ישנם לא מעט אנשים שאם ישאלו אותם איך אסטרונומים חוקרים כיום את החלל והיקום, הם יציירו בדמיונם אנשים חמורי סבר וטרוטי עיניים רוכנים לעבר טלסקופים ומסתכלים בשמי הלילה דרך עיניות, משהו שמזכיר אולי את התמונה הבאה:
אנימציה המבוססת על תמונה של ברנרד דה-פונטנל, נשיא האקדמיה הצרפתית למדעים צופה בירח במאה ה- 18
אבל האמת היא שהמחקר האסטרונומי לא מתנהל כך כבר קרוב למאה וחמישים שנה. תחת זאת, החוקרים לומדים היום על היקום בעזרת ניתוח של תמונות כוכבים (או אובייקטים אחרים כמו למשל ערפיליות, גלקסיות או חורים שחורים) כאשר הם מצולמים בתדרים (או אורכי גל) שונים.
ידוע שהאור הלבן (כמו זה של השמש) מורכב מכל הצבעים. תזכורת והוכחה לכך מקבלים לרוב בחורף, כאשר אור קרני השמש נשבר לעיתים בטיפות המים ויוצר קשת של צבעים. זוהי באופן קונספטואלי מהות הספקטרוסקופיה אשר מקורה במילה ספקטרום. מקור המילה ספקטרום מלטינית ופירושו תמונה או הופעה (ברבים – ספקטרה ובעברית תקנית מִקְשֶׁתֶת). במקור השימוש במילה ספקטרום נועד כדי לתאר את צבעי הקשת בתחום האור הנראה, אך כיום המונח (בהקשר הפיסיקלי שלו) מתאר את תחום הגלים האלקטרומגנטיים בכל התדרים, גם כאלו שאינם נראים (למשל תחום גלי המיקרו, הרנטגן או הרדיו). ספקטרוסקופיה היא אם כן תחום מחקר למדידת רמות האנרגיה של הספקטרום.
אני יודע שלחלק מהקוראים המושג מעט מעורפל ומופשט. בשורות הבאות ננסה להסביר בשפה קלה ונגישה.
קשת בשומרון בסתיו תשפ”ה. הקשת נוצרת כאשר אור השמש נשבר בטיפות המים (צילום: נתנאל הרשקוביץ)
הדרך הפשוטה ביותר לשבור את האור לרכיבי הצבע הבסיסיים שלו היא להעביר אותו דרך מנסרה העשויה למשל מזכוכית. כאשר האור עובר דרך המנסרה מתָּוֶךְ אחד (האוויר) לתווך שני (הזכוכית) ובחזרה (מהזכוכית החוצה לאוויר), כל רכיב צבע נשבר בזווית מעט שונה. תופעה זו מכונה נפיצה של האור (Light Dispersion), והזווית שהאור יישבר בה תלויה באורך הגל שלו. את מושג אורך הגל נסביר בהמשך.
נפיצה של האור דרך מנסרה (קרדיט: בריטניקה)
דרך אחרת לשבירת האור נקראת סריג עקיפה (Diffraction Grating). זהו רכיב אופטי, המורכב ממאות ואלפי קווים דקים מאוד בצפיפות גבוהה (למשל אלף למילימטר אחד), ובשל צפיפות הקווים הסריג מפצל את האור שפוגע בו לכיוונים שונים בתבנית מחזורית. תקליטור הוא דוגמה לסריג עקיפה, מאחר שהחריצים הצפופים (בצדו האחורי) גורמים לאור (בצירוף תופעה נוספת) להישבר לרכיבי צבע שונים.
עקיפה של האור על גבי תקליטור (קרדיט: sciencephotogallery.com)
מי גילה שניתן להשתמש במנסרה לשבירת האור לצבעים השונים? מי המציא את סריג העקיפה ואת הספקטרוסקופ הראשון? אלו תגליות התגלו כאשר כיוונו אותו לשמש? ואיך בעזרת הספקטרוסקופיה אפשר ללמוד המון על על כוכבים, פלנטות, כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש ועוד עצמים רבים אחרים, מבלי לבקר בהם כלל, ובעצם כמעט מבלי לקום מהכיסא? הפוסט הזה (וזה שאחריו) הם הרפתקה היסטורית ומדעית בצבע, עם ניסויים והדגמות שערכתי במיוחד במסגרת כתיבת הפוסט.
מהרומאים ועד המהפכה האמריקאית
כבר בימי הרומאים היה ידוע שאפשר ליצור קשת של צבעים באמצעות שימוש במנסרה (פריזמה), אולם מקובל שסר אייזיק ניוטון היה הראשון לייסד את מדע הספקטרוסקופיה. למרות שקדמו לו מדענים שערכו ניסויים עם ספקטרום אור השמש, ניוטון היה הראשון שנתן הסבר מקיף לתופעת נפיצת האור בספרו אופטיקה לאחר שערך ניסויים בשנים 1666-1672. ניוטון קבע שהפריזמה אינה מחוללת את הצבעים אלא מפרידה את האור הלבן לרכיבי הצבע השונים. מניסויים במנסרות שנערכו אחרי זמנו של ניוטון, החלו המדענים להבין שהספקטרום קשור איכשהו ליסודות כימיים. אחד מראשוני המדענים שבחנו את ספקטרום האור הנוצר כאשר מוסיפים מלחים של יסודות שונים ללהבת אלכוהול, היה הפילוסוף והאסטרונום הסקוטי טומס מלוויל (Melvill). מלוויל שהשתמש במנסרה לחקור להבה הנוצרת ממלחים שונים דיווח, שבכל הניסויים הופיע תמיד קו בצבע צהוב באותו המקום בספקטרום. אנו יודעים כיום כי הקו הצהוב נוצר כתוצאה מפליטת אור של יסוד הנתרן (סודיום) שהיה מצוי במלחים בהם השתמש מלוויל בניסויים שערך. את ההסבר המלא לתופעה יספקו מאה שנים מאוחר יותר צמד מדענים גרמניים. בהמשך נגיע אליהם וגם אל ניסוי המלחים.
הראשון שבנה סריג עקיפה היה הממציא, האסטרונום והמתמטיקאי האמריקאי דיויד ריטנהאוס (Rittenhouse) ב- 1785. ריטנהאוס לא רכש השכלה מסודרת בצעירותו, אך הוא היה אוטודידקט ובתחילת שנות העשרים לחייו כבר שלט באסטרונומיה, מתמטיקה ומדעים. הוא אף התמחה בייצור שעונים ובעקבות הידע שרכש בנה מודל מכאני של מערכת השמש. ריטנהאוס חזה וצפה במעבר נוגה על פני השמש (טרנזיט) שהתרחש ב- 1769. זהו אירוע נדיר יחסית המתרחש פעמיים (בהפרש של שמונה שנים) ולאחריהן בהפרש של למעלה ממאה שנים (זוג המעברים האחרון התרחש בשנים 2004 ו- 2012, והבאים צפויים רק ב- 2117 ו- 2125). ריטנהאוס השתמש בנתוני הטרנזיט כדי לחשב את מרחק נוגה מכדור הארץ בדיוק גבוה, והפך לאסטרונום בעל שם בפילדלפיה ובארצות הברית הצעירה. ריטנהאוס עמד בהמשך בראשות החברה האמריקאית לפילוסופיה (The American Philosophical Society), הפך לאוצֵר של פנסילבניה, ובזכות היכרותו עם ג’ורג’ וושינגטון הוא מונה בשנת 1792 למנהל הראשון של המִטבעה של ארה”ב.
