אור
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
- ערך זה עוסק באור כתופעה פיזיקלית. אם התכוונתם לפירושים נוספים למילה "אור", ראו אור (פירושונים).
אור, או אור נראה הוא קרינה אלקטרומגנטית בעלת אורך גל הנראה לעין (בין 400-750 ננומטר לערך), ובמובן רחב יותר, כל קרינה אלקטרומגנטית בטווח שבין התת-אדום לעל-סגול. התחום בפיזיקה העוסק באור ותופעותיו נקרא אופטיקה. המאפיינים העיקריים של האור (ושל כל קרינה אלקטרומגנטית) הם עוצמה, קיטוב ואורך גל או תדירות, הקובעים את הצבע. מהירות האור היא קבועה, ושווה לכ-300 אלף קילומטר בשנייה. לאור תכונות של גל אך גם של חלקיק (הנקרא פוטון), בהתאם לעיקרון דואליות גל-חלקיק.
תוכן עניינים |
[עריכה] צבעים ואורכי גל
 |
ערך מורחב – צבע |
אורך גל בפיזיקה הוא המרחק בין שני שיאים סמוכים של הגל. אורכי הגל השונים באור מתפרשים על ידי המוח האנושי כצבעים, מאדום באורכי הגל הגדולים ביותר ועד סגול באורכי הגל הקצרים ביותר. ניתן לראות את קשת הצבעים ואורך הגל שלהם באיור. אורך הגל קשור ביחס הפוך לתדירות הגל, באמצעות הנוסחה:
, שבה 
היא התדירות, 
הוא אורך הגל ו-
היא מהירות האור.
התדירויות בספקטרום הנמצאות מיד מחוץ לטווח הראיה של העין האנושית נקראות על סגול (UV - UltraViolet) בתדירות הגבוהה ותת אדום (IR - InfraRed) בתדירות הנמוכה. ישנם בעלי חיים המסוגלים לראות על סגול (דבורים למשל), או תת אדום (נחשים למשל). על אף שבני אדם לא יכולים לראות את סוגי האור הללו, ניתן לחוש בהם: תת-אדום נקלט בעור, כתחושת חום, בעוד על סגול גורם לעור לאחר זמן מסוים לשיזוף. קיימות מצלמות היכולות לקלוט תת-אדום ולהמיר אותו לאור נראה. באופן דומה ניתן "לראות" אור על סגול על ידי המרתו לאור נראה באמצעות פלואורסנציה.
[עריכה] מהירות האור
|
|
ערך מורחב – מהירות האור |
מהירות האור בריק היא בדיוק 299,792,458 מטרים לשנייה, על פי הגדרת המטר. את מהירות האור בריק מקובל לסמן באות c. מהירות האור בריק זהה עבור כל צופה, כפי שנתגלה בניסוי מייכלסון-מורלי בשנת 1887. מקובל לחשוב שעל מנת ליישב את התוצאה הזו עם חוקי הפיזיקה, אלברט איינשטיין פיתח את תורת היחסות הפרטית אשר גרמה לשינוי מהותי בתפישת המרחב והזמן, והחליפה באופן סופי את תורת האתר. אחת התוצאות הנובעות מתורת היחסות היא שלא ניתן לעבור את מהירות האור.
בחומר שקוף מהירות התקדמות האור (
) נמוכה יותר ושווה למהירות האור בריק חלקי מקדם השבירה (
) של החומר:
מהירות האור בחומר קטנה או שווה למהירותו בריק, ולכן ערכו של מקדם השבירה הוא גדול או שווה 1.
[עריכה] תופעות הקשורות לאור
האור יוצר מגוון גדול של תופעות, כאן מוצגות כמה מהחשובות:
- נפיצה (קשת בענן היא דוגמה לתופעת נפיצה), תופעה שבה האור מתפרק למרכיביו על פי אורך הגל. התופעה נגרמת כתוצאה ממעבר האור דרך חומר שקוף בעל מקדם שבירה שאינו קבוע לכל אורכי הגל (ראו יחס נפיצה).
- תופעות שבירה והחזרה מחומרים - במעבר בין חומרים שונים, האור בחלקו מוחזר מהמשטח, ובחלקו מתקדם לתוך החומר הבא, תוך שבירה שהיא שינוי כוון ההתקדמות, על פי חוק סנל.
