אור

אור

אוֹר, או אור בתחום הנראה הוא קרינה אלקטרומגנטית בעלת אורך גל הנראה לעין האדם (380-780 ננומטר). במובן רחב יותר אור הוא קרינה אלקטרומגנטית בטווח שבין התת-אדום לעל-סגול, או כל סוג של קרינה אלקטרומגנטית. התחום בפיזיקה העוסק באור ובתופעות הקשורות נקרא אופטיקה.

המאפיינים העיקריים של אור (ושל כל קרינה אלקטרומגנטית) הם עוצמה, קיטוב ואורך גל או תדירות, הקובעים את הצבע. מהירות האור בריק היא קבועה, וקרובה ל-300 אלף קילומטר בשנייה, ובתווך חומרי המהירות קטנה יותר. האור הוא גל אך באופן קוואנטי האנרגיה שלו מגיעה במנות בדידות, כלומר גלי אור לא מגיעים בכל אנרגיה אלא רק בכפולות של יחידת אנרגיה בסיסית של אור שנקראת פוטון. הפוטון הוא חלקיק ומקיים תכונות דואליות. אור כמו כל גל אלקטרומגנטי, ניתן לביטוי חלקיקי זה, כפוטון, נטול מסת מנוחה ונע בממוצע במסילה גאודזית שהיא הדרך הקצרה ביותר בין שתי נקודות במרחב.

קליטת האור על ידי עין היא תנאי הכרחי לראיה, ולכן אנשים משתמשים בתאורה מלאכותית במקומות בהן עוצמת האור אינה מספיקה. לאור קיימים שימושים רבים בתקשורת ובטכנולוגיה, החל בנרות ועד לתאים פוטואלקטריים.

צבעים ואורכי גל

ספקטרום הצבעים של אור נראה עם אורכי הגל בננומטר.

ערך מורחב – צבע

אורך גל בפיזיקה הוא המרחק בין שני שיאים סמוכים של הגל. אורכי הגל השונים באור מתפרשים על ידי המוח האנושי כצבעים, מאדום באורכי הגל הגדולים ביותר ועד סגול באורכי הגל הקצרים ביותר. ניתן לראות את קשת הצבעים ואורך הגל שלהם באיור. אורך הגל קשור ביחס הפוך לתדירות הגל, באמצעות הנוסחה:

$f={\frac {c}{\lambda }}$, שבה $\ f$ היא התדירות, $\ \lambda$ הוא אורך הגל ו-$\ c$ היא מהירות האור.

התדירויות בספקטרום הנמצאות מיד מחוץ לטווח הראייה של העין האנושית נקראות על סגול (UV - UltraViolet) בתדירות הגבוהה ותת אדום (IR - InfraRed) בתדירות הנמוכה. ישנם בעלי חיים המסוגלים לראות על סגול (דבורים למשל), או תת-אדום (נחשים למשל). על אף שבני אדם לא יכולים לראות את סוגי האור הללו, ניתן לחוש בהשפעתם: תת-אדום בעוצמה מסוימת יכול לחמם את העור באופן מורגש, בעוד על סגול גורם לעור לאחר זמן מסוים לשיזוף. קיימות מצלמות היכולות לקלוט תת-אדום ולהמיר אותו לאות חשמלי ולתמונה. באופן דומה ניתן "לראות" אור על סגול על ידי המרתו לאור נראה באמצעות פלואורסצנציה.

מהירות האור

ערך מורחב – מהירות האור

מהירות האור בריק היא בדיוק 299,792,458 מטרים לשנייה, על פי הגדרת המטר. את מהירות האור בריק מקובל לסמן באות c. מהירות האור בריק זהה עבור כל צופה, כפי שנתגלה בניסוי מייקלסון-מורלי בשנת 1887. מקובל לחשוב שעל מנת ליישב תוצאה זו עם חוקי הפיזיקה, פיתח אלברט איינשטיין את תורת היחסות הפרטית אשר גרמה לשינוי מהותי בתפישת המרחב והזמן, והחליפה באופן סופי את תורת האתר. אחת התוצאות הנובעות מתורת היחסות היא שאינפורמציה אינה יכולה לעבור את מהירות האור, וכל גוף מסיבי לא יכול להאיץ למהירות האור, אלא רק להתקרב אליה.

בחומר שקוף מהירות התקדמות האור ($\ v$) נמוכה יותר ושווה למהירות האור בריק חלקי מקדם השבירה ($\ n$) של החומר:

$\ v={\frac {c}{n}}$

ברוב המקרים מהירות האור בחומר קטנה או שווה למהירותו בריק, ולכן לרוב ערכו של מקדם השבירה הוא גדול או שווה 1.

מקדם השבירה יכול להיות קטן מ-1, ובמקרה זה מהירות הפאזה בחומר $v_{\varphi }$ גדולה מ-$c$, דבר שלא סותר את תורת היחסות.

תופעות הקשורות לאור

קשת הנוצרת ממעבר אור השמש דרך רסס מים של מזרקה

קרן אור חודרת בין הקירות העשויים אבן גיר של קניון אנטילופ באריזונה.

