האור הנראה הינו חלק מספקטרום הגלים האלקטרומגנטי. האור הנראה, הנקרא גם 'אור לבן' מכיל את אוסף כל הצבעים: מאדום ('חלש') ועד סגול ('חזק'). צבעים אלו נבדלים למעשה באורך הגל שלהם (או בתדירות). צבעים אלו נראים לנו כאשר אור לבן עובר, לדוגמא, דרך מנסרה משולשת. כאשר האור הלבן עובר דרך המנסרה הוא מתפרק לצבעים- אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול וסגול. 'הפרדת האור הלבן' לשלל הצבעים המרכיבים אותו נקראת פיזור (dispersion). לכל צבע יש את התדירות (אורך הגל) האופיינית לו; ותדירויות שונות של האור הנראה 'יתעקמו' בזווית מסוימת כאשר יעברו דרך המנסרה.


אור לבן מתפרק לצבעים ע"י מנסרה משולשת. תמונת האנימציה לקוחה מויקיפדיה

מדוע אם כן תדירויות שונות של אור מתעקמות (או נשברות) בצורה שונה במעברם דרך המנסרה?

ננסה להסביר זאת בצורה אינטואיטיבית ופשוטה.
חומרים שונים נבדלים זה מזה, בין היתר, ע"י 'הצפיפות האופטית' שלהם. 'צפיפות אופטית' היא מדד לנטייה של חומר להאט את האור העובר דרכו. אור העובר דרך חומר שקוף נמצא באינטרקציה עם האטומים של אותו חומר. כאשר גל אור 'מתנגש' באטום החומר, הוא למעשה נבלע ע"י האטום. האנרגיה הנספגת גורמת לאלקטרונים באטום להתנודד. אם תדירות גל האור אינה תואמת את תדירות התהודה של האלקטרונים המתנודדים, אז האור יפלט מהאטום באותה תדירות שבה הוא פגע בו. גל האור ינוע בואקום (ריק) שבין האטומים לעבר האטום השני שבחומר. ברגע שגל האור יפגע באטום השני, התהליך של ספיגה ופליטה יחזור על עצמו.

'הצפיפות האופטית' של חומר היא תוצאה של הנטייה של האטומים של החומר לשמור את האנרגיה הנספגת של גל האור בצורה של תנודות אלקטרונים לפני שהוא משתחרר שוב בצורה של הפרעה אלקטרומגנטית. על כן, בעוד גל אור מתקדם בואקום (ריק) במהירות C, הוא נע דרך חומר שקוף במהירות שהינה קטנה מ C. ערך מקדם השבירה (n) מעניק ביטוי כמותי ל'צפיפות האופטית' של החומר (תווך) הנתון. לחומרים עם מקדם שבירה שערכו גבוה יש נטייה לשמור את אנרגיית האור הנספג לאורך זמן ארוך יותר עד שהוא נפלט שוב לואקום הבין-אטומי (שבחומר). ככל שהתדירות של גל האור מתאימה יותר לתדירות התהודה של תנודות האלקטרונים של האטומים בחומר, כך גדולה יותר ה'צפיפות האופטית' ובכלל זה מקדם השבירה של אותו חומר. גל אור יאט בהרבה כאשר הוא יעבור דרך חומר שכזה.

ערך מקדם השבירה תלוי בתדירות האור. עבור האור הנראה, הערך n אינו מראה שינו מהותי עם התדירות, אך הוא עדיין מראה על שינוי. לדוגמא, הערך n עבור תדירויות של אור סגול הוא 1.53; והערך n עבור תדירויות של אור אדום הוא 1.51. תהליך הספיגה והפליטה גורם לתדירויות הגבוהות יותר של אור סגול לנוע לאט יותר דרך זכוכית מאשר התדירויות הנמוכות של האור האדום. זה השינוי בערך של n עבור התדירויות המשתנות (ואורכי הגל) אשר גורמים לפיזור (dispersion) האור ע"י המנסרה. כאשר אור לבן פוגע בדפנת המנסרה המשולשת, תתרחש הפרדה קטנה של האור הלבן לרכיבי הצבע של הספקטרום הנראה. וכשהאור יוצא מהמנסרה המשולשת בדפנה השניה, ההפרדה הופכת ליותר גדולה.

