מילון מונחים
גלים | אור | חומר | מבוא למכניקה קוונטית
גלים
הגל המכני | תיאור מתמטי של גלים | סופרפוזיציה והתאבכות | תכונות נוספות | גל עומד
הגל המכני
פולס - הפרעה יחידה שמתקדמת במרחב ונושאת אנרגיה.
גל (מחזורי) - גל הוא הפרעה שמתקדמת במרחב (באופן מחזורי) ונושאת אנרגיה, עבור גל מכני - אנרגיה קינטית ופוטנציאלית.
מקור - מקור הגל הוא אירוע הגורם להפרעה (אבן שנזרקת למים או צעקה) .
תווך - החומר בתוכו הגל מתפשט.
גל רוחב - גל בו התנדנדות התווך היא לרוחב ציר ההתקדמות (למשל גל מים וגל במיתר).
גל אורך - גל בו התנדנדות התווך היא לאורך ציר ההתקדמות (למשל גל קול).
תיאור מתמטי של גלים
אורך גל - המרחק בין שתי נקודות בגל ביניהן הגל משלים מחזור. מסומן ב-λ ונמדד במטרים.
אמפליטודה - המרחק המקסימלי יחסית למצב שיווי המשקל אליו החלקיקים או ההפרעה בגל מגיעים, כלומר, החלקיקים או ההפרעה מתנדנדים בין A למינוס A. מסומן ב-A ונמדד במטרים.
זמן מחזור - הזמן החולף עד שהחלקיק או ההפרעה חוזרים לנקודת היציאה עם מגמת תנועה זהה. מסומן ב-T ונמדד בשניות.
תדירות - מספר המחזורים שהחלקיק או ההפרעה משלימים בשנייה אחת. מסומן ב-f ונמדד ב-Hz.
מהירות הגל - מהירות התקדמות ההפרעה במרחב. מסומן ב-v ונמדד במטרים לשנייה.
חזית גל - רצף של נקודות הנמצאות באותו המרחק מציר הייחוס ומתקדמות יחד בניצב לכיוון ההתקדמות.
סופרפוזיציה והתאבכות
סופרפוזיציה - באופן כללי בפיזיקה סופרפוזיציה היא סכימה של מצבים, עבור חלקיק שתנועתו מושפעת משני גלים (או יותר) עקרון זה יבוא לידי ביטוי בכך שערך המיקום שלו בציר האנכי y יהיה שווה y=y1+y2 כאשר y1 ו-y2 בהתאמה אלו הערכים של המיקום שלו אם היה מושפע רק מאחד הגלים. בהקשר של גלים סופרפוזיציה נקראת גם התאבכות.
התאבכות בונה - מצב שמתרחש כאשר גלים מגיעים לאותה הנקודה מסונכרנים (ללא הפרש פאזה), האמפליטודה בנקודה תהיה פי שתיים מזו של כל גל בנפרד. התנאי לכך היא ששני מקורות הגלים יהיו שווי תדירות ושהפרש מרחקי הנקודה מכל אחד מהמקורות יהיה כפולה שלמה של אורך הגל.
התאבכות הורסת - מצב שמתרחש כאשר גלים מגיעים לאותה הנקודה הפוכים (הפרש פאזה של חצי זמן מחזור), האמפליטודה בנקודה תהיה תמיד אפס. התנאי לכך היא ששני מקורות הגלים יהיו שווי תדירות ושווי אמפליטודה ושהפרש מרחקי הנקודה מכל אחד מהמקורות יהיה כפולה שלמה של חצי אורך גל.
נקודות ביניים - כל נקודה שמתרחשת בה התאבכות שאינה הורסת ואינה בונה.
תכונות נוספות
עקיפה - כאשר גל פוגש בדרכו מחסום הוא יכול לעקוף אותו, כאשר הגל מגיע אל פתח במחסום הוא גורם לחלקיקים הנמצאים בו לתנועה ואלו ישמשו כמקור לגלים חדשים מעברו השני של המחסום.
החזרה - כאשר גל פוגש מחסום, חלק מהאנרגיה מוחזרת מהמחסום לאחור.
בליעה - כאשר גל פוגש מחסום, חלק מהאנרגיה נבלעת במחסום "והולכת לאיבוד".
