Download
1 / 24
300 likes | 729 Views
אינטראקציה בין קרינה וחומר. מבוא לספקטרוסקופיה. מדוע ללמוד על אינטראקציה בין קרינה וחומר?. איך הנושא קשור לקורס בחומר רך? בניסוי עם הקולואידים מזהב השתמשנו בשיטות מחקר המבוססות על אינטראקציה בין קרינה וחומר:
E N D
אינטראקציה בין קרינה וחומר מבוא לספקטרוסקופיה
מדוע ללמוד על אינטראקציה בין קרינה וחומר? איך הנושא קשור לקורס בחומר רך? בניסוי עם הקולואידים מזהב השתמשנו בשיטות מחקר המבוססות על אינטראקציה בין קרינה וחומר: • פיזור – בדקנו מידת פיזור אור מקרן לייזר כמדד לגודל החלקיקים בתמיסה (קולואידים של זהב או זהב מולקולרי) • בליעה – ראינו שהבליעה של האור משתנה כתלות באורך גל ובאופן כללי איך משתמשים בזה? חוקרים את מבנה החומר ותכונותיו באמצעים דומים - אינטראקציה של קרינה וחומר
כיצד מתרחשת אינטראקציה בין קרינה וחומר? תיאור התנועה והאנרגיה של אלקטרונים (באטום ובננוחלקיקים) מפגש בין אלקטרון ופוטון אופן הפעולה של מכשירי מדידה מהו אור? אור וראיה אור: גל או חלקיק? אור כגל: קרינה אלקטרומגנטית גלים ותכונותיהם אור כחלקיק: אפקט פוטואלקטרי אינטראקציה בין קרינה (אור) וחומר תוכנית השיעורים הקרובים
1. אור וראיה • האם רואים אור? – הדגמה • האם ניתן לראות אלומת אור שלא מכוונת אל תוך העין שלנו? • לא! ניתן לראות את האלומה רק כשהיא מוחזרת מעצמים שנמצאים בדרכה • מה צריך להתקיים כדי שאדם יראה עצם? • העצם צריך להפיץ אור • האור צריך לחדור לעין • האור המגיע לרשתית מתורגם ע"י העצבים לפולסים חשמליים, אשר נקלטים ומפוענחים ע"י מרכז הראיה במוח.
איזה סוגים של עצמים ניתן לראות? כדי שנראה עצם מסוים עליו להפיץ קרני אור שיגיעו אלינו לעין. למה אנו מתכוונים כשאנו אומרים "מפיץ אור"? • עצם שהוא מקור אור. למשל: השמש. • עצם שהוא מחזיר אור. למשל: הירח. איך זה קשור לניסוי עם הקולואידים?
פיזור של אור מחומר • כאשר אור פוגע בקולואיד הזהב יכולות להתרחש שתי תופעות: 1. פיזור (scattering) -שינוי הכיוון של האור 2. בליעה (absorption) - אור נבלע בחלקיק • פיזור של אור על ידי קולואידים: כאשר אור הלייזר פוגע בקולואידים חלקו נבלע ועל כך נדבר בהמשך. שאר האור משנה את כיוונו, וחלקו מגיע אל העין שלנו. הלייזר הוא מקור אור והקולואידים הם עצמים מחזירי אור.
מה אנחנו יודעים על האור? • ישנם מכשירים שמקור האנרגיה שלהם הוא אור (כמו מחשבון סולארי) מכאן שהאור נושא אנרגיה • כאשר שוקלים פנס שמפיץ אור לא רואים שינוי במסה. מכאן שהאור חסר מסה. • אם בין העין שלנו ובין גוף מפיץ אור יש מחסום לא נוכל לראות אותו. מכאן שהאור נע בקו ישר. • אור מגיע ממקור האור לגלאי כמעט בן רגע. מכאן שהאור נע במהירות גבוהה מאד (מהירות האור c=300,000km/sec).
2. מה הן אבני הבניין שמהם עשוי האור? אור נע במרחב, נושא אנרגיה, אך הוא חסר מסה. איזו ישות פיסיקלית אחרת (לא חלקיק) נושאת אנרגיה ונעה במרחב? פולס (הפרעה מקומית) נעה במרחב ונושאת אנרגיה אך היא אינה חלקיק, לדוגמה: התקדמות של פולס בקפיץ
התאבכות הורסת התאבכות בונה תכונות הפולס מה מאפיין פולסים? • הפולס מתקדם במהירות קבועה • פולס מוחזר מקצה התווך בו הוא נע • שני פולסים שנפגשים יוצרים התאבכות. • מהי "התאבכות"? • תופעה שבה שני פולסים שנפגשים יוצרים באזור המפגש תבנית חדשה (שונה מתבנית כל אחד מהפולסים לו היו נעים בנפרד)
הפולס הופך לגל. • פולסים שנוצרים באופן רציף אחד אחרי השני יוצרים גל מחזורי. • כאשר היד מניעה את החבל למעלה ולמטה באופן מחזורי, היא יוצרת גל מחזורי.
