghiệm ở Caltech
Tuy nhiên, nhiều bông tuyết trông giống nhau. Nhưng nếu bạn đang tìm kiếm những bông tuyết thực sự giống hệt nhau về mặt cấu trúc, phân tử hoặc cấp độ nguyên tử, thiên nhiên sẽ không bao giờ cho bạn điều này. Số khả năng này là rất lớn không chỉ đối với lịch sử Trái đất mà còn đối với lịch sử của Vũ trụ. Nếu bạn muốn biết cần bao nhiêu hành tinh để có được hai bông tuyết giống hệt nhau trong lịch sử 13,8 tỷ năm của vũ trụ, câu trả lời là theo thứ tự 10 10000000000000000000000000. Xét rằng chỉ có 10 80 nguyên tử trong Vũ trụ quan sát được, điều này cực kỳ khó xảy ra. Vì vậy, những bông tuyết thực sự độc đáo. Và đó là cách nói nhẹ nhàng.