ציור דיוקן של דיוויד ריטנהאוס, ממציא סריג העקיפה (קרדיט: Wikimaedia)
בערב אחד של קיץ בשנת 1784, פרנסיס הופקינסון (Hopkinson), חברו של ריטנהאוס ובעצמו סופר ואיש ציבור מוכר בפילדלפיה, ישב על ספסל על יד ביתו ובהה בפנס הרחוב הסמוך. הוא הוציא מכיסו מטפחת משי, מתח אותה בידיו, הרים אותה וצפה מבעד אליה לעבר הפנס. אור הפנס זרח מבעד לחוטי הסריג. הופיקנסון החל להזיז את המטפחת ימינה ושמאלה והבחין בקווים כהים שנשארו קבועים (באופן יחסי למטפחת) למרות תזוזתה ימינה ושמאלה. הופקינסון השתומם למראה האשליה האופטית – קווים שאינם זזים – ופנה לבקש הסבר מחברו האסטרונום ריטנהאוס. הופקינסון טען בפניו שהתופעה היא מעבר להבנתו באופטיקה ושדרוש “הסבר פילוסופי”. ריטנהאוס הבין שהופקינסון “עלה” על משהו, ובמכתב תשובה הסביר כי הקווים הכהים אינם חוטי המטפחת אלא הטיה כלשהי של האור. על מנת לשחזר את התופעה ולערוך ניסוי, ריטנהאוס בנה סריג עקיפה משערות אותן מתח בצפיפות ובאופן מקבילי בין שני ברגים. את הסריג המאולתר הוא הציב מול חריץ אור שיצר מחלון בחדר, הביט בו דרך טלסקופ והצליח לראות תבנית התאבכות. זהו הזמן להדגים ולהסביר איך עובד סריג עקיפה, אך לפני כן דרוש מבוא קצר לתורת הגלים כיוון שגל הוא לא מושג אינטואיטיבי לכולם, בוודאי כשעוסקים בגלים אלקטרומגנטיים. מי שמכיר את הנושא יוכל לדלג הלאה.
גלים על רגל אחת
גל הוא הפרעה מחזורית שמתפשטת במרחב ונושאת אנרגיה. החומר לא נע בכיוון התפשטות הגל אלא מתנודד מעלה ומטה. למשל בגל הרמות ידיים שהקהל עושה באצטדיון, ידי הקהל המורמות לא זזות קדימה אלא רק עולות מעלה ומטה. ההפרעה (הרמות היד של הקהל בזה אחר זה) היא זו שנעה במרחב לאורך היקפו של האצטדיון. אפשר לומר שהתווך במקרה זה הוא הקהל. ישנם גלים מכניים כמו גלים בבריכה. במקרה זה, ההפרעה היא בתווך – במים (נוזל). סוג נוסף של גלים מכניים הם גלי קול. במקרה זה ההפרעה היא במולקולות האוויר (גז) המתורגמת באוזנינו לקולות שונים. גלים מכניים חייבים תווך לנוע בו ולכן כאשר יש רִיק (ואקום) הקול לא ינוע. בשונה מהגלים המכניים, גלים אלקטרומגנטיים (כמו האור) יכולים לנוע ללא תווך – הם נעים גם בריק, וההפרעה היא בשדות החשמליים והמגנטיים שלהם במרחב.
אנימציה של גל. כל נקודה בתווך נעה מעלה ומטה, בעוד הגל (ההפרעה) מתקדמת בכיוון האופקי (קרדיט: BetterExplained.com)
אורך הגל (נהוג לסמן באות היונית למבדה, λ) הוא המרחק בין שני רכסים עוקבים (או שני שקעים עוקבים). בתרשים הבא אותו יצרתי ב- ChatGPT ניתן לראות את אורך הגל מסומן בקו המחבר שתי נקודות שיא עוקבות.
גל סינוסוידלי בעל אורך גל λ וזמן מחזור שנייה אחת
זמן המחזור (T) של גל הוא הזמן שלוקח לגל להשלים מחזור אחד מלא. כלומר, זהו פרק הזמן שעובר בין שתי נקודות חוזרות על עצמן בגל, למשל בין שני שיאים רצופים (רכסים) או שתי נקודות שפל רצופות (שקעים). בתרשים מעלה, השיא הראשון מתרחש בזמן t=0.25 שניות, והשיא השני בזמן t=1.25. לכן זמן המחזור הוא:
$$T\;=\;\triangle t\;=\;t_2-t_1=1.25-0.25\;=\;1\;sec $$
בואו נבחן את התרשים הבא:
בכחול מסומן גל בעל זמן מחזור של שנייה אחת ואורך גל של 1 מטר (התרשים כמובן בקנה מידה). לעומתו, בירוק מופיע גל בעל אורך קטן בחצי מהגל הכחול. זמן המחזור שלו קצר יותר, והוא משלים מחזור תוך חצי שנייה. לכן בזמן שהגל הכחול משלים מחזור אחד, הגל הירוק משלים שני מחזורים. אפשר לומר שהתדר של הגל הירוק כפול מהתדר של הגל הכחול. הגדרת התדר היא כמות המחזורים בשנייה והוא נמדד ביחידות הרץ (Herz או בקיצור Hz). היחס בין זמן המחזור לתדר הוא:
$$ \frac1f=T $$
מכאן שהתדר של הגל הכחול הוא 1 הרץ (אחד חלקי 1 שנייה, זמן המחזור של הגל הכחול). התדר של הגל הירוק הוא 2 הרץ (1 חלקי 0.5 שנייה, זמן המחזור של הגל הירוק).
