אור: היסטוריה, טבע, התנהגות, התפשטות - גוּפָנִי - 2025

האור הוא גל אלקטרומגנטים יכול להיות מזוהה על ידי חוש הראייה. זה מהווה חלק מהספקטרום האלקטרומגנטי: מה שמכונה אור גלוי. במהלך השנים הוצעו תיאוריות שונות להסביר את טיבו.

לדוגמה, האמונה שהאור כלל מזרם של חלקיקים שנפלטו על ידי חפצים או על ידי עיניהם של משקיפים, הוחזקה זמן רב. אמונה זו של הערבים והיוונים הקדומים חולקה על ידי אייזק ניוטון (1642-1727) כדי להסביר את תופעות האור.

איור 1. השמים כחולים בזכות פיזור אור השמש באטמוספרה. מקור: Pixabay.

למרות שניוטון עלה לחשוד שלאור יש תכונות גלים וכריסטיאן הויגנס (1629-1695) הצליח להסביר את השבירה וההשתקפות בעזרת תיאוריית גלים, האמונה של האור כחלקיק הייתה נפוצה בקרב כל המדענים עד תחילת המאה ה -19. .

עם שחר של אותה מאה, הפיזיקאי האנגלי תומאס יאנג הדגים ללא ספק שקרני אור יכולות להפריע זו לזו, בדיוק כפי שעושים גלים מכניים בחוטים.

זה יכול רק לומר שהאור היה גל ולא חלקיק, אף שאיש לא ידע איזה סוג גל זה היה עד בשנת 1873, ג'יימס קלרק מקסוול טען שהאור הוא גל אלקטרומגנטי.

בתמיכת תוצאות הניסוי של היינריך הרץ בשנת 1887, טבע האור האור הוקם כעובדה מדעית.

אולם בתחילת המאה העשרים, עלו ראיות חדשות לגבי טבעו הגופני של האור. טבע זה נוכח בתופעות פליטה וקליטה, בהן מועבר אנרגיית האור באריזה המכונה "פוטונים".

לפיכך, מכיוון שהאור מתפשט כגל ומתקשר עם חומר כמו חלקיק, טבע כפול מוכר כיום באור: חלקיקי הגל.

טבע האור

ברור שטבע האור כפול, מתפשט כגל אלקטרומגנטי, שהאנרגיה שלו מגיעה בפוטונים.

אלה, שאין להם מסה, נעים בוואקום במהירות קבועה של 300,000 קמ"ש. זוהי מהירות האור הידועה בוואקום, אך האור יכול לנוע באמצעי מדיה אחרים, גם אם במהירויות שונות.

כאשר הפוטונים מגיעים לעינינו מופעלים החיישנים המזהים את נוכחות האור. המידע מועבר למוח ומתפרש שם.

כאשר מקור פולט מספר גדול של פוטונים, אנו רואים אותו כמקור בהיר. אם להפך, הוא פולט מעטים, הוא מתפרש כמקור אטום. לכל פוטון יש אנרגיה מסוימת, שהמוח מפרש כצבע. לדוגמא פוטונים כחולים הם אנרגטיים יותר מפוטונים אדומים.

כל מקור בדרך כלל פולט פוטונים בעלי אנרגיות שונות, ומכאן הצבע איתו הוא נראה.

אם שום דבר אחר לא פולט פוטונים בעלי סוג אנרגיה יחיד, זה נקרא אור מונוכרומטי. הלייזר הוא דוגמא טובה לאור מונוכרומטי. לבסוף, התפלגות הפוטונים במקור נקראת ספקטרום.

גל מאופיין גם בכך שיש לו אורך גל מסוים. כאמור, האור שייך לספקטרום האלקטרומגנטי, המכסה מגוון רחב של אורכי גל, החל מגלי רדיו ועד קרני גאמה. התמונה הבאה מראה כיצד קרן אור לבן מפזרת פריזמה משולשת. האור מופרד לאורכי גל ארוכים (אדומים וקצרים (כחולים)).

באמצע נמצאת הפס הצר באורכי הגל המכונה הספקטרום הנראה לעין, ונע בין 400 ננומטר (ננומטר) ל 700 ננומטר.

איור 2. הספקטרום האלקטרומגנטי המציג את טווח האור הנראה. מקור: מקור: Wikimedia Commons. מחבר: הורסט פרנק.

