ראשי > כללי > שלוש סיבות לא לטבול אצבע בספל קפה – על מדידת טמפרטורה בסקלה ננומטרית

שלוש סיבות לא לטבול אצבע בספל קפה – על מדידת טמפרטורה בסקלה ננומטרית

איך מודדים טמפרטורה?

טמפרטורה היא מושג חמקמק למדי, אבל בואו ונניח לשם פשטות שהכוונה היא ל-'חם' ו-'קר', ול-'חם יותר' ו-'קר יותר'. אלה הן התחושות שאנחנו חווים בזמן אחיזת ספל קפה חם או קוביית קרח קרה.

איך נוכל לדעת איזה משני ספלי קפה חם יותר?

הדרך הפשוטה ביותר היא לטבול אצבע בכל אחת מהן ולהרגיש מי יותר חמה. ישנם מספר חסרונות בולטים לשיטה זאת. תחושות הגוף תלויות במצבו של הגוף ובמה שהוא חווה קודם, למשל אם האצבע היתה במגע עם משהו קר או חם. כמו כן, המדידה אינה כמותית. קשה להשוות את התוצאה של היום למדידה של מחר. ודבר אחרון, האצבע מזהמת את כוסות הקפה ולא בטוח שנרצה להגיש אותן כך.

Latte
תמונה 1: כוס קפה לאטה. איזה יופי. לא הייתם דוחפים לזה אצבע, נכון? המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Coffeecupgals.

הפתרון הוא להשתמש בתרמומטר (מדחום). לא ניתן למדוד טמפרטורה באופן ישיר, לכן התרמומטר מודד תופעה פיזיקלית אחרת שתלויה בטמפרטורה, ולאחר מכן ממיר את המדידה באופן כמותי לטמפרטורה. בתרמומטר כספית או אלכוהול, למשל, נעשה שימוש בכך שנפח נוזלים גדל בתגובה לעליית הטמפרטורה שלהם. אם כך, נסגור טיפת כספית בתוך צינור זכוכית דק וכאשר נטבול אותו במים חמים נפח הכספית יגדל והיא תטפס במעלה הצינור. נשרטט על הצינור סרגל מספרים ונשתמש בו לכמת את הגובה שאליו עולה הנוזל בטמפרטורות שונות. ישנן כמובן תופעות נוספות שמשמשות לבניית מדי-חום כמו תלות התנגדות חשמלית של חומרים מסוימים בטמפרטורה, ותופעות תרמו-אלקטריות בצמד חומני.

***

מה יקרה אם ננסה למדוד את הטמפרטורה של טיפת כספית באמצעות תרמומטר הכספית שלנו? אם בכלל נקבל קריאה, סביר להניח שהיא תהיה שגויה. גרוע מכך, הטמפרטורה של הטיפה עלולה להשתנות עקב המגע עם התרמומטר. חזרנו לאצבע שמזהמת את כוס הקפה.

מה השתבש?

תרמומטר כספית יעבוד היטב רק כאשר הגוף המודד (טיפת הכספית) קטן מאוד ביחס לגוף הנמדד וכך בשיווי משקל יקבל את הטמפרטורה שלו, ללא גרירת שינוי בגוף הנמדד. לדוגמה, כאשר אנחנו שמים מדחום בפה, טיפת הכספית קטנה והפה גדול. עקב כך, בשיווי משקל טמפרטורת הטיפה משתווה לזאת של הפה, וטמפרטורת הפה לא משתנה באופן מהותי.

אחד הפתרונות למדידת טמפרטורה של גוף קטן הוא להשתמש בשיטה שלא דורשת מגע בין הגלאי לבין הגוף הנמדד. למיטב ידיעתי, רוב השיטות למדידת טמפרטורה ללא מגע מבוססות על חישה של קרינה כלשהי שנפלטת מהגוף ותלויה בטמפרטורה. השיטה המוכרת ביותר היא חישה של קרינה בתחום אינפרא-אדום שנפלטת באופן טבעי מכל גוף בעל טמפרטורה. לאחר שפותחו גלאים רגישים מספיק לקרינה זאת קיבלנו מדי-חום לתינוקות ומצלמות תרמיות לאיתור חולי שפעת בשדות תעופה. שיטה נוספת היא הוספה של חלקיקים מיוחדים פולטי אור, למשל זרחן, לגוף הנמדד. את המערכת מאירים באור UV או בלייזר ובוחנים את פרופיל דעיכת האור הנפלט מהחומר הזרחני. אופי הפרופיל תלוי בטמפרטורה. ישנן דרכים נוספות כמו שימוש בפיזור ראמאן ושיטות אחרות.

Infrared_dog
תמונה 2: תמונה באינפרא-אדום של כלב קטן. המקור לתמונה: נאס"א, דרך ויקיפדיה.

***

בעידן המיקרואלקטרוניקה מודפסים מיליוני טרנזיסטורים על גבי פרוסות הסיליקון שהן השבבים שמפעילים את המחשבים שלנו. גודלם של טרנזיסטורים בודדים יכול להגיע כיום לכ-20 ננומטר ואף פחות (ננומטר = לחלק מטר תשע פעמים ב-10 = קטן מאוד). כל שיטות המדידה של טמפרטורה באמצעות קרינה מבוססות על סוגים של אופטיקה ובשל כך כושר ההפרדה שלהן חסום על ידי גבול הדיפרקציה. מכיוון שהגבול הוא מסדר גודל של אורך הגל, לא נוכל למדוד טמפרטורה עבור אזור קטן מגודל זה. הטרנזיסטורים קטנים מאורך הגל של קרינה אינפרא-אדומה ושל אור נראה, ולכן לא נוכל למפות את פילוג הטמפרטורה על גבי שבבי הסיליקון בדיוק מרחבי של טרנזיסטור בודד.