איך מבדילים בין גלים שונים? • גלים מתאפיינים בשתי תכונות עיקריות: 1. עוצמת הגל – המשרעת 2. קצב התנודה – אורך הגל (מסומן באות λ) אורך גל משרעת
הקשר בין אורך הגל קצב התנודה • מדד נוסף לקצב התנודה הוא מספר הפעמים בשניה בהן נוצר הגל אותו נגדיר כתדירות הגל. • תדירות ν – מספר התנודות של אורך גל שלם שמתרחשות בשניה. התדירות נמדדת ב-Hertz • מהירות התקדמות הגל המסומנת באות v מקשרת בין אורך הגל לתדירות. v= ν •λ אורך גל תדירות מהירות הגל בתווך • מהירות ההתקדמות תלויה בסוג התווך בו עובר הגל
חזית גל אזור של התאבכות בין שני גלים התאבכות של גלים • הדגמה: תבנית התאבכות של גלי מים משני מקורות • כאשר גלים בעלי תדירות שווה ואורך גל זהה נפגשים נוצרת באזור המפגש התאבכות בדומה להתאבכות של פולסים. • גלים דו מימדיים - כאשר גלים מתפשטים במרחב, ולא לאורך קו ישר. יוצרים כל הגלים החד מימדיים חזית גל מעגלית המתפשטת במרחב. • התאבכות של גלים דו מימדים מתרחשת כאשר שתי חזיתות גל נפגשות
פסים של מים "שקטים" x s1 s2 התאבכות משני מקורות שווי מופע • מקורות שווי מופע - מקורות שיוצרים את הגל בתאום, כך ששיא הגל ושפל הגל נוצרים בו זמנית בשני המקורות. • גלים דו-מימדיים שנוצרים על ידי שני מקורות שווי מופע יוצרים קוי שקט (התאבכות הורסת) וקוי שיא (התאבכות בונה). • מה גורם להתאבכות הורסת בנקודה x? • כאשר שיא של גל ממקור S1 מתחבר לשפל של גל ממקור S2 באותה הנקודה. מה התנאי לכך שזה יקרה? • הפרש המרחק מהמקורות לנקודה יהיה מספר שלם של אורכי גל ועוד חצי אורך גל. וכך, למרות שהגלים נוצרו באותו מופע הם יגיעו בהפרש של חצי אורך גל ואחד מהם יהיה בשפל כאשר השני יהיה בשיא.
s2 s1 האם התאבכות היא תופעה ייחודית לגלים? אם לאור היה מבנה חלקיקי האם הייתה נוצרת התאבכות הורסת? • לא! כי אם שני חלקיקים מגיעים לאותה נקודה, אז סכום החלקיקים בנקודה יהיה 2 ולא 0 והנקודה לא תהיה ריקה כלומר, שקטה. • התאבכות הורסת היא תופעה ייחודית לגלים ולא קיימת בחלקיקים! X בחלקיקים אין התאבכות הורסת
עקרון הוייגנס ועקיפה של גלים • תופעה ייחודית נוספת לגלים היא שכל נקודה בחזית הגל היא מקור נקודתי של חדש המכונה "גל משני". איך יודעים זאת? • תופעת העקיפה – גלים שעוברים בפתח צר מתפשטים מתוך הפתח כאילו מקור האור הוא נקודה בפתח.
נקודת מקסימום (שיא) של גל מהסדק העליון פוגשת נקודת מינימום (שפל) של גל מסדק תחתון התאבכות של גלי אור • גם אור יוצר תבנית התאבכות אם שני מקורות האור מספיק קרובים אחד לשני • לשם יצירת תבנית ההתאבכות מעבירים קרן של אור לייזר דרך שני סדקים קטנים וקרובים. • על המסך מתקבלים אזורי חושך (התאבכות הורסת) ואזורים מוארים (התאבכות בונה) את הגל לא ניתן לראות במהלך תנועתו אל המסך מפני שלא ניתן "לראות אור" רק את ההחזר מהמסך נוכל לראות.