פאזה של גל היא המצב היחסי של הגל בנקודת זמן או מקום מסוימת במחזוריות שלו. הפאזה קובעת באיזה שלב של המחזור נמצא הגל. נביט בתרשים הבא:
שני גלים בהפרש פאזה של רבע מחזור
הגל הכתום והגל הכחול הם שני גלים זהים בזמן המחזור שלהם (שנייה אחת) ובמשרעת שלהם, כלומר תחום הערכים של ציר ה- y שלהם זהה ונע בין 1 ל- (1-). ההבדל ביניהם הוא בפאזה: הגל הכתום נמצא בשיא בזמן t=0 שניות. לעומתו הגל הכחול “מפגר” אחרי הגל הכתום, ומגיע לשיא רק ב- t=0.25 שניות, בזמן שהגל הכתום כבר משלים רבע מחזור. אפשר לומר שכביכול הגל הכתום “יצא לדרך” לפני הגל הכחול והוא תמיד משיג אותו. לכן אומרים שהגלים בהפרש פאזה של רבע מחזור (נהוג למדוד מחזור פאזה ב- 360°, ולכן הגלים בהפרש פאזה של 90°). הגל הסגול המקווקו הוא חיבור של עוצמות שני הגלים. אפשר להבחין שלעיתים הוא חזק יותר בעוצמתו מעוצמות הגלים המקוריים. מה קורה כאשר שני הגלים בהפרש פאזה של חצי מחזור (180°)? נביט בתרשים הבא:
שני גלים בהפרש פאזה של חצי מחזור. החיבור שלהם הוא התאבכות הורסת
ניתן לראות שכאשר הגלים בהפרש פאזה של חצי מחזור, הם נמצאים באנטי-פאזה והסכום שלהם (הקו הסגול המקווקו) הוא אפס, כלומר הם מבטלים אחד את השני. תופעה זו נקראת התאבכות הורסת.
אם נחזור לסוגי הגלים – גלי האור הם גלים אלקטרומגנטיים. הם נעים במהירות האור שערכה בריק הוא מספר קבוע, 300,000 קילומטר בשנייה בקירוב, או 300,000,000 מטר בשנייה. נהוג לסמן את מהירות האור ב- c:
$$ c\;=\;3\times10^8\;\frac ms $$
אורכי הגל של האור הנראה קצרים מאוד באופן יחסי לסדרי הגודל של גדלים שאנו רגילים אליהם בחיי היום יום. לאור האדום אורך גל של כ- 700 ננו-מטר (700 מיליארדיות המטר). אורך הגל של אור בצבע הכחול הוא כ- 400 ננו-מטר. לשם השוואה, עובי שערת אדם היא כ- 120 מיקרו-מטר, גדול פי 5,000 מאורך הגל של האור האדום. שאר אורכי הגל של הספקטרום האלקטרומגנטי אינו נראה לנו, בני האדם. העיניים שלנו רגישות רק לתחום אורכי גל אלו – תחום צר וקטן יחסית לספקטרום כולו, והוא מתאים לתחום אורכי הגל שנפלט בעוצמה החזקה ביותר על ידי… השמש.
תחום האור הנראה יחסית לספקטרום האלטקרומגנטי (תרשים: נתנאל הרשקוביץ)
בעקבות הניסוי של ריטנהאוס
אחרי שהבנו (ממש על קצה המזלג) כמה מושגי יסוד הכרחיים בתורת הגלים, אפשר להמשיך לניסוי הביתי שערכתי ושמתכתב עם הניסוי של ריטנהאוס. הצבתי לוחית עם סדק צר מול נורת פלואורסנט. ניתן להכין סדק כזה באמצעות הרחקה של שני לוחות או לרכוש משהו יותר מסודר בעליאקספרס, למשל בקישור הזה. מאחורי הסדק הצבתי סריג עקיפה (ניתן לרכוש בעליאקספרס או באמזון) והצמדתי את מצלמת הטלפון הנייד לסריג, המורכב מ- 300 קווים למילימטר.
הנה תחילה תרשים של סטאפ הניסוי והתוצאה שהתקבלה:
תרשים תיאור עקרוני של סטאפ הניסוי
בסרטון הקצר ניתן לראות כיצד נראה הניסוי בפועל על שולחן המחשב שלי:
סטאפ הניסוי להדגמת מעבר אור דרך סריג עקיפה (צילום: נתנאל הרשקוביץ)
והדמות שהתקבלה דרך הסריג:
הדמות שהתקבלה במצלמה דרך סריג העקיפה (צילום: נתנאל הרשקוביץ)
ניתן לראות במרכז התמונה, וגם בתיאור העקרוני בתרשים מעלה (בחלק שעל מסך הטלפון הנייד) את דמות הסדק במרכז. כיוון שהאור מהסדק עצמו נפגש עם מרכז הסריג בזווית ישרה (0° הטייה יחסית למרכז), לא מתרחשת שבירה של האור. בנוסף עוצמת האור חזקה. לנקודה זו קוראים מקסימום ראשי או מקסימום מסדר 0. מימין ומשמאל לדמות המרכזית, ניתן לראות את נקודות המקסימום המשניות מסדר ראשון ושני. כל סדר מופיע באופן סימטרי מימין ומשמאל לסדר הראשי. נקודות המקסימום מסדר ראשון מראות שבירה של האור וגם ירידה בעוצמתו. נקודות המקסימום מסדר שני מראות נפיצה (מריחה) גדולה יותר ועוצמה נמוכה יותר. זאת כיוון שהאור מגיע מזווית גדולה יותר (יחסית למרכז). ניתן לבצע ניתוח מתמטי להוכיח זאת, אך אנו נסתפק בשורה התחתונה ונציג את משוואת סריג העקיפה:
$$ d\;\sin\;\theta=m\lambda $$
כאשר:
d הוא המרחק בין קווי הסריג
θ היא זווית העקיפה
m הוא סדר העקיפה
λ הוא אורך הגל
ניתן להבחין שככל שהסדר m עולה, כך sin θ גדל, ולכן הזווית θ עצמה גדולה יותר. מכאן שסדר גבוה יותר מופיע בהסטה זוויתית גדולה יותר, ולכן המריחה תהיה גדולה יותר. בנוסף, ניתן להסיק כי sin θ וכתוצאה מכך θ גדלים כאשר אורך הגל גדל. מכאן שאור אדום יופיע רחוק יותר מהמרכז (בזווית θ גדולה יותר) כיוון שאורך הגל שלו גדול יותר (כ- 700 ננו-מטר לאור האדום יחסית לכ- 400 ננו-מטר לאור הכחול). מכאן ניתן להסביר גם את הירידה בעוצמת האור המתרחשת עם עליית הסדר. זאת כיוון שאותה עוצמה “נמרחת” על יותר שטח ולכן העוצמה ליחידת שטח קטנה יותר.
כדאי לכם לזכור את משוואת סריג העקיפה כיוון שנחזור אליה בהמשך בניסוי נוסף (שהיה ממש כיף לעשות).
ריטנהאוס והופקינסון עלו על תופעה שלא ידעו לגמרי איך להסביר, כיוון שלא היה לפיזיקאים עדיין ידע מספק על מבנה החומר. כמה עשרות שנים מאוחר יותר, יצרן זכוכית גרמני ישכלל וישפר את סריג העקיפה, ויעלה על תגלית חשובה ביותר שתסלול את הדרך להתפתחות מדע הספקטרוסקופיה.