- עקיפה מתרחשת באופן הבולט ביותר כאשר האור עובר דרך סדק צר, בעובי הקרוב לאורך הגל. האור במקרה זה "עוקף" את הסדק ומתפזר לכל הכוונים, ויכול ליצור תבניות מורכבות בהתאם למספר הסדקים ועוביים.
- התאבכות היא תופעה של התחברות שני גלים, למשל אור המגיע משני מקורות. מתרחש חיבור של הגלים היוצר תבניות אור וחושך מורכבות, שנקראות תבניות התאבכות.
- לייזר הוא אור אשר מורכב כולו מאורך גל יחיד ונע בכוון אחד. אור בעל תכונות אלו נקרא קוהרנטי.
[עריכה] מהות האור
|
|
ערך מורחב – פוטון |
כיום אופיו של האור (וקרינה אלקטרומגנטית בכלל) מתואר באופן הבסיסי והמדויק ביותר כפוטון בתורת האלקטרודינמיקה הקוונטית (QED), שהיא תורת שדות קוונטית העוסקת בכוחות אלקטרומגנטיים. תיאור זה של האור הוכח כמדויק עד כדי 10-12 (מיליונית של מיליונית) של הגדלים הנמדדים בניסויים.
באלקטרודינמיקה קוונטית כל חלקיק הוא גם גל (ראה דואליות גל-חלקיק וכן תורת שדות קוונטית), בהתאם לסוג הניסוי שמבצעים. הפוטון (חלקיק האור) הוא חלקיק יסודי מסוג בוזון כיול, הוא נושא את הכח האלקטרומגנטי אך המטען החשמלי שלו שווה אפס. האלקטרודינמיקה הקוונטית מתארת את הקשרים בין הפוטון לחלקיקים יסודיים טעונים (לדוגמה אלקטרונים) בעיקר באמצעות חישובים של דיאגרמות פיינמן.
תיאורים אחרים של האור (תיאוריות הסטוריות המתוארות בהמשך) גם הם נכונים, כאשר עוסקים במערכות גדולות בהרבה מגודל אטום או בעלות אנרגיה נמוכה יותר, או אם מבצעים חישובים בדרגות דיוק שונות. לשימושים רבים באופטיקה, למשל, נוח לתאר את האור כגל אלקטרומגנטי המקיים את משוואות מקסוול בלבד. לתצפיות אסטרונומיות, משתמשים במשוואות מקסוול בצורה יחסותית. לתופעות לזירה או חקר מולקולות, משתמשים בתיאור האור כחלקיק/גל על פי תורת הקוונטים.
ניתן לראות את תכונותיו השונות של האור במספר ניסויים שונים:
- האור כגל - בניסוי עקיפה, אור שעובר בסדק צר מתפזר לכל הכוונים כמו גל ים בסדק בין שוברי גלים סמוכים.
- האור כחלקיק - בניסוי הפוטואלקטרי, אור בתדר מסוים הפוגע במתכת, גורם לפליטה של אלקטרונים באנרגיה מסוימת בלבד, השווה לאנרגיה של פוטון בודד. ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לאפקט זה בשנת 1905 זיכה אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1921.
- דואליות גל-חלקיק - ניתן בניסוי יחיד לראות את התנהגות האור כגל וכחלקיק: בניסוי שני הסדקים, אור מונוכרומטי (בעל תדר יחיד) עובר דרך שני סדקים צרים וקרובים זה לזה. מאחורי הסדקים מונח סרט צילום. על סרט הצילום מופיעה תבנית התאבכות, שהיא ביטוי לתכונות הגליות של האור. אולם כאשר מפחיתים את עוצמת האור תוך שמירה על התדר, מגיעים למצב בו חלקיקי האור נפלטים באופן בודד, ונקלטים על סרט הצילום עם אותה התבנית, תבנית התאבכות, כלומר חלקיק בודד מפגין תכונות של גל.
[עריכה] התפתחות חקר מהות האור [1]
[עריכה] העת העתיקה
ביוון הקדומה אמפדוקלס ניסה להסביר את האור במסגרת תורת ארבעת היסודות שאותה הגה. הוא שיער שהאור והראייה קשורים לאינטראקציה בין אש השמש לאש שנמצאת בעין. אחריו אוקלידס כתב בספרו אופטיקה את תצפיותיו על מהות האור, ביניהן שהאור נע בקו ישר, חוקי החזרת אור, ופקפוק בהשערה שהאור נובע מהעין.