מהו התווך שתנודותיו הן גלי אור? בגלי מים, או בקפיץ הגל נע בתווך חומרי: בגלי אור התנודות אינן של תווך חומרי אלא תנודות של עוצמות שדה חשמלי ומגנטי הנקראות גל אלקטרומגנטי. כיצד נוצר שדה מגנטי ? המקור של גלים אלקטרומגנטיים הוא מטען חשמלי מואץ: באנימציה הבאה נראה כיצד נוצרים גלים אלקטרומגנטיים מסוג גלי רדיו http://stwww.weizmann.ac.il/ptc/applets/radio-waves.jar
קרינה אלקטרומגנטית • גלי אור הם גלים אלקטרומגנטיים: תנודות של שדות חשמליים ומגנטיים היוצרים זה את זה, ומתפשטים במרחב כמו גל במים שמתפשט לצדדים בעיגולים מתרחבים. • האנרגיה שנושא הגל פרופורציונית לתדירות הגל. ככל שתדירות הגלים האלקטרומגנטיים גבוהה יותר כך האנרגיה שלהם גבוהה יותר. • סוגים של גלים אלקטרומגנטיים: גלי רדיו, מיקרוגל, קרינה אולטרה סגולה וקרינת X.
קרינה אלקטרומגנטית באורכי גל שונים. בתמונה מופיעים סוגים שונים של אורכי גל, והדרך בה אנו נתקלים בהם: גלים קצרים גלים ארוכים 11
מה אנחנו יודעים עד כה? אור נושא אנרגיה אור מתנהג כגל מהו גל? אור מקיים תופעות של התאבכות אור נוצר כתוצאה ממטען חשמלי מואץ היוצר שדה אלקטרומגנטי • איך אנחנו יודעים? • תהליכים בהם אור פוגע מומר לאנרגיה חשמלית (תא פוטו וולטאי), כימית (סרט צילום), • תהליכים בהם אנרגיה חשמלית מומרת לאור (מנורת להט) מהו התווך שתנודותיו הן גלי אור? איזו אנרגיה? סדרה של פולסים שנוצרים זה אחר זה באופן מחזורי גלי אור אינם תנועה של חומר אלא תנועה של שדות אלקטרומגנטיים
תופעות אותן לא ניתן להסביר באמצעות המודל הגלי של האור • אם היה ניתן להסביר את כל התופעות הקשורות באור באמצעות המודל הגלי, היינו חושבים שאור הוא גל אלקטרומגנטי בעל תדירות מסוימת וזהו. • אבל... קיימות תופעות שלא ניתן להסביר באמצעות המודל הגלי של האור, לדוגמה: אפקט פוטואלקטרי - (פרס נובל לאיינשטיין) תופעה שבה אלקטרונים נעקרים מפניה של מתכת על יד קרינה אלקטרומגנטית שפוגעת במתכת. פעילות: http://www.kcvs.ca/site/projects/physics.html
האפקט הפוטואלקטרי • מה ראינו בהדמיה? • כאשר פוגע במתכת אור בתדירות נמוכה הוא לא עוקר חלקיקים מהמתכת גם אם עוצמתו גבוהה. • על פי המודל הגלי הגדלת העוצמה של האור שקולה להגדלת האנרגיה שלו, ולמרות זאת הגברת העוצמה בקרינה עם אורך גל ארוך לא משחררת אלקטרונים! • ההסבר של איינשטיין - האור נע במנות אנרגיה בדידות, שהם מעין חלקיקי אנרגיה להם הוא קרא "פוטונים". • רק פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה מאנרגית סף כלשהי מצליחים לעקור אלקטרונים מהמתכת, פוטונים עם אנרגיה נמוכה יותר לא יעקרו אלקטרונים גם אם יבואו בהמוניהם!
המודל הדואלי של האור נסכם: האם האור הוא תופעה גלית או זרם של חלקיקים? התשובה היא: שניהם! • כיום מקובל לחשוב על האור בפרט ועל קרינה בכלל במסגרת מודל דואלי המאחד בתוכו את שתי התיאוריות בדבר אופיו של האור: • בסוג מסוים של תופעות בא לידי ביטוי האופי הגלי של האור ובסוג אחר מתגלה האופי החלקיקי. • בניסויים העוסקים בהתפשטות אור במרחב (למשל התאבכות) • מתגלות תכונות גליות של האור • בניסויים העוסקים באינטראקציה בין אור וחומר (אפקט פוטואלקטרי ) • מתגלות תכונות חלקיקיות של האור