הילד שניצל הודות לנסיך
סיפורו של יוזף פראונהופר (Fraunhofer) כאילו נלקח מתסריט של טלנובלה. הוא נולד ב- 1787, הצעיר מבין אחד עשר בניו של יצרן זכוכית עני שהתגורר בעיירה סטראובינג בבוואריה. שבעה מאחיו מתו במהלך ילדותו מעוני ומחלות, וכשהיה בן עשר התייתם מאמו. שנה לאחר מכן מת גם אביו, ככל הנראה בשל הרעלה מהחומרים בהם השתמש לייצור הזכוכית. פראונהופר הצעיר נאלץ להפוך לשוליה של יצרן עדשות ממינכן בשם פיליפ ויסלברגר (Weichselberger) שהפך לאדונו. ויסלברגר היה איש קשה מאוד, ויוזף הצעיר סבל מתנאי מחיה ועבודה קשים, ובגיל ארבע עשרה עוד לא ידע קרוא וכתוב. נקודת המפנה בחייו התרחשה ביום בהיר אחד ביולי 1801, בהיותו בן ארבע עשרה, כאשר מבנה בית המלאכה בו עבד קרס ופראונהופר ואשתו של ויסלברגר נקברו תחת ההריסות. קבוצת מתנדבים הגיעה במהרה לנסות לחלצו, ועל עבודות החילוץ הגיע לפקח מקרוב נסיך בוואריה עצמו, מקסימיליאן יוזף (Joseph). לאחר מספר שעות פראונהופר נמצא וחולץ, וסיפור הצלתו הפך לשיחת היום במינכן. נסיך בוואריה האמין שיד ההשגחה הייתה האחראית לנס, והחליט לדאוג אישית לפראונהופר. הוא ביקש מיועצו האישי יוזף אוצשניידר (Utzschneider) לטפל בכך, והעניק לפראונהופר סכום כסף אותו השקיע ברכישת מלטשת אופטית.
רישום אומן שהתפרסם בעיתון זידדויטשה צייטונג ב- 1801 המתאר את הצלתו של פראונהופר על ידי נסיך בוואריה (קרדיט: אתר אוניברסיטת בוסטון)
פראונהופר נשאר שולייה של ויסלברג אחרי שניסיון שלו להקמת עסק להדפסת כרטיסי ביקור נכשל. ב- 1804 אוצשניידר מחליט לפרוש מעסקי הפוליטיקה ומייסד יחד עם שני שותפים נוספים את המכון למכניקה מתמטית מדוייקת (Mathematical-Fine Mechanical Institute), שיהפוך בהמשך לאחד מיצרני האופטיקה המובילים באירופה כולה. ב- 1806 אוצשניידר מחליט להעסיק את פראונהופר כעוזר במכון בתפקיד מלטש עדשות. הביקוש ההולך וגובר למכשור אופטי למחקר, הביא את אוצשניידר ושותפיו להחלטה שנדרש להקים מפעל זכוכית כחלק מהמכון, זאת על מנת להפחית את התלות ביצרני זכוכית אחרים. הם שוכרים יצרן זכוכית שוויצרי בשם בשם פייר גונָנְד (Guinand) לנהל את המפעל, אבל תלונות של לקוחות על איכות ירודה של העדשות וזמני הייצור הארוכים, גרמו לפראונהופר להתערב בתהליכי הייצור. גוננד פירש זאת כחריגה מתפקידו של פראונהופר והדבר הביא ליחסי עבודה עכורים בין השניים. בשנת 1809 אוצשניידר ביצע שרגון בחברה ומינה את פראונהופר שהיה אז בן 22 בלבד לאחראי על כל שרשרת הייצור. תהליך התכת הזכוכית שהיה סוד מסחרי שמור של גוננד נשאר באחריותו של האחרון. בתוך שנתיים פראונהופר ילמד את תהליך ההתכה מגוננד ויהפוך להיות שותף בחברה. תוך זמן קצר גוננד פוטר, ופראונהופר הפך למנהל של כל תהליך הייצור. בשנת 1811 כבר היו תחתיו קרוב ל- 50 עובדים והוא הצליח לשפר את תהליכי הייצור של העדשות, שהביאו לשדרוג באיכות הציוד האופטי שייצר המכון. הצלחתו של פראונהופר נזקפת לניסויים ומחקרים רבים שביצע בשילוב סוגי עדשות.
בשנת 1817 פראונהופר פרסם עבודה עבור האקדמיה למדעים של בוואריה, על אינדקסי שבירה ונפיצה של עדשות שונות עבור ייצור טלסקופים א-כרומטיים. במסגרת המחקר, פראונהופר ביצע ניסויים של שבירת האור לצבעים דרך מנסרות, כדי לקבוע את זוויות השבירה של כל צבע עבור סוגים שונים של זכוכיות, ומצא שלקווי הצבע אין גבולות מוגדרים. פראונהופר הבחין שאור מעששית העובר דרך מנסרה מייצר קו בהיר בצבע צהוב-כתום. הוא החליט לבדוק האם גם אור השמש הנשבר דרך מנסרה יכיל את קו הצבע הזה. פראונהופר ביצע ניסוי, המזכיר מעט את הניסוי של ריטנהאוס, והקרין את אור השמש דרך סדק צר ומנסרה על גבי מסך. פראונהופר נדהם לגלות שבמקום קו בהיר של צבע, היה קו חלש וכהה. הוא החליט לבצע את הניסוי עם טלסקופ על מנת לקבל הפרדה יותר טובה, ונדהם לגלות עשרות קווי צבע חלשים.
הקווים הכהים (שיותר מאוחר יוסברו כקווי בליעה) באור השמש כפי שנרשמו על ידי פראונהופר עצמו (קרדיט: Deutsches Museum)
פראונהופר לא היה הראשון להבחין בקווים הכהים באור השמש. שתים-עשרה שנים קודם לכן בשנת 1802, מדען בריטי בשם ויליאם וולסטון (Wollaston) שביצע עבודה דומה לזו של פראונהופר, הבחין בארבעה קווים כהים באור השמש, אך ייחס זאת לפסים באור המחלקים אותו לחמש קבוצות צבע: אדום, צהוב, ירוק, כחול וסגול. לעומת וולסטון, פראונהופר הבין שלקווים הכהים אין קשר לצבע. הוא ציין כי קווי הצבע אינם מפרידים בין צבעי האור השונים אלא הם תכונה אינהרנטית לאור עצמו. פראונהופר ספר וקיטלג 540 קווים. למרות שמאז התגלו עוד אלפי קווים, נעשה שימוש בסימוני האותיות של פראונהופר עד היום. הוא המשיך לחקור את האור מכוכב הלכת נוגה, וגילה את אותם קווים גם באור המגיע מהפלנטה. כאשר כיוון פראונהופר את הטלסקופ לכוכב סיריוס הוא גילה קווים אחרים באיזורי צבע אחרים, שונים מהשמש. נראה שהקווים הכהים קשורים איכשהו לאור השמש או אור הכוכבים ושהם עשויים לגלות תכונות מסויימות עליהם.
