‫מערך שיעור ‪ :3‬קרינה אולטרה‪ -‬סגולה‬
‫המושגים שנלמד בשיעור‪:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫קרינה אולטרה‪-‬סגולה‪ ,‬מה הבעייתיות בתחום זה‪.‬‬
‫נלמד כמה דברים על קרם הגנה (או קרם שיזוף??!!)‬
‫מקורות אור אולטרה‪-‬סגול‪.‬‬
‫אנרגיית יינון‪.‬‬
‫האפקט הפוטואלקטרי‪.‬‬
‫חומרים פלורוסנטיים ופוס‪-‬פלורוסנטיים‪.‬‬
‫היום‪ ,‬נמשיך בלימוד ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית‪ .‬אחרי שדיברנו על קרינה מייננת "עמוקה" באורכי גל קצרים‬
‫ואנרגטיים‪ ,‬נדבר היום על אורכי גל מעט ארוכים יותר (וכמובן שפחות אנרגטיים) – התחום האולטרה סגול‪.‬‬
‫מהלך השיעור‪:‬‬
‫קרינה אולטרה סגולה‬
‫כפי שראינו בשיעורים הקודמים‪ ,‬ספקטרום הצבעים של האור הנראה‪ ,‬אותו העין שלנו מסוגלת לקלוט‪ ,‬הוא די צר‬
‫ונפרס בין צבע אדום לסגול שהם הצבעים בעלי אורך הגל הארוך והקצר ביותר בהתאמה‪.‬‬
‫אור עם אורך גל קצר יותר מסגול‪ ,‬שאין באפשרותנו לראות‪ ,‬מסווג בתור קרינה אולטרה‪-‬סגולה‪.‬‬
‫אז מה הבעייתיות בתחום זה?‬
‫בגלל אורך הגל הקצר של קרינה זו‪ ,‬הקרינה האולטרה סגולה נושאת אנרגיה רבה יותר ובעלת חדירות מוגברת‪ ,‬ולפיכך‬
‫מסוגלת לחדור לעומק שכבת העור שלנו אל אזורי ייצור המלנין ולגרום לדוגמא לסרטן העור‪.‬‬
‫בנוסף‪ ,‬מכיוון שאנחנו לא מסוגלים לראות את הקרינה האולטרה‪-‬סגולה‪ ,‬גם אם נסתנוור ממקור אולטרה סגול חזק‬
‫ואנרגטי‪ ,‬העין לא מגיבה לאור הזה‪ ,‬מה שעלול לגרום נזק לעין‪ .‬השמש לדוגמא‪ ,‬היא מקור מאוד חזק של קרינה‬
‫אולטרה‪-‬סגולה‪.‬‬
‫בגדול‪ ,‬לקרינה אולטרה סגולה יש מאפיינים דומים מאוד לאור סגול‪ ,‬אך באורכי גל קצרים יש סיכון מוגבר בשל‬
‫האנרגיה החזקה שהקרניים האלה נושאות‪ ,‬אזורים אלו נקראים בדרך כלל ‪ UVA‬ו ‪ UVB‬ואלו הם תחומי אורך הגל‬
‫הבעייתים ביותר מבחינת סיכון בחשיפה לשמש‪.‬‬
‫נפרט קצת יותר‪...‬‬
‫‪‬‬
‫‪ U.V.A‬הקרינה הקרובה לתחום הנראה לעין‪ ,‬גורמת להשחמת העור‪ ,‬נפוצה מאוד‪ ,‬אינו מושפע משכבת האוזון‬
‫וכיום חושדים שהיא גם גורמת נזק ל – ‪ DNA‬בתאי העור‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪ U.V.B‬גורמת לכוויות שמש‪ ,‬לנזק לרקמות ואחראית לסרטן העור‪ ,‬רוב הקרינה נבלעת בשכבת האוזון אך‪ ,‬השארית‬
