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Newton-科学世界

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日志

 
 

雪花:冬之精灵  

2008-12-10 08:48:42|  分类: 精选文章 |  标签: |举报 |字号 订阅

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雪花:冬之精灵 - kxsj - Newton-科学世界   “北国风光,千里冰封,万里雪飘……”这首著名诗句所描绘的北方冬日原野是那么的妖娆迷人,而这令无数人倾倒的景色的主角就是雪花。没有雪飘,谈何冰封?那么,对冬天里漫天飞舞的雪花,我们了解多少?

撰文/唯 实

“雪花是白色的,呈片状。”
   请问:“为什么雪是白色的,而不是蓝色、红色或其他颜色呢?雪花的内部结构什么样?所有的雪花是否都一样呢?”诸如此类的许多问题,你都能回答出来吗?
   事实上,雪花里隐藏着许许多多的自然界的奥秘,通过几代人的认真观察和努力研究,现在已经弄清楚了不少的奥秘,但仍有不少谜底有待揭开。

漫长的雪花研究史
   人类研究雪花的文字记载最早可追溯至17世纪,德国著名科学家开普勒在1611年就认定雪花具有六角结构。1637年,法国著名哲学家和数学家笛卡儿在他的著作《气象学》中,记述了用肉眼观察雪花结构的结果。笛卡儿在书中写道:“在风暴云之后,接着又出现其他的风暴云,产生出非常小的玫瑰花形或轮子状,带有6个半圆形的芽,它们是透明的,而且很平,非常对称。之后,许多这样的小轮子以轴两两连接,这些轴可以认为是晶体,在它的端头有6个小的玫瑰状雪花芽……”可以说,笛卡儿完全是从几何学的角度对雪花的结构进行描述的。
   17世纪中叶,显微镜出现之后,立即应用于对雪花的观察研究。英国科学家和显微镜学家列文·虎克在1665年出版的《显微术》一书中,描述了他用显微镜观察雪花的结果。虽说当时的显微镜远不如当今的好,但虎克揭示了雪花结构的复杂性和其独有的对称性,这用肉眼是无法分辨的。
   随着光学显微镜放大倍数的提高,人们对雪花的研究愈来愈深入。到19世纪中叶,科学家发现,雪花的结构“寿命”很短,一落地就改变了,因而它的真实结构到底是什么样的,并没有搞清楚。波兰的雪花学家F.K.奇克林(FrancesKnowlton Chickering)1864年出版的《云晶体:雪花图集》(Cloud Crystals:A Snow-FlakeAlbum),记述了她拍摄的正在下降中的雪花图像。后人称她为观察雪花、揭示雪花奥秘的真正先驱。
    威尔逊·本特利(WilsonBentley)从十几岁就开始拍摄雪花,研究其结构,他在46年居住于农场的漫长观察研究中,用老式的玻璃照相底版共拍摄了5000多张雪花晶体照片。20世纪20年代后期,本特利与美国气象局的首席物理学家汉姆弗莱斯(Humphreys)合作,于1931年共同出版了一本有2000多张雪花照片的书—《雪晶体》(SnowCrystals)。
   对雪花观察研究取得巨大进展的当属近代的两项著名研究。一项是日本物理学家中谷宇吉郎在20世纪30年代所作的关于雪花晶体结构对称性的详细研究工作。他在日本北海道大学实验室的寒冷房间里,在日本北方雪原的帐篷里,含辛茹苦20年,拍摄和研究了成千上万片雪花,于1954年出版了一本名为《自然和人造的雪花晶体》的书。另一项是现任美国加州理工学院物理系主任肯尼斯·利布雷希特(KennethLibbrecht)领导的实验室,对雪花进行的至今最为广泛而深入的观察研究。2003年,利布雷希特出版了《雪花:冬日的精灵》(TheSnowflake:Winter′s SecretBeauty)一书,书中不仅附上许多由拉斯缪森(Rasmusssen)拍摄的异常美丽的自然雪花的照片,而且作者还从物理学的角度对雪花进行了前所未有的深入分析,将雪花的隐秘世界呈现在人们面前,从而使这本书在美国成为畅销书。

