ספקטרומטר אופטי

ספקטרומטר אופטי הוא מכשיר מדידה אופטי לצפייה בספקטרום קרינה של גופים. ספקטרוסקופיה אופטית משמשת לזיהוי של יסודות ומולקולות, הן בתרכובות כימיות במעבדה והן בחלל החיצון. בין ההישגים הבולטים של הספקטרוסקופיה נמנים מדידת ספקטרום אטום המימן שהביאה לפריצות דרך משמעותיות בתורת הקוונטים (כגון בניית מודל האטום של בוהר) וגילוי יסודות חדשים, ביניהם ההליום.

תחומים שונים בספקטרום משמשים בכיווני מחקר שונים: הספקטרום הנראה משמש בעיקר לחקר מעברי אלקטרונים ברמה האטומית, ספקטרוסקופיה בתת-אדום משמשת למדידת רוטציות וויברציות מולקולריות. נוסף על ספקטרומטר אופטי קיימים גם סוגים שונים של ספקטרומטרי מסות.

Optical spectrometers
עקרון פעולה של ספקטרוסקופים שונים. מונוכרומטור מבוסס סריג (למעלה), ספקטרומטר מבוסס מנסרה (באמצע), ומהלך קרני האור בספקטרומטר מבוסס סיב אופטי.
Simple spectroscope
דוגמה לספקטרוסקופ פשוט. בתמונה העליונה מוצג צילום על של המערכת: מקור אור, חריר המאפשר מעבר של פס אור דק ומנסרה. מוצג ספקטרום רציף של נורת להט (תמונה אמצעית) וספקטרום פליטה בדיד של גז הכספית בנורת פלואורסצנט

דרך פעולת הספקטרומטר

ישנם ספקטרומטרים בתצורות שונות רבות, המשותף לכולם הוא שבירת האור לרכיביו, כלומר הפיכת אור לקשת צבעים. מרבית הספקטרומטרים מבוססים על שימוש במנסרה, סריג או סיב אופטי. בספקטרומטר מבוסס מנסרה מקדם השבירה של אור הנכנס לזכוכית תלוי באורך הגל, קרני אור הנכנסות למנסרה נשברות לצבעים המרכיבים אותן בכיוונים שונים. התופעה זהה לקשת בענן, הנוצרת ממעבר האור בטיפות מים באוויר. בספקטרומטר מבוסס סריג אור המוחזר על ידי סריג יוצר תבנית התאבכות על המסך, ומיקומן של נקודות האור תלוי באורך הגל. צידו האחורי של תקליטור מהווה סריג מבחינה זו.

שתי השיטות הבסיסיות לשימוש בספקטרוסקופ הן למדידת ספקטרום הפליטה או הבליעה של חומרים שונים.

  • ספקטרום פליטה - גז המחומם לטמפרטורה גבוהה פולט אור. ספקטרום האור הנפלט מורכב מסדרה של קוים בדידים המייצגים את קווי הפליטה של החומר המאיר.
  • ספקטרום בליעה - בשיטה זאת אור לבן המכיל רצף של תדרים עובר דרך חומר. הספקטרום שנוצר מכיל קווים שחורים המייצגים את התדרים שבהם החומר מסוגל לבלוע אור.

היסטוריה

בתקופתו של ניוטון היה נהוג להניח שספקטרום השמש הוא ספקטרום רציף כלומר, האור שפולטת השמש מכיל בתוכו את כל צבעי האור. ב-1814 גילה המדען הגרמני יוזף פראונהופר את הימצאותם של "פסים שחורים" בספקטרום הפליטה של השמש. את התופעה הסביר המדען הגרמני גוסטב קירכהוף. תגליתו הייתה כי כל יסוד במצב צבירה גזי בולע גלי אור באורך גל זהה לאלה שהוא פולט.

ב-1800 ויליאם הרשל הציג בפני החברה המלכותית בלונדון ניסוי בו שם מדחום מעבר לצבע האדום שנוצר על ידי מנסרה, טמפרטורת המדחום עלתה וכך נתגלתה הקרינה התת-אדומה.

תגליות חשובות בספקטרוסקופיה

ראו גם

קישורים חיצוניים

אוסיריס-רקס

אוסיריס-רקס (באנגלית: OSIRIS-REx) היא גשושית של נאס"א לחקר האסטרואיד קרוב הארץ 101955 בֶּנוּ, איסוף דגימה ממנו והחזרתה לכדור הארץ. זוהי המשימה השלישית שנבחרה במסגרת תוכנית הגבולות החדשים של נאס"א, לאחר המשימות ניו הורייזונס וג'ונו.

