אינטראקציה של אור עם חומר
בליעה, החזרה, שבירה ונפיצה - מה קורה כשאור פוגש חומר
מה קורה כשאור פוגש חומר?
ארבעת סוגי האינטראקציה
בליעה
החומר סופג את אנרגיית האור והופך אותה לחום.
משטח שחור בולע את כל הצבעים.
משטח לבן מחזיר את כולם.
משטח אדום בולע הכל חוץ מאדום.
לכן חפצים שחורים מתחממים יותר בשמש.
החזרה
האור קופץ ממשטח החומר.
החזרה סדירה: ממשטח חלק (מראה) - כל הקרנים באותו כיוון. רואים דמות ברורה.
החזרה מפוזרת: ממשטח מחוספס (קיר) - קרנים לכל הכיוונים.
זו הסיבה שאנחנו רואים עצמים.
שבירה
האור עובר דרך החומר אבל משנה כיוון.
קורה במעבר בין שני תווכים שקופים (אוויר ← מים).
כף בכוס מים נראית 'שבורה'.
עדשת משקפיים מתקנת ראייה.
מנסרה מפרידה אור לבן לצבעים.
נפיצה
האור מתפזר לכל הכיוונים.
קורה כשאור פוגש חלקיקים קטנים מאוד.
שמיים כחולים - נפיצת אור כחול.
שקיעה אדומה - האדום ממשיך ישר.
ערפל לבן - נפיצה של כל הצבעים.
החזרה - מראות וראייה
חוק ההחזרה
החזרת אור ממראה מישורית עוקבת אחר חוק פשוט.
חוק ההחזרה: זווית ההחזרה = זווית הפגיעה.
קרן אור שפוגעת במראה בזווית מסוימת, מוחזרת באותה זווית מהצד השני של האנך למראה.
החזרה סדירה (מראה):
- משטח חלק
- כל הקרנים מוחזרות באותו כיוון
- רואים דמות ברורה (בבואה)
החזרה מפוזרת (קיר, נייר):
- משטח מחוספס
- קרנים מוחזרות לכל הכיוונים
- רואים את העצם (לא דמות מראה)
אנחנו רואים עצם כשאור שמוחזר ממנו מגיע לעינינו. ללא אור - אנחנו לא רואים כלום.
שבירה - למה כף נראית שבורה?
שבירת אור - הסבר
כשאור עובר מתווך אחד לתווך אחר (למשל מאוויר למים), מהירותו משתנה. שינוי המהירות גורם לשינוי כיוון הקרן.
מאוויר למים: האור מאט ← הקרן מתקרבת לאנך.
ממים לאוויר: האור מואץ ← הקרן מתרחקת מהאנך.
שימושים:
- עדשות במשקפיים, מצלמות, מיקרוסקופים
- מנסרה מפרידה אור לבן לצבעים (כל צבע נשבר בזווית אחרת)
- סיבים אופטיים מנצלים החזרה פנימית מלאה להעברת אור
צבעים - למה אנחנו רואים צבעים?
תפיסת צבע
הצבע שאנחנו רואים תלוי באור שהעצם מחזיר לעינינו.
אור לבן מכיל את כל צבעי הקשת.
כשהוא פוגע בעצם:
- העצם בולע חלק מהצבעים (הופכם לחום)
- העצם מחזיר את שאר הצבעים
- מה שמגיע לעין = הצבע שאנחנו רואים
דוגמאות:
- תפוח אדום: בולע כחול, ירוק, סגול - מחזיר אדום
- עלה ירוק: בולע אדום, כחול - מחזיר ירוק
- עצם שחור: בולע הכל - לא מחזיר כלום
- עצם לבן: מחזיר הכל - לא בולע כלום
צבע הוא לא תכונה של האור עצמו, אלא תוצאה של האינטראקציה בין האור לחומר.
מנסרה ונפיצת אור
ניוטון והמנסרה
יצחק ניוטון גילה שאור לבן הוא למעשה תערובת של כל הצבעים. מנסרת זכוכית שוברת כל צבע בזווית אחרת (כי לכל צבע אורך גל שונה), ומפרידה את האור הלבן לקשת צבעים.
קשת בענן
קשת בענן נוצרת באותו עיקרון - טיפות הגשם פועלות כמנסרות זעירות. אור השמש נכנס לטיפה, נשבר, מוחזר מהדופן הפנימית, נשבר שוב ביציאה - ומתפרד לצבעים.
