הפיסיקה של האור

אור הינו כינוי כולל לקרינה אלקטרומגנטית באורכי גל שבין 400 ל-750 ננומטר. התחום הזה מיוחד עבורנו, בני האדם, משום שזהו תחום הקרינה שהעין שלנו מסוגלת לראות. הספקטרום של הקרינה האלקטרומגנטית רחב הרבה יותר, אך מרביתו אינו נכלל תחת ההגדרה של האור הנראה.

המונח קרינה אלקטרומגנטית מתייחס לכך שהשדה החשמלי והשדה המגנטי מתקדמים במרחב, כפי שגל מתקדם במים. למעשה, השדה החשמלי והשדה המגנטי מתקדמים כאשר הם מאונכים האחד לשני, ושניהם מאונכים לכיוון התקדמות הגל. מהירות התקדמות הגל הינה קבועה, ובריק היא נעה בכ-300 אלף קילומטרים בשניה. על פי תורת היחסות של אינשטייין, כל צופה, ולא משנה באיזו מהירות הוא עצמו נע, יראה את האור נע במהירות זו.

לאור ישנה חשיבות מכרעת בחיינו. אנו רואים באמצעותו, הוא מביא אלינו את קרינת השמש, מחמם את כדור הארץ ועוד. לאור יש מספר תכונות מעניינות מאוד, אשר ההבחנה בהן הובילה לפיתוח תיאוריות מדעיות שעיצבו את הדרך בה אנחנו מבינים את חוקי הפיסיקה: תורת היחסות ומכאניקת הקוונטים. בכתבה זו אסקור בקצרה מספר תכונות של האור: הדואליות של האור, קיטוב האור, והאינטראקציה בין אור וחומר.

אם נגדיר את כיוון התקדמות הגל כ-Z, אז השדה החשמלי יכול להיות בכיוון X, והשדה המגנטי יהיה בכיוון Y. מקור: petrroudny43, Shutterstock

הדואליות של האור

המושג דואליות של החומר עומד במרכזה של תורת הקוונטים. הכוונה היא שחלקיקים יכולים להתנהג לעיתים כגלים ולעיתים כחומר. עבור האור, מושג זה הינו מושג עתיק, ועוד בתקופתו של אייזיק ניוטון היה ידוע כי האור ניתן לתיאור מצד אחד באמצעות אופטיקה לינארית, בדומה לקרן של חלקיקים, ומצד שתי נצפו תופעות גליות כגון התאבכות ועקיפה באור.

כיום אנו יודעים לתאר את האור בסקאלה מאקרוסקופית באמצעות משוואות הגלים של מקסוואל, המתארות את התקדמות השדות החשמלים והמגנטיים במרחב, ובסקלה מיקרוסקופית אנו יודעים כי הוא מורכב ממנות אנרגיה קבועות, פוטונים.

האנרגיה של כל פוטון נקבעת אך ורק על ידי תדירות האור/אורך הגל (כלומר צבע) האור. עובדה זו התגלתה על ידי מקס פלאנק, במסגרת נסיונותיו להבין את ספקטרום האור הנפלט מגוף המכונה גוף שחור. הגילוי הזה היה הצעד הראשון בדרך לפיתוחה של תיאוריית מכאניקת הקוונטים

תכונה מענינת נוספת אשר כיום נעשה בה שימוש גם בהקשר של אלקטרונים, כפי שמייד נסביר, היא קיטוב האור.

מבחינה קלאסית, כפי שצויין קודם, אור הוא פשוט שדה חשמלי ושדה מגנטי המתקדמים במרחב בצורת גל. נבחין בין שני מצבים שונים. הראשון הוא כי כיוון השדה החשמלי - כפועל יוצא מכך, גם כיוון השדה המגנטי - הוא תמיד קבוע. מצב זה נקרא קיטוב לינארי. המצב השני הינו קיטוב מעגלי, בו כיוון השדה החשמלי מסתובב כל הזמן סביב הציר בו הגל מתקדם. לדוגמה, ציר Z בתמונה למעלה). באופן זה, הכיוון של השדה החשמלי משתנה באופן רציף מX לY וכך הלאה)

ניתן להשתמש בתכונה זו של האור לשם יצירת מקטבים – אלו הם חומרים המונעים מעבר של אור בעל קיטוב לינארי בכיוון מסוים). האור המגיע מן השמש, או מנורות להט מקוטב באופן אקראי לחלוטין, ועל ידי העברתו דרך מקטב ניתן להפחית את עוצמתו (כפי שעושים במשקפי שמש) ולקבל אור מקוטב.

