קרינה אלקטרומגנטית

קרינה אלקטרומגנטית (נקראת גם: קרינה א"מ או קרינה אלמ"ג) היא הפרעה מחזורית הרמונית בשדה החשמלי והמגנטי, המתפשטת במרחב. הפרעה כזו נקראת גל אלקטרומגנטי. חזית הגל של הקרינה האלקטרומגנטית מתקדמת בריק במהירות קבועה, שהיא מהירות האור בריק ובמסלול גאודזי ממוצע, כלומר בדרך הקצרה ביותר.

הקרינה האלקטרומגנטית היא דואלית: במצבים מסוימים היא בעלת תכונות של שטף חלקיקים (בעלי תנע, מיקום, כיוון תנועה מוגדר וצפיפות) - ומקובל להתייחס לחלקיקים המרכיבים אותה בתור פוֹטוֹנִים, היחידה הבסיסית של פעולת הגומלין האלקטרומגנטית ונושאי הכוח האלקטרומגנטי; ובמצבים אחרים, היא בעלת תכונות של גל (התאבכות, עקיפה, רציפות) שלו ניתן לייחס אורך גל, תדירות ועוצמה. בשני התיאורים לעיל, הקרינה האלקטרומגנטית נושאת אנרגיה ועשויה להעביר אותה לחומר עמו היא באה במגע - למשל, לחמם חומר או לעורר אלקטרונים.

הגלים האלקטרומגנטיים אחראיים גם על תהודת שומאן, תופעה בה נוצרת תהודה של גלים אלקטרומגנטיים בין היונוספירה לבין קרקע כדור הארץ, כתוצאה מפריקת ברק במקום כלשהו על פני כדור הארץ.

היסטוריה

הראשון שתיאר את קיומם של גלים האלקטרומגנטיים היה הפיזיקאי היהודי-גרמני היינריך הרץ (1857-1894), ועל שמו נקראת עד היום יחידת המידה של התדירות - הרץ.

במאה ה-19 ניסח הפיזיקאי הבריטי ג'יימס קלרק מקסוול תאוריה העוסקת בגלים אלקטרומגנטיים (אם כי התייחסותו אז הייתה רק לאור שהיה מוכר בזמנו) שבמרכזה משוואות מקסוול, ולפיה האור מורכב מגלים. מאידך, בתחילת המאה ה-20 פרסם אלברט איינשטיין הסבר ראשון של האפקט הפוטואלאקטרי, ולפיו מורכב האור מחלקיקים המכונים פוטונים, שלכל אחד מהם אנרגיה קבועה ביחס ישר לתדירות האור. מכאן שכאשר התדירות עולה (ואורך הגל מתקצר) - האנרגיה של כל פוטון עולה. הסבר זה נתפס כסותר את התפיסה שהאור הוא גל. כמה שנים מאוחר יותר "פישרה" תורת הקוונטים בין איינשטיין למקסוול וקבעה את עיקרון הדואליות גל-חלקיק (השניות) של האור, שלפיו ניתן לתאר את הקרינה האלקטרומגנטית (ובהרחבה, גם חלקיקי חומר) הן כחלקיקים והן כגלים; אך כל אחד מתיאורים אלה נותן הסבר רק לחלק מהתופעות.

ניתוח

VisibleEmrWavelengths
היחס בין אורכי הגל של שלושה גלים אלקטרומגנטים שונים של אור נראה (אדום, ירוק וכחול), כאשר סקאלת המדידה היא במיקרומטרים לאורך ציר ה-x

גל שתדירותו הרץ אחד משלים מחזור אחד בשנייה, כלומר זמן המחזור שלו הוא שנייה אחת. מכיוון שחזית הגל האלקטרומגנטי מתקדמת בריק במהירות של כ-300,000 ק"מ בשנייה (מהירות האור בריק), הרי שאורך מחזור שלם של גל בתדירות זו הוא בקירוב 300,000 ק"מ.

תדרי הגלים האלקטרומגנטיים בהם נעשים שימושים טכנולוגיים נמדדים ביחידות של קילו-הרץ (1,000 הרץ), מגה-הרץ (1,000,000 הרץ) וג'יגה-הרץ (1,000,000,000 הרץ), ואורכם נע בין קילומטרים למילימטרים. בטבע קיימים גלים גם בתדרים גבוהים בהרבה, ונהוג להתייחס לאורך הגל שלהם (הנמדד בננומטרים) ולא לתדירותם.

קרינה אלקטרומגנטית בתווך

קרינה אלקטרומגנטית יכולה להתפשט בתווך (חומר שהוא שקוף בתדירויות מסוימות), או בריק (שמאפשר מעבר של כל תדירות שהיא). התנהגות הקרינה בזמן ובמרחב מתוארת באמצעות משוואות הגלים, שבתורן נובעות ממשוואות מקסוול. המשוואות מתארות את ההתקדמות של הגל בתלות בתכונות התווך, כולל תופעות הבליעה והפיזור. בשפה בין שני חומרים המשוואות מתארות גם שבירה והחזרה מהמשטח באמצעות תנאי שפה מתאימים.

הספקטרום האלקטרומגנטי

Spectrum of light
הספקטרום האלקטרומגנטי

תכונות הקרינה האלקטרומגנטית תלויות במידה רבה באורך הגל של הקרינה, או בתדירות הקרינה, שנמצאת ביחס הופכי לאורך הגל לפי הנוסחה: , כאשר היא המהירות האופיינית לתווך, היא התדירות (או תדר) ו- היא אורך הגל.