最耐人寻味的两个秘密
   雪花有两个最耐人寻味的秘密,它们是利布雷希特等人经过详细观察研究后揭示出来的。第一个秘密是雪花一接触到地面,它的结构就改变了,因此,必须在雪花下落过程中对它进行研究才能获得其真实特性。这一特点给雪花的观察和研究带来诸多的不便和麻烦。
   第二个秘密就是世界上没有两片雪花是完全相同的,每一片雪花都具有独特的结构。人们可能会问:“你又没有研究测定过所有的雪花,如何知道又如何做出这样的结论呢?”利布雷希特说,首先,相似与完全和精确的相同并不是一回事。众所周知,无论何种条件下,两个电子是严格相同的,不仅仅是相似。同样,由两个氢原子和一个氧原子所构成的水分子也是不可区分的。但是,地球上每5000个氢原子中就有一个氚,即所谓的重氢原子,它的重量是普通氢原子的两倍,因此,由重氢原子形成的水分子就与普通的水分子不同,是可以区分的。同样,地球上的氧原子,每500个就有一个的中子数是10个,而不是通常中的8个,由这样的氧原子所组成的水分子同样也是可以区分的。之所以说没有两片雪花是相同的,其原因就在于任何一个雪花晶体中都包含了亿亿个水分子,平均来说,大约每500个水分子中就有一个是可以区分的。这样,亿亿个水分子形成的雪花晶体,自然就很易于区分了,而能够完全相同的几率则趋于零。
   退一步说,即便是所有的水分子完全相同,亿亿个水分子所形成的两个雪花晶体也不可能完全相同。首先,一个雪花中包含的水分子个数就有几乎无穷多的选择,结晶的形状也千差万别;即使是同样多的水分子和相同的晶体形状,但因为雪花晶体在生长中,水分子不可能完全规则地排列和堆积,会产生所谓的“堆垛层错”,晶体中还会产生其他缺陷以及包含杂质原子(一个雪花晶体中会包含大量的此类缺陷)。因而,当光从雪花晶体上反射时,由于混乱性,两个雪花晶体反射所给出的花样要想完全一致的几率也趋于零。当然喽,这是对于平均雪花晶体大小而言,如果我们只是考虑由很少的水分子,比如说只有10个水分子所组成的雪花晶体,那么,两个这样的雪花晶体就基本上不会存在缺陷,因而有可能这样的雪花是完全相同的。问题是,实际上的雪花晶体不可能如此之小。