העברה - כאשר גל פוגש מחסום, חלק מהאנרגיה מועברת דרך המחסום לצידו השני.
גל עומד
נקודות צומת - nodes - נקודות בהן סכום הגלים שווה תמיד לאפס ואינן מתנדנדות.
נקודות שיא - בין כל שני nodes יש נקודת שיא שם מתרחשת התנודה המקסימלית.
תדירויות מותרות\מצבים מותרים - בגל עומד הקצוות קשורים ולכן המרחק בין ה-nodes יהיה שווה לחצי אורך גל. ומכיוון שאורך התווך סופי, רק תדירויות שעבורן אורך התווך שווה לכפולה שלמה של חצי אורך גל יאפשרו גל עומד.
אור
מהו אור | גוף שחור | האפקט הפוטואלקטרי
מהו אור
מטען חשמלי - אחת מתכונות החומר היסודיות, כמו מסה.
שדה חשמלי - השדה החשמלי הוא תכונה של כל נקודה במרחב והוא מדד לכוח החשמלי שירגיש מטען של 1 קולון שיגיע אל אותה הנקודה. נוצר כתוצאה מנוכחות מטען חשמלי או על ידי שדה מגנטי המשתנה בזמן. ניתן לחשוב על כך כהשפעתו של מטען חשמלי על סביבתו או ההפרעה שמטען חשמלי יוצר במרחב סביבו.
שדה מגנטי - השדה המגנטי הוא תכונה של כל נקודה במרחב והוא מעיד על הכוח המגנטי שירגיש מטען שיגיע אל אותה הנקודה. נוצר כתוצאה מתנועת מטען חשמלי או על ידי שדה חשמלי המשתנה בזמן. ניתן לחשוב על כך כהשפעתו של מטען חשמלי בעל מהירות על סביבתו או ההפרעה שהוא יוצר במרחב סביבו.
גל אלקטרומגנטי - גל אלקטרומגנטי מורכב משדה חשמלי ומשדה מגנטי המתקדמים במרחב. מקור ההפרעה הוא בתנועת מטען מאיץ המייצר שדה חשמלי ומגנטי והתקדמותו מתאפשרת עקב השדות המשתנים בזמן המייצרים זה את זה. מהירות התקדמות הגל בריק היא מהירות האור.
הספקטרום האלקטרומגנטי - קיימים גלים אלקטרומגנטיים בתדירויות ואורכי גל שונים ומגוונים. כל אלו יוצרים יחד ספקטרום רחב שנקרא הספקטרום האלקטרומגנטי. את הספקטרום הזה נהוג לחלק לתחומים שונים כמו למשל: רנטגן, רדיו, מיקרו ועוד.
הספקטרום הנראה - החלק מתוך הספקטרום האלקטרומגנטי אותו העין האנושית יכולה לראות. גלים באורכי גל של 400 עד 750 ננומטר.
צבע - תדירות הגלים האלקטרומגנטיים בתחום הנראה הם שמגדירים את צבע האור. המוח האנושי הוא שמפרש את אורך הגל לצבע.
גוף שחור
חום - אנרגיה המועברת בין מערכות כאשר הן באינטרקציה אחת עם השנייה, מה שגורם לשינוי בטמפרטורה של המערכות.
טמפרטורה - מדד לכמות התנועה של החלקיקים במערכת, ממוצע האנרגיה הקינטית של החלקיקים בחומר.
שיווי משקל תרמי - מצב בו כל המערכת בטמפרטורה אחידה והתפלגות המצבים של המערכת לא משתנה בזמן. מערכות נוטות להעביר חום ביניהן עד שמתקבל שיווי משקל ביניהן.
התפלגות בולצמן - התפלגות הסתברויות המתארת את הסיכוי של כל חלקיק במערכת הנמצאת בשיווי משקל להימצא באנרגיה מסוימת.
גוף שחור - גוף שבולע את כל אורכי הגל ובהתאם פולט את כל אורכי הגל
שטף או עוצמת קרינה - כמות הקרינה ליחידת שטח, ליחידת זמן עבור קרינה באורך גל מסוים.
ספקטרום פליטה - גרף המלמד על הקשר בין עוצמת הקרינה הנפלטת לאורכי הגל השונים על ידי גוף מסוים כאשר הוא בטמפרטורה מסוימת.
