הניסיון היומיומי שלנו מלמד אותנו שכאשר אנחנו מחממים חפץ לטמפרטורה גבוה מאוד, הוא פולט אור. השמש זוהרת באור צהבהב, מתכת שנחמם לטמפרטורה גבוהה תפלוט אור אדום או כתום, ומכבשני ענק שמתיכים מתכות נפלט לא רק אור כתום, אלא לעתים אפשר לראות סביבם אפילו זוהר סגול.

האם יש קשר ודאי בין הטמפרטורה של גוף לאור שהוא פולט? היישומון שלפנינו יסייע לנו להבין את זה. כפי שנסביר מיד, נגלה שמאחורי השאלה התמימה כביכול הזאת מסתתרת אחת התגליות המדעיות החשובות ביותר של המאה ה-20.


היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו.
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.

היישומון שלפנינו מדמה את הקרינה הנפלטת מגוף שחור. גוף שחור הוא רעיון תיאורטי אידיאלי, המציג גוף שכל קרינה אלקטרומגנטית שפוגעת בו נספגת בו לחלוטין ומשפיעה עליו בצורה אחת בלבד – גורמת לו להתחמם. הקרינה שנפלטת מגוף כזה תהיה תלויה אך ורק בטמפרטורה שלו, ולא בקרינה שהוא סופג. כלומר הוא אינו משמש כמראה שמחזירה חלק מהקרינה, אלא סופג את כולה, מתחמם בגללה, ואז פולט קרינה כתוצאה מהחימום.

אומנם מדובר ברעיון אידיאלי, אך למעשה גוף שחור הוא קירוב טוב מאוד לגופים חמים רבים, כמו השמש, נורות להט, מתכות חמות ואפילו בעלי חיים. היישומון שהבאנו מאפשר לנו לראות מהו ספקטרום הקרינה הנפלטת מגוף שחור בטמפרטורות שונות, כלומר מהי התפלגות אורכי ההגל של האור, ולכן איזה צבע יהיה לאור שנראה נפלט ממנו.

היישומון פשוט למדי – כל שניתן לעשות בו הוא לשנות את הטמפרטורה ולצפות בגרף המציג את עוצמת האור הנפלט בכל אורך גל. אפשר לשנות את הרזולוציה של הגרף באמצעות סימני הפלוס והמינוס הנמצאים ליד כל אחד מהצירים. מעל הגרף תוכלו לראות תצוגה של צבע האור הכולל שנפלט ממנו. 

כפי שתראו כבר אחרי משחק קצר ביישומון, קיים קשר ברור בין טמפרטורת הגוף לספקטרום האור. למעשה, אם נוכל למדוד בדיוק רב את ספקטרום השמש, לדוגמה, נוכל לדעת בדיוק רב את הטמפרטורה שלה, וכך נוכל גם למדוד את הטמפרטורה של כל כוכב לכת אחר. בתחילת המאה ה-20, בזכות מדידות כאלה, נמצאה הנוסחה המתארת את הקשר בין הספקטרום לבין הטמפרטורה של הגוף – אולם המדענים לא הצליחו למצוא הסבר תיאורטי לנוסחה הזו וזמן רב היה נדמה אין שום פתרון אפשרי לבעיה. למעשה, בסוף המאה ה-19 נחשבה הבעיה הזו לאחת משתי השאלות האחרונות שמדע הפיסיקה עדיין אינו יודע לענות עליהן..

הפתרון לשאלה הזו, שבמבט ראשון נראית כמעט סתמית, שינה לחלוטין את פניה של הפיסיקה. האם אתם יודעים מי פתר את הבעיה ומדוע הפתרון הזה כה חשוב? תוכלו להעלות רעיונות בפורום ואשמח להגיב עליהם.

ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

3 תגובות

  • שמחה וויצמן

    השפעת אורכי גל שונים על עצמת הקרינה

    שלום. כחלק מעבודת החקר בפיסיקה בבית ספרנו, קבוצתי ואני מעוניינים לבצע ניסוי בו נבדוק את השפעת אורכי הגל השונים על עצמת הקרינה. (בדוק זאת באמצעות סוגי אור שונים - צבע שונה, ונבדוק כיצד כל צבע משפיע על הקרינה התמדדדד באמצעות תא סולרי), רציתי לדעת מה דעתכם לגבי הניסוי, ואשמח מאוד אם תוכל לעזור לי למצוא אתרים בהם אוכל להיעזר. תודה מראש, שמחה.

  • מתן

    מקס פלאנק וגוף שחור

    גוף שחור הוא רעיון תיאורטי אידיאלי, המציג גוף שכל קרינה אלקטרומגנטית שפוגעת בו נספגת בו לחלוטין ומשפיעה עליו בצורה אחת בלבד – גורמת לו להתחמם. הקרינה שנפלטת מגוף כזה תהיה תלויה אך ורק בטמפרטורה שלו, ולא בקרינה שהוא סופג. כלומר הוא אינו משמש כמראה שמחזירה חלק מהקרינה, אלא סופג את כולה, מתחמם בגללה, ואז פולט קרינה כתוצאה מהחימום. אומנם מדובר ברעיון אידיאלי, אך למעשה גוף שחור הוא קירוב טוב מאוד לגופים חמים רבים, כמו השמש, נורות להט, מתכות חמות ואפילו בעלי חיים. עוצמת הקרינה הנפלטת מגוף לוהט כפונקציה של אורך הגל, נקבעת במידה רבה מאוד ע"י הטמפרטורה שלו ובמידה מועטה על ידי הגוון שלו. בכדי לנטרל את השפעת הגוון, התרכזו מחקרים רבים בקרינה הנפלטת מגוף שחור לוהט. אותם ניסויים גילו, כי בעבור תחום מסוים, הגוף הלוהט פולט קרינה חזקה. מעל תחום זה, עוצמת הקרינה הולכת וקטנה ככל שאורכי הגל הולכים וגדלים. הדבר נכון גם בעבור אורכי גל נמוכים מאלו שבתחום זה. לעומת זאת, עקומה המבוססת על נוסחה שפותחה בהתבסס על מודל הגלים האלקטרומגנטיים אשר לפיו קרינה נפלטת ונבלעת ברציפות, הגיעה לתוצאה שונה לגמרי.
    בכדי ליישב סתירה זו, העלה הפיסיקאי מקס פלאנק הנחת אד הוק, המכונה "הנחת פלאנק": ע"פ -הנחה זו, תהליך פליטת אנרגיית הקרינה מגוף שחור ובליעתה בו נעשה במנות בדידות ויסודיות, המכונות "קוונטים", ולא ברציפות. מנות אלו אינן ניתנות לחלוקה נוספת, והאנרגיה של כל מנה כזאת ניתנת לפי:
    E=hf כאשר f היא תדירות הקרינה ו-h הוא קבוע פלאנק שערכו 6.63×〖10〗^(-34) J×s
    מקובל בקרב הפיזיקאים כי הנחה זו היא הצעד הראשון בפיתוח מכניקת הקוונטים.

  • יונתן

    מקס פלנק פותר חידת קרינת גוף שחור

    הסבר לקרינה הנפלטת מגוף שחור ניתן על ידי מקס פלנק. הסברו היה שהאנגיה הנפלטת מן הגוף השחור שווה למכפלת התדירות בקבוע פלנק (h). נוסחא זו בעצם אומרת שהאנרגיה נפלטת במנות (קוונטות) ולא באופן רציף כפי שחשבו עד אז.