绚丽多姿的雪花世界
   经过利布雷希特和拉斯缪森等人研究和拍摄出来的自然界的雪花世界,五光十色,绚丽多姿,美得超乎想象。本文不可能全部表述,只择其要者,呈现给读者。
   典型的雪花结构 为六角对称结构,6个臂由许多小的标志组成,这些小的标志绝大多数可很好地重复,而且每个臂围绕它的中心轴对称排列。典型雪花晶体的大小为1~2毫米,飘到衣服上时,正好可以分辨得出,但因为太小,其内部结构只有用特殊仪器才能看到。当然,大多数雪花晶体并不是这样美妙对称的,往往呈现出不太规则的六角结构。
   千变万化的雪花结构 利布雷希特等人发现,雪花的结构花样异常丰富,从而组成了一个绚丽多姿的冰雪世界。当然,其中一些比较常见,而另外的则比较鲜见。
   一种称为“金刚石粉尘”的雪花晶体,呈小的六棱状,其直径通常只有十分之几毫米大小。这种很小的雪花晶体只有在很冷的天气下才会形成,比如南极上空飘舞的雪花就是这样。
   最大的雪花晶体要数星形树枝状雪花晶体了。大多数情况下,这种雪花晶体呈现出树枝状,且几乎是平的。枝条在高湿条件下迅速长大,可达到5毫米大小。利布雷希特在加拿大不列颠哥伦比亚省看到过这种最大的雪花晶体,两枝条尖端间的距离达到9毫米,而在他的实验室里曾经长出枝条尖端间距为25毫米的巨大树枝状雪花。这样的雪花晶体无论多大,仍然是单晶体,分子排列都是相同的,6个枝条间的角度为60°。这种雪花晶体在温度为-2~-15℃的高湿空气中形成。这种雪花晶体很薄且非常扁平,其直径与厚度之比可高达100∶1,就像一张纸一样。但是,人们通常见到的大个雪花晶体,并不是雪花单晶体,而是雪花晶体的聚集体,这是因为下降中雪花是湿的,相互松松地粘在一起的缘故。如果湿度稍微低一些,那么就会形成所谓的切片状雪花,而不是树枝状晶体。这种晶体的主要特点是山脊状,有时呈曲线形或出现单个角的形状。
各种柱状和针状的雪花晶体恐怕是一般人难以想象的,实际上这在雪花中比较普遍。这种形状雪花晶体的产生是由于其基平面的长大速度远比柱面的长大速度为快所致。这类雪花晶体最简单的形状莫过于细长形的六棱柱体,就像是一根长木头铅笔。它们在-5℃下形成,也有在低至-25℃下形成的。如果是在-5℃的很小的温度范围内,当湿度很高时,就形成针状雪花晶体。有趣的是,在-5℃附近,还形成中空的柱状雪花。
   你看见过戴帽子的柱状雪花晶体吗?恐怕连听都没有听说过吧。在柱状晶体的两端生长出两个薄片,把柱状晶体罩起来,形状酷似日本式的鼓。如果两端的薄片长大速度不一样,两端的帽子大小就不对称了。
   此外,还有一大堆形状稀奇古怪的雪花晶体:分裂中心平板式雪花晶体、孪生式雪花晶体、12枝条雪花晶体、18枝条雪花晶体、欧式蜡烛座式雪花晶体、三角状雪花晶体、雾凇状雪花晶体以及不规则形状的雪花晶体等等,不一而足。得益于科学家们的辛勤劳动,使我们能一窥这奇妙无比的雪花世界。

人造雪花与待解之谜
    为了更好地揭示雪花形成的奥秘,利布雷希特研究组在实验室里进行了多方面的研究,搞清楚了如何在实验室中制造雪花的机理,掌握了形成各种各样形状雪花的方法,他们甚至还能够制造出自然界中很难发现的枝形吊灯式的复杂雪花。
   人造雪花的秘密何在?原来,水分子(H2O)3个原子的结构呈V字形,两个H原子处于V字的两个顶点,O则处于底部那一点,这样的结构使得上端荷负电,下端荷正电,整个分子仍然是中性的,科学家称之为极性分子。极性分子对电场很敏感,即在电场作用下很容易被吸引。因此,他们将溢满潮湿空气的容器置于摄氏零下几度的环境中,中央放置一根细丝,先让其一端生长上霜晶体,然后在细丝上加上高压,比如说2000伏电压,由于高压电在冰晶体上产生了很强的电场,吸引潮湿空气中的水分子到端头的冰晶体上,沿着细丝的长度方向迅速长大,而形成细长的冰针体。改变电场的强度可改变冰针的长度。在一定的电场强度下,冰晶体的长度达到一定值(科学家称之为阈值)之后,就不会继续长下去,而是形成分叉。在冰晶体长到一定长度之后,研究人员就将电压撤去,于是,冰晶体的长大就回到正常状态,在针状端头上长出片状雪花。通过控制电压、温度和湿度,生长出了各式各样的酷似自然界中形成的雪花。因此,利布雷希特说,他们能够设计雪花。
   利布雷希特等人在前人的观察基础上,把人类对于雪花世界的认识向前推进了一大步。但是,他们并不认为这项工作已经把雪花世界的秘密都解开了,相反,他们认为还有许多待解之谜。随着人们对于雪花的研究和观察进一步深化,相信这极为丰富、奇妙无比的绚丽世界,将会更加清晰地呈现在人们面前,当然这也需要更多的人参与到这项研究中去。

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