יום שישי, 24 בספטמבר 2010

שאלות בנושא גלי אור

שלוש שאלות בנושא גלי אור שקיבלתי במייל מדוד.

שאלה ראשונה - אני מבין שאומרים שאור מתנהג כמו גל ויש לו מספר תכונות של גל, אבל אני גם יודע שהאור שיוצא כרגע מהמסך אליך לעין לא באמת מבצע תנועה גלית, אז איך באה לידי ביטוי התנועה שלו והאורך גל? מה שונה בתנועת הפוטון של אור אדום והפוטון של אור סגול?

תשובה: גלי אור הם סוג של גלים אלקטרומגנטיים. אתה צודק - שלא כמו גלים במים, הגל האלקטרומגנטי אינו גורם לשינוי בתווך (החומר שבתוכו הוא נע). גל אלקטרומגנטי מתאפיין בשדה חשמלי ובשדה מגנטי מאונכים זה לזה שמשתנים באופן מחזורי. הגליות באה לידי ביטוי בשינוי של שני השדות הללו, ואורך הגל נמדד כמרחק שבו השדה החשמלי או השדה המגנטי משלימים מחזור אחד שלם. באיור הבא השדה החשמלי מיוצג על ידי החצים האדומים והשדה המגנטי על ידי החצים הכחולים.
קרינה אלקטרומגנטית

ההבדל בין אור אדום לאור סגול מתבטא בתדר שונה, כלומר קצב שינוי הגל בנקודה קבועה. התדר של האור הסגול גבוה יותר. האנרגיה של פוטון יחסית לתדר, ולכן האנרגיה של פוטון אור סגול גדולה יותר. העין מבדילה בין הצבעים באמצעות האנרגיה של הפוטונים הפוגעים בתאי הרשתית הרגישים לאור.


שאלה שנייה - אתמול בהרצאה (במסגרת "חכמים גם בלילה" במכון ויצמן) הסברת לי בקצרה על קרינה (קרינת גמא). אני יודע שקרינת אלפא היא בעצם קרינה של חלקיקים (גרעינים של הליום), וקרינת בטא פולטת אלקטרונים. מהי קרינת גמא, איך היא משפיעה ומה היא עושה?

תשובה: קרינת גמא היא סוג נוסף של קרינה אלקטרומגנטית. היא מתאפיינת בתדרים גבוהים מאוד, ועל כן הפוטונים של קרינת הגמא נושאים אנרגיה גדולה. קרינה זו, הנפלטת בדרך כלל מחומרים רדיואקטיביים, יכולה ליינן אטומים. לכן היא מסווגת כקרינה מייננת שעלולה לסכן חיים כאשר כמות גדולה של פוטונים כאלו פוגעים בגוף.


שאלה שלישית - טוענים שפוטון הוא נשא של כוח אלקטרומגנטי. כאשר אני מזרים זרם בתוך מוליך - האם זה אומר שיש פוטונים שמעבירים את האלקטרונים בין קליפה של אטום אחד לשני?
תשובה: אכן פוטונים הם נשאי הכוח האלקטרומגנטי, אך מדובר בפוטונים וירטואליים, כלומר כאלו שמתקיימים לזמן קצר ולא ניתן לגלות אותם. אנו יודעים שהם קיימים בזכות מכלול של תופעות המוסברות היטב בעזרתם. אני מקווה להרחיב על חלקיקים וירטואליים באחד הפוסטים הבאים.

8 תגובות:

Ehoud אמר/ה...

אריה,
אני שמח לראות כי עוד נותר לך זמן לכתוב פוסטים!

הייתי רוצה להוסיף אם יותר לי, על קרינת גמא. כפי שכתב אריה קרינת גמא היא גם קרינה אלקטרומגנטית היא רק נבדלת באנרגיה שלה ומקורה בגרעינים רדיואקטיביים. יש קשר בין המקור של קרינת גמא לאנרגיה שלה ועל כך הייתי רוצה להוסיף.

