» «

פרופ' דן שכטמן

גביש כמו-מחזורי
מה לגבישים קריסטליים ולחתך הזהב?



תגליתו הגדולה של זוכה פרס נובל הישראלי דן שכטמן הם הגבישים הכמו-מחזוריים או בשפת הכימאים "קוואזי-גבישים" (quasicrystals) או "גביש קווזיפריודי".

הכל התחיל בבוקר אחד בחודש אפריל 1982. כשהביט במיקרוסקופ האלקטרוני שלו, ראה דן שכטמן סידור אטומים שהיה מנוגד לחלוטין לחוקי הטבע. הוא הרי למד תמיד שהאטומים שבגבישים מוצקים יוצרים תמיד תבניות סימטריות, שחוזרות על עצמן שוב ושוב, באופן מחזורי. התבניות שהוא ראה היו סדירות ותואמות את חוקי המתמטיקה, אך הן לא חזרו על עצמן אף פעם.

שכטמן גילה גביש כמו-מחזורי. בניגוד לגבישים רגילים, שהם בעלי סריג מחזורי, הגביש הכמו-מחזורי הוא בעל סימטריה בתבניות סדורות שלא חוזרות על עצמן אף פעם. בקוואזי-גבישים כאלו ראה שכטמן מעין פסיפסים שהזכירו לו את הפסיפסים והעיטורים שמקובלים באמנות הערבית מאז ימי הביניים, כאלה שניתן לראות במסגדים ובארמונות ערביים, מארמון אלהמברה שבדרום ספרד ועד ארמונות הפאר שבאיראן. אלא שבקוואזי-גביש הם משוכפלים פעם אחר פעם ברמת האטום!

כשפרסם שכטמן את ממצאיו טענו חוקרים ומומחים בתחום שהתצורה שגילה היא בלתי אפשרית ולא הגיונית. הכימאים התרגלו שהחזרה והמחזוריות הן חלק בלתי נפרד מהמבנה של הגביש וכאן בא המדען הישראלי וטוען שלא כך הדברים. הוא מצא את עצמו במוקד של מתקפה מדעית. במשך שנים רבות נאלץ להיאבק כנגד המומחים והידע המקובל בתחום המדעי. במהלך המאבק, שלא תמיד היה נעים, הוא מצא עצמו מגורש מקבוצת המחקר שלו. קביעותיו המדעיות נראו לרבים בעייתיות, אבל הוא עמד על שלו וסיפק הסברים וממצאים שהלכו וחיזקו את דעתו.

טיפין טיפין החלו הדעות משתנות. דן שכטמן אילץ את עולם הכימיה לשקול מחדש את התפיסה המקובלת בנוגע לטיבו הבסיסי של החומר. כשזכה בשנת 2011 בפרס נובל לכימיה על תגלית זו, הוא קיבל סוג של הכרה בכך שהוא ניצח במאבקו והצליח לשנות את הדעה המקובלת לגבי הכימיה של חומרים מוצקים.

כיום נמצאו הוכחות רבות לממצאיו של שכטמן. מדען אחד מצא את הגבישים הללו במינרלים שהוציא מנהר רוסי. מדענים אחרים יצרו גבישים קריסטליים כאלו באופן מלאכותי במעבדה. חוקרים אחרים מצאו שהקוואזי גבישים מחזקים את סוגי פלדה מסוימים והופכים אותה מחושלת וחזקה במיוחד. גם התעשייה כבר נערכת להשתמש בגבישים הללו לייצור של מכשירים חזקים מאי-פעם.

מדענים רבים מצאו בקוואזי-גבישים של שכטמן את "יחס הזהב", או בשמו הנוסף "חיתוך הזהב". היחס זה, שמאז יוון העתיקה השתמשו בו אדריכלים, אמנים ומהנדסים בתרבויות שונות ובהקשרים מגוונים, מופיע גם בגיאומטריה וגם בטבע (קראו עליו באאוריקה בתגית "חיתוך הזהב"). בקוואזי-גבישים מופיע חתך הזהב ביחס שבין המרחקים השונים שבין האטומים של הגבישים.


הנה סיפורם של הקוואזי-הקריסטלים של דן שכטמן:

https://youtu.be/TBaNHQKMoys


בשיר (עברית):

https://youtu.be/Z2E59W4OmI0


אנימציה של קוואזי-גבישים:

https://youtu.be/W_ufqM-V84o


ויחס הזהב עצמו מקורו בטבע (מתורגם):

https://youtu.be/_cIlomNxxig
מבנה החומר
מהו מבנה החומר?



החומרים בעולם מגוונים ושונים זה מזה, בתכונות, במרקם וכדומה. אבל בואו נציץ בסיבות שהם שונים, באבני היסוד הבסיסיות ביותר של החומר ובחלקיקים הזעירים ביותר שהמדע מכיר. בואו נביט למרכיבים של האטומים ושל המולקולות.

כל החומרים בעולם מורכבים ממולקולות. המולקולות הללו בנויות מאטומים. את האטומים עצמם מרכיבים פרוטונים, נייטרונים וענן של אלקטרונים מסביבם.

