4.16 קרינת חום

הקרינה היא הדרך העיקרית שבה חום ואנרגיה נעים ברחבי היקום. האנרגיה של כל כוכב, כולל השמש, עוברת בחלל בצורת קרינה. אנו מצליחים ללכוד ולנתח את הקרינה שלהם בעזרת טלסקופים בכדור הארץ ומחוצה לו. לעת עתה, נתמקד בתפקיד הקרינה בהעברת חום ואנרגיה.

מהם המושגים בסיסיים שאנחנו צריכים לדעת כדי לדבר על קרינה? ניוטון היה הראשון לתאר את מרכיבי הקרינה הנפלטת מהשמש. הוא בחן קרן אור צרה שחדרה לחדר חשוך והעביר אותה דרך מנסרה. האור התפרש למערך צבעים שכמהו ניתן לראות בקשת בענן. ניוטון הוכיח כי הקרינה הנראית של השמש מורכבת מתערובת של אור בצבעים שונים. מערך הצבעים שראה ניוטון כולל: אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו וסגול – נקרא הספקטרום הנראה. (אנשים רבים משתמשים בקיצור "אכץ יכאס" כדי לזכור את הרצף הזה). ניוטון לא היה האדם הראשון שיצר ספקטרום של אור נראה, אבל הוא היה הראשון שהסיק באופן שיטתי את תכונות האור. כמה מדענים חשבו כי הצבעים אינם חלק מאור לבן, והם נוצרים על ידי המנסרה עצמה. בניסוי נוסף ניוטון העביר את הספקטרום הנראה דרך מנסרה שנייה והראה כי הוא התכנס בחזרה לאור לבן. אור לבן הוא אכן תערובת של צבעים. אבל האם הצבעים הם תכונה בסיסית של האור? ניוטון בחר צבע אחד מן הספקטרום וניסה לפזר אותו פעם נוספת באמצעות מנסרה שנייה. אור כחול נשאר אור כחול ואור אדום נשאר אור אדום. הצבעים מייצגים אפוא תכונה בסיסית של אור.

ניוטון חשב על אור כזרם של חלקיקים זעירים. מדענים אחרים הבחינו כי לאור היו תכונות גליות. כפי שמתברר, ניתן  לחשוב על האור כגל או כחלקיק. בשנת 1800, עשה אסטרונום ומלחין בשם ויליאם הרשל ניסוי מעניין. הוא העביר את אור השמש מבעד למנסרה כפי שעשה ניוטון לפני כן. כאשר הניח מדחום בכל צבע, המדחום התחמם, מכיוון שאור השמש בכל צבע נושא אנרגיה היכולה להפוך לחום. אחר כך הניח את המדחום מעבר לקצה האדום של הספקטרום, שם לא נראה אור שמש. האם באזור זה יתחמם המדחום, תהה הרשל? למרבה הפלא כך היה. הרשל גילה שיש קרינה "מעבר לספקטרום הנראה" שאיננו יכולים לראות. קרינה זו נקראת קרינה אינפרא אדומה IR.

הדרך הקלה ביותר לחשוב על קרינה היא לבחון את התכונות שלה כגל. כאשר אור עובר נפיצה באמצעות מנסרה ויוצר ספקטרום, כל צבע מתאים גל באורך שונה. "אורך הגל" מתייחס למרחק בין שני פסגות או שקעים בגל. בכל פעם שאתה רואה את המילה "אורך גל" בהתייחס לאור, אתה יכול להחליף את המילה ב"צבע", אם הדבר מסייע לך להבין את הרעיון טוב יותר. שים לב, עם זאת, כי רק לצורך הנוחות אנו מציינים שבעה צבעים בספקטרום כמפורט לעיל. השינוי בצבע נעשב באופן רציף ומתמשך על פני הספקטרום. אור כחול הוא בעל אורך הגל הקצר ביותר בתחום הנראה הוא 0.0004 מילימטרים. לאור אדום יש אורכי גל ארוכים יותר כ- 0.0007 מילימטרים. לקרינת אינפרא אדום יש אורכי גל ארוכים מכדי שהעין האנושית תוכל לראותם – למעלה מ- 0.001 מילימטרים.

עוצמת הקרינה המקסימלית של השמש נמצאת באורכי הגל ה"צהוב": אורכי הגל שתאי הקולטן בעין האנושית רגישים ביותר. למעשה, זוהי דוגמה לדרך שבה בני האדם מסתגלים לסביבתם באמצאות האבולוציה. עוצמת הקרינה יורדת בהדרגה לאורכי גל ארוכים וקצרים יותר. מן השילוב של אורכי גל, אנו רואים את השמש בצבע צהבהב לבן. ספקטרום הקרינה משתרע מעבר לטווח הגלים שבו העיניים קולטות אור. אורכי גל קצרים מדי לעיניים שלנו נקראים קרינה אולטרה סגולה. השמש פולטת קרינה בלתי נראית הן בתחום אולטרה סגול והן בתחום אינפרא אדום.

