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Marginalia, Physik im Alltag und Naturphänomene

Ein kristallener Weihnachtsbaum

TannenbäumeManchmal sind Weihnachtsbäume sehr unauffällig. Diese feingliedrigen „Bäume“ fand ich in einer Regentonne, die noch etwas Wasser enthielt, als der Frost einsetzte. Die Bäume verdanken sich dem Wechselspiel von Zufall und Notwendigkeit. Die zufälligen Bewegungen, mit denen sich die Wasser(dampf)moleküle auf den wachsenden Eiskristall zu bewegen und dort andocken, werden durch die Notwendigkeit eingeschränkt, der hexagonalen Symmetrie der Wassermoleküle Rechnung zu tragen. Weil außerdem bei der Kristallisation verhältnismäßig viel Energie frei wird, findet das Wachstum insbesondere an den extremalen Stellen statt, von denen die Energie leichter an die Umgebung abgegeben werden kann. Auf diese Weise wachsen die kristallenen Äste möglichst von der bereits bestehenden Konstruktion weg, was in der weihnachtsbaumartigen Struktur der Kristallplättchen ihren Niederschlag findet. (Die Abmessungen der Bäumchen betragen etwa 5 bis 10 cm).
Weil auch das Wachstum eines realen Weihnachtsbaums durch die Notwendigkeit mitbestimmt wird, dass die hinzukommenden Blätter möglichst viel Licht erhalten, ist die Strukturähnlichkeit kein Zufall.
Neben diesen groben Bauregeln spielen beim Anbau weiterer Kristalle die äußeren Parameter wie Feuchte und Temperatur eine wesentliche Rolle. Sie entscheiden darüber, ob filigrane Kristallstrukturen wie bei den Schneeflocken dominieren oder eher flächenhafte Plättchen wie im vorliegenden Fall.
In einem früheren Beitrag haben wir bereits auf weihnachtsbaumartige Kristallisationen hingewiesen, die in dem Fall auf einer verharrschten Schneedecke entstanden waren.

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Diskussionen

10 Gedanken zu “Ein kristallener Weihnachtsbaum

  1. hexagonalen Symmetrie der Wassermoleküle – das habe ich noch nie gehört. H2O, das habe ich noch nie mit einer irgendwie gearteten Geometrie verbunden.

    Fein finde ich, daß an den Rändern angebaut wird, weil da Energie der Kristallisation besser abgegeben werden kann. ICh selbst kann auch einen leichten Zuwachs meines physikalischen Verständnisses konstatieren, das macht Laune 🙂

    Verfasst von kopfundgestalt | 23. November 2018, 20:32
    • Diese Geometrie von Molekülen, bedingt durch unterschiedlich starke Wechselwirkungen an bestimmten Stellen in den Molekülen, sind in der Tat entscheidend für die makroskopischen Strukturen der Stoffe.
      Ich bewundere dein Interesse und dein Einfühlungsvermögen in physikalische Probleme! Das zeigt sich vor allem in deinen Fragen. 🙂

      Verfasst von Joachim Schlichting | 23. November 2018, 21:48
      • Du willst mich in die Physik locken, aber ich bin schon gelockt, haha.
        Wo kann ich das denn nachlesen, diese Übersetzung der Molekülform aufs Makroskopische?
        (Übrigens bin ich ab morgen wieder im
        WLAN- Niemandsland ;-))

        Verfasst von kopfundgestalt | 23. November 2018, 23:16
      • Auf Anhieb fällt mir nur der Wikipedia-Artikel zum „Wasser“ und ergänzend „Eigenschaften des Wassers“ ein. Dort sind räumliche Strukturbilder des Wassermoleküls zu sehen, die sich zu ganz bestimmten Clustern zusammensetzen. Stark vereinfachet kann man sich den Aufbau der makroskopischen Struktur vielleicht so vorstellen wie man aus manchen räumlichen Puzzles aus den Grundelementen (Würfel, Tetradeder u.ä.) definierte makroskopische Gebilde herstellen kann. Das ist aber nur ein grobes Bild; letztlich spielen auch unanschauliche quantenmechanische Prinzipien eine Rolle.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 24. November 2018, 10:37
      • Diese quantenmechanische Prinzipien tragen „unterstützend“ zur makroskopisch hexagonalen Struktur bei?!

        Danke für den Hinweis auf Wikipedia 🙂

        Verfasst von kopfundgestalt | 24. November 2018, 12:16
      • Ja, letztlich ist die Quantenmechanik (wenigstens zur Zeit) die ultimative physikalische Grundlage aller physikalischen Gegenstandsbereiche. Und da das Makroskopische letztlich auf der mikroskopischen Grundstruktur beruht, gilt das auch für den Bereich unserer unmittelbaren Wahrnehmungen. Hier genügen allerdings meist klassisch physikalische Prinzipien zur Beschreibung, die den Vorteil einer weitgehenden Anschaulichkeit und Einfachheit in der „Handhabung“ besitzen. Wer würde schon im Brückenbau mit Lösungen der Schrödinger-Gleichung arbeiten wollen?

        Verfasst von Joachim Schlichting | 24. November 2018, 12:39
      • Ich hatte mal vor 1- 2 Jahren ein aktuelles Buch zur Quantengraviation gelesen, so etwa drei Fünftel des Buches. Es wurde dann für mich – leider – nicht mehr fassbar, bzw. hatte ich nervöserweise nicht die Geduld, mir selbst durch Nachschlagen im Netz nachhaltig zu helfen.

        Verfasst von kopfundgestalt | 24. November 2018, 14:17
      • Kein Wunder, wenn du dir gleich eines der schwierigsten und bis heute noch nicht gelösten Probleme aussuchst. Das Problem ist außerdem, dass man als Laie anschauliche Bilder braucht, die alle auf irgendeine Weise nicht stimmen. Der Physiker gibt sich mit Formeln zufrieden.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 24. November 2018, 14:37
      • An den Anschauungsbeispielen blieb ich hängen. Schon beim sog. „Quantenschaum“, da kam ich nicht mit. Mich macht das dann ZU nervös, was eindeutig ein zu vermeidenter Fehler ist. Ich gebe eigentlich – in letzter Zeit – nicht leicht auf.

        Verfasst von kopfundgestalt | 24. November 2018, 15:55

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  1. Pingback: Wasser in kristallinem Gewand | Die Welt physikalisch gesehen - 21. Dezember 2016

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