נגישות
headline
Error processing SSI file




המודל הדואלי של האור


קרינת גוף שחור

עד המאה ה-19 כבר הייתה ידועה ההתנהגות של האור בתופעות כמו שבירה, החזרה, התאבכות, נפיצה ועוד. יחד עם זאת, נותרה תופעה הקשורה באור שלא ניתן לה הסבר. התופעה בה מדובר היא קרינה של גוף שחור.

לפני שנדון במה היא קרינה של גוף שחור נבחין קודם בין שלושה סוגים שונים של חומר לפי התגובה שלהם לקרינת האור הנראה הנופלת עליהם. סוג אחד הוא חומר שקוף, כדוגמת זכוכית, שהאור הפוגע בו עובר דרכו כמעט ללא הפרעה. סוג שני של חומר הוא חומר מבריק, כדוגמת מתכת, שהאור הפוגע בו מוחזר ממנו כמעט החזרה מלאה. סוג שלישי של חומר הוא חומר אטום, כדוגמת רוב החומרים המוכרים לנו, עץ, פלסטיק, אבן וכו', שהאור הנראה הפוגע בהם נבלע בהם במידה מסוימת.

בחומר אטום החלק מקרינת האור הפוגע בו שנטמע בו ואינו מוחזר או עובר הלאה עובר המרה של האנרגיה שהוא נושא עימו לאנרגיה של חום. כלומר, חלק מהקרינה הפוגעת גורם להתחממות החומר האטום, בעוד חלק אחר של הקרינה מוחזר.

בין הגופים האטומים קיימים כאלו אשר החלק של הקרינה הפוגעת בהם שנבלע בהם והופך לחום הוא גדול מאוד יחסית לחלק המוחזר. באופן תיאורטי נוכל לדמיין גוף אטום אשר בולע את כל הקרינה הפוגעת בו בכל תחום התדרים והממיר את כולה לאנרגיית חום.

גוף תיאורטי שכזה הוגדר כך לראשונה בשנת 1860 על-ידי גוסטב קירכהוף, שנתן לו גם את השם גוף שחור. תיאורו כגוף בצבע שחור מטעה במידה מסוימת. גוף שחור אינו מחזיר אף חלק מהאור (ומכל ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית) הפוגע בו ומסיבה זו הוא מתורגם במוח האנושי כצבע שחור. מסיבה זו ניתן היה אולי לדמות אותו מבחינה זו כגוף שחור.

קרינת גוף שחור


דוגמה לכך הם החומרים גרפיט ופיח שהינם דוגמאות לחומרים שהם כמעט גוף שחור בהיותם בולעים כמעט את כל הקרינה הפוגעת בהם תוך כדי המרתה לחום. אך דוגמאות נוספות לגופים שחורים הם השמש ושאר כוכבי השמיים שפולטים אור ואשר השם גוף שחור אינו נראה מתאים להם מבחינה זו.

כיצד זה שהשמש היא גם גוף שחור?

הקשר שבין חום וקרינה מתקיים גם בכיוון ההפוך. עד כה דנו בבליעה של קרינה נושאת אנרגיה אלקטרומגנטית והמומרת לאנרגיה תרמית. תהליך זה יכול להתבצע גם בכיוון ההפוך. כל גוף חם הנמצא בשיווי משקל תרמי, כלומר בטמפרטורה קבועה, פולט קרינה אלקטרומגנטית. ההסבר לכך הוא שהחום הינו תנועת רטיטה של המולקולות ושל האטומים שבחומר. אלה נושאים מטען חשמלי אשר כשהוא רוטט הוא פולט קרינה אלקטרומגנטית.

בטמפרטורה נמוכה יחסית הקרינה הנפלטת מחומר חם היא בתחום האינפרא-אדום ולא בתחום גלי האור הנראה. משום כך, בטמפרטורת חום רגילה (כמה עשרות/מאות מעלות חום) אין אנו רואים את הקרינה שגופים חמים פולטים, אלא אם אנו חובשים משקפיים תרמיות מיוחדות לראיית תחום גלי האינפרא-אדום. ברם, כאשר מחממים את הגוף לטמפרטורה גבוהה הרבה יותר (אלף מעלות חום ומעלה) תדר הקרינה הנפלטת מוסט לכיוון האור האדום-כתום בתחום גלי האור הנראה לעין. כך, למשל, נגלית לפנינו הקרינה של תיל חימום לוהט בתנור ספירלה הפולט אור כתום. כאשר הטמפרטורה היא בערכי חום קיצוניים עוד יותר (אלפי מעלות חום) הקרינה הנפלטת מוסטת לכיוון האור הכחול והלבן. כך, למשל, נגלית לפנינו הקרינה הנפלטת בעבודת ריתוך מתכות.

האנרגיה הנפלטת מגוף שחור כתלות באורך הגל


כל גוף בולע קרינה באותה היעילות בה הוא גם פולט קרינה. לולא היה הדבר נכון, אז הרי שחומר יכול היה לבלוע קרינת חום מהסביבה ביעילות גבוהה ולפלוט אותה חזרה ביעילות נמוכה וכך לקרר את הסביבה באופן ספונטאני וללא כל השקעה של אנרגיה. כמובן שאין חומר שכזה בטבע וכל חומר קולט קרינה ופולט קרינה חזרה באותה היעילות.

מכאן שגוף שחור הקולט ובולע קרינה בצורה יעילה ביותר יהיה גם גוף אשר פולט קרינה בצורה יעילה ביותר.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - קרינה וחומר | קרינה וחומר - המודל הדואלי של האור : קרינת X | קרינת גוף שחור | חידת הקטסטרופה של האולטרא-סגול | קבוע פלאנק וקוונטת אנרגיה | חידת האפקט הפוטואלקטרי | פתרון האפקט הפוטואלקטרי | אפקט קומפטון | המודל הדואלי של קרינה אלקטרומגנטית | סיכום ]