‫שאינה נבלעת (‪ 3%‬מסך כל הקרינה בתחום ה‪ )U.V -‬מסוכנת ואנרגטית‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪ U.V.C‬הקרינה הרחוקה ביותר מהתחום הנראה‪ ,‬בד"כ נספגת כולה בשכבת האוזון‪.‬‬
‫‪ .mp4‬פ לו ר סנ ט מנו ר ת עו ב ד ז ה אי ך‬
‫שימוש נכון במסנני קרינה עשוי להפחית את הנזקים הנגרמים בעקבות חשיפה בלתי מבוקרת לקרינת השמש‪,‬‬
‫ובמיוחד את הסכנות לפתח כוויות‪ ,‬סרטן עור והזדקנות מוקדמת של העור‪.‬‬
‫תכשירי ההגנה מפני השמש‪ ,‬המכילים מסנני קרינה על‪-‬סגולה‪ ,‬מיועדים לשימוש חיצוני על העור‪.‬‬
‫מומלץ להשתמש בתכשירים רחבי טווח‪ ,‬כלומר‪ ,‬תכשירים המציעים הגנה משולבת נגד קרינה על‪-‬סגולה מסוג‬
‫‪ SPF 33( UVB‬ומעלה ) ונגד קרינה על‪-‬סגולה מסוג ‪( UVA‬הגנה של ‪ 03%‬ומעלה)‪.‬‬
‫‪ )Sun Protection Factor( SPF‬מהווה מדד לאורך הזמן שבו התכשיר מגן על העור מפני האדמומיות (כוויות‬
‫השמש) הנגרמת מקרינה על‪-‬סגולה מסוג ‪( UVB‬בלבד!) בהשוואה לאורך הזמן שבו העור מאדים ללא הגנה‪.‬‬
‫לדוגמה‪ :‬אם הזמן שלוקח לעור רגיל להאדים הוא ‪ 03‬דקות‪ ,‬השימוש בתכשיר עם מקדם הגנה ‪ 51‬יאריך באופן‬
‫תיאורטי‬
‫פי ‪ 51‬את משך הזמן עד שהעור יאדים‪ ,‬כלומר‪ ,‬למשך כ‪ 333-‬דקות (‪ 1‬שעות)‪.‬‬
‫בפועל הזמן יותר קצר ותלוי בסוג הפעילות (למשל שחייה המורידה קרם מהעור)‪ ,‬בספיגת קרם ההגנה בעור‪,‬‬
‫בכמות הקרם הנמרח ועוד‪.‬‬
‫בשנים האחרונות מכירים בעובדה שקרינת ‪ UV-A‬גם מסוכנת וגורמת להזדקנות מואצת של העור וכנראה גם‬
‫לסכנת סרטן‪.‬‬
‫ה‪ SPF -‬לא מתייחס להגנה מ ‪ UV-A‬ולמעשה שנים רבות לא היו בקרם השיזוף מרכיבים המגנים ממנה‪.‬‬
‫בשנים האחרונות המודעות עלתה ולכן נוספו מרכיבים כאלו‪.‬‬
‫אין (למיטב ידיעתי) מדד אחיד ומוסכם כמו ‪ SPF‬להגנה מקרינת ‪ UV-A‬ולכן התייחסות ל‪ UVA -‬על האריזה פשוט‬
‫מציין את הוספת החומרים כנגד קרינה זו‪.‬‬
‫מומלץ להשתמש בתכשירים המציעים הגנה משולבת נגד קרינה על‪-‬סגולה מסוג ‪ SPF 33( UVB‬ומעלה ) ונגד קרינה‬
‫על‪-‬סגולה מסוג ‪( UVA‬הגנה של ‪ 03%‬ומעלה)‪.‬‬
‫בתכשירים בעלי מקדם הגנה הגבוהים מ‪ ,SPF 13 -‬לא נמצא יתרון משמעותי בהגנה על העור‪.‬‬
‫לסיכום‪...‬‬
‫מומלץ מאוד להימנע מחשיפה ארוכה לשמש‪ ,‬עם או בלי קרם הגנה‪ ,‬בטח בשעות החמות כאשר השמש מצויה ממש‬
‫מעל ראשנו‪ ,‬אז סכנת החשיפה היא הגבוהה ביותר‪.‬‬
‫מקורות קרינה אולטרה‪-‬סגולה‬