נהוג לחלק את הספקטרום האלקטרומגנטי בחלוקה גסה, המפרידה בין סוגי קרינה בעלי תכונות שונות. אורך הגל הוא גודל רציף, ולכן החלוקה לסוגים שונים של גלים היא גסה, והגבולות בין הסוגים השונים הם שרירותיים.

קרינה בתדרים נמוכים (קרינה בלתי מייננת)

הקרינה בעלת אורכי הגל הארוכים ביותר בספקטרום האלקטרומגנטי (והתדר הנמוך ביותר) נקראת גלי רדיו. גלים אלה, שאורכם יכול להגיע מעשרות סנטימטרים עד קילומטרים רבים, משמשים את האדם רבות בתעשיות התקשורת הרבות בעולם המודרני, בעיקר בתקשורת למרחקים גדולים, כגון רדיו וטלוויזיה. גלי המיקרו, הקצרים מהם רק במעט, משמשים אף הם לתקשורת, בטווחים קצרים יותר, כגון תקשורת סלולרית, Wi-Fi וBluetooth, וכן במכ"ם ובבישול. אורכם של גלים אלה נע בין מילימטרים ספורים לעשרות סנטימטרים.

גלים קצרים יותר מאלה, נפלטים מגופים חמים, ונקראים גלי תת אדום (אינפרא אדום או IR בלעז). אורך הגל שלהם נע בין מיקרונים בודדים למילימטר. על ידי איתור קרני תת-אדום ניתן לאתר את מקומם של בעלי חיים, עקב טמפרטורת הגוף שלהם. בעלי חיים שונים, בעיקר טורפים, פיתחו רגישות לקרינה תת-אדומה. בטכנולוגיה מודרנית קרינה תת-אדומה משמשת באמצעי ראיית לילה, לתקשורת בטווחים קצרים מאוד (שלט רחוק ולתקשורת אלחוטית בין מכשירים קרובים), וכן לתקשורת אופטית.

האור הנראה

האור הנראה הוא אותו תחום של קרינה אלקטרומגנטית שאליו רגישה הרשתית של עין האדם. זהו תחום צר מאוד של הספקטרום, הכולל גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל שבין 0.4 מיקרון לבין 0.8 מיקרון בקירוב. המוח מפרש בצורה שונה תדירויות שונות של גלים (שמתאימות לאורכי גל שונים), וכך מתקבלים במוח הצופה צבעים שונים, כאשר אורך הגל הארוך ביותר מפורש כצבע אדום, והקצר ביותר כסגול. בעלי חיים שונים רגישים לתחומים מעט שונים של הספקטרום, אם כי תחומי הרגישות של כל בעלי החיים מרוכזים פחות או יותר באזור זה של הספקטרום. בעלי חיים ליליים רבים רגישים לאורכי גל ארוכים מעט יותר, דבר המאפשר להם ראייה תרמית על ידי רגישות לתת אדום. חרקים רבים רגישים לאורכי גל קצרים מעט יותר, דבר המאפשר להם ראייה בתחום העל סגול. ברוב בעלי החיים הרגישות הגבוהה ביותר היא לקרינה באורכי גל המתאימים לצבע הירוק, הנמצא בערך באמצע התחום הנראה, והוא בעל העוצמה הגבוהה ביותר מתוך הספקטרום הנמדד על פני כדור הארץ (לאחר בליעת האטמוספירה).

צמחים ממירים קרינה אלקטרומגנטית בתחום הנראה לאנרגיה כימית בתהליך הפוטוסינתזה.

קרינה בתדרים גבוהים ( ברובה קרינה מייננת)

גלים אלקטרומגנטיים באורכים שבין 10 ננומטר ועד 380 ננומטר נקראים קרינת על סגול (Ultra Violet או UV בלעז). קרינה זו נבלעת ברובה על ידי האטמוספירה, ובעיקר על ידי שכבת האוזון שבה. מכיוון שקרינה זו עשויה להסב נזקים בריאותיים שונים לבני אדם ובעלי חיים אחרים, התופעה של חור בשכבת האוזון היא תופעה מטרידה מאוד ברמה עולמית. מאידך, שימוש מבוקר בקרינה זו מסייע לטיפול במחלות שונות. שימושים נוספים בקרינה על סגולה הם טיהור מי שתייה, בדיקת מחצבים, סטריליזציה של ציוד ביולוגי ועוד.

בקצה הספקטרום נמצאות קרינת רנטגן (אורך גל: 5 פיקומטר עד 10 ננומטר) הנקראת על שם הפיזיקאי שגילה אותה, וילהלם רנטגן, וקרינת גמא (אורך גל של פחות מ-5 פיקומטר). קרניים אלה מסוכנות לרוב היצורים החיים. קרינת הרנטגן, בעוצמות מבוקרות משמשת לצרכים רפואיים והנדסיים שונים.

מחלקים את סוגי הקרינה בצורה גסה לשני תחומים: קרינה מייננת ובלתי מייננת. נזקה של פגיעה של קרינה בלתי מייננת בגוף הוא יחסית מועט. לעומתה, קרינה מייננת קורעת אלקטרונים מהאטומים בגוף שבהם היא פוגעת, הופכת אותם ליונים וגורמת לשינויים כימיים במבנים מולקולריים בגוף. הדבר קורה כי בגלים קצרים יותר מאולטרה סגול, אנרגיית הפוטון היא כה רבה עד כי היא עולה על אנרגיית היינון של האטום. מכאן השם "קרינה מייננת".

