אור הינו כינוי כולל לקרינה אלקטרומגנטית, אשר אורך הגל שלה הינו בין 400 ל750 ננומטר (ולעיתים אף מורחב לכל התחום התת אדום עד העל סגול), המיוחד בתחום הזה הינו שזהו התחום בו העין שלנו יכולה להבחין. קרינה אלקטרומגנטית קיימת גם בתחומים אחרים, אולם היא אינה נכללת תחת ההגדרה של אור (על אף שיש לה תכונות משותפות עימו, לדוגמה מהירות).

בקרינה אלקטרומגנטית הכוונה כי השדה החשמלי והשדה המגנטי מתקדמים במרחב, כפי שגל מתקדם במים. למעשה השדה החשמלי והשדה המגנטי מתקדמים כאשר הם מאונכים האחד לשני, ושניהם מאנכים לכיוון התקדמות הגל (לדוגמה אם נגדיר את כיוון התקדמות הגל כZ אז השדה החשמלי יכול להיות בכיוון x לדוגמה, ואז השדה המגנטי הינו בכיוון y). מהירות התקדמות הגל הינה קבועה, ובריק היא בערך 300 אלף קילומטרים בשניה. מהירות זו הינה ייחודית, על פי תורת היחסות של אינשטייין כל צופה לא משנה באיזו מהירות הוא נע יראה את האור נע במהירות זאת.

לאור ישנה כמובן חשיבות מכרעת בחיינו, אנו רואים באמצעותו, האור מביא אלינו את קרינת השמש ומחמם את כדור הארץ וכן הלאה. לאור ישנם מספר תכונות מעניינות מאוד, אשר ההבחנה בהן הובילה לפיתוח התיאוריות המדעיות המוביליות של ימינו, תורת היחסות ומכאניקת הקוונטים. בכתבה זו אסקור בקצרה מספר תכונות – הדואליות של האור, קיטוב האור, והאינטראקציה בין אור וחומר

 

הדואליות של האור

המושג דואליות של החומר מוכר היום, והוא עומד במרכזה של תורת הקוונטים, חלקיקים 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 הניסיון להבין את ספקטרום האור הנפלט מגוף המכונה גוף שחור והיוותה את הצעד הראשון בדרך לפיתוחה של מכאניקת הקוונטים


קיטוב האור

תכונה מענינת נוספת אשר כיום נעשה בה שימוש גם בהקשר של אלקטרונים (כפי שמייד אסביר), הינה 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 (והמגנטי כפועל יוצא מכך) תמיד קבוע מצב זה נקרא קיטוב לינארי. המצב השני הינו קיטוב מעגלי בו כיוון השדה החשמלי מסתובב כל הזמן סביב הציר פה הגל מתקדם (לדוגמה ציר Z כך שכיוון 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, על ידי העברתו דרך מקטב ניתן להפחית את עוצמתו (כפי שעושים במשקפי שמש) ולקבל אור מקוטב.

גם מבחינה קוונטית ניתן לחשוב על קיטוב ומקטבים. מאחר והפוטנים 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).

 

האינטראקציה 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? וכו'

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.

 

מאת: 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. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

2 תגובות

  • שמוליק (שם בדוי)

    שימור אור

    שלום, האם אפשר לשמר פוטונים לאורך זמן? כלומר לעצור אותו במקום אחד או לכלוא בתא מראות סגור? ואם כן, באיזה אופן?
    תודה מראש, שמוליק :)

  • ירון גרוס

    "שימור אור"

    שלום שמוליק.
    כן יש דרכים לעצור פוטון לאור זמן מסוים. שיטה היא אכן דומה לשיטה שהצעת, באמצעות "מראות" או למעשה מהוד אלקטרוגמנטי.
    לצורך פשטות אפשר לחשוב על שתי מראות המוצבות האחת מול השניה, כך שהפוטון פוגע כל פעם באחת מהן מוחזר ופוגע בשניה מוחזר וחוזר חלילה. על מנת לשמור פוטון במהוד שכזה לאורך זמן רב על המראות להיות "מושלמות" כלומר להחזיר ביעילות גבוהה את הפוטון ולא לבלוע אותו או לתת לו לעבור דרכן.
    כיום יודעים לבנות מהודים שכאלו, כאשר במקום מראות משתמשים במוליכי על בהם הפוטון מסוגל לפגוע במראה יותר ממליון פעמים לפני שהוא נבלע על ידה או עובר דרכה. כתוצאה מכך ניתן להחזיק פוטונים לכמה אלפיות השניה (זה נשמע זמן קצר אולם לשם ביצוע ניסויים זהו זמן ארוך מאוד) באותו המקום.

    דרך נוספת הינה לשמור את הפוטון בתוך סיב אופטי ארוך מאוד. מאחר וכיום קימים סיבים גמישים ניתן להזריק את הפוטון לתוך סיב ארוך מאוד, המגולגל סביב עצמו ותופס מקום מועט, למרות אורכו הרב. מעבר לכך לאחר ההזרקה של הפוטון לסיב ניתן לסגור אותו על עצמו, וכך לייצר סיב מעגלי שיכלא את הפוטון.
    שוב הזמן שבו הפוטון יהיה כלוא בסיב שכזה תלוי באיכות של הסיב ובסיכוי של הפוטון להספג בדרך או לברוח מן הסיב