צל - ראיה לקו ישר
היווצרות צל
אור מתפשט בקווים ישרים. כשעצם אטום חוסם את האור, נוצר מאחוריו אזור חשוך - צל.
מקור אור נקודתי (קטן): צל חד עם גבולות ברורים.
מקור אור רחב (גדול): צל עם חצי-צל (אזור אפור) סביבו.
ליקוי חמה ולבנה הם דוגמאות לצל בטבע - הירח/כדור הארץ חוסמים את אור השמש.
שקיפות חומרים
סיווג חומרים לפי שקיפות
| סוג | הגדרה | דוגמאות | מה קורה לאור |
|---|---|---|---|
| שקוף | אור עובר דרכו בקלות | זכוכית נקייה, מים, אוויר | מעבר (ושבירה קלה) |
| שקוף למחצה | חלק מהאור עובר, חלק נבלע/מפוזר | זכוכית חלבית, נייר דק | מעבר חלקי, נפיצה |
| אטום | אור לא עובר דרכו | עץ, מתכת, אבן | בליעה + החזרה |
* חשוב: חומר יכול להיות שקוף לסוג קרינה אחד ואטום לאחר. זכוכית שקופה לאור נראה אבל אטומה ל-UV
שאלה לחשיבה
אם מאירים על עגבנייה אדומה באור כחול בלבד (ללא אדום) - איזה צבע נראה?
העגבנייה תיראה שחורה (כהה מאוד). היא אדומה כי היא מחזירה אור אדום ובולעת את שאר הצבעים. אם אין אור אדום בכלל (רק כחול) - היא תבלע את הכחול ולא תחזיר כלום. ללא אור חוזר - אנחנו רואים שחור.
שאלה לחשיבה
מדוע מכונית לבנה נעימה יותר בקיץ ממכונית שחורה?
צבע לבן מחזיר את רוב אור השמש (כל הצבעים) ובולע מעט. צבע שחור בולע את כמעט כל האור - והאנרגיה הנבלעת הופכת לחום. לכן מכונית שחורה בשמש יכולה להגיע ל-70 מעלות בפנים, ולבנה - כ-50 מעלות. הפרש של 20 מעלות!
שאלה לחשיבה
מדוע מסננים בשלט רחוק שקופים רק לאינפרא-אדום ולא לאור נראה?
המסנן בשלט עשוי מפלסטיק כהה-אדום שחוסם את רוב האור הנראה אבל מאפשר לאינפרא-אדום לעבור. כל חומר שקוף לאורכי גל מסוימים ואטום לאחרים. זכוכית למשל שקופה לאור נראה אבל חוסמת אולטרה-סגול.
סיבים אופטיים הם חוטי זכוכית דקים שמעבירים אור למרחקים ארוכים. האור נכנס לסיב ומוחזר מהדפנות הפנימיות שוב ושוב (החזרה פנימית מלאה) - כך הוא 'נוסע' בתוך הסיב, גם אם הסיב מכופף. כל האינטרנט המהיר בעולם עובד על סיבים אופטיים - הם מעבירים מידע בפולסים של אור במהירות עצומה.
שימושים טכנולוגיים של אור
אור בטכנולוגיה
עדשות
שבירת אור בעדשות מתקנת ראייה (משקפיים), מגדילה (מיקרוסקופ), ומצלמות. כל מצלמת טלפון = מערכת עדשות.
לייזר
אור במנון גל אחד, ממוקד מאוד. שימושים: חיתוך, ניתוחי עיניים, סריקת ברקוד, תקשורת בסיבים אופטיים.
הולוגרמה
תמונה תלת-ממדית שנוצרת מאינטרפרנציה של אור. משמשת בביטחון (שטרות, תעודות) ובתצוגות.
סיכום אינטראקציות אור
ארבע אינטראקציות של אור עם חומר:
- בליעה: חומר סופג אור ← חום. שחור בולע הכל, לבן מחזיר הכל
- החזרה: אור קופץ ממשטח. סדירה (מראה) / מפוזרת (קיר). זו הסיבה שרואים עצמים
- שבירה: שינוי כיוון במעבר בין תווכים. עדשות, מנסרה, כף 'שבורה' בכוס
- נפיצה: פיזור לכל הכיוונים. שמיים כחולים, שקיעה אדומה