ככל שאורך הגל קצר יותר, כך הוא יינן בקלות רבה יותר אטומים. גלי אולטרה סגול קצרים (UVB) הם מייננים, וכך כל הגלים באורך גל קצר יותר, בהם קרינת רנטגן, גמא וקרינה קוסמית. קרינה קוסמית היא קרינה שנמדדה בחלל וגליה קצרים אף מאלה של קרני גמא, והיא יכולה לשנות גרעיני אטומים ובכך להפוך אטום מיסוד אחד ליסוד אחר. קרינה זו מסבה נזק חמור ביותר לתאי יצורים חיים. יש חוקרים המשערים שהקרינה הקוסמית שמגיעה מהחלל היא זו שגורמת למוטציות ב-DNA של בעלי חיים וצמחים.

אנרגיה של קרינה אלקטרומגנטית

באינטראקציה בין קרינה לחומר, הקרינה האלקטרומגנטית מתנהגת כשטף של חלקיקים (פוטונים). האנרגיה של כל פוטון תלויה בתדירות של הקרינה על פי המשוואה , כאשר היא תדירות הקרינה, ו- הוא קבוע פלאנק. מכיוון שאורך הגל של הקרינה תלוי בתדירותה, אפשר לכתוב משוואה דומה עבור האנרגיה של פוטון כתלות באורך הגל שלו: , כאשר היא מהירות האור בריק. מכאן, שהאנרגיה של פוטון גדלה ככל שאורך הגל של הקרינה מתקצר.

העוצמה של הקרינה (כמות האנרגיה המגיעה ליחידת שטח ביחידת זמן) היא המכפלה של השטף של הפוטונים (מספר הפוטונים המגיעים ליחידת שטח ביחידת זמן) באנרגיה של פוטון בודד.

מקורות ליצירת קרינה אלקטרומגנטית

קרינה אלקטרומגנטית מופקת על ידי עצמים בעלי מטען חשמלי הנמצאים בתאוצה, למשל זרם חילופין או התנגשות בין שני אלקטרונים. קרינה אלקטרומגנטית בתדירויות שונות נוצרת ממקורות שונים.

מקורות בתחום תדרים רחב

גוף חם פולט קרינת גוף שחור, שהיא קרינה בתחום רחב של תדרים, אך מרוכזת סביב תדירות שיחסית לטמפרטורה. השמש פולטת קרינה המרוכזת סביב האור הנראה (חצי מיקרון או ‎500×1012‎ הרץ), וחזקה גם בתת-אדום ועל-סגול. קרינת הרקע הקוסמית היא בתחום תדר המיקרוגל (160.2 גיגה-הרץ).

מקור נוסף לקרינה בתחום רחב של תדרים היא פולס חשמלי, שהוא מכת מתח פתאומית, כמו ברק.

מקורות על פי תדר

קרינה בתדירות נמוכה נוצרת כתוצאה מזרם חילופין, למשל קו מתח גבוה (50 הרץ).

קרינה בתדר רדיו ומיקרוגל נפלטת ממשדרים ואנטנות, כמו גם בטבע מברקים ומקרינת הרקע הקוסמית. תחום גלי רדיו בשימוש בתקשורת הוא 150 קילו-הרץ עד 100 מגה-הרץ. אנטנה סלולרית (גם זו שבטלפון נייד) משדרת בתדר מיקרוגל של בין 400–2,000 מגה-הרץ. תנור מיקרוגל יוצר קרינה בתדר 2.45 גיגה-הרץ לחימום מזון (קרינה זו אינה יוצאת מן התנור).

קרינת תת-אדום, אור נראה ועל-סגול נוצרות כתוצאה ממעברי אנרגיה של אלקטרונים באטומים או מולקולות. כאשר אלקטרון יורד ברמת האנרגיה, הפרש האנרגיה נפלט כפוטון, כלומר קרינה, בתדירות שיחסית להפרש האנרגיה. גופים חמים מעלים את האלקטרונים לרמות הגבוהות, אשר פולטים אור כאשר הם יורדים חזרה, לדוגמה נורת להט.

קרינת רנטגן (קרני-X), באורך גל של מיליארדית המטר ותדירות גבוהה מאוד, נוצרות מעצירה של אלקטרון שנע במהירות גבוהה, בשפופרת קתודית.

קרינת גמא, שהיא הקרינה בעלת התדירות והאנרגיה הגבוהה ביותר, נוצרת בהתפרקויות גרעיניות באופן טבעי או מלאכותי, במאיצי חלקיקים ובאיון של חומר ואנטי-חומר גם כן בתהליכים טבעיים באזורים פעילים בחלל או בתהליכים מלאכותיים.

ראו גם

אופטיקה

אוֹפְּטִיקָה (מיוונית עתיקה: ops - עין, optikos - הקשור לראייה) היא תחום בפיזיקה המתאר את התכונות וההתנהגות של האור, ואת יחסי הגומלין בין אור לחומר. אופטיקה מסבירה תופעות אופטיות, שמצידן מדגימות את עקרונות האופטיקה.

האופטיקה נוכחת בחיי היום-יום: עדשת העין האנושית פועלת על-פי עקרונותיה, ותופעות רבות בהן הקשת בענן, פאטה מורגנה (מיראז'), ההילה סביב הירח או השמש, "כלבי השמש", ההבזק הירוק ועוד, הן אופטיות.

תחום האופטיקה מוקדש בדרך-כלל לתיאור ההתנהגות של אור נראה, אור תת-אדום, ואור על-סגול על הספקטרום האלקטרומגנטי; אולם היות שאור הוא קרינה אלקטרומגנטית, תופעות מקבילות מתרחשות גם בקרני רנטגן, קרינת מיקרוגל, גלי רדיו וסוגים אחרים של קרינה אלקטרומגנטית. לפיכך ניתן להתייחס לאופטיקה כאל תת-תחום של אלקטרומגנטיות. מספר תופעות אופטיות תלויות בטבעו הקוונטי של האור, ולפיכך תחומים מסוימים באופטיקה קשורים גם למכניקת הקוונטים.