ציור (עם תוספת צבע ב- AI) של פראונהופר מדגים צפיה בספקטרוסקופ. משמאל אוצשניידר ומימין רייכנבאך, שותפו הנוסף של אוצשניידר במכון המדעי (קרדיט: ויקיפדיה)
Approximavit Sidera
בשנת 1923 פרסם פראונהופר עבודה נוספת על ניסוייו עם סריג עקיפה. הוא הצליח לייצר סריגים בדיוק מדהים – הפרדה של 0.0033 מילימטר בין קווי הסריג, דבר שאיפשר לו למדוד אורכי גל בצורה מדויקת מאוד. בעזרת סריג העקיפה פראונהופר חזר וגילה את הקווים הכהים שגילה בניסוי המנסרה. בשנת 1822 הוענק לפראונהופר תואר דוקטור כבוד מאוניברסיטת ארלנגן ובהמשך אף קיבל תואר אבירות ממלך בבוואריה. ב- 7 ביוני 1826 כשהוא בן 39 בלבד, פראונהופר מת משחפת או מהרעלת כספית כתוצאה מעבודתו במכון המחקר. אוצשניידר הוסיף על המצבה של פראונהופר את הכיתוב בלטינית “Approximavit sidera” שפירושו: הוא הביא את הכוכבים קרוב יותר. אוצשניידר התכוון שפראונהופר קירב את הכוכבים באמצעות האופטיקה והטלסקופים המצויינים שייצר, אך מסתבר שעבודתו על הקווים הכהים המסתוריים של השמש והכוכבים קירבה אותם אף יותר, כיוון שגילוי זה היה צעד נוסף בפתרון אחת התעלומות הגדולות של האנושות – ממה עשויים הכוכבים?
ידרשו עוד מספר שנים כדי ששני מדענים, פיזיקאי וכימאי, יפצחו את השאלה, יפתרו את תעלומת הקווים הכהים של השמש ויסללו גם את הדרך לגילוי מכניקת הקוונטים.
משמאל לימין: פראונהופר, אוצשניידר וגוננד (קרדיט: Fraunhofer in Benediktbeuern Glassworks and Workshop)
ניסוי סריג העקיפה של פראונהופר בגרסה ביתית, מודל 2025
בהשראת פראונהופר, ערכתי ניסוי קטן וכיפי עם סריג עקיפה ולייזרים באורכי גל שונים. בניסוי בחנתי את עקיפת האור דרך הסריג עם לייזרים בשלושה צבעים: אדום, ירוק וסגול והצלחתי לחשב באמצעות מדידה את אורך הגל של כל לייזר. את כל הפרטים והתוצאות המפתיעות תוכלו לראות בסרטון שהכנתי:
הכימאי והפיזיקאי
גוסטב קירכהוף (Kirchhoff) נולד בעיר קניגסברג שבפרוסיה בשנת 1824. כבן למשפחה שהייתה חלק מהאליטה האינטלקטואלית של העיר הוא קיבל חינוך בהתאם, ולמד מתמטיקה ופיזיקה באוניברסיטת קניגסברג. כבר בגיל 23 הוא קיבל תואר דוקטור ופרסם את שני החוקים הקשורים למעגלים חשמליים, שנקראים עד היום על שמו – חוקי קירכהוף המפורסמים, שכל סטודנט למקצועות המדעים וההנדסה יודע לשנן. בשנת 1848 הוא מקבל מלגה ללימודים בצרפת, ולמעשה מתכנן להמשיך שם את הקריירה המקצועית שלו, אך תכנונים לחוד ומציאות לחוד. מהפכת אביב העמים פורצת בצרפת ובחלקים נרחבים באירופה, ובמקום להגיע לצרפת קירכהוף מגיע בקושי עד ברלין, שם הוא מקבל משרה זמנית. לאחר מכן הוא עובר למשרה אחרת באוניברסיטת ברסלאו (כיום נקראת העיר ורוצלב שבפולין; באותם ימים העיר הייתה תחת שלטון פרוסי ובהמשך גרמני ונקראה ברסלאו. לאחר מלחמת העולם השנייה סופחה העיר חזרה לפולין). באוניברסיטת ברסלאו, קירכהוף מתחבר עם מרצה אורח, כימאי בשם רוברט בונזן (Bunsen). בונזן היה כימאי בעל שם אך גם דמות אקסצנטרית ובעל חוש הומור, דבר שמצא חן בעיני קירכהוף. בשנת 1852 בונזן מקבל משרה באוניברסיטת היידלברג ומנצל את קשריו כדי להביא את קירכהוף כמרצה לפיזיקה. כאשר בעיר החלו עבודות להתקנת תשתית גז (עבור תאורת הרחוב והבתים בלילה), בונזן “סוגר דיל” עם חברת הגז שתספק למעבדותיו גז במהלך היום. בונזן אינו מרוצה מכוח הבעירה של המבערים המעבדתיים באותה התקופה, וממציא את “מבער בונזן” שנמצא בשימוש במעבדות עד היום. הוא מסרב אגב לרשום פטנט על ההמצאה מטעמים אידיאולוגיים.
מבער בונזן (קרדיט: בריטניקה)
במסגרת עבודתו במעבדה, בונזן חוקר את האור הנפלט מבעירת מלחים העשויים מיסודות כימיים שונים. הוא מנסה להפריד את הצבעים השונים באמצעות פילטרי צבע אך נכשל. יום אחד בשנת 1959 הוא מתלונן על כך בפני קירכהוף, שמציע לו להחליף את הפילטרים במנסרה, שהייתה ידועה לפיסיקאים עוד מימי ניוטון כאמצעי לשבירת האור (ראינו שפראונהופר עשה על זה קריירה…). כאשר קירכהוף ובונזן הביטו בגזים הנפלטים מהבעירה דרך המנסרה, הם לא ראו קשת צבעים אלא קווים בדידים במספר צבעים המכונים קווים ספקטרליים. קירכהוף הציע שהמנסרה שהם עשו בה שימוש תותקן על מעין זרוע מסתובבת, כך שכאשר הם יחקרו יסודות שונים, הם יוכלו לסובב את המנסרה ולחפש בקלות ובאופן סיסטמתי את הקווים הספקטרליים. קירכהוף ובונזן יצרו למעשה את הספקטרוסקופ הראשון, וגילו במהרה שלכל יסוד כימי יש קווים ספקטרליים שונים בצבעים שונים, כלומר לכל יסוד יש מעין חתימה או טביעת אצבע ייחודית משלו. קווים אלו מכונים קווי פליטה או ספקטרום פליטה (Spectal Lines).
תרשים של הספקטרוסקופ שבנו בונזן וקירכהוף משנת 1860 (קרדיט: Chemteam.info)
דוגמה לספקטרום פליטה של יסודות שונים (קרדיט: Hubblesite.org)
כיום אנו יודעים לתת הסבר לסיבת היווצרות הקווים בצבעים השונים, בזכות מודל האטום ומכניקת הקוונטים שלא היו ידועים לקירכהוף ובונזן. בקצרה (מאוד): האטום מורכב מגרעין ואלקטרונים הסובבים סביבו. האלקטרונים לא יכולים להיות בכל מרחק מהגרעין, אלא במסלולים מסויימים הנקבעים לפי רמת האנרגיה שלהם. כאשר האטומים מחוממים (למשל באמצעות בעירה), האלקטרונים מקבלים אנרגיה, וקופצים למסלול גבוה יותר המתאים לאותה רמת אנרגיה שקיבלו. לאחר פרק זמן קצר, הם נופלים חזרה למסלול הנמוך ופולטים אנרגיה המתבטאת בפוטון של אור, אשר אורך הגל שלו משתנה בהתאם לאנרגיה הנפלטת, וצבע האור יהיה בהתאם לאורך הגל. ליסודות כימיים שונים יש רמות אנרגיה שונות ולכן הם מייצרים אור באורכי גל שונים. בהמשך ארחיב מעט יותר בנושא זה.