‫חוץ מהשמש‪ ,‬המהווה מקור קרינה אולטרה‪-‬סגולה חזק‪ ,‬ייתכן ונתקלתם גם במנורות אולטרה סגולות‪ .‬המנורות האלה‪,‬‬
‫בדר"כ בצורה של פלורוסנט סגול‪ ,‬נפוצים במועדונים (או גני ילדים) וגורמים לבגדים הלבנים לזהור בסגול בוהק‪ .‬האמת‬
‫היא שהמנורות האלה הן בעיקרן מנורות סגולות (אחרת לא הייתם רואים אותן מאירות‪ )...‬ובאמת פולטות קצת אור‬
‫אולטרה סגול בזנב הספקטרום‪.‬‬
‫מקור נוסף של קרינה אולטרה סגולה אנחנו יכולים למצוא ברכיבי ‪ ,LED‬דיודות פולטות אור‪ ,‬ובמיוחד ‪ LED‬סגול‪.‬‬
‫רכיבים אלו פולטים ספקטרום רחב של אור סגול‪ ,‬כאשר חלק ממנו נפלט גם באור אולטרה‪ -‬סגול‪.‬‬
‫אנרגיית יינון‬
‫בגלל אורך הגל הקצר והאנרגיה הגבוהה שנושא גל אולטרה סגול‪ ,‬הקרינה הזאת כבר מסוגלת ליינן אטומים או לפחות‬
‫לגרום לעירור רמות אלקטרוניות באטום‪ .‬למה הכוונה? כפי שלמדנו בשיעורים הקודמים‪ ,‬האטום מורכב מגרעין‬
‫ומאלקטרונים שמקיפים את הגרעין במסלולים מרוחקים‪.‬‬
‫לקרינה אולטרה סגולה יש אנרגיה שמספיקה על מנת להעיף אלקטרון ממסלולו מסביב לגרעין‪ ,‬מה שגורם לאחת משתי‬
‫התופעות הבאות‪:‬‬
‫‪ .5‬ליינן את האטום‪ ,‬לתלוש ממנו אלקטרון ולהשאירו עם מטען חיובי‪.‬‬
‫‪ .0‬הגל האולטרה סגול "מעורר" את הרמות האלקטרוניות‪ ,‬כלומר מעניק אנרגיה נוספת לאחד האלקטרונים במסלולים‬
‫הפנימיים ו"מעלה" אותו למסלולים חיצוניים‪.‬‬
‫בואו נראה את זה‪....‬‬
‫האפקט הפוטואלקטרי‬
‫במשך שנים רבות‪ ,‬יינון של אטומים על ידי קרינה אלקטרומגנטית נחשבה חידה גדולה עבור הפיסיקאים‪ .‬התוצאות‬
‫הניסיוניות היו מראות שקבלת יינון תלויה באורך הגל של הקרינה שאתה מקרין‪ ,‬בשימוש באורכי גל ארוכים (אור‬
‫נראה‪ ,‬אינפרה אדום וכד') לא היה מתקבל יינון כלל ובאורכי גל קצרים (אולטרה‪-‬סגול‪ ,‬רנטגן וגאמא) היה מתקבל יינון‪.‬‬
‫מי שפתר את הבעיה הזאת היה לא אחר מאשר אלברט איינשטיין (הוא קיבל על זה את פרס הנובל בפיסיקה)‪ .‬הפתרון‬
‫שלו היה הבסיס לתורת הקוונטים ולהכרה שאור באורך גל קצר מתנהג יותר כמו חלקיק (פוטון) ופחות כמו גל‪.‬‬
‫באמצעות מנורה אולטרה סגולה (גלים קצרים) נוכל להדגים את האפקט הפוטואלקטרי ולהראות שאכן איינשטיין צדק‪.‬‬
‫בניסוי הזה אנחנו נפרק מטענים ממתכת טעונה על ידי יינון אטומי המתכת‪.‬‬
‫‪ ‬נייר דבק‬
‫למי שרוצה לדעת קצת יותר לעומק‪...‬‬
‫לכל מתכת יש אנרגית סף מינימלית (האופינית לאותה מתכת) שמאנרגיה זו אלקטרונים יכולים להתנתק‬
