Sneeuwvlokjes

Een vraag van een lezer: waarom zijn de takken van een sneeuwvlokje onderling identiek? Met andere woorden, waarom vertakken ze op dezelfde plaatsen?

SnowflakeIk dacht dat ik een goed idee had, en dat heb ik gechecked bij een prof ‘vaste stof chemie’. Water in de wolken is ijskoud, maar gasvormig. Op het moment dat de concentratie water hoog genoeg wordt vallen ze als ijsklontjes naar beneden en op een warme dag zullen ze smelten tot hele kleine druppels. Deze druppels willen een klein oppervlak ten opzichte van hun inhoud en groeien (clusteren) tot volwaardige druppels. Dit noemen wij ‘regen’.

Ik weet niet precies waar in de lucht, en bij welke omstandigheden, maar het blijkt dat sneeuvlokjes op soortgelijke manier ontstaan. Op een koude dag zullen de kleine ijsklontjes naar beneden vallen en niet smelten tot kleine druppels. Ze zullen ijskoude watermoleculen tegenkomen. Die moleculen zullen aan het ijsklontje vast groeien. Onder bepaalde omstandigheden zullen die moleculen op een bepaalde manier aangroeien, maar omdat de druk, temperatuur en nog wat andere dingen varieren tijdens de ‘val’, zullen ze anders aangroeien.

Dit vergt wat inbeeldingsvermogen: een ‘perfect’ zeshoekig (prisma-vormig) waterkristalletje groeit aan. Eerst groeien er 6 gelijke puntjes op de grensvlakken aan, de omstandigheden (temperatuur) verandert iets, er groeien op de 6 puntjes 6 gelijke vriemeltjes aan. Aan die vriemeltjes groeien weer 6 identieke andere vriemeltjes aan en zo groeit het sneeuwvlokje.

Natuurlijk valt het ijsblokje c.q. sneeuwvlokje niet de hele tijd, maar waait wat opzij en omhoog en krijgt zo genoeg tijd om aan te groeien. Dit verklaart dat geen enkel sneeuwvlokje op een ander vlokje lijkt en dat ze allemaal in grootte verschillen, maar dat de 6 takken van een vlokje onderling identiek zijn.

Beantwoord dit je vraag Sidney?

Dansende deeltjes (deel 2)

In deze miniserie getiteld ‘Dansende deeltjes’ beschrijven we drie manieren waarop het getal van Avogadro is bepaald. In het eerste deel zagen we dat hele kleine stuifmeelkorreltjes in water zich net zo gedragen als de moleculen in de lucht: des te hoger je in zo’n suspensie komt, des te lager de concentratie van de stuifmeelkorreltjes wordt. Hetzelfde gebeurt met de concentraties van stikstof, zuurstof en dergelijke als je hoger in de lucht komt. Uit dit fenomeen kon Jean Baptiste Perrin in 1909 de constante van Boltzmann bepalen, en daarmee het getal van Avogadro: N_\mathrm{A}= R / k_\mathrm{B}. In deze formule is R de gasconstante die wel bekend was.

Brownse beweging

In 1828 zag botanist Robert Brown dat er in de vacuoles (blaasjes gevuld met vloeistof) van stuifmeelkorrels iets zat, dat continu bewoog. Eerst dacht hij dat dit kwam doordat de stuifmeelkorrels op een of andere manier ‘levend’ waren. Echter, ook de stuifmeelkorrels van een plant die meer dan 100 jaar dood was, vertoonden dit vreemde gedrag. Ook niet-organisch materiaal zoals hele kleine glaskorreltjes vertoonde deze merkwaardige beweging. Met leven kon het dus niks te maken hebben. Maar waarmee dan wel? Lees verder Dansende deeltjes (deel 2)

Dansende deeltjes (deel 1)

avogadro_amedeoEen van onze vaste lezeressen vroeg zich af wat een mol is, en waar het getal van Avogadro vandaan komt.

Het is altijd goed om je af te vragen waar kennis vandaan komt. Hoe zijn we dingen, die nu voor ons heel normaal zijn, ooit te weten gekomen? Hoe zou je als 19e eeuwse chemicus kunnen aantonen dat water H2O is en geen HO of H2O2? Waarom weten we dat er twee waterstofatomen in een water molecuul zitten? Hoe weten we eigenlijk hoeveel atomen er in een bepaald volume of bepaalde massa zitten?

De constante van Avogadro heb je nodig als je wilt weten hoeveel moleculen (of atomen) er in m gram stof zitten. Er is afgesproken dat er in exact 12 gram koolstof precies één mol koolstof atomen zitten. Een mol koolstof is dus net zoiets als een dozijn, gros of krat bier. Alleen wéét je dat er in een krat bier 24 flesjes zitten. Maar hoeveel atomen er in een mol zouden zitten, wist men lange tijd niet. Deze hoeveelheid (het aantal atomen in exact 1 mol) zou men later de constante van Avogadro noemen en werd pas bepaald rond 1909. Maar hoe?

