נוסח השאלה המלא: האם ישנם חומרים הפולטים אור באופן תמידי ומה מקור האנרגיה שלהם?

כיוון שהאור הוא סוג של אנרגיה, ברור כי בלתי אפשרי שיהיה חומר שיפלוט אור 'באופן תמידי' כי אחרת היינו מקבלים בעצם מקור אנרגיה בלתי מוגבל, דבר הסותר את חוק שימור האנרגיה. ואף-על-פי-כן, ישנם חומרים שפולטים אור זמן ארוך עד ארוך מאוד, נסביר על 4 שיטות עיקריות, מסודרות לפי זמן הארה עולה:
שיטה אחת – כימולומסנציה (כימו=כימיה, לומסנציה=פליטת אור), כלומר פליטת אור על ידי שימוש בתגובה כימית. חלק מהאנרגיה הכימית שאצורה בחומרים הופכת לאור. דוגמאות לכך הן גחליליות או מקלות תאורה כימיים. האנרגיה הכימית הנ"ל מספיקה בדרך כלל למספר שעות של הארה. בסוף התשובה ניתן למצוא קישורים להסברים מפורטים על אופן הפעולה של מקלות תאורה ושל גחליליות.

שיטה שנייה – שימוש בתכונת הפוספורסנציה ('זרחנות', התכונה התגלתה לראשונה ביסוד זרחן, ומכאן שמו בעברית, וגם באנגלית phosphorous). באופן כללי מדובר בחומרים שכאשר מאירים עליהם האלקטרונים שבהם 'קופצים' לרמות אנרגיה גבוהות, (עוברים 'עירור'), ומסוגלים להישאר ברמה אנרגטית גבוהה זמן רב (מספר שעות עד מספר עשרות שעות עד שכל האלקטרונים שעברו עירור חוזרים למצבם הלא מעורר, הסיבה לתופעה מוסברת על ידי תורת הקוונטים, אך לא נכנס להסבר במסגרת התשובה, רק נעיר שאם האלקטרונים חוזרים לרמה נמוכה תוך זמן קצר – אזי התופעה נקראת פלואורסנציה, וזה מה שמתרחש במנורת פלורוצנט, למשל), כאשר אלקטרון ברמה אנרגטית גבוהה עובר לרמה אנרגטית נמוכה יותר הוא פולט את עודף האנרגיה שלו בצורת פוטון (אור). התוצאה – לאחר שחומר פוספורסנטי 'הוטען' באור במשך כמה דקות הוא יאיר במשך מספר שעות – במשך כל הזמן שהאלקטרונים שבו, שעברו עירור, חוזרים לרמת הבסיס שלהם. דוגמאות לכך: מתגי לחיצה שמדליקים את האור בחדרי מדרגות, מדבקות פוספורסנטיות שמדביקים על קירות (לרוב נמכרות בצורה של כוכבים, והן מאירות כאשר מכבים את האור), וספרות על שעוני יד ושעונים מעוררים זולים.


פסל העשוי פלסטיק מעורבב עם חומר פוספורסנטי, הזורח לאחר 'הטענה' באור

שיטה שלישית – שימוש ברדיו-לומסנציה – כלומר שימוש בקרינה (קרינה מייננת, לרוב מחומר רדיו-אקטיבי). חומר רדיואקטיבי כמו היסוד רדיום או האיזוטופ הרדיואקטיבי של מימן, טריטיום, נמצא בתערובת ביחד עם חומר פלואורסנטי מתאים, החומר הרדיו-אקטיבי פולט כל הזמן קרינה מייננת, שמסוגלת לערר את האלקטרונים שבחומר הפלואורסנטי לרמה גבוהה, אלה מיד נופלים חזרה לרמת היסוד שלהם, ופולטים פוטון/אור. התוצאה – הארה 'תמידית' – כל עוד החומר הרדיו-אקטיבי פעיל.
לטריטיום 'זמן מחצית חיים' של כ 12 שנה, מה שאומר שתאורה המבוססת עליו תאיר במשך עשרות שנים (אחרי 12 שנים עוצמת האור תדעך לחצי מרמתה המקורית, אבל עדיין התאורה תמשיך). בשיטה זו משתמשים לשימושים צבאיים – כמו למכשירים שצריכים תאורה תמידית עמידה בפני תקלות, ובשעוני יד יקרים. מקור האנרגיה של האור הוא, כמובן, בחומר הרדיואקטיבי.


שעון עם הארת טריטיום 'תמידית' (שתי התמונות באדיבות אתר ויקיפדיה)

שיטה רביעית: אם רוצים חומר שיאיר זמן ארוך באמת (סדר גודל 10 מיליארד שנות תאורה!) - אפשר להשתמש פשוט במימן:
אם לוקחים 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 (2 עם שלושים אפסים אחריו) ק"ג של מימן, נוצרת שמש:
בשל כוח המשיכה האדיר שמסה כזו יוצרת על עצמה מתאפשרת תגובה גרעינית בעלת מספר שלבים, שבסופה (בסה"כ הכללי) 4 אטומי מימן עוברים היתוך גרעיני לאטום אחד של הליום. המסה של אטום הליום נמוכה בכ0.7% מזו של 4 אטומי מימן, המסה ש"נעלמה" לכאורה השתחררה כאנרגיה (בעיקר כאור וכחום), לפי נוסחתו המפורסמת של איינשטיין E=mc2 (כלומר E, אנרגיה, שווה למסה, m, כפול מהירות האור בחזקת 2).


השמש שלנו. (תמונה באדיבות נאס"א)

האנרגיה האדירה שבחומר היא המאפשרת הארה ארוכה כל-כך. אבל כאמור, שום מקור אנרגיה אינו נצחי, וגם השמש מסיימת את חייה ונכבית לאחר כ-10 מיליארד שנות תאורה (לשמש שלנו נשארו עוד כ-5 מיליארד שנות תאורה).

מאת:ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
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.

4 תגובות

  • בני נוח

    אנרגיה

    1 האם חומר פוספורסנטי שהוטען באור יוצא ממנו יותר אנרגיה ממה שנכנס ? 2 האם אפשר לנצל את האור בשיטת רדיו - לומסנציה לאנרגיה סולארית פוטו - וולטאית ?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אף פעם לא

    1. בענייני אנרגיה הטבע מאוד 'אכזרי' איתנו - ישנו חוק טבע, חוק שימור האנרגיה, שקובע שלעולם לא תקבל ממכונה יותר אנרגיה ממה שהשקעת בה. האנרגיה לא נוצרת מאליה.
    2. בדרך כלל חומרים פוספורסנטים, וגם רדיו-לומסנטים זוהרים מאוד חלש, לכן גם אם יפיקו חשמל בתא סולארי הנמצא ליידם, זה לא יהיה כל כך הרבה. (יש שיטות יעילות יותר לנצל את האנרגיה של חומרים רדיו-אקטביים לייצור חשמל, ראה בכתבה שלנו על רכב המאדים:
    https://davidson.weizmann.ac.il/online/maagarmada/astrophysics/%D7%9E%D7... )

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

  • מתן

    ארבעה אטומי מימן?

    האם לא שני אטומי מימן הופכים לאטום אחד של הליום? משהו לא מסתדר...

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    לא זה ארבעה

    אם לדייק -זה ארבעה גרעינים של אטומי מימן שהופכים לגרעין של אטום הליום, בתהליך רב שלבי. בהליום ישנם 2 פרוטונים ו2 נייטרונים, ובמימן פרוטון אחד בלבד, ולכן צריך 4 (2 מהפרוטונים הופכים לנייטרונים בדרך).

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