בעזרת הספקטרוסקופ שבנו, שהיה רגיש ומדויק להפליא, קירכהוף ובונזן חקרו יסודות רבים. הם גילו למשל עקבות של נתרן בגז, כשיחס הנתרן בגז היה 1 ל- 20 מיליון בלבד. הם גילו שניתן להבעיר תרכובות שונות, ולגלות באמצעות קווי הפליטה המתגלים בספקטרוסקופ אילו יסודות מכילה כל תרכובת. באחד הניסויים שביצעו ב- 1860, הם הבעירו תרכובת אך לא הצליחו להתאים את קווי הפליטה לאף יסוד מוכר, וכך גילו שני יסודות חדשים: רובידיום וצסיום.
באוקטובר באותה השנה, קירכהוף שיחק במעבדה עם נתרן. הוא ידע שלנתרן יש קווי פליטה של אור צהבהב, אך כדי להשתעשע החליט להוסיף לנתרן הבוער גם אור ממנורה שהייתה לו, שחוללה ספקטרום רציף ואחיד יחסית. קירכהוף בוודאי ציפה שהספקטרום האחיד של המנורה יחד עם ספקטרום הפליטה של הנתרן ייצרו ספקטרום עם שני קווים בהירים (בשל תוספת הנתרן), כפי שמתואר באיור הבא:
תוצאות הניסוי שקירכהוף ציפה לקבל – קווי נתרן בהירים (קרדיט: Kathy Loves Physics & History)
תוצאות הניסוי שהתקבלו בפועל – קווי כהים (קרדיט: Kathy Loves Physics & History)
לתדהמתו, קירכהוף קיבל תוצאה הפוכה. במקום קווים בהירים, הופיעו קווים כהים, באופן שמזכיר את התצפיות על השמש של… פראונהופר. קריכהוף הבין מהר מאוד שבעזרת מנורה ושריפת נתרן הוא שיחזר את הניסוי של פראונהופר בתצפיות השמש, והוא למעשה רואה את קו D שסימן פראונהופר. מה קורה בשמש? בשל הטמפרטורה העצומה שלה היא מכילה פלזמה, כלומר האלקטרונים אינם קשורים לאטומים אלא הם חלקיקים חופשיים. הפוטוספירה, שהיא השכבה החיצונית שאנו רואים, מתנהגת כגוף שחור הפולט אנרגיה בכל הספקטרום הנראה, כלומר בכל הצבעים. בשכבות החיצוניות יותר כמו הכרומוספירה קיימים אטומים בטמפרטורה נמוכה יותר הנמצאים במצב גז ולא פלזמה (הם עדיין חמים מאוד ואף המתכות הן בצורת גז), וכיוון שהם פחות חמים מהשכבות הפנימיות, הם בולעים יותר אנרגיה מאשר הם מפיקים, ואותה בליעת אנרגיה מתבטאת בכעין צל שהם מייצרים על אור השמש. קירכהוף השווה בין קווי הבליעה בשמש לבין קווי הפליטה של היסודות שהכיר מהניסויים, ומצא מאילו יסודות מורכבת השמש. בכך הוא ייסד את מה שהולך להיות המהפכה באסטרונומיה המחקרית, שתלך ותתבסס מעתה בעיקר על ספקטרוסקופיה. הטכניקה הבסיסית הזו תשמש חוקרים על כדור הארץ לחקור כוכבים, גלקסיות ועצמים נוספים, והיא גם תשמש כבסיס למכשירי מחקר על הגשושיות והחלליות שישלחו לחלל ע”י נאס”א (וסוכנויות אחרות) כמו גשושיות ווייאג’ר בהן עסקנו בפוסטים הקודמים.
קירכהוף ובונזן מצאו במהרה יסודות רבים על השמש כמו מימן, חמצן, פחמן ואפילו… זהב! אמנם אחוז הזהב בשמש הוא פחות מעשירית המיליונית, אבל בשל גודלה העצום של השמש, הכמות הזו שווה לבערך 12,000 פעמים המשקל של הר האוורסט, בזהב. השמועה אומרת שקירכהוף נהג לספר שמנהל הבנק שלו לא ממש התרשם מכך שמצא זהב בשמש כיוון שלא יכל להביא ולהפקיד אותו בבנק. לאחר שבשנת 1862 הוענקה לקירכהוף מדליית רמפורד (העשויה מזהב) על עבודתו, הוא הודיע למנהל הבנק שלו: הנה, בסוף הצלחתי להוציא זהב מהשמש…
קירכהוף (משמאל), בנסן (יושב) והנרי רוסקו (מימין) במהלך ביקור במנצ’סטר, 1862. התמונה עברה שיפור בכלי AI. (קרדיט: Linda Hall Library)
ב- 1860 קירכהוף פרסם מחקר ובו הוא עוסק בבליעה ופליטה של אור. במסגרת העבודה, הוא דמיין גוף מושלם, אידיאלי ותיאורטי שבולע באופן מוחלט את כל האור הפוגע בו, וכינה אותו שחור באופן מושלם, או בקיצור גוף שחור. אם הגוף בולע את כל האור, כל אור שייפלט, יהיה מהגוף עצמו בלבד (שהרי אין החזרה או שבירה של האור). קירכהוף חזה שהאנרגיה שהגוף יפלוט תהיה תלויה רק בטמפרטורה שלו ובאורך הגל (או התדר) ולא בסוג החומר ממנו הגוף עשוי. קירכהוף עצמו לא ניסח משוואה שתבסס את התאוריה. במשך ארבעים השנים הבאות, ניסו מספר מדענים לפצח את חידת הגוף השחור שגרמה למשבר בעולם הפיזיקה, ורק בראשית המאה ה- 20 מקס פלאנק (Planck) פתר את הבעיה עם ייסוד מכניקת הקוונטים. נגענו מעט בנושא בפוסט הזה בעבר.
ניסוי במלחים
החלטתי ללכת בעקבות קירכהוף ובונזן, ולבחון את האור הנפלט משריפת מלחי יסודות כימים שהצלחתי לשים את היד עליהם. הניסוי ידוע באינטרנט כ- Flame Test ובארץ אפשר למצוא אותו לפעמים בפעילויות מדע לחנוכה מתוייג כ- “חנוכיה כימית”. הנה הגרסה שלי. היה כיף להפיק אותה.