In deze mini-serie worden in de eerste twee delen twee manieren beschreven die men in die tijd heeft uitgevoerd en in het laatste deel zal worden uitgelegd hoe dat tegenwoordig gaat. Lees verder Dansende deeltjes (deel 1)

Het Standaardmodel en Higgs

Een Theorie van Alles zou mooi zijn. Geen geklier met uitzonderingen. Een set van regels waaruit de rest netjes volgt.

Ik wil graag uitleggen waarom het vinden van het Higgs boson zo belangrijk is en waarom CERN er zo enorm veel tijd en geld aan besteedt. Maar eerst moet ik wat anders uitleggen. Wat is een theorie van alles, waaruit bestaat een atoom en wat weten we (nog niet)?

Om de eerste vraag te beantwoorden kan ik het beste twee voorbeelden geven. De theorie van alles van de biologie is de evolutietheorie. Biologen noemen een ‘cel’ de kleinste eenheid van leven en de ontwikkelingen van cellen kunnen aan de hand van een set regels en wetten verklaren en voorspellen. Dat is heel mooi, want de wetenschap is  op zoek naar verklaringen van fenomenen, zodat later voorspellingen gedaan kunnen worden over wat er gebeurt als je kleine veranderingen maakt. Als de evolutietheorie onjuist zou blijken (zo erg dat hij niet aan te passen valt), zal de biologische wetenschap een enorme klap te verduren krijgen. Alsof je de onderste kaarten van een kaartenhuis weg slaat.

Een tweede voorbeeld van een alles omvattende theorie dat jullie natuurlijk allemaal kennen, is het periodiek systeem der elementen. Dmitri Mendelejev gaf in 1869 een lezing waarin hij een opzet gaf voor zijn systeem waarmee hij voorspellingen deed over niet-ontdekte elementen (wat betreft kleur, massa en reactiviteit). Fantastisch genoeg werden al snel deze elementen gevonden. Het mooie aan ons systeem is dat het uitlegt waarom elementen zich gedragen zoals ze zich gedragen. Natuurlijk zal ik uren over de filosofische waarde van het periodiek systeem kunnen schrijven, maar we gaan verder.

LHC
Deze afbeelding komt van Saturday Morning Breakfast Cereal

Het vinden van het Higgs boson zou het Standaard Model compleet (completer eigenlijk) maken. Het wat? Het Standaard Model is een set van theorieën van de theoretische natuurkundigen die de subatomaire wereld verklaard. We dachten altijd dat een atoom (een kern van protonen en neutronen, omgeven door een wolk van elektronen) de kleinste eenheid van materie was. Nu weten we dat protonen, neutronen en elektronen uit kleinere (subatomaire) deeltjes bestaan.

Het Standaard Model zegt dat er vier elementaire krachten bestaan: elektromagnetisme, zwaartekracht, zwakke kernkrachten en sterke kernkrachten. Alle andere soorten krachten en energieën volgen hieruit. De deeltjes waarover het Standaard Model handelt, veroorzaken deze krachten. Photonen zijn de ‘dragers’ van de elektromagnetische krachten, gluonen de sterke kernkrachten en Gauge bosonen de zwakke kernkrachten. Dit kunnen we allemaal aan met behulp van kwantumveld theorie. We weten dat er 19 natuurconstantes zijn en 16 soorten subatomaire deeltjes, die allemaal al eens gemeten en ‘gezien’ zijn, behalve het Higgs boson.

Nu heeft Newton ons verteld hoe zwaartekracht zich gedraagt, maar waar het vandaan komt, is een hele lange tijd een mysterie gebleven. Newton vertelde wel dat de massa van een deeltje belangrijk is. Einstein heeft ons vorige eeuw gelukkig verteld hoe zwaartekracht zich in het algemene geval gedraagt (en niet alleen voor grote objecten bij niet-grote snelheden). Einsteins theorie heet de (Algemene) Relativiteitstheorie.

En hier gaat het mis. De relativiteitstheorie en de kwantumveld theorie gaan niet samen. Ze spreken elkaar tegen. Eén van twee is niet compleet of deels fout. En we weten ook al dat Einstein gelijk had. Voel je waar dit pijn doet? De theoretisch natuurkundigen hebben een mooie Theorie van Alles (Het Standaard Model) dat een paar andere theorieën omvat (waaronder kwantumveld theorie). Nu is dit model bijna rond (met het vinden van het Higgs boson), maar we weten al langer dat er een andere theorie is die meer juist is. Wat nu?

We hebben dus een hoop rotzooi, zitten een beetje vast en hebben geen idee waar we heen moeten. En zijn nog genoeg andere fundamentele dingen uit te zoeken, maar dit loopt wel dood. Snaar Theorie schijnt een deelnemer te zijn voor een alternatieve Theorie van Alles, maar die is experimenteel niet na te gaan. Wat heb je daar nou aan? Eerst niet veel in ieder geval.