סגולה - קרינה אולטרה 3: מערך שיעור
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?
© Copyright 2024