סיסמת הפרסום "יהלומים לנצח" ("A Diamond is Forever", בתרגום מילולי: "יהלום הוא לנצח") מלווה את תעשיית היהלומים עוד משנת 1948. גם ספרים בעלי שם דומה יצאו לאור במהלך השנים, ואפילו סרט בסדרת ג'יימס בונד. אבל האם זה נכון? ובכלל, מה אפשר לומר מבחינה מדעית על אבן החן היקרה שהפכה לסמל האהבה האולטימטיבית? לקראת חג האהבה, הבה נבחן לעומק את תכונותיהם של היהלומים, ועל הדרך נברר מי לאו דווקא יתלהב מיהלום במתנה.
יסוד אחד בלבד במבנה ייחודי
נתחיל במעט כימיה: כל החומר בעולם בנוי מחלקיקים קטנים שנקראים אטומים. היהלומים אינם יוצאים דופן מהבחינה הזו, והם בנויים מאטומי פחמן. הכוח שמחבר את האטומים יחד לכדי צבר גדול נקרא קשר כימי. ישנם סוגים שונים של קשרים כימיים, והסוג שרלוונטי לפחמן הוא קשר קוולנטי: בתוך כל אטום ישנם חלקיקים תת-אטומיים (קטנים מהאטום) בשם אלקטרונים; כאשר שני אטומים חולקים ביניהם אלקטרונים, נוצר ביניהם קשר כזה.
אטום הפחמן הוא ייחודי למדי מבחינת הקשרים הקוולנטיים: אטומים של יסודות שונים נבדלים זה מזה במספר הקשרים הקוולנטיים שהם יכולים ליצור, ופחמן מסוגל ליצור ארבעה קשרים כאלה - יותר מרוב היסודות.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
מבנה הגולגולת לא קשור לאישיות
הזעה מועטה במידות גדולות
מחלות ללא גבולות: אבעבועות וקדחת
שני אטומים או יותר שקשורים בקשר כימי קוולנטי נקראים מולקולה,והמולקולה של היהלום מרשימה ויוצאת דופן במיוחד. כיון שיהלום בנוי מאטומי פחמן בלבד - כל אטום פחמן בו קשור לארבעה אטומי פחמן אחרים, שכל אחד מהם קשור לארבעה אטומי פחמן אחרים מכל הכיוונים, שקשורים לעוד ארבעה אטומי פחמן, וכן הלאה - נוצר מבנה שנקרא סריג אטומי. המבנה הזה מאפשר לעוד ועוד אטומי פחמן להצטרף לסריג, עד שנוצרת מולקולה עצומה שאפשר לראות בעין! לשם השוואה, רוב המולקולות הן זעירות עד כדי כך, שאי אפשר לראות אותן אפילו בעזרת מיקרוסקופ. מולקולת מים, למשל, היא בגודל 0.3 מיליוניות המילימטר. אם כך, כשמביטים ביהלום רואים למעשה מולקולה אחת שלמה.
6 צפייה בגלריה
ביהלום ישנם אינספור אטומי פחמן הקשורים זה לזה במבנה תלת-ממדי. הכדורים מסמנים אטומים והקווים – קשרים כימיים | Shutterstock, Andris Torms, Vertyr
הכי קשה בטבע
היסוד פחמן מופיע בטבע גם בצורות רבות נוספות, לדוגמה גרפיט, שמורכב גם הוא באטומי פחמן בלבד. היהלום הוא החומר הקשה ביותר בטבע, ואילו גרפיט הוא חומר רך מאוד – כאשר אנחנו כותבים בעיפרון, אנחנו למעשה מורחים את הגרפיט הרך על הנייר. הבדל התכונות הזה נוצר בשל אופן קישור אטומי הפחמן: בגרפיט כל אטום פחמן קשור לשלושה אטומי פחמן שכנים בלבד באופן סימטרי, מה שיוצר מעין מבנה של משושים שטוחים מחוברים דמויי כוורת דבורים.