הגשושית נבנתה על ידי חברת לוקהיד מרטין, ושוגרה למשימתה ב-8 בספטמבר 2016. נכון לדצמבר 2018 הגשושית הגיעה לקרבת האסטרואיד, והיא אמורה להקיפו ולחקור אותו במשך כשנתיים, ולבסוף לאסוף ממנו דגימה באמצעות זרוע רובוטית, ולהחזיר אותה בקפסולה (בדומה לגשושית סטארדאסט) לכדור הארץ בשנת 2023. המשימה נועדה לחקור את השלבים הראשונים של היווצרות מערכת השמש וכוכבי הלכת, ואת המקור לתרכובות אורגניות שחיוניות לקיום חיים. בדצמבר 2018 גילתה הגשושית כמויות ניכרות של מים על האסטרואיד.

עלות המשימה היא כ-800 מיליון דולר, בנוסף לעלות השיגור בסך של כ-183.5 מיליון דולר.

אטום

האָטוֹם (ביוונית: ἄτομος), שפירושו "לא ניתן לחיתוך" - "א" (לא ניתן/לא אפשרי) "טומי" (חתך/חיתוך) הוא המערך החלקיקי הקטן ביותר שמטענו החשמלי הכולל הוא אפס, והמאפיין יסוד כימי ומבדיל אותו מיסודות כימיים אחרים. הוא מורכב מחלקיקים קטנים יותר שאינם מיוחדים לו אלא נמצאים במערכים שונים בכל היסודות הכימיים.

המונח "אטום" נטבע במאה ה-5 לפנה"ס על ידי הפילוסוף היווני דמוקריטוס, ששיער את קיומו של חלקיק שאינו בר חלוקה. בתחילת המאה ה-19 השתמש ג'ון דלטון בהשערה זו על מנת להסביר מדוע יסודות מגיבים ביניהם תמיד ביחסים כמותיים קבועים של מספרים שלמים. מאוחר יותר, בשנת 1897 גילה ג'יי ג'יי תומסון את האלקטרון והסיק כי הוא חלקיק המשותף לכל היסודות הכימיים. מכאן התברר כי היסודות ניתנים לחלוקה למרכיבים יסודיים יותר ולכן אינם ראויים לשם "אטום" במובנו המקורי. מכל מקום, השם "אטום" ממשיך לשמש עד היום ככינוי למערך החלקיקי הקטן ביותר של יסוד, מבלי לפקפק באפשרות קיומם של חלקיקי יסוד שבאמת אינם ניתנים לחלוקה, כהשערת דמוקריטוס.

רוב האטומים בטבע נמצאים בתצורה מולקולרית, כלומר במבנים המכילים שניים או יותר אטומים הקשורים זה לזה בקשר כימי.

כל יסוד בטבע מאופיין באטומים שכולם בעלי מספר פרוטונים מסוים המיוחד לאותו יסוד. מספר זה מכונה המספר האטומי. בטבלה המחזורית של דמיטרי מנדלייב רשומים היסודות השונים בסדר עולה לפי המספר האטומי שלהם, והם מסומנים בסימון מקוצר של אותיות לטיניות המיוחד לכל יסוד כימי. לדוגמה: C עבור אטום פחמן, ו-Al עבור אטום אלומיניום.

אטום שנגרעו ממנו או נוספו לו אלקטרונים כך שמטענו החשמלי שונה מאפס, נקרא יון.

איזוטופים הם אטומים בעלי אותו מספר אטומי אך נבדלים במספר הנייטרונים שבגרעיניהם (מספר האלקטרונים והפרוטונים באיזוטופים שונים של אותו אטום זהה).

המדע העוסק בתכונות מערכי האלקטרונים באטום נקרא פיזיקה אטומית. הכימיה עוסקת בקשרים שבין אטומים. פיזיקה גרעינית עוסקת במבנה גרעין האטום ובתגובות גרעיניות, כמו למשל פצצה גרעינית.

גודלו של אטום נע בין 62 פיקו-מטר (מיליונית של מיליונית מטר) עבור אטום הליום ל-500 פיקו-מטר עבור אטום צסיום. אטומים הם קטנים מכדי לראותם בעין, אך קיימים מיקרוסקופים בעלי כושר הבחנה עדין מספיק כדי להבחין בהם, למשל מיקרוסקופ מִנהור סורק, ואחרים המסוגלים לזהות את סוג האטום.

אנליזה ספקטרוגרפית

בספקטרוסקופיה, אנליזה ספקטרוגרפית (נקראת גם ספקטרומטריה) היא שיטה לקביעת יסודות כימיים על ידי השוואה בין ספקטרום המתקבל בהשפעת קרני X, אינפרה אדום ועוד שלל אמצעים, לבין ספקטרום ידוע מראש של יסודות.

הרכב כימי

הרכב כימי של חומר מתאר את מרכיביו היסודיים.