מדוע הלהבה צבעונית? בואו נבין מה קורה ברמה האטומית. האלקטרון מסתובב סביב הגרעין. הוא יכול לנוע בכמה מסלולים ברדיוסים שונים, בדומה לכוכבי לכת או לוויינים סביב השמש, אך כמובן המכניזם שונה – בעוד מה שמחזיק את כוכבי הלכת סביב השמש הוא כוח הכבידה, את האלקטרון סביב הגרעין מחזיק הכוח האלקטרומגנטי. הבדל נוסף – בעוד שנאס”א יכולה לשלוח לוויין לכל מסלול בכל רדיוס סביב השמש, לאלקטרון ישנם מסלולים מוגדרים סביב הגרעין והוא יכול להיות באחד מהם, אם הוא קיבל אנרגיה במנה הנכונה. מכאן השם קואנטום (quantum), מהמילה הלטינית quantus שפירושה הוא “כמה”. כדי להבין זאת טוב יותר, נדמה את האלקטרון לכדורגל שאפשר לבעוט ולהכניס לחלון בכל אחת מקומות בניין גבוה. אם רוצים להכניס את הכדור לקומה הראשונה, צריך לתת לו בעיטה עם אנרגיה מאוד ספציפית שתרים אותו לגובה המדויק של החלון בקומה הראשונה. אם רוצים להכניס אותו לקומה השנייה, צריך בעיטה חזקה יותר עם אנרגיה גבוהה יותר שתביא אותו בדיוק לגובה החלון בקומה השנייה. אין מושג כזה חצי קומה, ואם הכדור יגיע לגובה בין הקומה הראשונה לשנייה הוא לא יכנס. כך באטום ובניסוי המלח – האלקטרונים באטומי הנתרן מקבלים אנרגיה תֶרמית מהבעירה (במקרה זה השתמשתי במתנול כ”דלק”) שגורמת לעירור שלהם (Excitation) ו- “קפיצה” לרמת אנרגיה גבוהה יותר. מצב זה אינו יציב, והאלקטרון בסופו של דבר יורד לרמת אנרגיה נמוכה יותר, כלומר למסלול קרוב יותר סביב הגרעין. במהלך הירידה, הוא פולט פוטון של אור. זוהי קרינה אלקטרומגנטית ואורך הגל שלה, כלומר צבע האור, יכול להשתנות בהתאם לסידור האלקטרונים ביסוד. עבור נתרן למשל, האלקטרון יעלה לרמת אנרגיה גבוהה יותר (לא ניכנס כאן לאכלוס אלקטרונים וסוגי אורביטלים) וכאשר ירד בחזרה, יפלוט פוטון באורך גל של 589 ננו-מטר המתאים לאור צהבהב. האנימציה הבאה מתארת את התהליך עבור אטום מימן, היסוד הפשוט ביותר (והנפוץ ביותר) ביקום, המכיל פרוטון ואלקטרון אחד:
ערור של אלקטרון ופליטה של פוטון (קרדיט: נתנאל הרשקוביץ)
ספקטרומטר DIY
כדי לאמת את הנושא, בניתי ספקטרומטר פשוט בעזרת ספקטרוסקופ קטן, מצלמת אינטרנט פשוטה ובקר Raspberry Pi על פי דגם של חובב שעוסק בלייזרים בשם לסלי רייט (קישור לסרטון של לס על בניית הספקטרומטר תוכלו למצוא פה). לס עשה עבודה מדהימה ופיתח תוכנה בפייתון, שיחד עם החומרה (הלא יקרה יחסית), נותנת ספקטרומטר די מדוייק שיכול אף להתחרות במכשירים מקצועיים. כדי שהמכשיר יהיה נייד, הוספתי מתקן קטן ומאולתר מעץ שיחזיק את הכל וזה מה שיצא:
ערכתי שלושה ניסויים עם הספקטרומטר:
תחילה כיוונתי אותו לניסוי מלח השולחן כדי לחפש את קו הפליטה של הנתרן. זה לא היה קשה במיוחד:
הספקטרומטר מזהה בצורה מדוייקת את אורך הגל של קו הפליטה של הנתרן הנמצא בתמיסת המלח.
לאחר מכן, כיוונתי את הספקטרומטר לשמיים, על מנת לזהות קווי בליעה הקיימים בשמש (כיוון ישיר לשמש לא אפשרי כיוון שהוא ירווה את המצלמה). התקבלה התמונה הבאה:
כעת העברתי את הנתונים של הגרף, הקיימים גם בקובץ CSV לתוכנת Rspec (אותה אציג בפוסט הבא) על מנת לזהות קווי בליעה אפשריים. סימנתי אותם על הגרף הבא:
לא נציג כאן ניתוח. נסתפק ונציין שניתן לזהות ברמת סמך גבוהה מספר קווי בליעה הנובעים מאור השמש העובר דרך האטמוספירה.
בניסוי השלישי והאחרון, כיוונתי את הספקטרומטר לעבר נורת הפלואורסנט ששימשה לניסוי סריג העקיפה, ובנוסף לנורת לד.
נורת פלואורסנט דרך הספקטרומטר (צילום: נתי הרשקוביץ)
נורת לד דרך הספקטרומטר(צילום: נתי הרשקוביץ)
שתי הנורות נותנות תחושה של אור לבן, אולם כבר ממבט חטוף בתמונות מעלה אפשר לראות שהספקטרום של נורת הלד די רציף, לעומת הספקטרום של נורת הפלוארוסנט שמציג מספר קווי פליטה דומיננטיים ומוגדרים יותר וביניהם עוצמות אורכי הגל חלשות יותר. למרות ששתי הנורות מייצרות אור שנראה בעין כזהה, שיטת ההפקה שלו שונה.
נורת הפלאורוסנט
נורת הפלואורסנט מורכבת מארבעה מרכיבים:
אלקטרודות
גזים אצילים (כמו ארגון, ניאון או קריפטון)
אדי כספית
ציפוי מחומרים זרחניים
כאשר מופעל מתח אל האלקטרודות, המשמשות להולכת החשמל ממקור המתח לגזים בתוך הנורה, הגזים האצילים מיוננים, כלומר משתחררים מהם אלקטרונים. אלקטרונים אלו הם למעשה יצרני הזרם החשמלי בנורה. כעת, בשל המתח הגבוה, האלקטרונים מתנגשים באדי הכספית. כדי לשמור על הכספית כאד, הלחץ בנורה צריך להיות נמוך יחסית (סביב 0.3% לחץ אטמוספרי). כאשר האלקטרונים מתנגשים באדי הכספית, הם עוברים תהליך של עירור, כלומר קופצים לרמת אנרגיה גבוהה יותר. כאשר הם חוזרים לרמה הנמוכה, הם פולטים אור בתחום על סגול שאינו נראה לעין. אור זה נבלע בשכבת הציפוי הזרחנית. עתה האלקטרונים בשכבת הציפוי מעוררים, וכאשר הם יורדים חזרה ברמת האנרגיה, נפלט אור. יצרני הנורות מערבבים לרוב כמה יסודות זרחניים (למשל טרביום, אירופיום) הפולטים אורכי גל בצבעים שונים על מנת לייצר נורות בגווני אור שונים.
