Американские физики описали дешевый и точный эксперимент по количественному измерению законов диффузии с помощью проникновения пищевого красителя в сваренные вкрутую яйца. Для этого они мариновали сваренные и очищенные яйца различное количество времени, после чего разрезали их и фотографировали окрашенный слой. Исследование опубликовано в American Journal of Physics.
Сложная физика не всегда требует дорогостоящего оборудования, чтобы ее изучать. Этот факт открывает доступ к физическим явлениям для учащихся школ и университетов, которые не могут себе позволить дорогое оснащение своих лабораторий. По этой причине множество физиков заняты поиском дешевых и простых экспериментов, с помощью которых, однако, можно изучать достаточно сложные феномены. Мы уже рассказывали как пружина, консервная банка и смартфон помогают изучать акустическую дисперсию, а вафли с карамелью в шоколадной глазури — композитные материалы.
Сложнее обстоит дело с диффузией, то есть процессом, с помощью которого вещество переносится из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией в результате хаотического броуновского движения. Простая демонстрация диффузии состоит в том, чтобы выпустить пахучее вещество в воздух или каплю красителя в стоячую воду, а затем измерить расстояние, пройденное запахом или красителем с течением времени с помощью носа или глаз учащихся. В таком опыте можно измерить коэффициент диффузии, если построить зависимость этого расстояния от времени и провести подгонку теоретической кривой. Главным препятствием на этом пути стала низкая точность измерения из-за флуктуирующего характера концентрации и неприборного измерения, а также сложность учета температуры
Сан-Чжин Ре (Sangjin Ryu) с коллегами из Университета Небраски в Линкольне предложили оригинальный способ для решения этой проблемы, использовав для этого маринующиеся куриные яйца, сваренные вкрутую. В их опыте белок выступал в качестве среды, в которую диффундировали молекулы пищевого красителя, поступающего из маринада. Главной особенностью эксперимента стала возможность фиксации результатов диффузии с помощью разреза яйца и измерения глубины проникновения с большей точностью.
Для начала физики приготовили раствор, смешав 25 миллилитров красного пищевого красителя марки Tone’s с 1,25 литрами воды. В контейнер с раствором они помещали 12-15 сваренных и очищенных яиц, закрывали его пластиковой пленкой и фольгой и держали при трех различных температурах: 4 градуса (холодильник), 21 градус (комнатная температура) и 60 (печь). Исследователи доставали яйца через определенные промежутки времени, аккуратно разрезали их вдоль и фотографировали с помощью цифровой камеры.
Каждое изображение подвергалось цифровой обработке с помощью пакета MATLAB. Обработка включала в себя перевод изображения в градации серого и пороговую фильтрацию с параметром 0,3 для получения резкой границы диффузии, а также дополнительной фильтрации различных дефектов в яйце. Физики определяли минимальное расстояние между каждой точкой получившейся границы и границей яйца, усредняли его и строили график зависимости этого расстояния от времени.
Эта зависимость была пропорциональная квадратному корню от времени, что согласуется со вторым законом Фика, примененным к диффузии красителя в полубесконечное пространство. Коэффициент пропорциональности оказался равен 0,41, 0,52 и 1,64 миллиметров, деленных на квадратный корень из часа, для 4, 21 и 60 градусов, соответственно. Поскольку он пропорционален квадратному корню из коэффициента диффузии, эксперимент свидетельствует о росте последнего с ростом температуры.
Диффундировать могут не только молекулы, но и свет. Недавно мы рассказывали, как с помощью этого механизма агрономы измеряют красноту яблок, не разрезая их.
Марат Хамадеев
Значимость обнаружения составила 3,7 стандартного отклонения
Немецкие физики смогли обнаружить сигнал от упругого когерентного рассеяния реакторных антинейтрино на ядрах атомов при помощи германиевого детектора CONUS+. Статистическая значимость обнаружения составила 3,7 стандартного отклонения. Результаты работы доступны на сайте препринтов arXiv.org.