זווית הסטייה:
את הכמות הכוללת של השבירה הנגרמת ע"י מעבר האור דרך המנסרה אנו לפעמים מבטאים ע"י זווית הסטיה. זווית הסטיה היא הזווית המתקבלת בין קרן האור הפוגעת שנכנסת לדופן הראשונה של המנסרה והקרן הנשברת שיוצאת מהדופן השנייה של המנסרה. בשל השוני של מקדמי השבירה עבור אורכי הגל השונים של האור הנראה, זווית הסטיה משתנה עם אורך הגל. צבעים של ספקטרום האור הנראה, שלהם אורך גל קצר (תדירות גבוהה) יסטו יותר מאשר צבעים בעלי אורך גל ארוך יותר. התופעה של צבעים שונים ממנסרה משולשת בזוויות שונות גורמת לצופה לראות את רכיבי האור הנראה מופרדים אחד מהשני.

אור כחול נשבר בזוית גדולה יותר מאשר אור אדום בגלל ההבדל באורך הגל. דבר זה גורם לאור הכחול לסטות בהרבה ממסלולו הראשוני בזווית גדולה יותר מאשר האור האדום.

מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

14 תגובות

  • מיכל

    צבעי הקשת

    אני חיבת בדחיפות ניסוי כלשהו בנושא הספקטרום, הנפיצה וכו' שאפשר לערוך בתנאי כיתה ולא בתנאי מעבדה.

    תודה מראש,
    מיכל.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    ניסוי בייתי לצבעי הקשת

    שלום מיכל 

    ראי בקישור כאן – שני ניסויים בנושא שבירת אור וספקטרום (מתוך הספר 'נסע ודע שעשועי מדע').

    אם את משתמשת בפנס, לדעתי עדיף פנס רגיל (עם מנורת להט) על פני מנורת לד – שעלולה לתת שלושה צבעים בלבד או קשת מעוותת בצבעיה ולא את כל צבעי הקשת (אבל גם זה יפה).

    בנוסף, את יכולה לעשות קשת בענן. לא צריך צינור גינה בשביל יצור טיפות המים, מספיק "שפריצר" לניקוי חלונות מלא במים – שיוצר ענן טיפות מול האור.

    את יכולה להסביר שכל טיפת מים היא מנסרה בפני עצמה – ראי כאן הסבר על שבירת המים בטיפות המים.

    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • דורון

    שאלת הבהרה

    אם הבנתי נכון, הסיבה שתופעת הנפיצה מתרחשת בחומרים שקופים ולא בחומר אטום היא שהסיבה היא שתדירות התהודה של תנודות האלקטרונים של האטומים בחומר האטום שונה מאד מהתדירות של האור הנראה ביחס לחומר שקוף שם יש קרבה יחסית בין התדירויות ולכן מה שכתבת יש צפיפות אופטית גדולה יותר ומקדם שבירה גדול
    ותופעת הנפיצה.

    הבנתי נכון?

    בנוסף-האם לחומר רגיל אין כלל מקדם שבירה או שהוא נמוך מאד ולא ניתן לשים לב?

    וגם שאלה קריטית-כתבת שהצפיפות האופטית של החומר השקוף מאטה את החזרת האור ,אבל התדר של "הצבעים"נשאר אותו תדר,נכון?
    אז כשהם ביחד באותה מהירות הם נראים לנו ללא צבעים?
    -אור רגיל למה הוא נקרא לבן?

    תודה רבה

  • שמואל ל

    שאילתה טכנית

    אני צריך להעביר קרן אור חמה ממוקדת מזכוכית מגדלת
    לתחתית חומר לחימום ,איזה מנסרה אני צריך?(זווית השמש ידועה..)והאם פני המסרה לא יתחממו?(אני משער שלא בגלל טכנולוגית הלייזרים..אבל לא בטוח..),איפה משיגים מנסרות?.

  • אייל

    כשאור עובר דרך מנסרה...

    כאשר אור עובר במנסרה ומתחלק לסוגי הגלים האם סכום הגלים שווה לכמות האור שנכנסה? אייל

  • חיים ברק

    האור הלבן נשבר "לצבעים" אך כמובן שיש דיסיפציה של האנרגיה

    שהרי האור עובר דרך מנסרה, תווך, וחלק מן האנרגיה אובדת

  • מוטי פרידמן

    תשובה

    צורה אינטואיטיבית קצת אבל גם די נכונה:

    תדמיין רכב שעובר בזוית מכביש לחול. בשלב מסוים שני גלגלים ימניים על החול והשניים השמאלים על הכביש. בגלל שבחול הרכב זז יותר לאט הגלגלים ינועו שם יותר לאט והרכב יסתובב
    ככל שהחול יאט יותר את הרכב כך הוא יסתובב יותר.