עם זאת, אופטיקה, כתחום מחקר מדעי, נחשבת באופן כללי לנפרדת מקהילת המחקר הפיזיקלי. יש לה זהות משלה, עם עמותות וועידות מדעיות משלה. ההיבטים המדעיים גרידא של אופטיקה נקראים לעיתים מדע האופטיקה או אופטיקה פיזיקלית. תחום האופטיקה היישומית נקרא לעיתים הנדסה אופטית. הנדסה אופטית יישומית העוסקת במערכות תאורה נקראת הנדסת תאורה. לכל אחד מתחומי מחקר ועיסוק אלה יש יישומים משלו, מיומנויות טכניות נפרדות, מוקדי עניין שונים וקשרים מקצועיים נפרדים.

בשל החשיבות הרבה של "מדע האור" ליישומים מעשיים, תחום מדע האופטיקה וההנדסה האופטית נוטים להיות מאוד רב-תחומיים. ניתן למצוא עיסוק במדע האופטיקה כחלק מתחומים רבים ושונים, כגון הנדסת חשמל, פיזיקה, רפואה, ועוד.

אור

אוֹר, או אור בתחום הנראה הוא קרינה אלקטרומגנטית בעלת אורך גל הנראה לעין האדם (380-780 ננומטר). במובן רחב יותר אור הוא קרינה אלקטרומגנטית בטווח שבין התת-אדום לעל-סגול, או כל סוג של קרינה אלקטרומגנטית. התחום בפיזיקה העוסק באור ובתופעות הקשורות נקרא אופטיקה.

המאפיינים העיקריים של אור (ושל כל קרינה אלקטרומגנטית) הם עוצמה, קיטוב ואורך גל או תדירות, הקובעים את הצבע. מהירות האור בריק היא קבועה, וקרובה ל-300 אלף קילומטר בשנייה, ובתווך חומרי המהירות קטנה יותר. האור הוא גל אך באופן קוואנטי האנרגיה שלו מגיעה במנות בדידות, כלומר גלי אור לא מגיעים בכל אנרגיה אלא רק בכפולות של יחידת אנרגיה בסיסית של אור שנקראת פוטון. הפוטון הוא חלקיק ומקיים תכונות דואליות. אור כמו כל גל אלקטרומגנטי, ניתן לביטוי חלקיקי זה, כפוטון, נטול מסת מנוחה ונע בממוצע במסילה גאודזית שהיא הדרך הקצרה ביותר בין שתי נקודות במרחב.

קליטת האור על ידי עין היא תנאי הכרחי לראיה, ולכן אנשים משתמשים בתאורה מלאכותית במקומות בהן עוצמת האור אינה מספיקה. לאור קיימים שימושים רבים בתקשורת ובטכנולוגיה, החל בנרות ועד לתאים פוטואלקטריים.

בליעה (קרינה אלקטרומגנטית)

בליעה של קרינה אלקטרומגנטית מתרחשת כאשר גל אלקטרומגנטי פוגע בחומר, והאנרגיה שלו נספגת בחומר באופן חלקי או מלא. האנרגיה של הקרינה הנבלעת מומרת לאנרגיה אחרת, בדרך כלל לאנרגיית חום. תכונה זו מהווה את עקרון הפעולה של דוד שמש ותנור מיקרוגל. הבליעה ההדרגתית של קרינה במהלך התפשטות גל בתווך נקראת גם ניחות של הקרינה המועברת. בדרך כלל ספיגת האנרגיה, הבליעה, נעשית על ידי אלקטרונים שבאטומים או במולקולות המרכיבות את החומר.

בליעה היא אחד המנגנונים של מעבר קרינה, שפועלים על אור שפוגע בחומר. מנגנונים אחרים הם העברה (האור הממשיך בכוון ההתקדמות ללא שינוי), החזרה, פיזור והגברה.

גלי רדיו

גלי רדיו הם קרינה אלקטרומגנטית בתדרים שבין 3 קילו-הרץ עד 300 גיגה-הרץ מתוך הספקטרום האלקטרומגנטי. אורכי הגל של תדרים אלו הם 100 ק"מ עד 1 מילימטר. ככל שאר הגלים המהווים קרינה אלקטרומגנטית, גם גלי רדיו מתפשטים במהירות האור, ונעים בשדות אלקטרומגנטיים המתפשטים בריק.

תדרי רדיו משמשים, בין השאר, לתקשורת אלחוטית. לשם ביצוע תקשורת אלחוטית יש להקצות למשדר תדר שבו ישדר, ורוחב סרט מסוים. לכל משדר תדר המוקצב לו, שבו ניתן להאזין לו, ובקשר דו־כיווני – גם לשוחח אתו. כיוון שרוחב הסרט הכולל של גלי הרדיו מוגבל, ולכל משדר נדרש רוחב סרט מינימלי, הרי מספרם הכולל של תדרי הרדיו מוגבל. העובדה שלמשדר יש טווח מסוים, התלוי בעוצמת השידור ובצורת ההתפשטות של גלי הרדיו, מאפשרת להקצות אותו תדר לשני משדרים המרוחקים במידה מספקת, אך בעיית המחסור אינה נפתרת. סוג של פתרון לבעיה הוא העברתו של תחום רחב של תדרים בתווך שידור אחר (כגון תקשורת בכבלים). אז תחום התדרים מכיל גם תדרים שנמצאים באוויר ומוקצים לצרכים אחרים. אפשרות אחרת היא שידור וקליטה באלומות צרות מאוד כמו שידור וקליטה בעזרת לוויינים. פריצת דרך בתחום ניצול תדרי רדיו לתקשורת אישית הושגה עם המצאת התקשורת הסלולרית. עד להמצאת שיטה זו, השימוש בתדרי רדיו היה נפוץ בעיקר אצל גופים וארגונים ולא באופן אישי.

