משתמש:בנצי/ארגז חול: מפוזר

חומר גלם א' - מתקדם

כאשר גל אלקטרומגנטי פוגע בתווך חומרי, הוא עובר על פניהם של חלקיקים זעירים (בין היתר, גם מולקולות) הטעונים חשמלית, הקשורים זה לזה בקשר אלסטי. מאחר וגל אלקטרומגנטי מורכב למעשה, משדה חשמלי ושדה מגנטי מתנודדים צמודים, הוא משרה בסביבתו של כל חלקיק כזה שדה חשמלי, וגורם לשינוי בתנועתו. בפסקה 22.8 התייחסנו למקרה בו תדירות הגל שווה לתדירות הטבעית של חלקיק הרוטט חופשית. בתנאים מסוימים, מתקבלות אז תופעות תהודה ופלואורסצנסיה, ובתנאים אחרים, החזרה ברירתית, כלומר החזרה חזקה יותר של אורכי גל מסוימים, בהשוואה לאחרים [להשלים בירור המושגים selective absorption & reflection, בג'נקינס, עמ' 458 ו-464, בהתאמה + לתרגם לכאן את עיקרי הדברים]. בשני המקרים הללו, תתכן בליעה משמעותית. תופעת פיזור, לעומת זאת, מתרחשת בתדירויות שונות מתדירויות התהודה של החלקיקים, ולכן, אלה נכנסים לריטוט מאולץ [להרחיב ולהבהיר]. במקרים בהם החלקיקים מצייתים לחוק הוק (כלומר מיקומם לאורך ציר התנועה, ביחס לנקודת שיווי-המשקל שלהם, הינו מתכונתי לכוח השקול הפועל עליהם), הם ירטטו באותה תדירות ובאותו כיוון כמו אלה של השדה החשמלי המתנודד עצמו. משרעת התנודה לעומת זאת, תהיה קטנה בהרבה בהשוואה לתנאי תהודה. משרעת הגל המפוזר, לפיכך, תהיה קטנה במידה ניכרת [להסביר את הקשר בין הגל המפוזר לבין תנודות מאולצות, מחוץ לתדר התהודה], מה שמסביר את האור החיוור המאפיין פיזור מולקולרי (כלומר, פיזור הנגרם על ידי מולקולות) ביחס לזה של האור הפוגע. הבדל זה איננו היחידי. מופעו של הגל המפוזר יהיה שונה מזה של הגל הפוגע [להסביר למה], עובדה האחראית להבדל בין מהירות האור בתווך חומרי לבין מהירות התפשטותו בריק [מה הקשר בין מהירות למופע], ובצורה כללית יותר, להבדל בין מהירויות האור בתווכים שונים, בשל חתך פיזור [להסביר] שונה בכל אחד מהם. מכאן ברור כי תופעה זו מספקת את הבסיס לתופעת הנפיצה, הנדונה בפרק הבא [למצוא את מה שראיתי בקריאה קודמת, בה הוא מדבר גם על תופעות נוספות המבוססות על פיזור].

בכוחה של התורה האלקטרומגנטית גם לתת תיאור איכותי של השינויים באורך הגל המתרחשים בתוצא ראמאן ובפלואורסצנסיה. במקרים בהם המתנד הטעון [למה קוראים מתנד] קשור בכוח שאינו מציית לחוק הוק, אלא לחוק מורכב יותר, הוא יוכל להקרין חזרה לא רק את התדר המושפע [להסביר – impressed frequency], אלא גם צירופים שונים של התדר היסודי וההרמוניות [מלה נוספת ל-overtones; וביחוד, לקשר בין השוני בתדירות לבין היכולת לשדר אותו (?) ואת כפולותיו] שלו]. עם זאת, אין די בתורה האלקטרומגנטית לבדה, כדי להסביר את התופעות הללו במלואן. בפרט, אין בכוחה להסביר את העוצמות הממשיות בשינויים בתדירות, ואף לא את הנטיה הבולטת של אלה בכיוון תדירויות נמוכות יותר. לשם כך, נדרשת התורה הקוואנטית.

פיזור ריילי נותן התפלגות אופיינית של העוצמה בכיוונים שונים ביחס לזה של האלומה הראשונית. האור המפוזר גם הינו מקוטב ביותר [להסביר למה + ראה ההערה בשורה הבאה]. תכונות אלה מתאימים באופן כללי, למה שצופה התורה האלקטרומגנטית, אבל נדון בהם אחרי שנלמד את נושא הקיטוב [לחזור להיבטים אלה ב-24.17].

פיזור ומקדם השבירה העובדה לפיה מהירות התפשטות האור בחומר שונה מזו שבריק הינה תוצאה של פיזור [כאן מתחיל הקשר בין מהירות למופע – נותר להבין איך מופע מתקשר לפיזור; כמו כן, חלק זה אמור להיות החשוב ביותר בשבירה (כולל בנוגע למקדם השבירה, ולמקדם נפיצה]. כל אחת מהמולקולות מפזרת חלק מסוים מהאור המגיע אליה, והגלים הנפרדים המגיעים מהן מתאבכים עם הגל הראשוני, הפוגע, ומביאים בכך לשינוי במופעו של הגל, השקול לשינוי במהירות הגל [עדיין, למה ?]. תהליך זה יידון ביתר פירוט בפרק הבא, אבל נשתמש כאן בכמה שיקולים מפושטים, על מנת להראות את הקשר בין תופעת הפיזור לבין מקדם השבירה.