התנהגות האור

לאור יש התנהגות כפולה, גל וחלקיקים כפי שנבדק. האור מתפשט באותו אופן כמו גל אלקטרומגנטי, וככזה הוא מסוגל להעביר אנרגיה. אך כאשר האור מתקשר עם חומר, הוא מתנהג כקרן חלקיקים הנקראים פוטונים.

איור 4. ריבוי גל אלקטרומגנטי. מקור: Wikimedia Commons. סופר-מאנו.

בשנת 1802, הפיזיקאי תומאס יאנג (1773-1829) הדגים כי לאור הייתה התנהגות גלית באמצעות ניסוי הכפול.

באופן זה הוא הצליח לייצר הפרעות מקסימליות ומינימליות על גבי מסך. התנהגות זו אופיינית לגלים וכך יאנג הצליח להדגים כי האור הוא גל וגם הצליח למדוד את אורך הגל שלו.

ההיבט הנוסף של האור הוא זה של חלקיק, המיוצג על ידי חבילות אנרגיה הנקראות פוטונים, אשר בוואקום נעים במהירות c = 3 x 10 ⁸ m / s ואין להם מסה. אבל יש להם אנרגיה E:

וגם תנופת גודל:

כאשר h הוא קבוע של פלאנק, שערכו 6.63 x 10 ^-34 ג'ול.שנייה ו- f הוא תדר הגל. שילוב ביטויים אלה:

ומכיוון שאורך הגל λ והתדר קשורים על ידי c = λ.f, הוא נשאר:

עקרון הויגנס

איור 5. קרני אור קדמיות וגל המתפשטות בקו ישר. מקור: סרווי. ר 'פיסיקה למדע והנדסה.

כאשר בוחנים את התנהגות האור, ישנם שני עקרונות חשובים שיש לקחת בחשבון: עקרון הויגנס ועיקרון פרמה. העיקרון של הויגנס קובע כי:

מדוע גלים כדוריים? אם נניח שהמדיום הוא הומוגני, האור שנפלט ממקור נקודתי יתפשט לכל הכיוונים באופן שווה. אנו יכולים לדמיין אור מתפשט באמצע כדור גדול כאשר הקרניים מופצות באופן שווה. מי שצופה באור זה תופס שהוא נע בקו ישר לכיוון עינו ונע בניצב לחזית הגל.

אם קרני האור מגיעות ממקור מרוחק מאוד, למשל השמש, חזית הגל שטוחה והקרניים מקבילות. זה מה שגישת האופטיקה הגיאומטרית כוללת.

העיקרון של פרמה

העיקרון של פרמה קובע כי:

עיקרון זה חייב את שמו למתמטיקאי הצרפתי פייר דה פרמה (1601-1665), שהקים אותו לראשונה בשנת 1662.

על פי עיקרון זה, באור בינוני הומוגני מתפשט במהירות קבועה, לכן יש לו תנועה ישראלית אחידה והמסלול שלו הוא קו ישר.

ריבוי האור

האור נע כמו גל אלקטרומגנטי. גם השדה החשמלי וגם השדה המגנטי מייצרים זה את זה, ומהווים גלים צמודים שנמצאים בשלב ונמצאים בניצב זה לזה ולכיוון ההתפשטות.

באופן כללי ניתן לתאר גל המתפשט בחלל מבחינת חזית הגל. זוהי קבוצת הנקודות שיש להן משרעת ושלב שוות. לדעת את מיקום חזית הגל ברגע נתון, ניתן לדעת על כל מיקום עוקב אחר, לפי העיקרון של הויגנס.

הִשׁתַבְּרוּת

לייזר מפוזר על ידי חריץ משושה. לינזוציאן

ניתן לראות בבירור את התנהגות הגלים של האור על ידי שתי תופעות חשובות המתעוררות במהלך התפשטותו: עקיפה והפרעה. בבדיקה, גלים, בין אם מים, צליל או אור, מעוותים כשהם עוברים בפתחים, מסתובבים במכשולים או מסתובבים בפינות.

אם הצמצם גדול בהשוואה לאורך הגל, העיוות לא גדול במיוחד, אך אם הצמצם קטן, השינוי בצורת הגל מורגש יותר. דיפרקציה היא תכונה בלעדית של גלים, כך שכאשר אור מפגין דיפרקציה אנו יודעים שיש לו התנהגות גלים.