נורת הפלואורסנט מכונה לפעמים נורת ניאון, אך זו טעות. נורת ניאון פועלת באופן שונה במקצת, אם כי שתיהן מבוססות בין היתר על עירור אלקטרונים).
סרטון עם הסבר קצר על עקרון פעולת הפלאורסנט (קרדיט: מכון דוידסון)
נביט מקרוב בתמונת הספקטרום של נורת הפלורסנט:
ספקטרום נורת הפלואורסנט
השיאים המופיעים ב- 403.3 ננו-מטר וב- 433.33 ננו-מטר תואמים את קווי הפליטה של הכספית (הערך המדויק הוא 404.7 ו- 435.8 ננו-מטר בהתאמה, וההבדל נובע מאי דיוק וכיול לא מושלם של הספקטרומטר) בצבעים סגול וכחול בהתאמה.
השיא המופיע סביב 484.9 ננו-מטר נובע ככל המקרה מיסוד הטרביום בשכבת הציפוי של הנורה.
ב- 542.3 ננו-מטר וב- 546 ננו-מטר (המספר אינו נראה בגרף) ישנם שני שיאים מטרביום וכספית בהתאמה, הפולטים אור באורך גל ירוק.
החל מ- 578.8 ננו-מטר ישנם שיאים באורכי גל צהובים, ככל הנראה מטרביום ואירופיום.
ב- 610.7 ננו-מטר ישנו שיא משמעותי, ככל הנראה מאירופיום.
הנתונים נלקחו ממקור בקישור זה. למרות שהכותב טוען שהשתמש בנתונים מ- NIST (אתר התקנים האמריקאי), הוא אינו ממוסמך באופן יסודי ולכן יש לקחת את הנתונים בערבון מוגבל.
יהיו קווי הפליטה אשר יהיו, השילוב של השיאים באורכי הגל השונים, בדומה למשחק בערבוב צבעים, יוצר את האור הלבן בנורה וכך יצרני נורות הפלואורסנט מייצרים נורות באור חם או אור קר.
נורת לד
הספקטרום של נורת הלד רציף יחסית:
ספקטרום נורת הלד (LED)
בעוד נורות הפלואורסנט מבוססות על עקרון הפלואורוסנציה, נורות לד מייצרות אור בטכניקה המכונה אלקטרולומינסנציה. למי שלא הצליח לקרוא את המילה הזו (לקח לי 3-4 טייקים לכתוב אותה נכון…), בעברית תקנית אִמרו: נְהוֹרָנוּת חשמלית. אור של נורת לד נוצר באמצעות דיודה, רכיב אלקטרוני המוציא זרם בכיוון אחד בלבד. כאשר מופעל על הדיודה מתח, היא גורמת לתזוזת אלקטרונים בתוך חומר המוליך חשמל למחצה. כאשר חשמל עובר דרך החומר המוליך למחצה, משתחררים אלקטרונים ומתפזרים, וכשאלה חוזרים למקומם הטבעי במוליך למחצה, הם משחררים פוטונים וזהו האור הנראה בעין. יצרני נורות הלד משיגים צבעים שונים באמצעות שימוש במוליכי למחצה מחומרים שונים, הפולטים אנרגיה אלקטרומגנטית באורכי גל שונים וכן באמצעות תכנון שכבות ציפוי מחומרים שונים. הרחבת ההסבר מעבר לכך, דורשת הבנה באופן פעולתם של מוליכים למחצה – נושא נרחב, מעבר לפוסט זה. מי שירצה בכל זאת להרחיב, אפשר להתחיל בסרטון בקישור זה או בסרטון הבא בו הפיזיקאי והאסטרונום ניל דגראס-טייסון מסביר את אופן פעולת נורת הלד לעומת נורת הליבון המסורתית:
סיכום
הרעיון לפוסט הזה עלה במהלך כתיבת הפוסט הקודם בו סקרתי את המערכות והחיישנים של וויאג’ר. במהלך הכתיבה, התחוור לי עד כמה הספקטרוסקופיה היא כלי משמעותי ומרכזי בחקר היקום, עד ששווה לעצור ולייחד לה פוסט בשני חלקים (יש לה כמובן עוד יישומים רבים בכימיה, ביולוגיה ופיזיקה). בחלק ראשון זה, למדנו איך הספקטרוסקופיה התפתחה, בעיקר במאה התשע עשרה. בחלק הבא נמשיך את המסע ההיסטורי עם ג’ון לוקייר, אדווין האבל, משימות נאס”א ועד חקר כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש. כמובן נדגים ספקטרוסקופיה ביתית עם פילטר, טלסקופ ומצלמה.
ובתזמון מושלם עבור כתיבת הפוסט, נסיים בתופעת שבירת צבע מיוחדת שנצפתה מחלון ביתי הבוקר, ממש עם כתיבת שורות אלו – קשת כפולה:
קשת כפולה על רקע יישובי השרון ב- 7.2.2025 (צילום: נתנאל הרשקוביץ)
תופעת הקשת הכפולה נגרמת על ידי שבירה, החזרה ופיזור של אור השמש בתוך טיפות גשם באטמוספירה, ומתרחשת בעיקר כאשר השמש נמוכה בשמים.
הקשת הבהירה והפנימית נקראת הקשת הראשית. היא נוצרת כאשר קרני אור השמש נכנסות לטיפת הגשם, נשברות פנימה, מוחזרות פעם אחת בתוך הטיפה, ואז יוצאות החוצה. במהלך התהליך, האור הלבן של השמש מתפצל לצבעי הספקטרום. ניתן להבחין כי בקשת הראשית, האור האדום נמצא בצד החיצוני והסגול בצד הפנימי.
הקשת החיוורת והחיצונית נקראת הקשת המשנית. היא נוצרת כאשר קרני אור שמש מוחזרות פעמיים בתוך טיפת המים לפני שהן יוצאות. בגלל ההחזרה הנוספת, יותר אור “נאבד”, ולכן הקשת המשנית חיוורת יותר. ההחזרה הנוספת גם הופכת את סדר הצבעים: האדום נמצא בצד הפנימי והסגול בצד החיצוני.
האזור שבין הקשת הראשית למשנית נראה כהה יותר ונקרא רצועת אלכסנדר על שם אלכסנדר מאפרודיסיוס, פילוסוף יווני בן המאה השלישית שזיהה את התופעה לראשונה. המרווח בין הקשתות חשוך יותר משום שהאור באותן זוויות אינו מוחזר לכיוון הצופה.
ולמי שתהה, אין קשר לסדרי נפיצת האור בסריג העקיפה. התופעות מזכירות אחת את השנייה במובן מסויים, אך בכל אחת הסיבה שונה.
התמונה הראשית בפוסט: בול משנת 1987 לציון 200 שנים להולדת פראונהופר, מחלוצי הספקטרוסקופיה.