טבעה של קרינה אלקטרומגנטית עלול להיות מבלבל. מצד אחד, היא פועלת כמו זרם חלקיקים, הנושאים אנרגיה ממקום למקום. מצד שני, הוא פועלת כגלים כאשר היא חושפת תכונות של עקיפה והתאבכות. האם קרינה אלקטרומגנטית פועלת כחלקיקים, איך מתמודדים עם היבטים הגליים של הקרינה? בפיזיקה, המילה 'שדה' מתארת משהו המתפשט בחלל, בעל גודל או ערך בכל נקודה. שדות יכולים להשפיע על גופים רחוקים. לדוגמה, המגנטים בגלל מאפייני ה"שדה" שהם יוצרים, יכולים למשוך או לדחות האחד את השני מבלי שנוצר ביניהם מגע; חשמל סטטי גם הוא מפעיל משיכה או דחיה מרחוק. "שדה" הכבידה מחזיק את כדור הארץ במסלולו סביב השמש בחלל הריק.
באדיבות וויקפדיה
למרבה המזל, אנו יכולים להשתמש במתמטיקה פשוטה כדי לתאר את המאפיינים של קרינה אלקטרומגנטית, מבלי לדאוג כיצד לתאר אותה כגל או כחלקיק. במונחים של גלים, קרינה אלקטרומגנטית מתוארת על ידי אורך הגל שלה. המהירות של כל הגלים האלקטרומגנטיים בריק כולל האור הנראה היא כ- 300,000 קילומטרים לשנייה, המסומנת ב- c.
המהירות היא מכפלה של אורך הגל בתדירות. קיים יחס הפוך בין אורך הגל לבין תדירות הגל. לפי משוואה הבאה
אורך גל x תדירות = c
ניתן לבחון כמה דוגמאות. אורך גל של האור האדום הוא 7×10-7 מטר, מאות פעמים קטן יותר מעובי שערת אדם. מהירות האור היא 3×108 מטר בשנייה לכן תדירות גל האור האדום היא c / wave = 3 x 108 / 7 x 10-7 = 4 x 1014 מחזורים לשנייה (או הרץ). זהו קצב תנודות גדול מאוד!
נניח שתחנת הרדיו האהובה עליך משדרת בתדר של 400 מגה-הרץ, שהוא 4×108 הרץ. לגלי רדיו אלה יש אורך גל של
c/frequency = 3 x 108/ 4 x 108 = 0.75 מטר. זהו אורך גל גדול דיו כדי שתוכל לדמיין אותו בקלות (אך לא ניתן לראותו, כי העיניים שלך אינן יכולות לזהות גלי רדיו). מכיוון שיש קשר פשוט בין אורך גל לתדירות, ניתן לציין גל אלקטרומגנטי על ידי אחד מהגדלים האלה. מהנדסי רדיו נוטים לאפיין גלים לפי תדירותם (תחנות הרדיו מציינות את תדירות השידור שלהן במחזורים לשנייה או הרץ). אסטרונומים אופטיים, לעומת זאת, נוטים להתייחס לקרינה לפי אורך הגל שלה.
באדיבות NASA
בתיאור הקרינה כחלקיקים, חשובים המאפיינים של הפוטונים. האנרגיה של פוטון נמצאת ביחס ישר לתדירות הקרינה. פוטונים בתדירות גבוהה יותר או באורכי גל קצרים יותר נושאים אנרגיה רבה יותר מאשר פוטונים בעלי תדירות נמוכה יותר או אורכי גל ארוכים יותר. עובדה המתאימה לניסיון, גלים קצרים נושאים יותר אנרגיה מאשר גלים ארוכים. ידוע שקרינה אולטרה סגולה מהשמש שכולה להזיק לעור שלנו ולגרום לכוויות, אך קרינת גמא בעלת האנרגיה הגבוהה ביותר עלולה לגרום לנזק לרקמות יותר מהשמש. מצד שני, האוויר מלא גלי רדיו בעלי אנרגיה נמוכה, אשר אינם גורמים כמעט שום נזק! המשוואה המתארת את אנרגיית הפוטונים היא
אנרגיה = תדירות h x
אם התדירות ניתנת ביחידות של מחזורים לשנייה או הרץ, האנרגיה יוצאת ביחידות של ג'אול. המספר h הוא קבוע של פלאנק, על שמו של פיזיקאי גרמני שהיה אחד הזוכים הראשונים בפרס נובל בפיזיקה. ערכו הוא 6.63×10-34 ג'אול שנייה, מספר קטן להפליא!
אור בכל הצורות האחרות של קרינה אלקטרומגנטית מגיע בצרורות אנרגיה זעירות בשם פוטונים. יחידה מינימלית זו של קרינה או אנרגיה נקראת קוונט והיא מתייחסת לתכונה ה"גרגירית" הזעיר ביותר בעולם הפיזיקה. בדיוק כמו שכל החומר המורכב מחלקיקים בלתי ניתנים לחלוקה באטום, כמו אלקטרונים, כך גם הקרינה מורכבת מיחידות בלתי ניתנות לחלוקה נוספת בשם קוונט. הגילוי שהאור מחולק ליחידות נפרדות או בדידות, היה אחד הגילויים החשובים בפיזיקה של המאה הקודמת.
כמה קטן הוא קוונט של אנרגיה? בואו נסתכל על פוטון בודד של אור לבן. יש לו אורך גל של 5×10-7 מטר, ולכן התדירות שלו
c/wave = 3 x 108 / 5 x 10-7 = 6 x 1014 הרץ. האנרגיה היא לפיכך 6×1014 x 6.6 x 10-34 = 4 x 10-19 ג'אול. האנרגיה של פוטון נראה יחיד היא אכן זעירה, כפי שעולה מהערך הקטן ביותר של קבוע פלאנק. לדוגמה, באמצעות העובדה כי ואט הוא הספק של ג'אול אחד בשנייה, נורת 100 ואט פולטת .100/4×10-19 = 2.5 x 1020 פוטונים לשנייה. כלומר, 250 מיליארד פעמים מיליארד פוטונים לשנייה! במילים אחרות, "הגרגיריות" של האור והחומר היא כה טובה, עד שאיננו יכולים לראות זאת בחיי היומיום.
Author: Chris Impey