בתחום שידורי הרדיו לתקשורת המונים היצע התדרים מצומצם ביותר, ולכן נדרשת הסדרה של הקצאת התדרים, המבוצעים במספר גופי הסדרה ופיקוח ברחבי העולם, הן ברמה הארצית (כגון משרד התקשורת בישראל), והן ברמה הבינלאומית (כגון ITU). המחסור בתחום זה, יחד עם הרצון לשדר לציבור הרחב, יצרו את תופעת הרדיו הפיראטי. ישנם תחומים נוספים בהם יש מחסור בתדרים; דוגמה לכך הם תדרים בתחום ה-2.4 גיגה-הרץ ששימשו את צה"ל שסירב לפנותם לשימושי שן כחולה הזקוקים לתחום זה. במשך תקופה ארוכה נאסר בישראל שיווק של מכשירים אזרחיים שתומכו בתקן "שן כחולה", עד למציאת הסדר שבמסגרתו פינה צה"ל את תחום התדרים.

האפקט הפוטואלקטרי

האפקט הפוטואלקטרי (בעברית: התוצא החשמלורי) הוא תופעה פיזיקלית שבה נפלטים אלקטרונים מפני מתכת כאשר פוגעת בה קרינה אלקטרומגנטית ונבלעת בה. האלקטרונים אשר נפלטים הופכים לענן אלקטרונים או, כאשר התופעה מתרחשת בשפופרת, עוברים מן הקתודה לאנודה.

להבנת האפקט הפוטואלקטרי הייתה חשיבות רבה בהתפתחות הפיזיקה המודרנית ובגיבוש תורת הקוונטים, בהבנת האופי החלקיקי של האור, ובגיבוש מושג הפוטון.

ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לאפקט זה בשנת 1905 זיכה אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1921.

הספקטרום האלקטרומגנטי

הספקטרום האלקטרומגנטי הוא אוסף כל הגלים האלקטרומגנטיים בכל התדרים האפשריים.

הספקטרום של גופים שונים מכיל מידע פיזיקלי אודותיהם: לדוגמה, באור הכוכבים יש מידע רב על הרכבם, טמפרטורת פני השטח, מהירותם ועוד. תחומים שונים של הספקטרום האלקטרומגנטי משמשים בתחומים רבים, בהם תקשורת מידע (טלפונים חוטיים, אלחוטיים וסלולריים, העברת מידע בסיבים אופטיים תקשורת לוויינית ועוד), רפואה (מדידת חום גוף, מדידת לחץ דם, אבחון לא פולשני ועוד) בתחומי מדע שונים נעשים שימושים רבים נוספים לתחומים שונים של הספקטרום האלקטרומגנטי. תחום הפיזיקה שעוסק בספקטרום האלקטרומגנטי הוא האלקטרומגנטיות.

הספקטרום הנראה

הספקטרום הנראה הוא החלק מן הספקטרום האלקטרומגנטי הנראה בעין האנושית. קרינה אלקטרומגנטית בטווח זה של אורכי גל נקראת האור הנראה או פשוט אור. עין אנושית טיפוסית תגיב לאורכי הגל שבין 380 ל-750 ננומטר (nm), או במושגים של תדירות הגל, בין 400 ל-789 טרה-הרץ (THz).

הטווח המוגבל של הגלים השייכים לספקטרום הנראה משקף תכונה של העין האנושית, יותר מאשר תכונה של הגלים האלקטרומגנטיים. מינים רבים של בעלי חיים מסוגלים לראות גם תדרים הנמצאים מחוץ ל"ספקטרום הנראה", כמו ציפורים, דבורים וחרקים רבים נוספים, הרואים גם קרינת על-סגול, וכן טורפים שונים, כגון העכסנים, החשים גם בקרינת תת-אדום ומשתמשים בה למעקב אחר חום הגוף של טרפם.

מיקרוגל

גלי מיקרו הקרויים גם מיקרוגלים, הם קרינה אלקטרומגנטית בעלת אורך גל הנע בין 1 מילימטר עד 1 מטר, כלומר בעלי תדירות של 300 מגה־הרץ עד 300 ג'יגה־הרץ. קרינת מיקרו היא קרינה בלתי מייננת ויש לה שימושים רבים בטכנולוגיה, בהם תנור מיקרוגל, טלפון סלולרי ומכ"ם. באסטרונומיה יש שימוש רב ברדיו-טלסקופ בתחום המיקרוגל, המאפשר כושר הפרדה טוב יותר משאר ספקטרום הרדיו, ומסוגל לעבור דרך ענני גז ואבק המסתירים אזורים רבי עניין בחלל, כגון חורים שחורים במרכזי גלקסיות.

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.

ספקטרוסקופיה

ספקטרוסקופיה הוא תחום מחקר שבו נמדד ספקטרום של רמות אנרגיה או ספקטרום של תדרי קרינה אלקטרומגנטית, כמו למשל תדרי אור. שיטות ספקטרוסקופיות נפוצות בכימיה, בפיזיקה ובביולוגיה, והן משמשות פעמים רבות לזיהוי חומרים.

המכשירים המשמשים לספקטרוסקופיה קרויים ספקטרומטר, אם כי ההבדלים ביניהם גדולים ולכל אחד שם המייחד אותו. משותף למכשירי ספקטרוסקופיה רבים הוא שלב הפרדה בין הקרינה המשמשת לעירור המערכת הנבדקת לבין הקרינה הנפלטת מהמערכת והפרדת הקרינה הנפלטת לרכיביה. הפרדה זו מתבצעת למשל על ידי סינון אורך גל מסוים על ידי מערך של סריגים מונוכרומטור או הפרדה מרחבית על פריזמה או אלמנט הולוגרפי.