‫מהמתכת רק אם האנרגיה (תדירות) של כל פוטון פוגע תהיה גדולה מאנרגית סף זו‪.‬‬
‫כלומר‪ ,‬אור בעל תדירות נמוכה לא יגרום לפליטת אלקטרונים ממתכת‪ ,‬ללא תלות בעוצמת האור‪ .‬זה גם‬
‫מסביר לנו מדוע כשאנו מגדילים את עוצמת האור מה שגדל זה רק את מספר הפוטונים אבל התדירות של כל‬
‫פוטון אינה גדלה‪ .‬לכן על מנת לשחרר אלקטרונים מהמתכת אנו לא צריכים להגביר את עוצמת האור הפוגע‬
‫אלה‪ ,‬מה שעלינו לעשות זה פשוט להגדיל את תדירות הפוטונים‪ ,‬כלומר להשתמש באור בעל אורך גל קצר‬
‫יותר‪.‬‬
‫פעילות‪ :‬האפקט הפוטואלקטרי‬
‫החומרים הדרושים‪:‬‬
‫‪ ‬מנורה אולטרה סגולה (גלים קצרים)‬
‫‪ ‬פנס ‪ LED‬לבן (או סגול‪ ,‬גלים ארוכים)‬
‫‪ ‬פחית ריקה‬
‫‪ ‬נייר דבק‬
‫‪ ‬מהדק משרדי (לא שדכן!)‬
‫‪ ‬חוטי מתכת דקים‬
‫‪ ‬מספריים‬
‫‪ ‬צמר פלדה‬
‫‪ ‬בלון‬
‫‪ ‬תבנית אלומניום‬
‫אזהרת בטיחות‪ :‬אין להסתכל לתוך המנורה האולטרה סגולה (גלים קצרים)!! אתם לא יכולים‬
‫לראות את עוצמת ההארה האמיתית של המנורה וזה עלול להיות מסוכן לראייה‪.‬‬
‫לצורך הניסוי אנחנו נבנה אלקטרוסקופ פשוט‪ ,‬מכשיר המודד מטען חשמלי‪ .‬האלקטרוסקופ שלנו‬
‫מבוסס על דחייה חשמלית של חוטי מתכת דקים הטעונים במטען שלילי (שלילי דוחה שלילי)‪.‬‬
‫קחו את הפחית והציבו אותה על שולחן מחומר מבודד (עץ או פלסטיק)‪ .‬הצמידו לראש הפחית מהדק‬
‫משרדי באמצעות נייר דבק והדביקו עליו את חו טי המתכת הדקים באמצעות נייר דבק‪ .‬ודאו שיש מגע‬
‫חשמלי בין כל חלקי המערכת‪ .‬השעינו תבנית אלומיניום על ראש הפחית‪ .‬וזהו‪ ,‬יש לכם אלקטרוסקופ‪.‬‬
‫בכדי לבדוק את הפעולה של האלקטרוסקופ נפחו בלון ושפשפו אותו בשער על מנת להטעין אותו‬
‫בחשמל אלקטרוסטטי‪ .‬געו עם הבלון חוטי המתכת הדקים על מנת להעביר אליהם את המטענים‪.‬‬
‫שימו לב איך לאט לאט‪ ,‬ככל שהאלקטרוסקופ נטען‪ ,‬הסרטים הדקים מתרחקים זה מזה‪.‬‬
‫האם תוכלו להסביר מדוע זה קורה?‬
‫כעת נרצה לפרוק את המטען שהצטבר באמצעות קרינה‪.‬‬
‫קרינה אולטרה סגולה באורך גל קצר‪ ,‬מסוגלת ליינן את אטומי המתכת ולשחרר אלקטרונים (ומטען)‬
‫אל האוויר‪ .‬כתוצאה מהיינון האלקטרוסקופ שלנו יאבד לאט לאט את המטען שהטענו עליו‪.‬‬
‫נסו קודם להאיר את תבנית האלומיניום (צריך להאיר איזור חשוף של אלומיניום) באמצעות פנס רגיל‪.‬‬
‫מה קרה?‬