טמפרטורה קשורה בתנועות מיקרוסקופיות של אטומים ומולקולות. ככל שהאנרגיה הקינטית של החלקיקים גדולה יותר, כך טמפרטורת החומר גבוהה יותר. חלקיקים הנמצאים בתנועה פולטים ספקטרום קרינה רציף. ככל שהאנרגיה הקינטית של החלקיקים גדולה יותר כך קצר יותר אורך הגל של הקרינה. הספקטרום של קרינה הנפלט מגוף חם תלוי בטמפרטורה שלו בדרך פשוטה, ומבוטא על ידי חוק ויין. מכיוון שכל האטומים והמולקולות נמצאים בתנועה מתמדת, כל הגופים פולטים קרינת חום. אנו יכולים גם לראות מדוע הקרינה אינה תלויה בהרכב הכימי של הגוף. אם היה לנו גוש ברזל וגוש זהב באותה טמפרטורה, אטומי הברזל ואטומי הזהב היו בעלי אותה אנרגיה קינטית. לכן אטומי הברזל ואטומי הזהב היו פולטים אותה קרינת חום.

אם גוף כל הזמן פולט קרינת חום, למה אנחנו לא רואים אותה? גופים בטמפרטורת החדר פולטים בעיקר קרינה אינפרא אדומה שאנחנו לא יכולים לראות. הכרחי שהקרינה תפלט בחלק הנראה של הספקטרום כדי שנוכל לראותה. כיום קיימת טכנולוגיה המאפשרת לזהות ולצלם תמונות של גופים הפולטים קרינה אינפרא אדומה,  בדיוק כמו שאנחנו עושים עם אור נראה. ככל שהטמפרטורות עולות, הקרינה הדומיננטית בספקטרום נעה לעבר אורכי גל ההולכים ומתקצרים. רק כאשר גופים מגיעים לטמפרטורות גבוהות הקרינה הדומיננטית נמצאת בתחם הנראה של הספקטרום. במילים אחרות, אנו יכולים לראות אור הנפלט מגוף חם מאוד.

הדלקת תנור חשמלי עשויה לשמש דוגמה טובה של החוק של חוק ווין. הסליל של התנור מתחיל בטמפרטורת החדר (כ- 300⁰K) וצבעו אפור משעמם. הצבע אפור אינו של האור הנפלט על ידי סליל; זהו צבע המתכת המוחזר ממנה לאחר שהאור בחדר פגע בה. אבל אז סליל מתחמם, ובסופו של דבר אנחנו מתחילים לראות זוהר אדום עמום. בסליל שמתחמם האור הופך בהיר יותר ובסופו של דבר צבעו הופך כתום אדום. (ללבה מותכת יש זוהר אדום דומה, והיא בעלת טמפרטורה של  1100-1500 קלווין). אם הסליל יכול  להוסיף ולהתחמם, הקרינה תהפוך צהובה יותר ולבסוף תגיע לתערובת צבעים הדומה לאור השמש. מכיוון שרוב הגופים בחיי היום-יום הם קרירים מכדי להיות "אדומים", הקרינה התרמית שלהם נמצאת בתחום האינפרא-אדום, והיא בלתי נראית.

קל להתבלבל כאשר חושבים על צבע של קרינת חום. אנו רואים חפצים רגילים ביותר בשל האור המוחזר מהשמש או ממנורות. ספר כחול הוא לא חם יותר מאשר ספר אדום; הוא רק מחזיר חלק אחר של הספקטרום הפוגע בו. בחדר ללא מקור אור, לספר אין צבע כי אין אור שיוחזר! אנו רואים גם את הירח ואת כוכבי הלכת בעזרת החזרה של אור השמש. הגופים היחידים הפולטים קרינה בתחום הנראה הם גופים בעלי טמפרטורה של כמה אלפי מעלות קלווין, כמו השמש או חוט להט של נורה. חשוב להבין את ההבדל הזה. אפשר שתשאל ומה לגבי נורת פלורסנט, שהיא קרה למגע? לגז בתוך סוג זה של מקור האור יש צפיפות נמוכה מאוד. בעוד שלאטומי הגז בתוך הנורה יש אנרגיה קינטית גבוהה המתאימה לטמפרטורה גבוהה, הרי ששיעור ההתנגשויות עם הצינור הכולא את הגז נמוך, ולכן קיים אפקט חימום קטן.

התרבות הפופולרית תורמת סוג אחר של בלבול. אמנים מדברים על אדום כצבע "חם" וכחול כצבע "קר". מוזיקאים משתמשים באותה טרמינולוגיה – ג'אז רגוע משויך לצבע הכחול בעוד שסלסה סוערת מקושרת עם צבע אדום. הדם חם ואדום, אבל קרח הוא קריר וכחול. למרבה הצער, תיאור סובייקטיבי זה של צבע הוא הפוך לתיאור המדעי של צבע, המבוסס על קרינת חום.

Author: Chris Impey