בספקטרוסקופיית פליטה, מולקולה עוברת מרמת אנרגיה גבוהה לרמה נמוכה יותר באנרגיה ופולטת את האנרגיה העודפת בצורה של פוטון. בספקטרוסקופיית בליעה, עוקבים אחר סך הבליעה של קרינה מונוכרומטית בקירוב כאשר מבצעים סריקה עבור תחום רחב של אורכי גל. האנרגיה של הפוטון הנפלט או הנבלע ניתנת על ידי תנאי בוהר לתדירות, .

ספקטרוסקופיות בליעה ופליטה נותנות אינפורמציה זהה בנוגע לריווח שבין רמות האנרגיה, אולם שיקולים פרקטיים קובעים בסוף את הטכניקה בה נעשה שימוש.

פוטון

פֿוֹטוֹן (Photon) הוא חלקיק יסודי המהווה את הקוונטום של השדה האלקטרומגנטי ונשא הכוח של הכוח האלקטרומגנטי. הפוטון הוא בוזון כיול, נטול מסה ומטען חשמלי, בעל ספין של 1. כל פוטון נושא אנרגיה ומהווה מנה (קוונטום) של קרינה אלקטרומגנטית, לרבות אור וגלי רדיו. אנרגיית הפוטון נקבעת אך ורק לפי התדר, או לפי אורך הגל, של הפוטון (לחלופין, התדר ואורך הגל נקבעים לפי אנרגיית הפוטון). ההבדל בין אנרגיות פוטון שונות אחראי למגוון רחב של תופעות, לרבות צבעי האור הנראה, תדרים שונים של שידורי רדיו, ההבחנה בין קרינה מייננת לקרינה בלתי מייננת ועוד.

לפוטון, כמו לכל החלקיקים האחרים, ישנן תכונות הן של גל והן של חלקיק, תופעה המכונה "דואליות גל-חלקיק". התופעות דמויות-הגל שמציגים פוטונים הן, לדוגמה, שבירה על ידי עדשה והתאבכות. התכונות החלקיקיות של הפוטון הן, בין השאר, פיזור והעברת אנרגיה במנות בדידות. פוטון שעובר אינטראקציה מלאה עם אטום או עם מולקולה נבלע ומוסר, או נפלט ומקבל, את כל האנרגיה שלו תוך כך. בעקבות האינטראקציה, עוברים האטום או המולקולה עירור או יינון. עבור אור בתחום הנראה, האנרגיה הנישאת על ידי פוטון יחיד של אור ירוק היא כ-‎4×10-19‎ ג'ול בקירוב, כמות אנרגיה המספיקה לעורר מולקולה יחידה של תא קולט אור בעין, וליצור בכך אות עצבי שהוא הבסיס הפיזיולוגי לראייה. פוטונים מקיימים מגוון רחב של אינטראקציות עם חומר, כגון אפקט קומפטון, בו משנה הפוטון את האנרגיה אותה הוא נושא ולכן גם את אורך הגל שלו, ויצירת זוג, תהליך בו אלקטרון ופוזיטרון נוצרים מפוטון בודד העובר ליד אטום כבד. פוטונים יכולים להיפלט מגרעין אטום לא יציב בצורת קרינת גמא, וכמו כן הם יכולים להיפלט על ידי חלקיקים טעונים הנמצאים בתאוצה.באלקטרודינמיקה קוונטית, הפוטון משמש כמתווך בתהליכים אלקטרומגנטיים, כלומר, האינטראקציה מתרחשת באמצעות החלפת פוטונים בין חלקיקים טעונים. למעשה, כל השדות החשמליים והמגנטיים ניתנים לתיאור באמצעות פוטונים. לפי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, קיום הפוטון הוא תוצאה של הדרישה כי לחוקים הפיזיקליים תהיה סימטריה מסוימת בכל נקודה במרחב-זמן. תכונות הפוטונים, כגון מטען חשמלי, מסה וספין, נקבעות על ידי מאפייני סימטריה זו (סימטריית כיול).

הרעיון כי האור נישא במנות בדידות, כלומר באמצעות פוטונים, פותח על ידי אלברט איינשטיין החל מ-1905. איינשטיין פירש את הנוסחה שהציע מקס פלאנק על מנת להסביר את הספקטרום של קרינת גוף שחור:

E = hνכאשר h הוא קבוע פלאנק. איינשטיין זיהה את E עם אנרגיית קוונט אחד של קרינה אלקטרומגנטית, שלימים נקרא פוטון, ואת ν עם תדר הקרינה. באמצעות מודל הפוטונים, הצליח איינשטיין להסביר את האפקט הפוטואלקטרי. הנוסחה E = hν מכונה נוסחת פלאנק-איינשטיין (Planck-Einstein formula). יחד עם הפיזיקאי ההודי סאטינדרה נאת בוז, איינשטיין סיפק תיאור סטטיסטי של אור, המסביר את קרינת פלאנק. בנוסף, מתוך שיקולים סטטיסטיים, הסיק איינשטיין את קיומו של מנגנון הפליטה המאולצת וכן מצא קשרים בין מקדמי הבליעה והפליטה של אור על ידי חומר.