האור יוצר מגוון גדול של תופעות, כאן מוצגות כמה מהחשובות שבהן:

• נפיצה (דיספרסיה) - תופעה שבה האור מתפרק למרכיביו על פי אורך הגל (קשת בענן היא דוגמה מרהיבה של נפיצה). הנפיצה נגרמת כתוצאה ממעבר האור דרך חומר שקוף בעל מקדם שבירה שאינו קבוע לכל אורכי הגל (ראו יחס נפיצה).
• תופעות שבירה והחזרה מחומרים - במעבר בין חומרים שונים, האור בחלקו מוחזר מהמשטח, ובחלקו מתקדם לתוך החומר הבא, תוך שבירה שהיא שינוי כוון ההתקדמות, על פי חוק סנל.
• עקיפה מתרחשת באופן הבולט ביותר כאשר האור עובר דרך סדק צר, בעובי הקרוב לאורך הגל. האור במקרה זה "עוקף" את הסדק ומתפזר לכל הכוונים, ויכול ליצור תבניות מורכבות בהתאם למספר הסדקים ועוביים.
• התאבכות היא תופעה של התחברות שני גלים, למשל אור המגיע משני מקורות. מתרחש חיבור של הגלים היוצר תבניות אור וחושך מורכבות, שנקראות תבניות התאבכות.
• לייזר הוא אור אשר מורכב כולו מאורך גל יחיד ונע בכוון אחד. אור בעל תכונות אלו נקרא קוהרנטי.

מהות האור

ערך מורחב – פוטון

כיום אופיו של האור (וקרינה אלקטרומגנטית בכלל) מתואר באופן הבסיסי והמדויק ביותר כפוטון בתורת האלקטרודינמיקה הקוונטית (QED), שהיא תורת שדות קוונטית העוסקת בכוחות אלקטרומגנטיים. תיאור זה של האור הוכח כמדויק עד כדי 10⁻¹² (מיליונית של מיליונית) של הגדלים הנמדדים בניסויים.

באלקטרודינמיקה קוונטית כל חלקיק הוא גם גל (ראו דואליות גל-חלקיק וכן תורת שדות קוונטית), בהתאם לסוג הניסוי שמבצעים. הפוטון (חלקיק האור) הוא חלקיק יסודי מסוג בוזון כיול, הוא נושא את הכח האלקטרומגנטי, אך המטען החשמלי שלו שווה אפס. האלקטרודינמיקה הקוונטית מתארת את הקשרים בין הפוטון לחלקיקים יסודיים טעונים (לדוגמה אלקטרונים) בעיקר באמצעות חישובים של דיאגרמות פיינמן.

תיאורים אחרים של האור (תאוריות היסטוריות המתוארות בהמשך) גם הם נכונים, כאשר עוסקים במערכות גדולות בהרבה מגודל של אטום או בעלות אנרגיה נמוכה יותר, או אם מבצעים חישובים בדרגות דיוק שונות. לשימושים רבים באופטיקה, למשל, נוח לתאר את האור כגל אלקטרומגנטי המקיים את משוואות מקסוול בלבד. לתצפיות אסטרונומיות, משתמשים במשוואות מקסוול בצורה יחסותית. לתופעות שזירה או חקר מולקולות, משתמשים בתיאור האור כחלקיק/גל על פי תורת הקוונטים.

ניתן לראות את תכונותיו השונות של האור במספר ניסויים שונים:

• האור כגל - בניסוי עקיפה, אור שעובר בסדק צר מתפזר לכל הכוונים כמו גל ים בסדק בין שוברי גלים סמוכים.
• האור כחלקיק - בניסוי הפוטואלקטרי, אור בתדר מסוים הפוגע במתכת, גורם לפליטה של אלקטרונים באנרגיה מסוימת בלבד, השווה לאנרגיה של פוטון בודד. ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לאפקט זה בשנת 1905 זיכה אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1921. יש לציין שכיום אנחנו יודעים שכדי להסביר את תוצאות האפקט אין צורך לדבר על פוטונים ומספיק ניתוח פשוט עם כלל הזהב של פרמי ואור קלאסי, כלומר בלי להתחשב בכך שרמות האנרגיה של האור בדידות.
• דואליות גל-חלקיק - ניתן בניסוי יחיד לראות את התנהגות האור כגל וכחלקיק: בניסוי שני הסדקים, אור מונוכרומטי (בעל תדר יחיד) עובר דרך שני סדקים צרים וקרובים זה לזה. מאחורי הסדקים מונח סרט צילום. על סרט הצילום מופיעה תבנית התאבכות, שהיא ביטוי לתכונות הגליות של האור. אולם כאשר מפחיתים את עוצמת האור תוך שמירה על התדר, מגיעים למצב בו נפלטים פוטונים בודדים, ונקלטים על סרט הצילום עם אותה התבנית, תבנית התאבכות, כלומר "חלקיק" בודד מפגין תכונות של גל.

