ארכיון

Posts Tagged ‘מבנה גבישי’

שוב ושוב ושוב ושוב, על הקשר בין בדיחות עבשות ניבולי פה וגבישים

דיסקליימר ואזהרה:

הרשימה הזאת נפתחת בשימוש קטן בגסויות. ביטוי ילדותי שכולל את השורש ז.י.נ, במשמעותו הגסה, וגרוע מזה, בשיתוף בעל חיים. אם דבר זה עלול להטריד אתכם, דלגו (על הפסקה, הרשימה, על מה שבא לכם. הכל טוב😀)

***

אני מניח שלא מעט אנשים שגדלו בישראל נתבקשו בשלב כלשהו בילדותם על ידי מאן דהוא להגיד בקול "יַנְתִי-פַּרַזִי" מספר פעמים רב ברצף. אם לא, זה הזמן.

אוקיי, מצחיק. כי זה כאילו גס. אבל גם כי התרחש פלא. ביטוי ג'יבריש הפך פתאום למשהו אחר, בעל משמעות. גסה.

נסו את אותו הדבר עם המילה "תִּירָס".

הפעם פחות מצחיק, כי זה לא גס, אבל יש שוני חשוב נוסף. שתי הצורות עובדות, גם "תִּירָס" וגם "סְתִירָה\סְטִירָה", ואנחנו יכולים לעבור ביניהן בקלות. כלומר, לשמוע את הראשונה או את השניה.

מדוע (למיטב הבנתי) זה עובד, ואיך זה קשור למדע (בעיקר בראש שלי)? על כך בהמשך.

***

אתחיל בלהפשיט את שתי המילים רק לחלקים אותם אנו הוגים:

תִּירָס – סְתִירָ

נבחין שההגייה והצלילים של שתי הצורות זהים עד כדי פרמוטציה ציקלית. כלומר, אם נסדר את האותיות על גבי מעגל, כאשר האות הראשונה בתחתיתו וקוראים בכיוון השעון, נוכל לעבור מצורה לצורה על ידי סיבוב פשוט של המעגל. ראו המחשה באיור הבא:

אגב, זה אומר שגם "רָסְתִי" יעבוד בצורה דומה, אם כי למופע זה אין משמעות בעברית.

אם כך, שתי המילים " תִּירָס – סְתִירָ" הן פרמוטציה ציקלית אחת של השניה. אבל, כאשר הוגים אותן קל מאוד להבדיל ביניהן. הן לא נשמעות אותו דבר כלל.

כאן מגיע הקסם של החזרה המרובה על המילה.

באיור הבא רשמתי ברצף מספר רב של פעמים את אחת מהמילים אבל טשטשתי את הקצוות. האם תוכלו לזהות האם רשמתי "תירס" או סתיר"? (ללא ניקוד הפעם):

ועכשיו לתמונה המלאה:

ניכר שלולא הקצוות לא ניתן להבדיל בין שני המקרים.

כעת דמיינו שאני רושם את המילה או הוגה אותה כל כך הרבה פעמים שלקצה כבר אין משמעות. הוא אירוע זניח ומרוחק מאיתנו, ושכחנו אותו. במקרה זה קל להבין מדוע המוח יכול להחליף בקלות בין שני המופעים. כמו כן, אם אחד מהם הוא מילה שלא קיימת בשפה, אז המוח יתקבע על המקרה שהוא מכיר ויש לו משמעות.

כעת בואו ונחשוב על המקרה ההפוך.

אנו ניצבים אל מול שרשרת אינסופית של האותיות הנ"ל. אין לה התחלה ואין לה סוף, והיא היתה מאז ומתמיד. אם כך, לדיון האם זה "תירס" או "סתיר" אין במצב זה כל משמעות. אך מה יקרה אם נשבור פיזית את השרשרת ונאלץ הופעה של קצה?

סביר להניח שאם חתכנו כך שהאות הראשונה היא 'ת', אז לפתע נקרא את הטקסט כחזרה על המילה "תירס". אם, לעומת זאת, נחתוך כשהאות הראשונה היא 'ס', נקרא את השורה כחזרות על המילה "סתיר".

***

אבל איך כל זה קשור למדע?

מבנים כאלה קיימים גם בעולם החומר והם נקראים גבישים.

בואו ונראה עד כמה רחוק נוכל לקחת את האנלוגיה הזאת.

***

מבלי להתעקש על הגדרות מדויקות ותקינות, אוכל לכתוב שמבנה גבישי הוא צורה גיאומטרית שנוצרת מחזרות במרחב של אותו אלמנט בסיס. אלמנט הבסיס מורכב מנקודות במרחקים מוגדרים אחת מהשניה.

נשרטט לנו מבנה שכזה, נניח אטומים בכל נקודה, והרי לנו גביש. חומרים רבים מופיעים בטבע בצורת גבישים, למשל מתכות ומוליכים למחצה. חומרים אלה חשובים לנו בהרבה תחומים, לדוגמה בתעשיית השבבים ובמדע החומרים.

[הערת שוליים – "הרי לנו גביש" *אחיד*, אבל אני לא נכנס לתיאור מורכב ברשימה זאת]

נבחן מקרה להמחשה (בשני ממדים לשם פשטות).

הנה ארבע נקודות על קודקודים של ריבוע:

הנה שכפול של המבנה (דמיינו שכפול אינסופי):

מבנה זה נקרא בעגה 'סריג'.

אם נציב אטומים בנקודות הסריג ונרחיב לשלושה ממדים נקבל גביש במבנה 'קובי פשוט'.

בואו ונבחן דוגמה מעט יותר מורכבת.

הנה סריג אחר:

מהו תא היחידה? כלומר, מהו האלמנט שצריך לשכפל כדי לקבל את המבנה המלא?

הנה שלוש אפשריות שונות:

אתן בהן שמות (ללא הסבר): אפשרות א' – 'מלבני', אפשרות ב' – 'פרימיטיבי', אפשרות ג' – 'ויגנר-זייץ'.

ברור שיש אינסוף אפשרויות לייצר תא יחידה. למשל, פעמיים התא המלבני, או שלוש פעמים וכך הלאה.

נשים לב שתא היחידה המלבני אינו מינימלי, שהרי ניתן לספור בו שני אטומים (אחד שלם באמצע ועוד ארבעה רבעים בקודקודים). אתם גם מוזמנים לבדוק שהשטח שלו כפול מזה של השניים האחרים ששווים בשטח שלהם אחד לשני ומכילים רק אטום אחד.

אז בואו ונהיה יותר הדוקים. נגדיר תא יחידה 'פרימיטיבי' ככזה בעל שטח (בעצם נפח) מינימלי, ובו תהיה רק נקודת סריג אחת.

אך בדוגמה האחרונה ראינו שניים כאלה ('פרימיטיבי', 'ויגנר-זייץ').

האמת היא שכל התאים נכונים ונבחר באיזה סוג תא להשתמש מטעמי נוחות. למשל, התא המלבני נוח להבנה ולניתוח וקל לראות ממנו את הסימטריה של הגביש ולעשות בו חשבונות פשוטים, למרות שאינו פרימיטיבי. לעומת זאת, לפיזיקה מתמטית מתקדמת נעשה שימוש בתא ויגנר-זייץ (מסיבות שקשה לי להסביר במסגרת הזאת).

[הערת שוליים (לדוברי השפה) – את הוקטורים הפרימיטיביים לתיאור הגביש באלגברה נוח למצוא מתא היחידה הפרימיטיבי.
אם נבצע התמרת פורייה מרחבית על תא ויגנר-זייץ נקבל את אזורי ברילואן של המבנה. לפי איזורי ברילואן נוכל לקבוע ולחשב תכונות אנרגטיות מורכבות של הגביש ואת צורת הפיזור ממנו, למשל של קרני X]

שימו לב שאם נניח שהגביש בגודל סופי, בחירות שונות של תאי יחידה יקבעו איך תראה השפה של הגביש. עם זאת, בכל גביש שאנו מסוגלים לראות את המימד שלו בעין בלתי מזויינת, השפעות הקצה על הנפח אינן חשובות. פני השטח של גביש מורכבים מכמה שכבות של אטומים. זאת כמות חומר זניחה ביחס לגודל הנפח, ולכן ניתן להתייחס לכל גביש כאין-סופי, ביחס לקצוות. כלומר, התכונות הפיסיות (חוזק וכדומה) והחשמליות (למשל הולכה חשמלית) של הגביש נקבעות ברוב המקרים על ידי הנפח.

האם זה תמיד נכון? האם אין לקצוות שום משמעות?

***

בואו ונביט על ייצוג תלת ממדי של מבנה קובי פשוט. נסו לדמיין שכל המרחב התלת-ממדי מרוצף בחזרות של התא הזה.

מבנה קובי פשוט. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Daniel Mayer, DrBob.

כעת אני אחתוך את המבנה (האינסופי) לאורך מישור מוגדר של הגביש בשני צורות שונות. פעם אחת במישור הדופן של הקוביה ופעם שניה במישור האלכסון של הקוביה. ראו באיור הבא את כל מישורי החיתוך האפשריים. סימנתי את השניים שאני דן בהם כאן.

מישורים שונים במבנה קובי. שני המישורים שאני דן בהם מסומנים באדום ובכחול. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Cdang.

נביט בייצוג דו-ממדי של המישורים שבהם חתכתי (בעצם היטל) בתא יחידה בודד:

קל לראות, לדעתי, שצפיפות האטומים בשני מישורי החיתוך שונה לגמרי.

מה המשמעות של זה?

אם נניח שבכל נקודה מונח אטום וכל אטום תורם כמות שווה של אלקטרונים להולכה, הרי שהמוליכות החשמלית במישור אחד תהיה גבוהה מזאת במישור השני. ואם, למשל, אנחנו רוצים להדפיס טרנזיסטורים על פני מישור של סיליקון, אנחנו חייבים לקחת עובדה זאת בחשבון.

זאת דוגמה אחת מיני רבות על החשיבות של קצוות הגביש במקרים מסוימים. כלומר, בגביש תכונות הנפח (Bulk) שונות מתכונות פני השטח (Surface), ותכונות פני השטח תלויות באיזה מישור חתכנו.

בנוסף, כיום אנחנו יודעים לייצר שכבות דקות מאוד וגם גבישים קטנים מאוד של חומר. במקרים אלה לא ניתן לדבר על נפח (Bulk) ללא קצוות, ואכן במבנים כאלה נמדדות תופעות מורכבות ויש לכתוב את הפיזיקה בדרך מורכבת וזהירה יותר.

***

בעולמנו ניתן להבחין במבנים מחזוריים ובחזרתיות בכל מיני מקרים וצורות: בשפה, במוזיקה ובחומר. כלומר, גם בעולם הטבע וגם בעולם התרבות. אני מניח שזה קשור לצורך שלנו להכניס סדר בעולם כאוטי. ואני מתכוון לזה במובן גשמי לחלוטין ולא רוחני. יש בנושא זה עושר כל כך גדול של כיוונים להתעמק בהם.

Don't get me started!

זהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהוזהו

:קטגוריותכללי תגיות: , , ,