גילוי מודל הפוטון הביא לפריצות דרך בפיזיקה הניסויית והתאורטית, כגון פיתוח הלייזרים, יצירת עיבוי בוז-איינשטיין ובאופן כללי הביא להתפתחות מכניקת הקוונטים. תחומים רבים אחרים התקדמו בזכות הבנת מושג הפוטון, כמו למשל פוטוכימיה, מיקרוסקופיה בהפרדה גבוהה ומדידת מרחקים ברמה המולקולרית. בתחילת המאה ה-21 נמצא שימוש לפוטונים בודדים במחקרים העוסקים במחשוב קוונטי וביישומי תקשורת אופטית מתקדמים, כגון הצפנה קוונטית.

פולסר

פולסר הוא כוכב נייטרונים מסתובב הפולט קרינה אלקטרומגנטית. כוכב נייטרונים הוא גוף צפוף מאוד שנוצר מכוכב מסיבי בעת סופרנובה.

הפולסר קורן קרינה אלקטרומגנטית לחלל בשתי אלומות צרות בכיווני הקטבים המגנטיים שלו, שיכולים להיות שונים מכיוון ציר סיבובו. כאשר צופה נמצא קרוב מספיק לחרוט הדמיוני שיוצר ציר הקטבים המגנטיים של הפולסר במרחב, הוא יכול למדוד פולסים של קרינה, שמחזוריותם היא מחזוריות הסיבוב של הכוכב. פולסים אלו נתנו לפולסר את שמו.

הפולסר הקרוב ביותר למערכת השמש מקוטלג כ-CP0950. מרחקו ממערכת השמש כמאה שנות אור, ומחזור סיבובו 0.2530646 שנייה.

הפולסר הראשון התגלה ב-28 בנובמבר 1967 על ידי ג'וסלין בל ברנל ואנתוני היואיש מאוניברסיטת קיימברידג', ובתחילה חשבו האסטרונומים שמדובר בשידור של חוצנים אינטֶליגנטיים, בשל המחזוריות המדויקת שלו. הם אף כינו את המקור "LGM-1" כראשי תיבות של "Little green men" ("אנשים ירוקים קטנים")

קרינה

בפיזיקה, קרינה היא פליטה או העברת (התפשטות) אנרגיה. בדרך כלל היא מתוארת כזרם של חלקיקים יסודיים נושאי אנרגיה, היוצאים ממקור כלשהו, ומתפשטים ממנו בכיוון מסוים, אחד או יותר. לחלופין, ניתן לתאר קרינה כהפרעה מחזורית, או גל היוצא ממקור מסוים ומתפשט במרחב. בין סוגי הקרינה:

קרינה אלקטרומגנטית בתדרים שונים, הכוללת: קרינת רדיו, קרינת מיקרוגל, קרינה תת-אדומה (המורגשת כחום על ידי האדם והחי), אור הראה על שלל צבעיו, קרינה על סגולה, קרינת רנטגן וקרינת גמא

קרינת חלקיקים, כמו קרינת אלפא, קרינת בטא, וקרינת נייטרונים

קרינת כבידה, בצורת גלי כבידה, או תנודות בעקמומיות המרחב-זמןאנרגיה מתפשטת בצורות שונות - הולכה, הסעה וקרינה. בניגוד להולכה והסעה, הקרינה איננה נזקקת לשום תווך חומרי לצורך מעבר דרכו. כך, קרינה מגיעה אלינו מהשמש ומהכוכבים כשהיא עוברת בחלל, הריק מחומר.

קרינה בלתי מייננת

קרינה בלתי מייננת היא קרינה אלקטרומגנטית שאינה מסוגלת ליינן אטומים או מולקולות. זאת, משום שהיא יכולה למסור להם אנרגיה רק במנות שאינן גדולות מספיק על מנת להוציא מהם אלקטרונים.

קרינה בלתי מייננת איננה גורמת לנזקים הבריאותיים להם גורמת קרינה מייננת.

קרינה תרמית

קרינת חום היא קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת מגוף כתוצאה מהתנועה התרמית של החלקיקים הטעונים המרכיבים אותו. תנועה זו נובעת מכך שבגוף הנמצא בטמפרטורה שמעל האפס המוחלט, החלקיקים שמרכיבים אותו נעים באופן אקראי. מאחר שכל מטען הנמצא בתאוצה פולט קרינה אלקטרומגנטית, כל גוף פולט קרינת חום.

דוגמאות לקרינה תרמית כוללים את האור הנראה ואור אינפרא אדום הנפלטים מנורת להט, קרינת תת-אדומה הנפלטת מבעלי חיים שניתן לגלות בעזרת מצלמת תרמית וקרינת המיקרוגל של הרקע הקוסמית. קרינה תרמית שונה מהסעת חום והולכת חום - אדם ליד מדורה ירגיש חום מוקרן מהאש, גם במצב שבו הסביבה קרה.

אור שמש הוא חלק מהקרינה התרמית שנפלטת מהפלזמה של השמש. כדור הארץ גם פולט קרינה תרמית, אולם בעוצמה נמוכה בהרבה ובעלת התפלגות ספקטרלית שונה (יותר אינפרא אדום מאשר נראה) כיוון שהוא קר יותר. בליעת כדור הארץ של הקרינה הסולרית, בשילוב הפליטה התרמית העצמית שלו, הם שני גורמים חשובים בקביעת הטמפרטורה והאקלים על גבי כדור הארץ ברוב המודלים האקלימים.

כאשר לאובייקט תכונות פיזיקליות המאפיינות גוף שחור בשיווי משקל תרמודינמי, הקרינה נקראת קרינת גוף שחור. נוסחת פלאנק מתארת את ספקטרום הקרינה של גוף שחור, שתלוי בטמפרטורה בלבד. חוק ההסחה של ווין קובע את התדר בו תהיה הפליטה המקסימלית וחוק סטפן-בולצמן קובע את עוצמת הקרינה הכוללת.