6 צפייה בגלריה
מבנה אטומי הפחמן בגרפיט – מעין משושי כוורת אחד מעל השני | Shutterstock, Peter Hermes Furian
אבל אם פחמן יוצר ארבעה קשרים, מה לגבי הקשר הנוסף במקרה של גרפיט? קשרים כימיים נוצרים, כאמור, בין חלקיקים שנקראים אלקטרונים. בגרפיט חלק מהאלקטרונים נותרים חופשיים. כיוון שאלקטרונים אחראים על הולכת חשמל, גרפיט גם מוליך חשמל:
אם כך, בין אטומי הפחמן בתוך שכבה של הגרפיט יש קשרים קוולנטיים, אבל בין שכבות המשושים אין קשר כימי קוולנטי: הן מחליקות זו על גבי זו בהפעלת כוח קל, ולכן נמרחות על הנייר. כלומר, ליבת ההבדל בין גרפיט ליהלום היא שביהלום כל האטומים קשורים אלה לאלה בחוזקה מכל הכיוונים, ולכן לא יכולים לזוז לשום מקום. גם היסוד צורן (סיליקון) יוצר ארבעה קשרים, וגם הוא יוצר חומרים קשים, כמו זכוכית קוורץ, אבל לא קשים כמו יהלום.
אמרנו שהיהלום קשה, אבל מה זה אומר, בעצם? ישנם פנים רבים לחוזקה של חומר, ובשפה העברית לא תמיד קיימות מילים לתאר את כולם. יהלום נחשב קשה כיוון ששום חומר אחר בעולם לא יכול לשרוט אותו, מלבד יהלום אחר. קושי של חומרים מדורג לפי סולם בשם סולם מוס (Mohs), שאפשר לראות בו מעין "תחרות שריטות" - כאשר בוחנים זוגות של חומרים ובודקים איזה מהם מצליח לשרוט את האחר. בתחרות כזאת יהלום יגיע למקום הראשון. התכונה הזו מקנה לו גם שימושים תעשייתיים: להבי מסורים ומקדחים שמשמשים לקידוח ולחיתוך של חומרים קשים מאוד מכילים לעיתים אבקת יהלומים, שמצליחה לשרוט או לשחוק את החומר.
יהלום בתוך יהלום
אבל קשה אין משמעותו חזק. יהלום בהחלט יכול להישבר כשהוא מקבל מכה חזקה, כפי שיעידו מלטשי יהלומים (לצערם). למעשה, קושי קשור לשבירוּת: גם זכוכית היא חומר קשה מאוד – כראיה לכך, כדי לחתוך זכוכית משתמשים ביהלום – אבל גם שביר מאוד. גם סכין מפלדה קשה יכולה להישבר אם מעקמים אותה. בצד השני של סקאלת הקושי, בצק ופלסטלינה הם חומרים רכים מאוד, ולכן לא יישברו גם אם יפילו אותם או יעקמו אותם. אם כן, היהלום הקשה בהחלט יכול להיסדק, להישבר ואפילו להתנפץ לרסיסים. מבחינה זו (וגם מבחינות נוספות, כפי שנראה בהמשך) הוא לא נשאר לנצח.
מהחזרה גמורה לנצנוצים
כשמביטים בתכשיט יהלומים, כמעט תמיד מבחינים באיזה נצנוץ אור שמגיע מתוכו. הנצנוץ הזה נובע מתכונותיו הפיזיקליות של היהלום, בשילוב עם הליטוש שהוא עובר. אם מתבוננים ביהלום מקרוב רואים שהוא שקוף – כלומר, האור עובר דרכו. אבל זאת לא התמונה המלאה: חלק מקרני האור שפוגעות ביהלום גם חוזרות חזרה, לכיוון מקור האור.
כאשר קרן אור עוברת מחומר אחד לחומר אחר - כמו מהאוויר לזכוכית או מהאוויר ליהלום - מהירותה משתנה מעט. כתוצאה משינוי המהירות הזה האור גם משנה את כיוונו, מה שמכונה בשפה המדעית שבירה. מידת ההאטה של קרן האור בחומר מסוים נקראת מקדם שבירה, וליהלומים, בגלל מבנה האטומים הצפוף שלהם, יש אחד ממקדמי השבירה הגבוהים ביותר בטבע. ההשלכה של תופעת שבירת האור היא שבזוויות מסוימות אור שפוגע בחומר שקוף יישבר בזווית כזו, שלמעשה הוא לא יחדור לתוך החומר אלא יוחזר ממנו חזרה. תופעה זו נקראת החזרה גמורה, ואפשר להדגים אותה בבית אפילו בעזרת סרגלי פלסטיק:
ליהלום, כאמור, מקדם שבירה גבוה במיוחד, ולכן כל אור שפוגע בו בזווית קטנה מ-25 מעלות יוחזר ממנו. מלטשי היהלומים מלטשים את היהלומים כך שיכילו פאות רבות בזוויות רבות, ולפיכך סביר מאוד להניח שבכל רגע נתון, איזושהי פאה של היהלום תקיים את תנאי ההחזרה הגמורה והאור יחזור ממנה לעיננו, כך שהיהלום ייראה כמנצנץ.