    לכן הסיבוב קורה רק במעבר מתווך לתווך ורק בזווית שאיננה מאונכת

  • סמואל

    מה בין רכב לגל אור?

    במה דומה גל אור לרכב? האם יש לו חזית שמסתובבת כמו הרכב? צד ימין וצד שמאל שמסתובבים כמו הרכב? איך הוא בנוי מבחינה זו? ואם כן, מה מחזיק יחד את שני הצדדים האלו של גל האור אחד לשני שגורם להם לנוע יחד ולכן להסתובב כמו הרכב?

  • חיים ברק

    תשובה

    שלום סמואל,

    גל שונה מרכב. אפשר לחשוב על רכב כעל גוף צפיד דהיינו גוף קשיח (ובמקרים מסויימים כגוף נקודתי).
    גל לעומת זאת הינו הפרעה המתקדמת בזמן.
    על הרכב חלים חוקי המכניקה הקלאסית ואילו את הגל אנו מתארים בעזרת משואת התנועה הגלית.

    החשוב הוא שגל הינו התקדמות של הפרעה במרחב. מכיוון שמשפט זה הינו טכני ולא ברור דיו, אני אכתוב במדור 'שאל את המומחה' תשובה מפורטת על מהו בעצם גל, במה הוא שונה מגוף קשיח
    ובכלל זה אסביר מה הכוונה באומרנו ש"גל הינו התקדמות של הפרעה".

    אתה מוזמן בנתיים לחפש במדור ישנם כמה תשובות על מהות הגלים והתנהגותם.

    תודה

  • דני

    זווית סטיה

    למה שגל אור מואט במנסרה הזווית סטיה שלו משתנה?
    למה הוא לא יכול להמשיך באותה זווית ורק במהירות יותר איטית? מה המנגנון המולקולרי שגורם לשינוי בזווית הסטיה ?

  • דני

    להבהרה

    הכוונה - מה המגנון ברמה האטומית שמחייב שלצבעים שונים יהיו זווית סטיה שונות, למה אדום וכחול לא יכולים לסטות באותה זווית אבל להיות עם מהירויות שונות.

  • חיים ברק

    תשובה

    שלום דני,

    "צבע" משמעו תדירות, או אם תרצה אורך גל.

    ככלל, בפיסיקה, ובכלל זה בעולם הקוונטי אין "מנגנונים" שיכולים להסביר תוצאות.
    אנו מסתמכים על תוצאות אמפיריות ומבססים אותן על תאוריות.

    ככל שהתדירות של גל האור מתאימה יותר לתדירות התהודה של תנודות האלקטרונים של האטומים בחומר, כך גדולה יותר ה'צפיפות האופטית' ובכלל זה מקדם השבירה של אותו חומר. גל אור יאט בהרבה כאשר הוא יעבור דרך חומר שכזה ערך ומקדם השבירה תלוי בתדירות האור.

  • רענן

    אשמח אם תענה לשאלתי

    כפי שנשאל כבר, על ידי דני ועל ידי, מדוע זווית האור משתנה במקום פשוט להאט ולשמור על כיוונה המקורי
    תודה

  • רענן

    עדיין לא הובהר לי מה פשר הסטייה

    על פי מה שהבנתי האור פוגע בחומר שתדירות אלקטרוניו לא תואמת את תדירות האור, ולכן הם לא יכולים לספוג אותם לזמן ארוך ומשחררים אותם כמעט מייד, והתהליך הזה מעכב את האור, אז שכל פוטון יעבור דרך החומר ויאט כמה שמתחשק לו על פי תדירותו, תדירות האלקטרונים וצפיפות האטומים. אבל למה הוא סוטה מכיוונו?
    האם זה בגלל שהפוטון נוהג כמו גל כמו בניסוי שני הסדקים ולכן יש לו חזית גל רחבה, וצד אחד שלה מואט בעוד הצד השני ממשיך במהירותו המהירה, והם קשורים יחדיו ולכן מתרחש סיבוב?