‫אורך הגל של אור נראה הוא ארוך מדי ולא מסוגל ליינן (הוא לא נושא מספיק אנרגייה)‪.‬‬
‫כעת נסו להאיר את תבנית האלומיניום באמצעות המנורה האולטרה סגולה (גלים קצרים)‪ .‬מה קרה?‬
‫אורך הגל הנפלט מהמנורה הוא קצר מספיק על מנת ליינן את אטומי המתכת‪.‬‬
‫ייתכן ותצטרכו לשפשף את תבנית האלומיניום באמצעות צמר פלדה על מנת להסיר תחמוצות וציפויים‬
‫מפני המתכת‪.‬‬
‫כתוצאה מהיינון‪ ,‬מטען משוחרר מהמתכת לאוויר‪ ,‬מטענים חדשים זורמים לאיזורי היינון מהרצועות‬
‫הטעונות וכתוצאה מכך החוטים חוזרים לנוח במיקום הטבעי שלהם‪.‬‬
‫חומרים פלורוסנטיים ופוספלורוסנטיים‬
‫תופעה דומה הנקראת פלורוסנציה מתרחשת במולקולות מסוגים מסויימים‪ ,‬שם כתוצאה מפגיעה של אור אולטרה‬
‫סגול‪ ,‬המולקולה עוברת למצב מעורר אנרגטי ופולטת בחזרה קרינה בעלת אנרגיה נמוכה יותר ואורך גל ארוך יותר‪,‬‬
‫בדר"כ בתחום האור הנראה‪.‬‬
‫נקודה למחשבה‪:‬‬
‫חומרים פלורוסנטיים נמצאים בשימוש די נפוץ כיום‬
‫היכן ניתן למצוא בבית או בבית הספר חומרים פלורוסנטיים?‬
‫על מנת לעורר חומרים פלורוסנטיים ניתן בדר"כ להשתמש גם באור נראה‪ ,‬אבל האפקט הכי חזק מתקבל בשימוש באור‬
‫אולטרה סגול‪ .‬אנחנו נשתמש לצורך ההדגמות הבאות בפנס ‪ LED‬סגול שמאיר בעיקר בסגול אבל פולט קצת בתחום‬
‫ה‪( UVA‬תחום גלים ארוכים של אולטרה סגול)‪.‬‬
‫פעילות‪ :‬כתב סתרים‬
‫החומרים הדרושים‪:‬‬
‫‪ ‬מרקר צהוב‬
‫‪ ‬דף נייר‬
‫‪ ‬פנס ‪ LED‬סגול‬
‫ציירו על הדף ציור באמצעות המרקר‪.‬‬
‫החשיכו את החדר‪.‬‬
‫כעת האירו באמצעות פנס ה‪ LED‬בציור‪ ,‬מה אתם רואים?‬
‫ציירו על כף היד שלכם ציור באמצעות המרקר‪ .‬כעת שטפו את היד בברז מים עד שהצבע נעלם‪.‬‬
‫מסתבר כי גם לאחר שהפיגמנט הצהוב של המרקר נשטף במים‪ ,‬החומר הפלורוסנטי ממשיך להיצמד‬
‫ליד‪.‬‬
‫החשיכו את החדר‪ ,‬והאירו באמצעות פנס ה‪ LED‬על כפות ידיכם‪ ,‬וטאדאם הציור שוב מתגלה‪.‬‬
‫נקודה למחשבה‪:‬‬
‫מסתבר כי אבקות כביסה רבות מכילות חומרים פלורוסנטיים‪.‬‬
‫מכיוון שרוב הכתמים‪ ,‬לאחר שטיפה במים‪ ,‬הם בצבע אופייני של צהוב‪ .‬ברגע שהחומר‬
‫הפלורוסנטי נתפס בבגד הוא מאיר בצבע אופייני סגול‪ .‬ומכיוון שצהוב וסגול הם צבעים‬
‫משלימים‪ ,‬הכתם לכאורה נעלם מהעין!‬
‫אם תיקחו אבקת כביסה (פועל בדר"כ בפירמות יקרות‪ )...‬ותאירו באמצעות פנס ה‪ ,LED‬תוכלו‬
‫לראות את האבקה זוהרת בסגול לזמן מה‪.‬‬
