Konceptuella tankenötter inom naturvetenskap

Har ni förslag på problem och tankenötter inom naturvetenskap (ej matematik) där man inte behöver räkna men man behöver använda lite fysikaliska/kemiska/biologiska koncept?

Svårighetsgraden kan gärna variera, det jag är intresserad av är frågor man kan ställa för att testa förståelse. Jag älskar att samla på alla slags sådana problem.

Exempel på tre sådana frågor av varierande svårighetsgrad

* Varför känns stål vid rumstemperatur kallare än trä vid rumstemperatur?

* Varför ramlar inte luften ned?

* Varför borde järn inte vara magnetiskt vid tillräckligt högt tryck?

hmm, den tredje förstår jag faktiskt inte. Menar du magnetiskt eller para-magnetiskt?

* Varför är luften i ett rum blandad, så att inte koldioxid hamnar nederst osv.
* ++ verkar repellerande, hur hålls då protonerna i atomkärnan ihop?

Jag menar varför järn inte borde vara ferromagnetiskt, alltså som en permanentmagnet, vid höga tryck.

Huruvida en metall som järn är ferromagnetiskt eller inte brukas beskrivas i Stonermodellen där man får ferromagnetism om

I*N(e_F) > konstant (konstanten är ~1)

där I är den s k utbytesintegralen och N(e_F) är tillståndstätheten vid fermiytan. Utbytesintegralen är främst en intra-atomär storhet och inte en inter-atomär storhet så den borde inte förändras så mycket då trycket ökar och atomerna kommer närmare varandra. Anledningen till att järn är ferromagnetisk medan ex. Zn inte är det är att N(e_F) är stort. Nedan förklaras varför.

Järn är en övergångsmetall där d-skalet inte är helt fyllt av elektroner och det kan därför ha ett magnetiskt moment. Då d-elektronerna är ganska starkt bundna till kärnan (lokaliserade) om man jämför med s-elektroner (delokaliserade) så bildar de ett energiband som är ganska smalt, det har liten energibredd. Om det hade varit en ensam atom så hade vi haft helt diskreta energivärden och hade vi haft helt fria elektroner så hade energibredden varit oändligt (och vi hade bara haft ett enda skal). Ska vi få plats med hela 10 elektroner i ett smalt energiband måste tillståndstätheten vara hög eftersom antalet tillstånd ges av N(e)*W där W är bredden av d-bandet. Antar vi att N(e) inte varierar alltför kraftigt bör således N(e_F) vara stort. I Zn däremot är d-skalet helt fullt och N(e) vid e_F bestäms av s-skalet egenskaper och på grund av ovanstående argument är N(e_F) därför liten.

När vi sedan trycker ihop materialet kommer atomerna närmare varandra och d-elektronernas vågfunktioner överlappar varandra mer. Detta leder till ökad grad av delokalisering och ett bredare d-band. Eftersom antalet elektroner är konstant måste bredare band svara mot lägre tillståndstäthet och när avståndet mellan atomerna är tillräckligt litet (trycket) tillräckligt högt måste vi till slut ha I*N(e_F) < 1.

Det här var alltså lite krångligare än de andra

Är det meningen att man skall svara här eller?

Frågorna ska testa förståelse? Du menar alltså att det ska vara något man inte lärt sig rakt av, utan att man måste klura sig fram till svaret genom att ha vissa förkunskaper? Då beror det ju HELT på vilken målgrupp du har.

Ja givetvis. I början av tråden skrev jag att det gäller alla möjliga nivåer i alla naturvetenskapliga discipliner. Det innebär inte att alla frågor är möjliga.

Nej, det är meningen att du ska ge egna exempel.

Men om du tycker att det är kul att svara så kan du göra det så kan vi diskuetar svaren också. Detta var dock inte huvudsyftet med tråden.

"Varför kokar vatten vid en lägre temperatur om man är på toppen av Mount Everest?"

Ovanstående kanske är kul att fundera på

Snälla berätta! Varför ramlar inte luften ner?

Det finns redan luft längre ner?

- Om du bränner en hög ved frigör du en viss mängd energi. Om du bär upp samma hög ved på en bergstopp så har du ökat dess lägesenergi. När du bränner veden frigör du lika mycket energi som förut. Vart tog lägesenergin vägen?

- Du köper mat på en lunchrestaurang och tar ditt kaffe samtidigt som maten, men tänker dricka det efter maten. Du gillar mjölk i kaffet. Du gillar så varmt kaffe som möjligt. För att kaffen skall hålla temperaturen bäst, skall du hälla i mjölken direkt när du tar det, eller först när du skall dricka det? Mjölken har rumstemperatur.

- En människa består till ca 60 % av vatten. När du dricker ett glas vatten, hur många av vattenmolekylerna i glaset har en gång varit del av filosofen Aristoteles kropp?


Det finns fler där de här kom ifrån. Det är intressanta frågor, och speciellt den sista har ett oväntat, och intressant, svar.

Jo, men luften är ju rätt så gles, så den övre luften borde väl kunna ramla ner genom den lägre?