הפרעות וקיטוב

הפרעת האור מצידה מתרחשת כאשר הגלים האלקטרומגנטיים המרכיבים אותם חופפים זה את זה. כשעושים זאת, הם מתווספים וקטורית והדבר עשוי להביא לשני סוגים של הפרעות:

–קונסטרוקטיבי, כאשר עוצמת הגל המתקבל גדולה מעוצמת הרכיבים.

–הרסנית אם העוצמה נמוכה יותר מהרכיבים.

הפרעות בגלי האור מתרחשות כאשר הגלים מונוכרומטיים ושומרים על אותו הבדל פאזה כל הזמן. זה נקרא עקביות. אור כזה יכול להגיע למשל בלייזר. מקורות נפוצים כמו נורות ליבון אינם מייצרים אור קוהרנטי מכיוון שהאור הנפלט על ידי מיליוני האטומים בחוטם משתנה כל הזמן.

אבל אם גוון אטום עם שני פתחים קטנים קרוב זה לזה ממוקם על אותה נורה, האור שיוצא מכל חריץ משמש כמקור קוהרנטי.

לבסוף, כאשר תנודות השדה האלקטרומגנטי כולם בכיוון זהה, מתרחשת קיטוב. אור טבעי אינו מקוטב, מכיוון שהוא מורכב מרכיבים רבים, שכל אחד מהם מתנדנד לכיוון אחר.

הניסוי של יאנג

בתחילת המאה ה -19, הפיזיקאי האנגלי תומאס יאנג היה הראשון להשיג אור קוהרנטי עם מקור אור רגיל.

בניסוי המפורסם שלו עם שני חריצים הוא העביר אור דרך חריץ במסך אטום. על פי עיקרון הויגנס נוצרים שני מקורות משניים, אשר בתורם עברו דרך מסך אטום שני עם שני חריצים.

איור 6. אנימציה של הניסוי הכפול של סדק של יאנג. מקור: Wikimedia Commons.

האור שהתקבל בכך האיר קיר בחדר חשוך. מה שנראה היה דפוס המורכב מתחומים בהירים וחשוכים לסירוגין. קיומו של דפוס זה מוסבר על ידי תופעת ההפרעות המתוארת לעיל.

הניסוי של יאנג היה חשוב מאוד מכיוון שהוא חשף את טבע האור הגל. בהמשך הניסוי בוצע עם חלקיקים יסודיים כמו אלקטרונים, נויטרונים ופרוטונים, עם תוצאות דומות.

תופעות של אור

הִשׁתַקְפוּת

השתקפות של אור במים

כאשר קרן אור פוגעת במשטח, ניתן להשתקף חלק מהאור ולחלק להיספג. אם מדובר במדיום שקוף, חלק מהאור ממשיך את דרכו דרכו.

כמו כן, המשטח יכול להיות חלק, כמו מראה, או מחוספס ולא אחיד. השתקפות המתרחשת על משטח חלק נקראת השתקפות ספקולרית, אחרת היא השתקפות מפוזרת או השתקפות לא סדירה. משטח מלוטש מאוד, כמו מראה, יכול לשקף עד 95% מאור האירוע.

השתקפות מיוחדת

באיור נראה קרן אור הנעת במדיום, אשר עשוי להיות אוויר. הוא נופל בזווית θ ₁ על משטח ספולארי מישורי ומשתקף בזווית θ ₂ . הקו המצוין כרגיל ניצב לפני השטח.

זווית ההיארעות שווה לזווית ההשתקפות. מקור: סרווי. ר 'פיסיקה למדע והנדסה.

גם האירוע וגם הקרן המשתקפת והנורמלי למשטח הספקולרי נמצאים באותו מישור. היוונים הקדמונים כבר הבחינו שזווית ההיארעות שווה לזווית ההשתקפות:

ביטוי מתמטי זה הוא חוק השתקפות האור. עם זאת, גלים אחרים כמו צליל למשל, מסוגלים גם להשתקף.

רוב המשטחים מחוספסים ולכן השתקפות האור מפוזרת. בדרך זו האור שהם משקפים נשלח לכל הכיוונים, כך שניתן לראות עצמים מכל מקום.

מכיוון שאורכי גל מסוימים משתקפים יותר מאחרים, לאובייקטים יש צבעים שונים.