לרוב לא מזכירים את זה אבל גם הפרוטונים והנויטרונים מורכבים מחלקיקים זעירים יותר שנקראים קוורקים, או קווארקים. נכון להיום, הקוורקים הם החלקיקים הקטנים ביותר שהמדע מכיר. בניגוד לחלקיקים שיכולים להיות לבד בטבע, כמו האלקטרונים, הנויטרונים והפרוטונים, הקוורקים באים תמיד בזוגות או בשלשות. ככל הידוע לא ניתן למצוא קוורק בודד בטבע, או להפרידו. החשוב לעניין מבנה החומר הוא שהקווארקים נמשכים זה לזה ויוצרים את הפרוטונים והנויטרונים,

האחרונים מתחברים במינונים שונים ובכל הרכב של ניוטרונים ופרוטונים הם יוצרים גרעין של אחד מהיסודות הכימיים, אלו שמוצגים כל כך יפה בטבלה המחזורית. לכל יסוד בה יש מספר אטומי משלו.

דוגמאות? - בואו נראה: מימן למשל מכיל פרוטון אחד (מה שאומר שמספרו האטומי יהיה גם הוא 1). אם יהיו שני פרוטונים אז זה כבר גרעין של הליום ואתה כבר יודעים מה מספרו האטומי, נכון? (צודקים - התשובה היא 2). נמשיך ב-6 פרוטונים שיש לגרעין הפחמן ושמונה לחמצן וכן הלאה.

אגב, לא פעם בגרעין האטום משתנה המספר של הנויטרונים. למשל באטום פחמן יכולים להיות מספרים שונים של נויטרונים. ההבדלים הללו יוצרים איזוטופים - כולם פחמן אבל בעוד שהפעילות הכימית שלהם זהה, המאפיינים הפיזיקליים שלהם הם לא פעם שונים. כך יש איזוטופים של פחמן שהם יציבים, בעוד שאחרים הם רדיואקטיביים. התכונות הללו שימושיות לא פעם, כמו במקרה של פחמן 14, שבזכותו ניתן לתארך את גילם של מאובנים וממצאים ארכיאולוגיים. יש כמובן איזוטופים אחרים, לא רק לפחמן. ביניהם כלור 35, כלור 37 ועוד.

נחזור לגרעין. יש בו לרוב מספר דומה של פרוטונים ונויטרונים. אבל מה בדיוק תפקידם של הנויטרונים?

ובכן, הנויטרונים מסייעים לפרוטונים להיצמד אלו לאלו, בניגוד לנטייה הבסיסית שלהם לדחות זה את זה, בשל המטען החשמלי השונה של פרוטונים שונים.

האטום נוצר מחיבור של פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי לאלקטרונים בעלי מטען שלישי. באטומים נייטרליים מבחינה חשמלית יש מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים. כלומר, באטומים כאלה ייקשר אלקטרון שלילי אחד עם כל פרוטון חיובי. לכן יהיו בכל יסוד מספר דומה של אלקטרונים ופרוטונים והאטום שלו יהיה נייטרלי.

מדע הכימיה מכיר בכ-90 יסודות יציבים.


הנה תיאור מבנה החומר (מתורגם):

https://youtu.be/LE9Rmij-avM


סקירה על מבנה האטום (מתורגם):

https://youtu.be/mY1AMxUPhB8


כך נקשרים ביניהם אטומים לחלקיקים (מתורגם):

http://youtu.be/NgD9yHSJ29I?t=6s


תכנית חינוכית על מבנה החומר עם פרופסור דן שכטמן:

https://youtu.be/D2knuNloXH8?long=yes


וד"ר שקמה שוורצמן מסבירה את החומר בצורה יפה ומקורית - בעזרת מוסיקה:

https://youtu.be/m5GKw93EL9M?long=yes
מצב צבירה
מהם מצבי הצבירה - מוצק, נוזל וגז?



מצב צבירה של חומר הוא אחד מהמצבים המרכזיים של החומר. חומר יכול להיות במצב צבירה אחד.

מצבי הצבירה המוכרים הם: מוצק, נוזל וגז. אבל יש גם את הפלזמה, שהוא מצב הצבירה הרביעי והפחות מוכר.

בין מצבי הצבירה השונים יש הבדלים משמעותיים. המעבר ממוצק לנוזל נקרא התכה, בעוד המעבר מנוזל לגז נקרא רתיחה או התאדות. ישנם גם שמות למעברים ההפוכים: עיבוי הוא המעבר מגז לנוזל, בעוד המעבר מנוזל למוצק היא התמצקות או הקפאה.


הנה סרטון שמסביר ומדגים מהם מצבי הצבירה ומה ההבדלים ביניהם (מתורגם):

http://youtu.be/DWg9k5RqUyM


כך נקבעים הלחץ והטמפרטורה על ידי מהירות האטומים של הגז (עברית):

https://youtu.be/jWV_kRCUt4M


והתכנית "להיות מדען עם פרופסור דן" בפרק על מצבי צבירה (עברית):

http://youtu.be/D2knuNloXH8?long=yes


אֵאוּרִיקַה - האנציקלופדיה של הסקרנות!

העולם הוא צבעוני ומופלא, אאוריקה כאן בשביל שתגלו אותו...

אלפי נושאים, תמונות וסרטונים, מפתיעים, מסקרנים וממוקדים.

ניתן לנווט בין הפריטים במגע, בעכבר, בגלגלת, או במקשי המקלדת

בואו לגלות, לחקור, ולקבל השראה!

אֵאוּרִיקַה - האנציקלופדיה של הסקרנות!

שלום,
נראה שכבר הכרתם את אאוריקה. בטח כבר גיליתם כאן דברים מדהימים, אולי כבר שאלתם שאלות וקיבלתם תשובות טובות.
נשמח לראות משהו מכם בספר האורחים שלנו: איזו מילה טובה, חוות דעת, עצה חכמה לשיפור או כל מה שיש לכם לספר לנו על אאוריקה, כפי שאתם חווים אותה.