לבעיה הזאת יש פתרונות, אם כי רובם עדיין בתהליכים של מחקר ופיתוח. Scanning thermal microscopy היא שיטה שמנצלת מכשיר אחר שנקרא מיקרוסקופ כוח אטומי. מיקרוסקופ זה סורק את פני השטח של גוף באמצעות מחת ננומטרית, בדומה למחט הסורקת את פניו של תקליט. רוחבו של קצה המחט הוא כמה עשרות ננומטרים. המיקרוסקופ יכול למפות את פני השטח ברזולוציה מרחבית שנתונה על ידי רוחב הקצה. על ידי הרכבת מד-טמפרטורה על קצה המחט ניתן למפות גם את הטמפרטורה ברזולוציה מרחבית ננומטרית.

AFM_(used)_cantilever_in_Scanning_Electron_Microscope,_magnification_1000x
תמונה 3: מחט של מיקרוסקופ כוח אטומי הנמצאת בקצה של קורה קפיצית. התמונה צולמה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק בהגדלה פי 1000. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Materialscientist.

שיטה אחרת נקראת Near-field scanning optical microscope, ובה יש שימוש בסיב אופטי שמוחזק קרוב למשטח ומודד גלים דועכים שקורנים החוצה מהחומר ונעלמים במרחק קצר מאוד. שתי השיטות האלה מסוגלות להגיע לרזולוציה מרחבית של 50 ננומטר ואפילו פחות. ישנן שיטות נוספות שמפאת קוצר היריעה והגבלת שטף הניים-דרופינג אינני מזכיר.

***

לפני מספר שבועות התפרסם מאמר במגזין המדעי הנחשב Science שהציג שיטה אחרת למדידת טמפרטורה בסקלה ננומטרית. השיטה עושה שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים חודר וברגישות של האנרגיה של קווזי-חלקיקים שנקראים פלזמונים לטמפרטורה. היא מבוססת על מדידת איבוד אנרגיה של אלקטרונים שעברו דרך החומר ועל התלות של התופעה בטמפרטורה. כותבי המאמר טוענים שהשיטה שלהם טובה יותר מהאחרות.

מכיוון שזה לא אתר חדשות מדע, אני אשאיר לכם לקרא על כך לבד, כאשר המבוא לנושא כבר בידכם.

המאמר המקורי מאחורי חומת תשלום כמובן, אבל ניתן למצוא דיווחים באתרי חדשות המדע.

***

ולסיום, שאלה מתחכמת לקהל בנושא קרוב.

מצאנו דרכים יצירתיות למדוד טמפרטורה של כמות מאוד קטנה של חומר. האם ניתן למדוד טמפרטורה של אטום בודד? אם אני אשנה את השאלה לשני אטומים זה ישנה את התשובה? עשרה אטומים? יותר?

מודעות פרסומת
  1. דניאל ר
    27/02/2015 ב- 7:09 pm

    היי אורן! אחלה רשימה. לגבי השאלה, יש בעיה קשה בהגדרת הטמפרטורה של אטום בודד. עבור כמות גדולה של חומר, ניתן להגדיר טמפרטורה בדרכים שונות שנותנות אותה תוצאה בערך. שתי דוגמאות: על סמך התפלגות בולצמן (או פרמי דיראק) של עירורים, או על סמך הנגזרת של פונקציית החלוקה באנרגיה. לאטום בודד יש מצב קוונטי מסויים (גם אם הוא סופרפוזיציה) ולא התפלגות, לכן אי אפשר לגזור ממנו התפלגות בולצמן*. אם ננסה למדוד את הנגזרת של פונ' החלוקה כפונקציה של האנרגיה עבור אטום אחד – היא לא רציפה, כי כשאתה נותן לאטום מספיק אנרגיה אתה מגיע בבת אחת לאכלוס של רמות אנרגיה חדשות ולכן ה"טמפרטורה" שתמדוד היא אפס ברוב האנרגיות.
    אפשרות נוספות: לפי מגע – במגע עם חומר בטמפ' מוגדרת היטב, האם האטום יתן אנרגיה או יקח? זו גם לא הגדרה שתעבוד, כי מעבר האנרגיה בסקלה הזו מושפע בעיקר מאינטראקציות כימיות, פונקציית עבודה וכו'.

    * ההגדרה הזו גם נותנת תוצאות מגוחכות עבור מקרים שבהם יש population inversion, ומדענים מכריזים על טמפרטורה שלילית.

    • 27/02/2015 ב- 8:08 pm

      דניאל, תודה רבה על ההרחבה! (אני צריך לחזור על החומר…)
      לטובת מי שלא בקיא במושגים, מה שאתה בעצם כותב הוא שטמפרטורה היא גודל סטטיסטי ממוצע שמוגדר עבור כמות של חומר ומכאן שהמושג טמפרטורה לא מוגדר היטב עבור אטום בודד.
      אז אני מחזיר את השאלה לקהל:
      אז מה אתם אומרים, שני אטומים זה בסדר? עשרה? יותר?

  1. No trackbacks yet.

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: