נוסח השאלה המקורי: מהן פאזת אלפא, בטא וגאמה של אורניום?
לפני שנשיב על השאלה המקורית, נסביר תחילה למה הכוונה במילה פאזה ומה זה פולי-מורפיזם בהקשר של חומרים.
- פאזה (בכימיה ובמדע החומרים) – זה מדגם של חומר שזהה בהרכב ובתכונות (בכל התכונות הפיזיקליות). למשל אם יש לנו כלי שמלא עד מחציתו מים, מעל המים יש אוויר, ובתוך המים צפה קוביית קרח, ניתן לומר כי הכלי מכיל שלוש פאזות: פאזה גזית של האוויר, פאזה נוזלית – של המים, ופאזה מוצקה – של הקרח. (הקרח והמים זהים מבחינה ההרכב הכימי, אבל שונים בתכונות הפיזיקליות שלהם ולכן נחשבים לפאזה שונה). אם בכלי היו מים אשר מעליהם צפות טיפות שמן אפשר היה לומר שהיו 2 פאזות נוזליות שונות, של המים ושל השמן.
- פולי-מורפיזם (polymorphism, בכימיה ובמדע החומרים, פולי=הרבה, מורף – צורה, כלומר ריבוי צורות) – היא תופעה שבה חומר מסויים יכול להימצא במספר צורות גבישים שונות. בחומר מוצק גבישי, האטומים או המולקולות המרכיבים אותו נמצאים במצב מאוד (מאוד) מסודר – ישנו מבנה בסיסי של מספר קטן של אטומים (או מולקולות), נגיד קוביה הבנוייה מ-8 אטומים הנמצאים אחד ליד השני, והמבנה הזה חוזר על עצמו שוב ושוב ושוב עד שנוצר גביש הנראה אפילו לעין, בדומה לקיר הבנוי מלבנים.
מסתבר שישנן מספר צורות אפשריות לסדר אטומים במבנה בסיסי (כמו למשל שיש מספר אפשרויות לסדר ספרים בתוך ארגז: כאשר הספרים 'שוכבים' במקביל לתחתית או דווקא 'מאונכים' לתחתית הארגז וכו'). או כמו 2 האפשרויות לסידור עיגולים כפי שרואים בתמונה הבאה:
שתי אפשרויות לסידור של כדורים, הצורה הימנית - צפופה יותר - אותו מספר כדורים בשטח קטן יותר (אותו בסיס כמו המלבן, אבל גובה קטן יותר)
נמצא שבטבע, ישנן בסך הכל 14 אפשרויות שונות לסדר אטומים/מולקולות/כדורים במבנה גביש בסיסי תלת-מימדי, 14 הסידורים נקראים 'סריגי בְּרַאבֶה' (Bravais Lattices על שם המדען שגילה אותם), או 'תא יחידה' אפשר לראות אותם בתמונה הבאה:
14 היחידות הבסיסיות של הגבישים בטבע, כל נקודה מסמלת מיקום של אטום/מולקולה בגביש. תמונה באדיבות ויקיפדיה
רוב החומרים – כאשר מגבשים אותם (למשל כאשר מקררים מים לקרח, או כאשר מיבשים מי-מלח ליצירת גבישי מלח), מתגבשים לפי מבנה גביש בסיסי אחד ויחיד. אולם חומרים בעלי פולי-מורפיזם יכולים להתגבש בכמה צורות גביש שונות, וכך למרות שמדובר בדיוק באותו חומר – הוא מופיע בשתי צורות השונות למראה זו מזה (המבנה הגבישי הבסיסי של האטומים משפיע על צורת הגביש הגדולה שרואים בעין) וגם שונות בתכונות פיזיקאליות כמו צפיפות, נקודת היתוך וכו' ולכן מהוות פאזות שונות.
ליסוד גופרית (S) למשל, ישנו פולימורפיזם רב, שתי הצורות הגבישיות הידועות ביותר הן גופרית רומבית ('מעויינת') וגופרית מונוקלינית ('מקבילונית', השמות – ניתנו לפי צורת הגביש), כאשר גופרית רומבית יציבה יותר בטמפ' נמוכות, מונוקלינית – בטמפ' גבוהות, כאשר 95oC היא הטמפרטורה בה הצורות עוברות מאחת לשנייה.
ומהן פאזות אלפא, בטא וגאמה של אורניום? – זה פשוט 3 צורות הפולימורפיזם של המתכת אורניום. אורניום בפאזת אלפא (a) זהו הגביש של אורניום היציב בטמפ' החדר ועד כ- 668oC – כאשר סריג בראבה (המבנה הגבישי הבסיסי, ראו ציור הגבישים למעלה) שלו הוא אורתורומבי, אורניום בפאזת בטא (b) הוא גביש היציב בטמפ' 668-775oC (בקירוב, מקורות שונים מונים טמפ' שונות במקצת במספר מעלות צלזיוס) וסריג בראבה שלו הוא משושה, ו-אורניום בפאזת גאמה (g) הוא הגביש של אורניום שיציב החל מ 775oC ועד שאורניום ניתך והופך לנוזל (1132oC) כאשר תא היחידה של הגביש / סריג בראבה שלו הוא 'קובייתי – ממורכז פאה' (ראו תמונה למעלה).
יש לציין שיש מוצקים שהם לא מסודרים והאטומים / המולקולות שבונים אותם לא מסודרים בצורת גבישים – כמו מרגרינה למשל (מכונים מוצקים 'אמורפיים', כלומר- חסרי צורה). וישנם גם מוצקים בהם הגביש מכיל פגמים רבים, ותא היחידה לא תמיד חוזר על עצמו באופן מופתי (זהו המצב באורניום בפאזת אלפא, מאופיין בהרבה אי-סדרים בגביש האורתורומבי שלו).
מאת: אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