כל האור שאותו אנו רואים הוא בחלון אנרגיה מסויים, המכונה למרבה הפתעה ה"ספקטרום הנראה" . מקורם של פוטונים בספקטרום הנראה הוא לרוב במעברים אלקטרוניים בין רמות אנרגיה אלקטרוניות. בצורה פשוטה יותר אלקטרונים העוברים בין מסלולים שונים סביב הגרעין פולטים אור באנרגיה שלרוב היא באיזור הספקטרום הנראה. גרעין האטום הינו קטן ומאופיין ברמות אנרגיה גבוהות. זאת הסיבה שמעט דלק גרעיני מספק כל כך הרבה אנרגיה בכורים. פוטונים הנפלטים בקרינת גמא הם תוצאה של מעברים גרעיניים מרמות מעוררות לרמות נמוכות יותר. מבחינת סדר גודל פוטונים אילו אנרגתיים בערך פי מיליון מהפוטונים הקשורים למעברים אלקטרוניים (MeV לעומת eV). סקלת אנרגיה זו פרופורציונית לריבוע יחסי המסות בין אלקטרונים לפרוטונים או ניטרונים הנמצאים בגרעין אבל זה כבר סיפור אחר.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

לא יכולתי לומר זאת טוב יותר...

אני מודה שעד עכשיו לא שמתי לב לכך שסקלת האנרגיה של קרינת גמא פרופורציונית לריבוע יחסי המסות בין אלקטרונים לפרוטונים או נייטרונים. האם יש לכך סיבה?

Ehoud אמר/ה...

אריה שלום,

סליחה על האיחור בתשובה. לגבי העובדה שסקלת האנרגיה הגרעינית ביחס לזו האלקטרונית הולכת כמו ריבוע יחסי המסה. אני מניח כי יש לכך הסבר יותר "עמוק" אבל ניתן להראות זאת ב"נפנוף ידיים". את ההסבר שמעתי או קראתי לפני מספר שנים ואנסה לשחזר אותו.

ההסבר מתבסס על כך כי הגרעין הוא "קטן" יחסית לטווח האינטראקציה האלקטרומגנטית ועל גודל האנרגיה המשתחררת מביקוע.
בגרעין מסויים יש Z פרוטונים כיון שהגרעין קטן הרי האנרגיה החשמלית החיובית (יש כוחות דחיה בין הפרוטונים) הולכת כמו Z בריבוע כל
פרוטון עושה אינטראציה עם z-1 פרוטונים וצריך לסכום על כל הפרוטונים. האנרגיה הגרעינית משיכה בין הנוקליאונים צריכה להיות יותר גדולה ושלילית למנוע מהגעין להתבקע.
לפיכך אנרגיית האינטראקציה הגרעינית צריכה להיות לפחות כמו ריבוע המסה.

מצד שני אם נסתכל על שני תוצרי ביקוע בהנחה שכל אחד לקח מספר שווה של פרוטונים קרי z/2 הרי האנרגיה הקולומבית החיובית ירדה בפקטור 4 המסה של כל תוצר ביקוע קטנה פי פקטור 2 לכן כדי שהאנרגיה הגרעינית של תוצרי הביקוע לא תקטן "מהר" מדי היא חייבת להיות בדיוק כמו ריבוע המסה (חזקה גבוה יותר תקטין את היציבות של תוצרי הביקוע).

אני מקווה שההסבר היה ברור ומשכנע. אנסה לצוא את המקור ממנו קראתי את הטיעון או שמעתי ולבדוק אם לא טעיתי (אבל אוכל לבדוק זאת רק בעוד שבוע).

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אני מודה שלא הבנתי. הייתי מצפה שהמסות ייכנסו בחזקה ראשונה בחישובי האנרגיה. לפחות בכל הנוגע למעברים אלקטרוניים - נוסחת רידברג כוללת את מסת האלקטרון בחזקה ראשונה.

Ehoud אמר/ה...

אריה,
אנסה בשבוע הבא, למצוא את המקור להסבר שניסיתי לתת, אולי שם ההסבר טוב יותר.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה, אמתין בסבלנות.

Ehoud אמר/ה...

סליחה טעיתי.

לא הצלחתי למצוא את המקור להסבר פשוט מדוע יחס סקלות האנרגיה בין מעברים אלקטרונים למעבר גרעיניים הולכת כמו יחס ריבועי המסות. הצלחתי למצוא את המקור בו חשבתי, שקראתי את הטענה ומסתבר שזכרוני איכזב אותי לחלוטין ומדובר בטענה, שאינה מערבת את ריבועי המסות ותלויה גם בסקלות האורך הרלוונטיות.

יתכן ומדובר במקרה ויתכן ויש הסבר פיסיקלי פשוט ליחס אותו הזכרתי אבל אני איני יודע מדוע. שוב סליחה על הטענה המופרכת והבילבול.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה רבה על הבירור המעמיק.