‫פעילות‪ :‬מי טוניק‬
‫החומרים הדרושים‪:‬‬
‫‪ ‬מי טוניק (של חברת שוופס‪ ,‬יש בכל סופר במדף בין הקולה לקינלי)‬
‫‪ ‬קערה שקופה (זכוכית או פלסטיק)‬
‫‪ ‬פנס ‪ LED‬סגול‬
‫מלאו את הקערה במי טוניק‬
‫החשיכו את החדר‪.‬‬
‫כעת האירו באמצעות פנס ה‪ LED‬את הנוזל‪ ,‬מה אתם רואים?‬
‫\‬
‫מי טוניק מכילים חומר הנקרא כינין (שבנוסף לזה שהו מריר הוא חומר פלורוסנטי)‪ ,‬שפולט אור סגול‬
‫בתחום ‪ UVA‬באורך גל של ‪ ,350nm‬כלומר‪ 0.0000000.0 ,‬המטר‪.‬‬
‫בדרך כלל אפשר לראות את מסלולי האור כפי שהם משתקפים בהארה הפלורוסנטית של מי הטוניק‪.‬‬
‫תוכלו גם להדגים תופעות של שבירה והחזרה מפני הנוזל‪.‬‬
‫לסיום‪ ,‬תוכלו לשתות את מי הטוניק בהנאה (האמת זה קצת מגעיל‪)..‬‬
‫חומרים מסויימים הנקראים פוספלורוסנטיים (ראדיום‪ ,‬טריטיום‪ ,‬זרחן היא דוגמא טובה) פולטים את האור‬
‫הפלורוסנטי במשך זמן ארוך‪ .‬תחשבו על זה כמו חומר שאפשר להטעין אותו באנרגיה על ידי הקרנה באור אולטרה סגול‬
‫ולאחר מכן החומר משחרר באיטיות את האנרגיה בצורה של אור נראה‪.‬‬
‫חומרים פוס פלורוסנטיים אפשר למצוא בשלטים של חדרי מדרגות או מקלטים ובמדבקות קיר של כוכבים שמדביקים‬
‫לתקרה‪ ,‬למשל‪.‬‬
‫פעילות‪ :‬פוספלורוסנציה‬
‫החומרים הדרושים‪:‬‬
‫‪ ‬שלט "יציאת חירום" זוהר בחושך (אפשר להשתמש על שלט שנמצא על הקיר בכיתה‪/‬במסדרון)‬
‫‪ ‬כוכבים זוהרים בחושך‬
‫‪ ‬פנס ‪ LED‬סגול‬
‫החשיכו את החדר‪.‬‬
‫כעת השתמשו בפנס ה‪ LED‬על מנת לצייר על פני השלט‪.‬‬
‫האור האולטרה סגול מפנס ה‪ LED‬גורם להארה חזקה על פני השלט שנשארת לאורך זמן רב‬
‫תוכלו גם להאיר על כוכבים זוהרים בחושך‪ ,‬ולהביא לתלמידים‪ .‬האור המתקבל נשאר לאורך זמן רב‬
‫בדרך כלל‪.‬‬
‫סיכום‬
‫‪.5‬‬
‫‪.0‬‬
‫‪.3‬‬
‫‪.4‬‬
‫‪.1‬‬
‫‪.6‬‬
‫למדנו על קרינה אולטרה סגולה‪ ,‬חלק מהתופעה של גלים אלקטרומגנטיים‪.‬‬
‫קרינה אולטרה סגולה (גלים קצרים) יכולה לגרום ליינון של אטומים ולפיכך מוגדרת כקרינה מייננת‪.‬‬
‫זהירות בחשיפה ממושכת בשמש‪.‬‬
‫שחזרנו את ניסוי האפקט הפוטואלקטרי בשימוש בקרינה אולטרה סגולה‪.‬‬
‫למדנו על חומרים פלורוסנטיים ופוס פלורוסנטיים‪.‬‬
‫להמשך פעילות‪ ,‬חומרים פלורוסנטיים נמצאים בשימוש במקומות שונים ולפעמים מפתיעים‪ ,‬נסו ללכת בחושך בבית‬
‫ולהאיר באמצעות פנס ה‪ LED‬הסגול‪ ,‬האם תוכלו להבחין בחומרים פלורוסנטיים?‬