גם מבחינה קוונטית ניתן לחשוב על קיטוב ומקטבים. מאחר והפוטונים הינם בעלי ספין, אשר יכול לקבל אחד משני ערכים (ביחס לציר בו הוא נמדד) – אחד או מינוס אחד, ולכן ניתן גם עבור פוטונים בודדים לבנות מקטבים אשר יעבירו לחלוטין כל פוטון בעל ספין 1 (בכיוון המקטב), ולא יאפשרו מעבר של פוטון בעל ספין -1. למעשה כיום נעשה שימוש בתכונה זו של הפוטון על מנת לקודד מידע באמצעותו. מידע זה ניתן להצפין בצורה קוונטית, וקשה מאוד לפרוץ הצפנה זו מבלי שהדבר מתגלה.

בצורה אנלוגית כשם שמגדירים קיטוב של אור אפשר לחשוב על קיטוב של זרם חשמלי הפעם, לא קיטוב קלאסי פשוט אלא קיטוב קוונטי. גם לאלקטרונים כמובן יש ספין אשר יכול לקבל את הערך פלוס או מינוס חצי בציר מסויים, ולכן באופן אנלוגי ניתן לחשוב על שימוש דומה בספין של אלקטרונים על מנת ליצור זרם מקוטב, אך באופן יישומי הדבר מסובך בהרבה.

אינטראקציה בין אור וחומר

אחת השאלות המעניינות בנוגע לאור הינה כיצד אור וחומר מגיבים לזה לזה. מדוע חומרים מסוימים שקופים ואחרים מעבירים אור לדוגמה? האם אור יכול לשנות תכונות של חומרים?

לאחר שהועלתה ההשערה כי האור מחולקת למנות אנרגיה בודדות, כלומר מורכב מפוטונים, היה זה אלברט אינשטיין שהציע מנגנון לפי כאשר הפוטונים פוגעים בחומר הם יכולים להבלע בו ולעורר אלקטרונים לרמה אנרגטית אחרת, רק אם יש לפוטון בודד ישנה מספיק אנרגיה על מנת לעשות זאת. אם אין לו את האנרגיה הנדרשת, לא משנה כמה פוטונים ישלחו אל עבר החומר הם לא יוכלו לעורר את האלקטרונים ולא יבלעו בחומר. ניסוי זה, המכונה הניסוי הפוטואלקטרי, הוא אשר זיכה את אלברט אינשטיין בפרס נובל. הניסוי אכן בוצע והשערתו של אינשטיין, ולמעשה קיומם של הפוטונים הוכחה באופן מעשי.

ניסוי זה פותח את ההבנה לאינטראקציה המיוחדת בין אור וחומר. פוטון יכול להבלע בחומר רק אם יש לו אפשרות להעביר את כל האנרגיה שלו לחומר, ולשנות, לרוב את מצב האלקטרונים, ממצב היסוד, למצב אחר מעורר יותר. אם הוא עושה זאת הוא נבלע בחומר, ועל כן החומר הזה הינו אטום לאור (בצבע של הפוטון) אם הוא לא יכול לעשות זאת, הוא פשוט יעבור בקלות דרך החומר.

מאחר והפוטון מעורר אלקטרונים כאשר הוא נבלע בחומר, הוא יכול לשנות את תכונות החומר, כך לדוגמה פוטון יכול להעביר אלקטרון בין רמות אנרגיה שונות בחומר, ולשנות את מצב החומר ממבודד למוליך (בעובדה זו נעשה שימוש רב ברכיבים תעשיתיים כגון מכשירים לראית לילה, תאים פוטואלקטריים וכו').

הרעיון של אינשטיין, לפיו פוטונים נקלטים ונפלטים על ידי אלקטרונים כאשר הם מועררים למצב אנרגטי חדש ולאחר מכן חוזרים למצבם המקורי, הוביל להבנה כי ניתן לשלוט בתהליך זה ולגרום לו להתבצע באופן שייצור אלומת אור מיוחדת במינה, הלייזר. המצאה זו הביאה למהפיכה של ממש בעולמנו.