כאשר מדובר בחומר טהור, כלומר חומר העשוי מסוג יחיד של מולקולות, ההרכב הכימי שלו ניתן על ידי הנוסחה הכימית של המולקולה, המתארת את האטומים המרכיבים את המולקולה. דוגמאות:

(מולקולת מים; מורכבת משני אטומי מימן ואטום חמצן אחד).
(מולקולת אמוניה; מורכבת משלושה אטומי מימן ואטום חנקן אחד).
(מולקולת נתרן הידרוקסידי; מורכבת מאטום נתרן, אטום חמצן ואטום מימן).

כאשר מדובר בתערובת, המורכבת מסוגים אחדים של מולקולות, ההרכב הכימי שלה ניתן על ידי פירוט סוגי המולקולות המרכיבות אותה וחלקן היחסי בתערובת. ניתן לעשות צעד נוסף, ולתת את פירוט האטומים המרכיבים את כל המולקולות, וחלקו היחסי של כל אטום בתערובת.

בירור ההרכב הכימי של חומר נתון קרוי אנליזה כימית. לכך משמשות טכניקות שונות, כגון ספקטרומטר אופטי.

מארס פאת'פיינדר

מארס פאת'פיינדר (באנגלית: Mars Pathfinder) הייתה גשושית אמריקאית שהנחיתה תחנת מחקר ורובר על מאדים ב-1997. הגשושית כללה נחתת שנקראה Carl Sagan Memorial Station ורובר רובוטי קטן (10.6 ק"ג) שנקרא Sojourner (סוג'ורנר), על שמה של סוג'ורנר טרות' שפעלה במאה ה-19 למען זכויות שחורים וזכויות נשים.

הגשושית שוגרה על ידי נאס"א ב-4 בדצמבר 1996 על גבי משגר דלתא 2 חודש אחרי שיגור מארס גלובל סורבייר, ונחתה ב-4 ביולי 1997 במאדים, באזור שנקרא Chryse Planitia בOxia Palus quadrangle. אחרי הנחיתה הנחתת נפרשה ושחררה את הרובר שערך מספר ניסויים על פני השטח של מאדים. המשימה כללה מכשורים מדעיים לבחינת האטמוספירה, האקלים, הגאולוגיה ואת הרכב הסלעים והאדמה במאדים. התוכנית הייתה חלק מתוכנית דיסקברי של נאס"א שקידמה את השימוש בחלליות זולות ושיגורים תכופים תחת המוטו "זול יותר, מהיר יותר ויעיל יותר" ("cheaper, faster and better") שאותה קידם מנהל נאס"א דניאל גולדין. התוכנית נוהלה על ידי המעבדה להנעה סילונית, מחלקה של המכון הטכנולוגי של קליפורניה שניהלה עבור נאס"א את תוכנית המחקר במאדים.

המשימה הייתה הנחיתה המוצלחת הראשונה מאז גשושיות הוויקינג שנחתו על מאדים ב-1976. אף על פי שברית המועצות שלחה רוברים אל הירח במסגרת תוכנית לונחוד, ניסיונותיה להנחית רוברים על מאדים מעולם לא הצליחו.

מלבד היעדים המדעיים שהוצבו לרובר ולנחתת, במשימה נבחנו מספר אמצעים טכנולוגיים כמו למשל נחיתה באמצעות כריות אוויר ומערכות בקרה שאחר כך שימשו בתוכנית המארס רובר ב-2003.

מרגרט ברבידג'

אלינור מרגרט ברבידג' (באנגלית: Eleanor Margaret Burbidge;‏ נולדה ב-12 באוגוסט 1919) היא אסטרופיזיקאית אמריקאית ילידת בריטניה, שהתפרסמה במחקריה בנושאי אסטרונומיה. תרמה רבות לחקר הקוואזרים, לחקר היווצרות גלקסיות והתפתחותן, ולהבנת תהליכי היווצרות יסודות כימיים בליבת הכוכבים באמצעות היתוך גרעיני. זכתה בפרסים מדעיים וכיהנה כמנהלת מצפה הכוכבים המלכותי של גריניץ'.

נחתת (גשושית)

נחתת היא סוג של גשושית שמטרתה לבצע נחיתה על גרם שמים. במקרה של נחיתה על גרמי שמים בעלי אטמוספירה, הנחיתה תתבצע לאחר תהליך חדירה לאטמוספירה ועשויה להצריך מצנח, על מנת להאט ולשמור על מהירות טרמינאלית נמוכה. במשימות מסוימות (כמו לונה 9 ומארס פאת'פיינדר) נעשה שימוש בכריות אוויר מתנפחות כדי לרכך את עוצמת הפגיעה של הנחתת בפני השטח. לעיתים, יחד עם הנחתת נשלחת מקפת, שתפקידה להיכנס למסלול סביב אותו גרם שמים ולסייע לתקשר ולשלוח מידע ותצלומים מהנחתת אל כדור הארץ.