לנצח?
יהלומים עשויים, כזכור, מפחמן, שהוא יסוד דליק – לראיה, פחם של מנגל גם הוא עשוי פחמן. האם זה אומר שגם יהלומים דליקים? אולי זה לא נשמע הגיוני, אבל זאת המציאות. כאשר מחממים יהלומים ומזרימים על פניהם גז חמצן טהור, הם בוערים יופי! אפשר לראות זאת בניסוי כאן, שבו שרפתי אבקת יהלומים - לצערנו לא היה לנו מספיק תקציב לשרוף יהלום שלם, אבל האבקה הזולה יותר מדגימה את העיקרון:
הכימאי המהולל אנוטאן לבואזיה, שנחשב למייסד הכימיה המודרנית, ביצע את הניסוי הזה כבר לפני כמעט שלוש מאות שנה. הוא גם זיהה את הגז שנפלט בתהליך כפחמן דו-חמצני, וכך הוכיח שהיהלום עצמו מורכב מפחמן.
אז גם מהבחינה הזאת יהלומים לא מתקיימים לנצח, אלא יכולים להישרף, בניגוד אפילו לזכוכית פשוטה.
אבל אפשר לקבוע שיהלומים אינם לנצח גם באופן נוסף ועמוק יותר. אם נחזור לגרפיט ונשווה את יציבותו ליציבות של יהלום, נגלה דבר מעניין. כדי לבחון יציבות של חומרים כימיים אפשר לפנות לענף בפיזיקה בשם תרמודינמיקה. אחד העקרונות של התרמודינמיקה קובע שהטבע שואף ל"מינימום תרמודינמי" (בקצרה, מינימום תרמודינמי מתאפיין באי סדר גדול יותר ובשחרור אנרגיה לסביבה, וצורות יציבות יותר קרובות יותר למינימום). מבחינה תרמודינמית, גרפיט הוא צורה יציבה יותר מיהלום, והיות שחומרים בטבע תמיד נעים לעבר הצורות היציבות יותר, כל יהלום יהפוך בבוא היום לגרפיט. כמו שאמר פעם מרצה שלמדתי אצלו, תרמודינמיקאי לעולם לא יקנה לאשתו יהלומים.
אפשר אמנם לשער בעזרת התרמודינמיקה מה יקרה בעתיד, אבל היא לא מספקת מידע לגבי מתי ובאיזה קצב הדברים יתרחשו. אולי כל היהלומים אכן יהיו לגרפיט ביום מן הימים, אבל זה יקרה בקצב מאוד איטי (מיליארדי שנים), כך שמעשית, אין סיבה לדאוג שטבעת יהלום תהפוך בן לילה לטבעת משובצת חודי עיפרון.
6 צפייה בגלריה
אין סיבה לדאוג שטבעת יהלום תהפוך בן לילה לטבעת עיפרון. סוחר יהלומים מתבונן ביהלום מלוטש | Shutterstock, EgolenaHK
איך יהלום נולד?
בטבע, היהלומים נוצרים במעמקי האדמה בתהליך שאורך שנים ודורש לחצים אדירים – 60 אלף אטמוספרות, כלומר פי 60 אלף יותר מלחץ האוויר על פני כדור הארץ – וטמפרטורות גבוהות מאוד, כ-1,500 מעלות צלזיוס. כאשר תרכובות פחמן כמו גרפיט נמצאות במעמקי כדור הארץ ונתונות לתנאים כאלו, הן הופכות ליהלומים. תנאים כאלה נמצאים במעמקי כדור הארץ. עם השנים, תנועה של מַגְמָה במעמקי האדמה מעלה על פניה (או קרוב לפניה) את היהלומים שנוצרו בעומקה. מסיבה זו יהלומים הם נדירים יחסית, ודורשים לרוב כרייה והפקה מסובכות. בעבר הפקת היהלומים נכרכה במאבקי דמים ובפגיעה בבני אדם, בעיקר ביבשת אפריקה – כפי שהונצח בסרט ההוליוודי "לגעת ביהלום" (במקור האנגלי: "Blood Diamond").