בהינדואיזם אש היא אחד מחמשת היסודות, והאור נחשב לחלקיקי אש מהירים.
[עריכה] ימי הביניים
בימי הביניים, בימי הפריחה של המדע הערבי, חלה התקדמות גדולה בחקר האור ובמדע האופטיקה. איבן סהל (Ibn Sahl) חקר עדשות ומראות בעלות עקמומיות, וגילה את חוק סנל, שהוא חוק השבירה של אור בחומר שקוף. איבן אל-היית'ם (965–1040), אשר נחשב לאבי האופטיקה ולחלוץ השיטה המדעית, שיער שהאור הוא חלקיקים הנעים במהירות סופית. משטח מואר מאיר לכל הכוונים, ואת תופעת הראיה הסביר כפגיעה של קרן אור בניצב לעין. הוא ניסח את חוקי השבירה וההחזרה, גם מעדשות ומראות קעורות וקמורות, תוך שימוש במחקריו של איבן סהל, וחקר את תופעות הנפיצה, אור וצל, צבע האור בשקיעה, אשליית ההגדלה של השמש והירח הסמוכים לאופק, וליקוי חמה. מאוחר יותר קוטב אל-דין שירזי (Qotb al-Din Shirazi) עם תלמידיו המשיכו את מחקריו, והיו הראשונים לתת את ההסבר המדויק לתופעת הקשת בענן.
[עריכה] התורה הגלית והתורה החלקיקית
במאה ה-17 נתגלו תופעות העקיפה וההתאבכות של האור בניסויים שערכו פרנצ'סקו מריה גרימלדי (Grimaldi) וג'יימס גרגורי. הסברים לא מספקים ניתנו באותה תקופה בידי אייזק ניוטון באמצעות התורה החלקיקית, ובידי כריסטיאן הויגנס באמצעות התורה הגלית של האור. הבדל בולט בין שתי התורות הוא שהתורה החלקיקית גרסה שהאור נע מהר יותר בחומר דחוס, ואילו התורה הגלית טענה שהאור נע לאט יותר בחומר דחוס (שהתברר כנכון). הויגנס ידע כי גלים אינם מסוגלים לנוע בחלל ריק אלא זקוקים לחומר כלשהו, ומכיוון שהאור מגיע אלינו מהחלל שאין בו אוויר, הויגנס שיער שקיים חומר בלתי נראה הממלא את כל החלל ונקרא בשם אתר, השערה שהחזיקה מעמד שנים רבות אך הופרכה מאוחר יותר בניסוי מייקלסון-מורלי.
במאה ה-18 לאונרד אוילר הראה שתופעות העקיפה וההתאבכות מוסברות באופן פשוט יותר באמצעות התורה הגלית. רק בתחילת המאה ה-19 התופעות זכו להסבר מספק בתורה הגלית של האור, אשר דחקה רגליה של התורה החלקיקית. התורמים העיקריים היו אוגוסטן ז'אן פרנל, תומאס יאנג וסימאון דניס פואסון (Poisson), אשר ערכו חישובים בתורה הגלית שהוכחו בניסויים נוספים, לדוגמה הסבירו באמצעות התורה הגלית את תכונת קיטוב האור. בולט ניסוי שני הסדקים של יאנג אשר שימש להוכחת התורה הגלית באותה עת, ומאוחר יותר שימש להוכחת דואליות גל-חלקיק במסגרת תורת הקוונטים.
[עריכה] תורות מודרניות
התורה האלקטרומגנטית - באמצע המאה ה-19 מייקל פאראדיי זיהה את הקשר בין אור לשדות חשמליים ומגנטיים, בניסוי שנקרא כיום אפקט פאראדיי. בניסוי, אור מקוטב עובר דרך חומר דיאלקטרי שבו פועל שדה מגנטי, וכתוצאה מכך כוון הקיטוב מסתובב. פאראדיי שיער שהאור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית ושהוא יכול להתפשט גם בהעדר כל חומר. השערה זו מבטלת את הצורך בקיום האתר. ממצאיו הובילו את ג'יימס קלרק מקסוול לחקור אור וקרינה אלקטרומגנטית. הוא מצא שמהירות ההתקדמות של קרינה אלקטרומגנטית שווה למהירות האור, ובכך חיזק את השערתו של פאראדיי. מקסוול תיאר מתמטית את תכונות הקרינה בתוך קבוצה של ארבע משוואות הנקראות משוואות מקסוול. בעקבות מקסוול, היינריך רודולף הרץ יצר במעבדתו גלי רדיו, שהם סוג של קרינה אלקטרומגנטית, והראה שתכונותיהם זהות לאור, ושהם גורמים לתופעות האופייניות לאור כמו החזרה, שבירה, עקיפה והתאבכות. ממצאיו אישרו שאכן אור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית.