לדוגמה, עלי העצים משקפים אור שנמצא בערך באמצע הספקטרום הנראה, התואם לצבע ירוק. שאר אורכי הגל הנראים נקלטים: מאולטרה סגול קרוב לכחול (350-450 ננומטר) ואור אדום (650-700 ננומטר).

שבירה

תופעת השבירה. יוסל 7

שבירת האור מתרחשת מכיוון שהאור נעה במהירויות שונות בהתאם למדיום. בוואקום מהירות האור היא c = 3 x 10 ⁸ m / s, אך כאשר האור מגיע למדיום חומרי נוצרים תהליכי ספיגה ופליטה הגורמים לאנרגיה לרדת, ואיתו המהירות.

לדוגמה, כשעוברים באוויר האור נע במהירות כמעט שווה ל- c, אך במים האור נעה בשלושת רבעי צ ', ואילו בזכוכית הוא נע בכשני שליש c.

מדד שבירה

אינדקס השבירה מסומן n ומוגדר כמניין בין מהירות האור בוואקום c לבין המהירות שלו במדיום v:

מדד השבירה תמיד גדול מ- 1, מכיוון שמהירות האור בוואקום תמיד גדולה יותר מאשר במדיום חומרי. כמה ערכים טיפוסיים של n הם:

-אוויר: 1.0003

מים: 1.33

-כוסית: 1.5

-דיאמונד: 2.42

חוק סנל

כאשר קרן אור פוגעת בגבול בין שני אמצעי תקשורת באופן לא מבוטל, כמו אוויר וזכוכית למשל, חלק מהאור משתקף וחלק אחר ממשיך בדרכו אל הזכוכית.

במקרה זה, אורך הגל והמהירות חווים וריאציה כאשר עוברים ממדיום אחד למשנהו, ולא התדר. מכיוון ש v = c / n = λ.f וגם בוואקום c = λo. f, אז יש לנו:

כלומר, אורך הגל במדיום נתון הוא תמיד פחות מאורך הגל בוואקום λ.

איור 8. חוק סנל. מקור: איור שמאלי: תרשים של שבירת האור. רקס, א. יסודות הפיזיקה. הנתון הימני: ויקימדיה Commons. יוסל 7.

שימו לב למשולשים שיש להם hypotenuse משותף באדום. בכל מדיום המדידה ההיפוטית היא λ ₁ / sin θ ₁ ו- λ ₂ / sin respectively ₂ בהתאמה, מכיוון ש- λ ו- v הם פרופורציונליים, לכן:

מכיוון λ = λ _o / n יש לנו:

שיכול לבוא לידי ביטוי כ:

זו הנוסחה של חוקו של סנל, לכבוד המתמטיקאי ההולנדי וילברורד סנל (1580-1626), שהפיק אותו בניסיונות על ידי התבוננות באור העובר מאוויר למים וזכוכית.

לחלופין, החוק של סנל נכתב במונחים של מהירות האור בכל מדיום, ועושה שימוש בהגדרת מדד השבירה: n = c / v:

פְּזִירָה

כפי שהוסבר לעיל, האור מורכב מפוטונים בעלי אנרגיות שונות וכל אנרגיה נתפסת כצבע. אור לבן מכיל פוטונים מכל האנרגיות ולכן ניתן לפרק אותם לאורות צבעוניים שונים. זה פיזור האור שכבר נחקר על ידי ניוטון.

טיפות מים באטמוספרה מתנהגות כמו מנסרות קטנות. מקור: Pixabay.

ניוטון לקח פריזמה אופטית, העביר דרכה קרן אור לבן והשיג פסים צבעוניים שנעים בין אדום לסגול. שוליים אלה הם ספקטרום האור הנראה באיור 2.

פיזור האור הוא תופעה טבעית, שיופיה אנו מעריצים בשמיים כאשר נוצר הקשת. אור השמש נופל על טיפות מים באטמוספרה, הפועלות כמו מנסרות קטנטנות דמויות ניוטון, ובכך מפזרות את האור.

הצבע הכחול איתו אנו רואים את השמיים הוא גם תוצאה של פיזור. עשיר בחנקן וחמצן, האטמוספירה מפזרת בעיקר גוונים של כחול וסגול, אך העין האנושית רגישה יותר לכחול ולכן אנו רואים את שמי הצבע הזה.