כאשר גשושית מבצעת פגיעה מתוכננת במהירות גבוהה בפני השטח של גרם שמיים למטרת מחקר, הגשושית נקראת אימפקטור (Impactor).נחתות מחקר הגיעו אל מספר גופים ארציים וביניהם: כוכבי הלכת נוגה ומאדים, הירח של כדור הארץ, הירח טיטאן של שבתאי, ומספר אסטרואידים ושביטים. כוכב הלכת חמה, הוא היחיד מכל ארבעת כוכבי הלכת הפנימיים במערכת השמש שלא נחתה עליו גשושית מסוג נחתת.

ספקטרום

סְפֶּקְטְרוּם (באנגלית: Spectrum) היא מילה כללית המשמשת בתחומים רבים לתאר בדרך כלל מצב הקשור ברציפות כלשהי. ב-17 בנובמבר 2014 האקדמיה ללשון העברית קבעה כי המונח העברי למלה זו הוא למעשה מִקְשֶׁתֶת.

השימוש במונח נעשה לראשונה במדע האופטיקה כדי לתאר את צבעי הקשת בתחום הנראה המופרדים על ידי מנסרה אופטית (פריזמה). מאז התפתח השימוש במונח למשמעויות בתחומים רבים כאנלוגיה לנושא באופטיקה, כמו למשל "ספקטרום של דעות פוליטיות" או "ספקטרום פוליטי", "ספקטרום השימוש בסמים", "ספקטרום הפרעות מצב רוח" ו"ספקטרום אוטיסטי". כאנלוגיה, ערכים בתוך הספקטרום אינם בהכרח מוגדרים בצורה כמותית או מספרית. שימוש זה מתייחס לקשת רחבה של מצבים או התנהגויות המאוגדות יחדיו ונחקרות תחת אותו כותר לצורך הפשטתן.

ספקטרום השמש

ספקטרום השמש הוא ספקטרום רציף של אור הנפלט מהשמש. היות שהשמש היא גוף שחור הפולט "אור לבן", כאשר אורה מועבר דרך מנסרה או סריג אופטי הוא מתפצל לאורכי הגל הרציפים המרכיבים אותו, וניתן לראות את כל צבעי הקשת. בספקטרום השמש מתקבלים ברצף הצבעים קווי בליעה בדידים, שלפיהם ניתן לדעת על שכיחות היסודות הכימיים על פני השמש.

חקר וגילוי ספקטרום השמש היוו את יסודות מדע האסטרופיזיקה בכך, שלמעשה, חקר הקווים הכהים בספקטרום של כוכבי הלכת, בהם השמש, מאפשר גילויים על היסודות המצויים מחוץ לכדור הארץ, ואולי אף למצוא כוכב דמוי ארץ היכול להעיד על קיום חיים בחלל.

בספקטרום המתקבל מאורה של השמש ישנה נוכחות גבוהה של קווים המסמלים את היסודות מימן והליום שלראשונה נחשב כיסוד המצוי רק על פני השמש, אך נתגלה גם על כדור הארץ מאוחר יותר. יתר על כן ישנם אטומים בעלי שכיחות נמוכה יותר על פי הספקטרום כמו: סידן, אשלגן, ברזל ונתרן.

ספקטרומטר

האם התכוונתם ל...

ספקטרוסקופיית בליעה אטומית

ספקטרוסקופיית בליעה אטומית (Atomic absorption spectroscopy או בקיצור AAS או AA) היא שיטת אבחון המסתמכת על תהליך בליעה של קרינה אלקטרומגנטית על ידי אטומים, לשם זיהוי ומדידת ריכוז יסודות בחומר או לחקירת המבנה וההתנהגות של חלקיקים, אטומים, מולקולות ותרכובות. השיטה מערבת הארה של החומר הנבדק בקרינה אלקטרומגנטית, זיהוי ומדידת סוג הקרינה שנבלעה בו על ידי בחינת ספקטרום הבליעה, וניתוח כימי פיזיקלי של התוצאות.

השיטה משמשת בשלל תחומים מעבר לתחומי הפיזיקה והכימיה הטהורים: אבחון קליני, זיהוי זרזים ורעלנים בתעשיית התרופות, בדיקות שונות בתחום איכות הסביבה, כרייה ועוד.

תגליות והמצאות בישראל

במדינת ישראל צמחה והתפתחה פעילות מדע ומחקר מפותחת. כמה וכמה המצאות, תגליות מדעיות ופיתוחים טכנולוגיים שמקורם בישראל זכו לתהודה עולמית.

אחדות מהתגליות המופיעות כאן נעשו על ידי ישראלים, בעת ששהו במכוני מחקר בחו"ל.

דף זה בשפות אחרות

This page is based on a Wikipedia article written by authors (here).
Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.