Kepler és a hókristályok

Borka László
2016. 12. 13.
Megosztás


Miért hatszögűek a hókristályok? - «Furcsa, hogy minden hókristály hatszögű» - mondta magában Kepler,mikor hóesésben hazafele sétált a szép Károly hídon Prágában. Fekete télikabátján jól látta a hópelyheket. Johannes Kepler udvari csillagász volt II. Rudolf császárnál Bohémiában, a mai Csehországban. Rosszkedvű volt, mert a császár hivatala nem utalta át fizetését. Hogy pénzhez jusson, elhatározta, hogy ír egy tanulmányt a hóról. Kepler ki is adta ezt az esszét 1611-ben. Ez az első tudományos leírás arról, hogy a hókristályok hatszögletűek. Egy kínai írás Krisztus előtti időkből említést tesz ugyanerről, de nem ilyen pontosan.


Kepler elsősorban csillagász és matematikus volt,  de akkoriban egy tudóst az egész Természet érdekelte. Feltette a kérdést, hogy mi lehet az oka ennek a szabályosságnak. A hatszög leírása helyes volt, de ennek okát nem tudta megadni. A magyarázat csak 300 évvel később jött, mikor az atomok csodálatos világára fény derült.

A magyarázat a víz molekulájához kötődik, a H2O-hoz. Ez egy kis, de nagyon speciális molekula. Két hidrogénatom  kötődik az oxigénatomhoz. A két H közötti szög  104,9 fok. Ha két vízmolekula közel kerül egymáshoz, akkor az egyik molekula hidrogénatomja egy gyenge kötéssel kötődni fog a másik molekula oxigénjéhez. Ezt a gyenge kötést hidrogénkötésnek nevezzük és ez itt a kulcsszó. Ahogy a víz lehűl és hőmérséklete a fagyponthoz közeledik, egyre több hidrogénkötés lép fel  és egy hatszögű rendszer alakul ki. Ilyen körülmények között formálódik az első hókristály  magja. A forma kezd sokasodni  míg a kristály olyan nagy lesz, hogy szabad szemmel láthatjuk.
De csak  hatszögletű kezdeti forma sokasodhat.

Miért? Meglephet bennünket, de csak 3 mértani forma sokasodhat egymáshoz  simulva. Ez a háromszög, a négyszög és a hatszög. Ha egyenlő szárú háromszögeket rajzolunk, végtelen sok háromszöget rajzolhatunk egymás mellé. A sakktábla pedig mutatja, hogy a négyszögek is sokszorozhatók. Végül a méhek pontos hatszögekből felépített lépére gondolhatunk, ahol a hatszögek illenek egymáshoz.  Így illenek a hókristályok hatszögei is egymáshoz.

Tudnának a hókristályok háromszögekből, vagy négyszögekből felépülni? Nem, mert ez nem felelne meg a vízmolekula formájának. A két hidrogénatom közti szög és a hidrogénkötés hatszöget eredményez. Egyik  a másik után,egész addig, míg látható  hókristály lesz, közepén mindig egy kis hatszög.

Kis lapok is előfordulnak, de sokkal gyakoribbak a szép csillagok, millió  variációval. A formagazdagság  a levegő páratartalmától, hőmérsékletétől és a légnyomástól függ.
Nézzünk meg  nagyítóval egy hópelyhet s annak  finom szerkezetét.

Referancia:
- Foto: Wilson A. Bentley: Snow Crystals, 1931
- Ola Nilsen: Snøkrystaller. Apollon, 2012.02.01

Borka László




Kepler és a hókristályok - Borítókép
Kepler és a hókristályok - Borítókép