חומר גלם ב'

[מיצוי מבוא]

פיזור אור באטמוספרה

השמש נראית אדומה בעת שקיעתה. שמי כדור הארץ נראים כחולים, והאור המגיע מהם הוא גם מקוטב, לפחות חלקית. לכל התופעות הללו אחראית תופעה בסיסית אחת - פיזור האור על ידי המולקולות באטמוספרה, ובעיקר מולקולות חמצן וחנקן, שהן הנפוצות ביותר (21% ו-76%, בהתאמה).

קיטוב חלקי של האור

כאשר אור בלתי מקוטב המגיע מהשמש פוגע במולקולה באטמוספרה, השדה החשמלי של הקרינה פועל עליה וגורם לה להתנודד בתדירות שלו. מאחר ומטען חשמלי מתנודד פולט קרינה אלקטרומגנטית, הרי שכעבור זמן קצר האנרגיה שנבלעה בה נפלטת בצורה של גלים אלקטרומגנטיים. עוצמת הקרינה החזקה ביותר נפלטת בניצב לכיוון התנודות, ןמתאפסת בכיוון התנודות עצמן. לכן, למתבונן בכיוון הניצב לקרני האור, יגיע אור המקוטב מישורית. למתבונן בכיוונים אחרים, יגיע אור שמקורו הן בתנודות בניצב לקרני האור - חלק זה איננו לגמרי מובן, וצריך להשלים אותו. להזכיר שחור להזכיר רגישות נמוכה לסגול

פיזור האור תלוי ב-$\ \lambda$, אורך הגל, לפי $\ \sim {\frac {1}{\lambda ^{4}}}$, ובגודל החלקיקים המהווים מרכזי פיזור. במקרה של האטמוספרה, מולקולות האויר קטנות בהרבה בהשוואה לאורכי הגל בנראה, ולכן הן תגבנה יותר עם אורכי גל קצרים. לפיכך, אורכי הגל של הכתום והאדום יתפזרו במידה פחותה מאשר הסגול והכחול, הקצרים יותר. זו הסיבה לכך שהשמים נראים כחולים‏‏.

בשעת שקיעת השמש, האור המגיע ממנה אל הצופה, עושה את המסלול הארוך ביותר במשך היום. עובדה זו גורמת לכך, שהאור המגיע מהשמש אז, כולל פחות אורכי גל קצרים, ולכן היא נראית יותר ויותר כתומה, ולבסוף אדומה.

תלות הפוכה זו של הפיזור בחזקה הרביעית של אורך הגל, תקפה עבור חלקיקים זעירים ביותר בלבד. קוטרן של מולקולות החמצן והחנקן, אשר כאמור, הן הרוב באטמוספרה, הוא בקירוב, 0.2 ננומטר, כלומר, כשלושה סדרי גודל פחות מאורך הגל האופייני לאור נראה (400 ננומטר עד 700 ננומטר). שהן הרוב באטמוספרה. לכן, עננים, המכילים רסיסי מים וגבישי קרח זעירים הגדולים בהרבה מאורך הגל בנראה, אינם מפזרים את האור באופן התלוי באורך הגל, ולכן הם נראים לבנים‏‏.

השוואה בין פיזור של אור אדום לבין אור כחול.

פיזור אור בחלל

שביל החלב.

The reddening of the stars here and along the Galactic Plane is due to scattering by the dust; it is the same process by which the sun ...

אנדרומדה.

One sees a scattering of stars within Andromeda, but only select stars that are wrapped in envelopes of dust light up at infrared ...

פיזור ראמאן - ניגוד דרמטי בשקיעה.

Description 1 Dramatic Rayleigh scattering in the atmosphere after sunset, picture taken over the ocean, at 500m altitude. http://en. ...

פיזור ריילי של האור המוחזר מהירח בעת ליקוי.

The

ראו גם

• פיזור ריילי
• פיזור ראמאן
• תוצא קומפטון
• נפיצה

קישורים חיצוניים

• HyperPhysics description of Rayleigh scattering
• Full physical explanation of sky color, in simple terms

לקריאה נוספת

• Physics, DC Giancoli, Pearson Prentice Hall (6th edition), 2005, chap.24-12.
• מבוא לאופטיקה קלאסית ומודרנית, כרך ב', האוניברסיטה הפתוחה, 1995, פרקים 4.2.
• Optics, E. Hecht, Addison-Wesley (2nd edition), 1987, chap.8.5.
• Fundamentals of Optics, FA Jenkins & HE White, McGraw-Hill (4th edition), 1976, chap.22.

הערות שוליים

[[קטגוריה:גלים*]] [[קטגוריה:פיזיקה אטומית*]] [[קטגוריה:פיזיקה גרעינית*]] [[קטגוריה:פיזיקת חלקיקים*]] [[קטגוריה:אופטיקה*]]