תורת היחסות הפרטית - בסוף המאה ה-19 ניסוי מייקלסון-מורלי הוכיח שהאור נע במהירות קבועה, ללא קשר למהירותו של הצופה. עובדה זו סתרה את הפיזיקה המוכרת באותה תקופה, ושימשה את אלברט איינשטיין כאחת מהנחות היסוד של תורת היחסות, בה הגדיר מחדש את המרחב והזמן. לאחר פיתוח תורת היחסות, משוואות מקסוול התבררו כלא מספיק כלליות, ונדרש ניסוח מחדש של משוואות מקסוול בצורה יחסותית.
תורת הקוונטים - בתחילת המאה ה-20, שתי תופעות שלא הוסברו בתורת האלקטרומגנטיות גרמו לפיתוח תורת הקוונטים. האפקט הפוטואלקטרי הוא פליטה של אלקטרונים ממתכת כאשר זו מוקרנת באור. לאלקטרונים הנפלטים אנרגיה קינטית שיחסית לתדירות הקרינה, ולא לעוצמתה כפי שציפו מהתורה האלקטרומגנטית. ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לתופעה זו הוא שהאור מורכב מחלקיקים שהאנרגיה שלהם יחסית לתדירותם. בעקבות הסבר זה זכה איינשטיין בפרס נובל. תופעה שניה היא קרינת גוף שחור, שהיא האור שפולטים גופים חמים, שבו התדירות העיקרית (בעלת העוצמה הגבהה ביותר) יחסית לטמפרטורת הגוף, וגם תופעה זו לא הוסברה בתורה הגלית. מקס פלאנק הסביר את האור כחבילות גלים, שלהם מידה לא רציפה אלא בדידה של אנרגיה, הקוונטה (בלטינית quanta, "מידות"). פלאנק זכה אף הוא בנובל, על גילוי והבנת הקוונטה.
איינשטיין ופלאנק הסבירו את האור באמצעות דואליות גל-חלקיק כגל וגם כחלקיק, כאשר החלקיק נקרא פוטון, הוא חסר מסה והאנרגיה שלו 
שווה לתדירות כפול קבוע פלאנק 
:
.
מאוחר יותר הרחיב לואי דה-ברולי את הדואליות גם לחלקיקים אחרים, בעלי מסה, כדוגמת האלקטרון, וקישר את אורך הגל למסה ולתנע של החלקיק (ראו השערת דה-ברולי).
אלקטרודינמיקה קוונטית - נחשבת לתורה הפיזיקלית המדויקת ביותר. תורה זו מתארת את האור כשדה בתורת השדות הקוונטית. התורה התפתחה במחצית הראשונה של המאה ה-20. בתורה זו הפוטון הוא עירור (מצב בעל אנרגיה גבוהה) של שדה כיול (שדה שמוגדר כדי לשמור על המטען החשמלי). בתורה זו הפוטון מגיב עם חלקיקים טעונים חשמלית בלבד, באמצעות חוקי פיינמן. תורה זו נבדקה בניסויים בדיוקים גבוהים, לדוגמה ספקטרום פליטה של אטומים, כלומר אורכי הגל שאטום פולט כאשר מוסיפים לו אנרגיה.
[עריכה] ראיה
|
|
ערך מורחב – מערכת הראיה |
מערכת הראיה היא שם כולל לאיברים והמרכזים העצביים המאפשרים לבעלי חיים לראות. מערכת הראיה של האדם מורכבת מהעין שקולטת אור והופכת אותו לאותות, ומערכת העצבים שמובילה ומעבדת את האותות.