קבוע פלאנק - אחד מארבעת הקבועים היסודיים של הפיזיקה. הקבוע הבסיסי של מכניקת הקוונטים. ערכו קטן מאוד. לכן תופעות קוונטיות לא באות לידי ביטוי במימדים מקרוסקופיים בהם תקפה הפיזיקה הקלאסית.
האפקט הפוטואלקטרי
האפקט הפוטואלקטרי - עקב הקרנה של אור על מתכת משתחררים מהמתכת אלקטרונים ונוצר זרם חשמלי.
תדירות סף - התדירות המינימלית של האור המוקרן הדרושה על מנת לגרום לפליטת אלקטרונים מהמתכת, תלויה בסוג החומר.
פונקציית עבודה - האנרגיה המינימלית הדרושה על מנת להביא לפליטת אלקטרונים מהמתכת, משתנה מחומר לחומר.
אנרגיה של פוטון - האנרגיה של פוטון תלויה בתדירות האור או הגל האלקטרומגנטי בלבד.
מתח עצירה - המתח של מקור חיצוני במעגל הפוטואלקטרי הדרוש על מנת לעצור לחלוטין את הזרם הפוטואלקטרי. מתקבל כאשר הכוח החשמלי שהמקור מפעיל מאט את האלקטרונים עד כדי עצירה.
זרם רוויה - הזרם המקסימלי האפשרי במעגל פוטואלקטרי, במצב כזה כל האלקטרונים הנפלטים מגיעים אל הקולט בכל יחידת זמן.
חומר
מודלים מוקדמים | מודלים מודרניים
מודלים מוקדמים
אטום - יחידת החומר הבסיסית, כל אטום מורכב מפרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. לכל יסוד בטבע אטום אופייני. האטומים נבדלים זה מזה בכמות הפרוטונים בגרעין האטום. ללא הפעלת כוח חיצוני האטום ניטרלי, כמות הפרוטונים והאלקטרונים בו שווה.
יסוד - בטבע ישנם (נכון לכתיבת שורות אלו) 118 חומרים הנבדלים זה מזה במספר הפרוטונים בגרעין האטום. חומרים אלו נקראים יסודות. כל חומר אחר הוא תרכובת של החומרים הנ"ל. לכל יסוד תכונות ייחודיות לו.
אלקטרון - חלקיק תת אטומי שלילי (בעל מטען זהה למטען הפרוטון) המרכיב את האטום. האלקטרונים מרחפים מסביב לגרעין האטום.
פרוטון - חלקיק תת אטומי חיובי (בעל מטען זהה למטען האלקטרון) המרכיב את האטום. הפרוטונים נמצאים בגרעין האטום.
מודל עוגת הצימוקים - מודל מוקדם של מבנה האטום לפיו האטום הוא מעין חומר בעל מטען חיובי ובו זרועים האלקטרונים בעלי המטען השלילי, כלומר המטען החיובי נמצא בכל נפח האטום ובתוכו כמו צימוקים נמצאים האלקטרונים בעלי המטען השלילי. כך שסך המטען של האטום שווה לאפס.
המודל הפלנטרי\מודל רתרפורד - מודל מוקדם של מבנה האטום לפיו המטען החיובי באטום מרוכז במרכז האטום וסביבו חגים האלקטרונים במעגלים, כמו שכוכבי הלכת סובבים את השמש.
מודלים מודרניים
ספקטרום פליטה - כאשר אטומי החומר מעוררים בשיטות שונות האלקטרונים עולים ברמות האנרגיה. בדרכם חזרה מטה לרמות האנרגיה הנמוכות הם מאבדים אנרגיה, האנרגיה הזו נפלטת כפוטונים באורכי גל שונים. אורכי הגל האלו מרכיבים את ספקטרום הפליטה של החומר.
ספקטרום בליעה - כאשר אטומי החומר מעוררים על ידי הקרנה של אור האלקטרונים יכולים לעלות ברמות האנרגיה. העלייה הזו דורשת אנרגיה מדויקת ששווה להפרש האנרגיה בין הרמות השונות. אם האנרגיה של הפוטונים של האור המוקרן שווה להפרש הזה בדיוק הם נבלעים- כל האנרגיה שלהם מועברת לאלקטרונים. אורכי הגל של הפוטונים שנבלעים מרכיבים את ספקטרום הבליעה של החומר.