בעשורים האחרונים ניסו מדענים וחברות מסחריות להפיק יהלומים באופן סינתטי, כדי להוזיל את ייצורם ולהימנע מהפרת זכויות אדם. תחילה ניסו לחקות את התהליך הטבעי: לקחו גרפיט, חיממו אותו מאוד והפעילו עליו לחצים אדירים. בשיטה הזאת אכן הצליחו לקבל יהלומים, אך הם לא היו זולים יותר ממקביליהם בטבע. הם גם לא הצליחו לחקות את היהלומים היקרים וה"נחשבים" ביותר, הגדולים והצלולים.
6 צפייה בגלריה
עם השנים, תנועה של מַגְמָה במעמקי האדמה מעלה על פניה (או קרוב לפניה) את היהלומים שנוצרו בעומקה. יהלומים לא מלוטשים | Shutterstock, EgolenaHK
מהאדמה למעבדה
פריצת הדרך שהפכה מסחרית בעשרים השנים האחרונות היא ייצור בשיטה אחרת לגמרי, שלא דומה כלל למתרחש בטבע. זוהי שיטה שנקראת CVD – ראשי תיבות של Chemical Vapor Deposition, ובתרגום מילולי ריבוץ אדים כימי. הרעיון הוא לא לשנות מבנה של תרכובת פחמן קיימת, אלא לבנות יהלום מהמרכיבים הבסיסיים ביותר שלו - אטומי פחמן.
העיקרון פשוט מאוד: לוקחים גז טבעי כלשהו (כל הגזים הטבעיים מכילים פחמן ומימן), מעבירים אותו דרך צינור ומחממים אותו לטמפרטורה גבוהה ללא חמצן (כדי שלא יישרף). בטמפרטורה גבוהה מספיק, כל מולקולה מתפרקת לאטומים שמרכיבים אותה. כך צפוי לקרות גם לגז שלנו, שיתפרק לאטומי מימן ולאטומי פחמן. בקצה הצינור מניחים שבר יהלום קטן. אטומי הפחמן המרחפים באוויר יפגשו בשבר היהלום ויתחברו אליו, אטום אחרי אטום - זהו למעשה סוג של גידול גבישים.
בתעשיית היהלומים הצליחו למצוא תנאי ייצור מדויקים, והודות להם מתקבלים יהלומים גדולים, בלי לחצים עצומים ובלי לפגוע באיש. אפילו בישראל יש חברה שמייצרת יהלומים בשיטה הזאת. פשטות השיטה הובילה לנפילה אדירה במחירי היהלומים הסינתטיים בשנים האחרונות. חשוב לציין – יהלום סינתטי אינו יהלום מזויף אלא יהלום לכל דבר ועניין, עם אותן תכונות ייחודיות ובלי לגרום סבל. אפילו יהלומן מקצועי לא יכול להבחין בין יהלום מלאכותי לבין יהלום שמקורו באדמה מתוך התבוננות בלבד: רק ציוד מיוחד הבודק את הרכב האיזוטופים של אטומי הפחמן יכול לקבוע בוודאות מוחלטת את מקור היהלום.
לקנות או לא לקנות?
אתר מכון דוידסון הוא אתר מדעי, וכיוון שכך לא יכולים לענות על השאלה הזו, שהיא הרבה יותר ממדעית בלבד. תעשיית היהלומים היא תעשייה גדולה, שמלבד הפן המדעי יש לה גם היבטים חברתיים, שיווקיים, כלכליים, פסיכולוגיים ועוד. את כל אלו אפשר לקחת בחשבון כשמחליטים אם ואיזה יהלום לקנות. אז חג אהבה שמח – גם אם תבחרו לקנות אבן חן יקרה, וגם אם תחליטו להביע את אהבתכם בעזרת פרח בלבד.
ד"ר אבי סאייג, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