במערכת העצבית מספר מסלולים בהם עוברים האותות, ולהם תפקידים שונים. המסלול הראשון חשוב לעיבוד המידע החזותי, ומשתתפים בו התלמוס, בו מתבצע העיבוד הראשוני של המידע החזותי, וקליפת המוח הראייתית, בה מתבצע עיבוד מתקדם יותר. המסלול השני מגיע לקליפת המוח דרך המוח התיכון, המבקר את תנועת העין. המסלול השלישי עובר דרך ההיפותלמוס ומשמש לתיאום מקצב השעון הביולוגי בהתאם לתאורה השוררת בסביבה, ושולט על שינוי גודל האישון בעין.
העין מרכזת את האור באמצעות העדשה והקרנית המצויות בחזית העין. העדשה יכולה לשנות את עוביה כדי להתאים לראיה ממרחקים שונים. כמות האור הנכנסת נקבעת באמצעות גודל האישון, הנשלט בידי שרירי הקשתית. צורת העין היא בקירוב כדור, שעל חלקו הקדמי מורכבת כיפה (הקרנית). האור שעובר באישון מרוכז על הרשתית המצויה באחורי העין. הרשתית מכילה תאים קולטי אור - קנים, מדוכים ותאי גנגליון קולטי אור. הקנים רגישים לאור, ללא קשר לצבעו, ואחראים על ראיית לילה. המדוכים, או תאי חרוט, רגישים לצבע. ההבחנה בין הצבעים נעשית על ידי שלושה סוגים של תאי חרוט, אשר כל אחד מהם רגיש לצבע ראשוני אחר - אדום, ירוק או כחול. תאי גנגליון קולטי אור אחראיים על הבחנה בעוצמת האור, ולא על ראית תמונה.
המנגנון ההופך אור לאות במוח הוא בליעת פוטון על ידי התא קולט האור והפיכתו לזרם חשמלי. כל תא כזה מכיל חלבון הנקרא אופסין, המכיל מולקולה רגישה לאור הנקראת רטינל (שהוא ויטמין A מחומצן). כאשר פוטון פוגע בתא, הוא נבלע תוך שינוי צורת הרטינל והאופסין. שינוי זה בצורתם משנה את המתח החשמלי על פני החלבון, וזה נקלט בעצב ומועבר הלאה, אל המוח.
העין דומה באופן פעולתה למצלמה, שבה את התפקידים השונים של ריכוז וקליטת אור ממלאים רכיבים מלאכותיים.
[עריכה] מקורות אור
קיימים סוגים רבים של מקורות אור. הסוג הנפוץ ביותר הוא גופים חמים, כמו לדוגמה השמש. כל גוף פולט קרינת חום בהתאם לטמפרטורה שלו. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר כך אורך הגל העיקרי בו הגוף פולט יהיה קצר יותר. פני השמש הם בטמפרטורה של 5500 מעלות צלסיוס [2], ולכן עיקר הקרינה של השמש הוא בתחום האור הנראה. גם נורות להט ביתיות הן דוגמה למקור אור חם. לעומת זאת בעלי חיים, הנמצאים בטמפרטורה סביב ה-40 מעלות, פולטים קרינה בתחום התת-אדום.
מקורות נוספים:
אטומים פולטים אור באורכי גל אופייניים. כאשר נוספת אנרגיה לאטום, אלקטרון קופץ מרמת האנרגיה הבסיסית שלו אל רמה גבוהה יותר. לאחר מכן האלקטרון נוטה לחזור אל הרמה הקודמת שלו, ומשחרר בתהליך פוטון שהאנרגיה שלו שווה להפרש הרמות, או במלים אחרות אור באורך הגל המתאים. נורה פלואורסצנטית ונורת LED פולטות אור כתוצאה מנפילת אלקטרון לרמת אנרגיה נמוכה. אם הנפילה מאולצת באמצעות פוטון, תווצר קרינת לייזר.
[עריכה] ראו גם
| מיזמי קרן ויקימדיה |
|---|
[עריכה] מקורות
- ^ J. J. O'Connor, E. F. Robertson, Light through the ages: Ancient Greece to Maxwell (2002)
- ^ NASA Sun Fact Sheet (Dec-2008)
| הספקטרום האלקטרומגנטי | ||
|---|---|---|
| קרינה אלקטרומגנטית | גלי רדיו • תדר רדיו • מיקרוגל • תת-אדום • אור נראה • על-סגול • קרני רנטגן • קרני גמא | |
| אור נראה (צבע) | אדום • כתום • צהוב • ירוק • כחול • סגול | |