רמות אנרגיה - על פי מודל בוהר האלקטרונים מסתובבים מסביב לגרעין האטום ויכולים להימצא ברדיוסים מותרים ובדידים בלבד. מכך נגזרות גם אנרגיות המתאימות לכל רדיוס כזה. האנרגיות האלו נקראות רמות אנרגיה.
רמת היסוד - הרמה בה רדיוס הסיבוב של האלקטרון מסביב לגרעין הוא הרדיוס הקטן ביותר. זוהי הרמה בה האנרגיה היא הנמוכה ביותר.
רמת יינון - כאשר האלקטרון מקבל אנרגיה מספיק גדולה הוא מצליח להשתחרר מהמשיכה אל גרעין האטום. במצב כזה הוא מעורר לרמת האנרגיה אינסוף, רמת היינון, שם האנרגיה שלו היא הגדולה ביותר. אנרגיית יינון היא האנרגיה המינימלית הדרושה על מנת לגרום לפליטת אלקטרונים מהאטום.
מספר קוונטי - כל מצב קוונטי של מערכת מאופיין במספרים (אינדקסים) קוונטיים. לעיתים אינדקס זה מצביע על כך שהגודל הפיזיקלי יכול לקבל רק ערכים בדידים ולא רציפים. למשל, כל רמות האנרגיה הקשורות של אטום ממוספרות במספר n בדיד ושלם, מ1 ועד אינסוף.
עירור אלקטרון - ניתן לעורר אלקטרון בשתי צורות, על ידי אינטרקציה עם חלקיק טעון אחר, במקרה כזה החלקיק יכול להעביר חלק מהאנרגיה שלו. או על ידי הקרנה של פוטונים, פוטונים יכולים לעורר רק אם האנרגיה שלהם שווה בדיוק להפרש האנרגיות בין שתי רמות אנרגיה.
מבוא למכניקה קוונטית
פונקציית הגל - יחידת החומר הבסיסית, כל אטוםפונקציה המייצגת את הסיכוי למצוא את החלקיק בכל נקודה במרחב. הסיכוי מחושב לפי ריבוע הערך המוחלט של הפונקציה.
משוואת שרדינגר - בטבע ישנם (נכון לכתיבת שורות אלו)המשוואה הבסיסית של תורת הקוונטים, שמאפשרת למצוא את פונקציית הגל של החלקיק.
פונקציות עצמיות (או מצבים עצמיים) - פונקציות הגל שמהוות פתרון למשוואת שרדינגר במערכת נתונה, והינן בעלות אנרגיה מוגדרת.
ערכים עצמיים - חלקיק תת אטומיערכי האנרגיה האפשריים עבור המערכת.
עקרון אי-הוודאות - מודל מוקדם שלעקרון בתורת הקוונטים לפיו ישנה תמיד אי-ודאות במדידת המיקום והתנע של חלקיק.
פרשנות קופנהגן - מודל מוקדם של מבנה האטום לפיו המטען החיובי באטום מרוכז במרכזנחשבת לפרשנות המפורסמת ביותר של מכניקת הקוונטים. לפיה, עד שלא נבצע מדידה של מיקומו של חלקיק קוונטי, מיקומו לא מוגדר ויש סיכוי שנמצא אותו במקומות שונים (על פי פונקציית הגל נוכל לדעת רק את הסיכויים למצוא אותו בכל מקום). מיקומו הופך להיות מוגדר כאשר אנו מודדים אותו - אז הוא יקרוס למיקום מסוים והסיכוי שנמצא אותו שם הוא מאה אחוז.
ניסוי החתול של שרדינגר - מודל מוקדם של מבנה האטום לפיו המטען החיובי באטוםניסוי מחשבתי שהגה שרדינגר כדי להמחיש את המוזרות של תורת הקוונטים. בניסוי ישנו חתול בקופסה עם רעל שהסיכוי שלו להשתחרר הוא 50%. על פי תורת הקוונטים, לפני מדידה לא נוכל לדעת האם הרעל השתחרר או לא, ולכן החתול נמצא בו זמנית במצב שהוא גם חי וגם מת.