כאשר השמש נמוכה יותר באופק, בזמן הזריחה או השקיעה, השמים הופכים לכתומים בזכות העובדה שקרני האור צריכות לעבור בשכבה עבה יותר של האטמוספירה. הטונים האדמדמים של תדרים נמוכים מתקשרים פחות עם גורמי האטמוספרה ומנצלים כדי להגיע ישירות אל פני השטח.

לאווירה שופעת אבק וזיהום, כמו למשל בערים גדולות, יש שמיים אפרפרים בגלל פיזור התדרים הנמוכים.

תיאוריות על אור

האור נחשב בעיקר כחלקיק או כגל. התיאוריה הגופנית שניוטון הגן, ראתה אור כקרן חלקיקים. ואילו השתקפות ושבירה ניתן היה להסביר כראוי על ידי הנחה שהאור הוא גל, כפי שטען הויגנס.

אך הרבה לפני המדענים המדהימים הללו, אנשים כבר השערו על טיב האור. ביניהם לא יכול היה להיעדר הפילוסוף היווני אריסטו. להלן סיכום קצר של תיאוריות האור לאורך זמן:

התיאוריה האריסטוטלית

לפני 2,500 שנה טען אריסטו כי האור הגיח מעיני המתבונן, האיר חפצים וחזר בדרך כלשהי עם הדימוי כך שניתן יהיה להעריך אותו.

התיאוריה הגופנית של ניוטון

ניוטון האמין כי האור מורכב מחלקיקים זעירים המתפשטים בקו ישר לכל הכיוונים. כאשר הם מגיעים לעיניים הם רושמים את התחושה כאור.

תורת הגלים של הויגנס

הויגנס פרסם יצירה בשם Tractise on light ובו הציע שמדובר בהפרעה של המדיום הדומה לגלי קול.

התיאוריה האלקטרומגנטית של מקסוול

למרות שהניסוי הכפול חריץ לא הותיר ספק באופי הגל של האור, במשך רוב המאה התשע עשרה היו ספקולציות לגבי סוג הגל שהיה, עד שמקסוול הצהיר בתיאוריה האלקטרומגנטית שלו שאור מורכב מה התפשטות של שדה אלקטרומגנטי.

האור כגל אלקטרומגנטי מסביר את תופעות התפשטות האור כמתואר בסעיפים הקודמים והוא מושג המקובל על ידי הפיזיקה הנוכחית, וכך גם טבעו הגופני של האור.

התיאוריה הגופנית של אינשטיין

על פי התפיסה המודרנית של האור, הוא מורכב מחלקיקים חסרי מסה ונטענים שנקראים פוטונים. למרות שאין להם מסה, יש להם תנופה ואנרגיה, כפי שהוסבר לעיל. תיאוריה זו מסבירה בהצלחה את הדרך בה אור מתקשר עם חומר, על ידי החלפת אנרגיה בכמויות נפרדות (מכמתות).

את קיומו של קוונטה של ​​אור הוצע על ידי אלברט איינשטיין כדי להסביר את האפקט הפוטואלקטרי שגילה היינריך הרץ כמה שנים קודם לכן. ההשפעה הפוטואלקטרית מורכבת מפליטת אלקטרונים על ידי חומר שעליו הופעלה סוג כלשהו של קרינה אלקטרומגנטית, כמעט תמיד בטווח האולטרה סגול לאור הנראה.

הפניות

1. Figueroa, D. (2005). סדרה: פיזיקה למדע והנדסה. כרך 7. גלים ופיזיקה קוונטית. נערך על ידי דאגלס פיגארואה (USB).
2. פיזיקה. תיאוריות האור. התאושש מ: fisic.ch.
3. Giancoli, D. 2006. פיזיקה: עקרונות עם יישומים. 6. אולם אד פרנטיס.
4. תנועת גל. העיקרון של פרמה. התאושש מ: sc.ehu.es.
5. Rex, A. 2011. יסודות הפיזיקה. פירסון.
6. Romero, O. 2009. Physics. סנטילנה היפרטקסט.
7. Serway, R. 2019. פיסיקה למדע והנדסה. 10. מַהֲדוּרָה. כרך 2. Cengage.
8. Shipman, J. 2009. מבוא למדע הגופני. מהדורה שתים עשרה. ברוקס / קול, מהדורות Cengage.
9. ויקיפדיה. אוֹר. התאושש מ: es.wikipedia.org.