המודל הגלי של האור

ניסוי תומס יאנג

בסוף המאה ה-17, במקביל לעבודתו של ניוטון באנגליה על המודל החלקיקי של האור, עבד איש מדע הולנדי בשם כריסטיאן יוג'ינס על פיתוח המודל הגלי של האור.

למרות ששני המודלים פותחו בו-זמנית, המודל החלקיקי של ניוטון כבש את קהילת המדע ושלט בה במשך מאה השנים הבאות. בין הסיבות להעדפה זו ניתן למנות את פשטות ההבנה של המודל החלקיקי על פני הגלי וגם את העובדה הפשוטה שלניוטון היה שם גדול יותר בקרב קהילת המדע מאשר ליוג'ינס.

גם כאשר התגלו בעיות עם המודל החלקיקי של האור נעשו ניסיונות להמשיך ולהיאחז בו תוך מתן הסברים חדשים. למשל, כשהתגלה שכאשר אור העובר מבעד לחריץ קטן מאוד מפיק אלומת אור גדולה באופן שלא ניתן להסבירה בתנועת חלקיקים בקו ישר, ניתן ההסבר (השגוי) שחלקיקי האור העוברים בצפיפות רבה סובלים מהתנגשויות המעיפות אותם בזוויות גדולות מעבר לגבולות האלומה הצרה שהייתה צריכה להתקבל.

בנוסף לכך, עובדה היא שתופעת התאבכות המאפיינת גלים, כדוגמת גלי האמבט, לא נצפתה בהצלחה באור.

הסיבה שתופעת ההתאבכות לא נצפתה בהתחלה בקלות הייתה נעוצה באחד התנאים הנדרשים ליצירתה. נסקור קודם את התנאים הנדרשים ממקורות האור לקבלת התאבכות ביניהם:
1. משרעת זהה
2. תדירות זהה
3. קוהרנטיות

לכאורה, ניתן לקיים את כל התנאים שלעיל במערך ניסוי פשוט. מערך זה יכלול שני פנסים, מסנני צבע ועדשות מרכזות.

מערך ניסוי עם שני מקורות אור

בניית מערך הניסוי שלעיל, על אף שנראית כמקיימת את כל התנאים הנדרשים, לא הניבה התאבכות בין שני מקורות האור. ננסה להבין מהי הסיבה שבגללה נכשל הניסוי. שני מקורות האור פולטים אור בעוצמה זהה מכאן שהמשרעת זהה. בזכות המסננים מועבר רק צבע מסוים מהאור, כלומר תדר מצומצם וזהה. העדשות מרכזות את קרני האור ומקרבות אותן לכדי שתי נקודות הקרובות זו לזו. נשארת רק השאלה של הקוהרנטיות.

שני מקורות גליים נחשבים קוהרנטיים כאשר הם בעלי תדר זהה, בעלי הפרש מופע קבוע (לאו דווקא אפס) ופועלים באופן רציף. כבר מוסכם שהתדר הוא זהה בשני מקורות האור אחרי המעבר שלהם במסננים. גם הפרש המופע ביניהם הוא קבוע. נשארת רק השאלה של רציפות הפעולה.

בקצב הדגימה של ראיית העין האנושית האור הנפלט משני הפנסים נראה רציף, אך לא כך הוא הדבר בבחינה ברזולוציה גבוהה יותר. כשנבחן את האור ברזולוציה גבוהה נראה כי הוא אינו רציף, אלא מקוטע. הקטיעות הללו נובעות מהאקראיות שבתהליך המרת האנרגיה החשמלית לאנרגיית אור.

כשנלמד בהמשך על מודל האטום נראה כיצד אלקטרונים שבחומר המעוררים לרמת אנרגיה גבוהה יותר פולטים אור בנפילתם חזרה לרמת אנרגיה נמוכה יותר ויציבה יותר בתהליך שפרק זמן הימשכותו הוא אקראי. אקראיות זו גורמת לקטיעות בקרן האור הנפלטת מהפנס. הקטיעות הללו הורסות כמובן כל אפשרות לקבלת תבנית התאבכות.

בעיית חוסר ההתאמה בזמני הרציפות והאי-רציפות שבין שני מקורות האור באה על פתרונה בשנת 1803 במערך ניסוי מוצלח שהגה תומאס יאנג. בעזרת מערך זה הצליח יאנג לבצע ניסוי שהוכיח כי האור אכן מבצע התאבכות – תופעה שניתן להסבירה רק אם האור מתנהג כגל ולא כזרם של חלקיקים. כך החלה האמונה במודל החלקיקי של ניוטון להיסדק באופן משמעותי בתחילת המאה ה-19.

יאנג חרץ שני חריצים דקים מאוד במסך שמצידו האחד הועבר אור השמש דרך פתח חריץ בודד ומצידו האחר הונח מרקע. בזכות העובדה שמדובר במקור אור בודד נקבל שמבעד לשני החריצים עוברים קרני אור שווי פאזה. כפי שלמדנו, על מנת שתתקבל תמונת התאבכות סימטרית, חדה וברורה נדרש שמקורות האור המשתתפים בה יהיו שווי פאזה.

מערך ניסוי התאבכות של תומאס יאנג

על המסך התקבלה תמונת התאבכות בצורה של פסי אור וצל המסודרים בצורה מחזורית. תוצאה שכזו לא ניתן היה להסביר בשום אופן באם האור מורכב מזרם של חלקיקים הנעים בקו ישר. תוצאה זו הכריחה את האור להיות בעל ערך חיובי או שלילי, לסירוגין, כך שהרכבה של שני קרני אור תיתן לפעמים התאבכות בונה ולפעמים התאבכות הורסת המוכרים לנו מניסויי הגלים באמבט המים.

למרות הצלחת הניסוי עצמו הדעה שהאור מורכב מזרם של חלקיקים הייתה מושרשת חזק בקהילייה המדעית. נדרש ביצוע של עוד ניסויים נוספים אחרים עד שהייתה נכונות כללית לקבל את העובדה שלאור יש אופי גלי.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - קרינה וחומר | קרינה וחומר - המודל הגלי של האור : ניסוי תומאס יאנג | סריג של m סדקים | האור כגל אלקטרומגנטי | ספקטרום הגלים האלקטרומגנטיים | השפעת האטמוספרה על קרינת גלי רדיו | הקרינה הקוסמית וקרינת השמש | קיטוב אור | תוצא דופלר | סיכום ]