משתמש:Setreset/טיוטה
 |
דף זה אינו ערך אנציקלופדי
| |
| דף זה אינו ערך אנציקלופדי | |
מהות האור[עריכת קוד מקור | עריכה]
ערכים מורחבים – פוטון, קרינה אלקטרומגנטית
כיום האור (וקרינה אלקטרומגנטית בכלל) מתואר באופן הבסיסי והמדויק ביותר בתורת האלקטרודינמיקה הקוונטית (QED). תיאור זה של האור מאפשר מדידות מדויקות עד כדי 10−9 (אחד חלקי מיליארד) של הגדלים הנמדדים בניסויים. [1] האור ב-QED הוא חלקיק יסודי חסר מסה הנקרא פוטון.
תיאורים אחרים של האור גם הם מדויקים בקירוב, כאשר עוסקים במערכות גדולות בהרבה מגודל של אטום או בעלות אנרגיה נמוכה יותר, או אם מבצעים חישובים בדרגות דיוק שונות. לדוגמה, אופטיקה גיאומטרית וחוק סנל מדויקים מספיק לכל צורך מעשי בתכנון עדשות. לתכנון אנטנות של תקשורת סלולרית, תיאור האור כגל אלקטרומגנטי המקיים את משוואות מקסוול בלבד הוא מדויק. לתצפיות אסטרונומיות, משתמשים במשוואות מקסוול בצורה יחסותית. לתופעות שזירה קוונטית או חקר מולקולות, משתמשים בתיאור האור כחלקיק/גל על פי תורת הקוונטים.
קיימים ניסויים פשוטים אשר ממחישים את האופי החלקיקי והגלי של האור:
- האור כגל - בניסוי עקיפה, אור שעובר בחריר קטן או בסדק צר מתפזר לכל הכוונים כמו גל ים בסדק בין שוברי גלים סמוכים.[2]
- האור כחלקיק - בגלאי דיגיטלי המצלם תמונה קבועה, ערכי התמונה שונים במקצת מפריים לפריים. ההפרש הזה נקרא רעש שוט והוא מתכונתי לשורש עוצמת האור. התלות בשורש עוצמת האור נובעת מהתפלגות פואסון של חלקיקים בדידים, והייתה שונה אם האור היה בעל אופי גלי. [3]
- 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 נפלטים פוטונים בודדים, ונקלטים על הגלאי עם אותה התבנית, תבנית התאבכות, כלומר חלקיק בודד מפגין תכונות של גל. [4]
אופטיקה גיאומטרית[עריכת קוד מקור | עריכה]
אופטיקה גאומטרית היא התורה הפשוטה ביותר לאור שנמצאת בשימוש מדעי כיום. אופטיקה גיאומטרית משמשת בין היתר לתכנון עדשות, חישובים רדיומטריים, וניתוב קרניים בגרפיקה ממוחשבת. באופטיקה גיאומטרית מניחים שגודל העצמים והמרחקים ביניהם גדולים בהרבה מאורך הגל. בתווך אחיד האור נע בקו ישר, ובמעבר של תווכים האור עובר שבירה, כלומר זווית הקרן משתנה, לפי חוק סנל.
משוואות מקסוול[עריכת קוד מקור | עריכה]
משוואות מקסוול מתארות את האור כגל אלקטרומגנטי, כלומר גל חשמלי וגם מגנטי. לשדות יש גודל וכיוון במרחב, שיכולים להשתנות בזמן ובמרחב. לאור יש קיטוב, שהוא הכיוון של השדה החשמלי.
מבחינה מתמטית, האור מתואר כצירוף של פונקציות וקטורית לשדה החשמלי ולשדה המגנטי. משוואות מקסוול הן מערכת של ארבע משוואות דיפרנציאליות המתארות גל אלקטרומגנטי. פתרונות של המשוואות הם השדה החשמלי והמגנטי הוקטוריים כפונקציה של המיקום והזמן. בריק, פתרון המשוואות בקואורדינטות קרטזיות הוא גל מישורי, או סכום גלים מישוריים שונים, כתלות בתנאי השפה. בקואורדינטות פולריות בריק, פתרון המשוואות הוא פונקציות הרמוניות ספריות.
תורת הקוונטים[עריכת קוד מקור | עריכה]
בתורת הקוואנטים מצבים אפשריים של חומר אור נפלט ונבלע בין מצבים קוונטיים, לפי הפרש האנרגיה בין המצבים.
קוונטיזציה שניה[עריכת קוד מקור | עריכה]
בקוונטיזציה שנייה גם שדה האור בעצמו הופך לאופרטור. התורה מאפשרת חישובים מורכבים יותר של תגובה בין אור לחומר, ומתארת תופעות מורכבות יותר, כמו פלזמון.
אלקטרודינמיקה קוונטית[עריכת קוד מקור | עריכה]
אלקטרודינמיקה קוונטית, או QED, היא תורת השדות הקוונטית שמתארת את הכח האלקטרומגנטי. QED היא אחד החלקים של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.
חלקיק יסודי ב-QED נקרא שדה. כמו בתורת הקוונטים כל חלקיק הוא גם גל, בהתאם לסוג הניסוי שמבצעים. הפוטון (חלקיק האור) הוא חלקיק יסודי מסוג בוזון כיול, הוא נושא את הכוח 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.
פוטון ב-QED הוא בוזון כיול שמייצג סימטריית כיול U(1) שנותרת מדויקת לאחר שבירת סימטריה ספונטנית במנגנון היגס, ומכיוון שהסימטריה שלמה הפוטון הוא חסר מסה. בוזוני הכיול המתארים את הסימטריות השבורות במנגנון היגס (W,Z) אחראים על הכוח הגרעיני החלש, והם בעלי מסה גדולה.
- ^ ראו למשל את קבוע המבנה הדק (fine structure constant) בתוך Physical Constants, Particle Data Group (2019)
- ^ ניסוי מעבדה: עקיפה בחריר עגול ובסדק בודד, רמי אריאלי, לייזרים ויישומיהם, המחלקה להוראת המדעים, מכון ויצמן
- ^ Schottky Walter, Über spontane Stromschwankungen in verschiedenen Elektrizitätsleitern, Annalen der Physik, 362(23),p.541–567(1918). תרגום לאנגלית: On spontaneous current fluctuations in various electrical conductors
- ^ דר' קוונטום וניסוי שני הסדקים (עם כתוביות בעברית)