קרינת הרקע הקוסמית

קרינת הרקע (הידועה גם בשם קרינת הרקע הקוסמית) היא קרינה אלקטרומגנטית, כזו שמקרין גוף שחור בטמפרטורה של 2.7 מעלות קלווין (270.45°- מעלות צלזיוס, שיסומנו להלן באות C).

קרינה זו באה מכל כיוון ביקום והיא נחשבת להוכחה המובהקת ביותר של תאורית המפץ הגדול. אין לבלבל בינה לבין קרינה קוסמית, שהיא שם כללי לכל קרינה שמקורה מחוץ לכדור הארץ.

קרינת השמש

קרינת השמש היא הקרינה המגיעה מהשמש אל כדור הארץ ואל יתר מערכת השמש. קרינת השמש היא המקור העיקרי לאור ולחום על-פני כדור הארץ. קרינת השמש היא גם מקור האנרגיה לכל תהליכי הפוטוסינתזה בעולם הצומח וכן לכל התהליכים האטמוספיריים והזרמים האוקיניים - תהליכים חיוניים לחיים על כדור הארץ.

קרני רנטגן

קַרְנֵי רֶנְטְגֶּן (או קרני X) הן קרינה אלקטרומגנטית מייננת בעלת אורך גל בתחום 5 פיקומטר עד 10 ננומטר, הקרויה כך על שם הפיזיקאי שגילה אותה, וילהלם רנטגן.

שדה אלקטרומגנטי

שדה אלקטרומגנטי הוא שדה פיזיקלי המורכב משדה חשמלי ומשדה מגנטי. השדה מתאר את הכוח האלקטרומגנטי (כוח לורנץ, אחד מארבעת כוחות היסוד של הטבע) הפועל על מטען חשמלי, ליחידת מטען. בכל מקום שיש קרינה אלקטרומגנטית או גל אלקטרומגנטי קיימים שדות אלקטרומגנטיים שמרכיבים אותו.

כל גוף טעון חשמלית משרה מסביבו שדה חשמלי. אם הגוף נע, הוא משרה סביבו גם שדה מגנטי. במקרה הטיפוסי (שמתקיים במקרים רבים של חלקיקים טעונים, בעיקר אלקטרונים), המטען נע באופן מחזורי-הרמוני, ואז המטען (או המטענים) משרים שדה אלקטרומגנטי, שהוא תוצאה של ההרכבה של השדה החשמלי והשדה המגנטי. אחת התוצאות של משוואות מקסוול היא, ששדות חשמליים ומגנטיים המשתנים באופן מחזורי הם למעשה שני ביטויים של אותה תופעה, ולכן לא מדובר בשני שדות נפרדים. מכאן שניתן להתייחס לכך כ"שדה אלקטרו-מגנטי". השדה האלקטרומגנטי בנקודה מסוימת במרחב מגדיר את הכוחות (המגנטיים והחשמליים) שיפעלו על גוף טעון במטען חשמלי, אם יימצא בנקודה הזאת, במהירות מוגדרת. אם לא פועלים כוחות אחרים על הגוף, השדה מגדיר (כתוצאה מהפעלה פשוטה של חוקי ניוטון) גם את המתקף (השינוי בתנע) שלו. אם אנו יודעים מהי המסה של הגוף, נוכל לדעת מהי התאוצה שלו - כלומר, מה יהיה השינוי בגודל ובכיוון של המהירות של הגוף. אי לכך, די לדעת מהו השדה האלקטרומגנטי באזור מסוים בחלל ריק כדי לדעת כיצד ינוע אלקטרון שנשים שם במנוחה. כך ניתן לחשב, למשל, את מהירות ההתנגשות של חלקיקים טעונים במאיץ חלקיקים.

מנקודת מבט קלאסית, השדה האלקטרומגנטי מתואר על ידי שני שדות וקטוריים. הראשון הוא השדה החשמלי, הנוצר על ידי כל מטען חשמלי, והשני הוא השדה המגנטי הנוצר על ידי מטען חשמלי שנמצא בתנועה. השדה האלקטרומגנטי מתואר באופן מלא על ידי טנזור השדה האלקטרומגנטי, ועל ידי משוואות מקסוול. קרינה אלקטרומגנטית היא תנודה מחזורית של השדה האלקטרומגנטי.

מנקודת מבט מתמטית, שדה אלקטרומגנטי קלאסי הוא שדה חלק ורציף.

באלקטרודינמיקה קוונטית השדה האלקטרומגנטי הוא שדה קוונטי מסוג בוזון כיול הנוצר כתוצאה מדרישה לשימור סימטריית כיול ומטען חשמלי. קרינה אלקטרומגנטית בתורה הזו היא פוטון, שהוא חלקיק בוזון כיול, שמהווה עירור של השדה - כלומר מצב קוונטי עם אנרגיה הגבוהה מאנרגיית הריק ועם תנע.

הן בתיאור הקלאסי והן באלקטרודינמיקה קוונטית, השדה האלקטרומגנטי (והפוטון) מגיבים רק עם חלקיקים טעונים חשמלית.

השראה אלקטרומגנטית היא תהליך שבו שדה חשמלי שמשתנה בזמן גורם להופעה של שדה מגנטי, או שדה מגנטי שמשתנה בזמן גורם להופעה של שדה חשמלי. משוואות מקסוול מתארות את הקשרים בין המטען החשמלי, הזרם החשמלי, השדה החשמלי והשדה המגנטי. בשל צימוד זה בין השדה החשמלי והשדה המגנטי, בתנאים מסוימים מקיימת מערכת את משוואת הגלים.

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.