התפתחות חקר מהות האור

העת העתיקה

ביוון הקדומה אמפדוקלס ניסה להסביר את האור במסגרת תורת ארבעת היסודות שאותה הגה. הוא שיער שהאור והראייה קשורים לאינטראקציה בין אש השמש לאש שנמצאת בעין. אחריו אוקלידס כתב בספרו אופטיקה את תצפיותיו על מהות האור, ביניהן שהאור נע בקו ישר, חוקי החזרת אור, ופקפוק בהשערה שהאור נובע מהעין.

בהינדואיזם אש היא אחד מחמשת היסודות, והאור נחשב לחלקיקי אש מהירים.

ימי הביניים

דף משוחזר מספרו של איבן סהל המתאר את חוק סנל

בימי הביניים, בתקופה שכונתה תור הזהב של האסלאם ושל המדע הערבי, חלה התקדמות גדולה בחקר האור ובמדע האופטיקה. איבן סהל (Ibn Sahl) חקר עדשות ומראות בעלות עקמומיות, וגילה את חוק סנל, שהוא חוק השבירה של אור בחומר שקוף. איבן אל-היית'ם (965–1040), אשר נחשב לאבי האופטיקה ולחלוץ השיטה המדעית, שיער שהאור הוא חלקיקים הנעים במהירות סופית. משטח מואר מאיר לכל הכוונים, ואת תופעת הראייה הסביר כפגיעה של קרן אור בניצב לעין. הוא ניסח את חוקי השבירה וההחזרה, גם מעדשות ומראות קעורות וקמורות, תוך שימוש במחקריו של איבן סהל, וחקר את תופעות הנפיצה, אור וצל, צבע האור בשקיעה, אשליית ההגדלה של השמש והירח הסמוכים לאופק, וליקוי חמה. מאוחר יותר קוטב אל-דין שירזי (Qotb al-Din Shirazi) עם תלמידיו המשיכו את מחקריו, והיו הראשונים לתת את ההסבר המדויק לתופעת הקשת בענן.

התורה הגלית והתורה החלקיקית

במאה ה-17 התגלו תופעות העקיפה וההתאבכות של האור בניסויים שערכו פרנצ'סקו מריה גרימלדי (Grimaldi) וג'יימס גרגורי. הסברים לא מספקים ניתנו באותה תקופה בידי אייזק ניוטון באמצעות התורה החלקיקית, ובידי כריסטיאן הויגנס באמצעות התורה הגלית של האור. הבדל בולט בין שתי התורות הוא שהתורה החלקיקית גרסה שהאור נע מהר יותר בחומר דחוס, ואילו התורה הגלית טענה שהאור נע לאט יותר בחומר דחוס (שהתברר כנכון). הויגנס ידע כי גלים אינם מסוגלים לנוע בחלל ריק אלא זקוקים לחומר כלשהו, ומכיוון שהאור מגיע אלינו מהחלל שאין בו אוויר, הויגנס שיער שקיים חומר בלתי נראה הממלא את כל החלל ונקרא בשם אתר, השערה שהחזיקה מעמד שנים רבות אך הופרכה מאוחר יותר על ידי אלברט איינשטיין במאמרו "על נקודת מבט היוריסטית בייצור והעברה של אור"

במאה ה-18 הראה לאונרד אוילר שתופעות העקיפה וההתאבכות מוסברות באופן פשוט יותר באמצעות התורה הגלית. רק בתחילת המאה ה-19 זכו התופעות להסבר מספק בתורה הגלית של האור, אשר דחקה רגליה של התורה החלקיקית. התורמים העיקריים היו אוגוסטן ז'אן פרנל, תומאס יאנג וסימאון דני פואסון (Poisson), אשר ערכו חישובים בתורה הגלית שהוכחו בניסויים נוספים, לדוגמה הסבירו באמצעות התורה הגלית את תכונת קיטוב האור.

בולט ניסוי שני הסדקים של יאנג אשר שימש להוכחת התורה הגלית באותה עת, ומאוחר יותר שימש להוכחת דואליות גל-חלקיק גם של חלקיקי חומר כמו האלקטרון במסגרת תורת הקוונטים.

תורות מודרניות

התורה האלקטרומגנטית - באמצע המאה ה-19 זיהה מייקל פאראדיי את הקשר בין אור לשדות חשמליים ומגנטיים, בניסוי שנקרא כיום אפקט פאראדיי. בניסוי עובר אור מקוטב דרך חומר דיאלקטרי שבו פועל שדה מגנטי, וכתוצאה מכך כוון הקיטוב מסתובב. פאראדיי שיער שהאור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית ושהוא יכול להתפשט גם בהיעדר כל חומר. השערה זו מבטלת את הצורך בקיום האתר. ממצאיו הובילו את ג'יימס קלרק מקסוול לחקור אור וקרינה אלקטרומגנטית. הוא מצא שמהירות ההתקדמות של קרינה אלקטרומגנטית שווה למהירות האור, ובכך חיזק את השערתו של פאראדיי. מקסוול תיאר מתמטית את תכונות הקרינה בתוך קבוצה של ארבע משוואות הנקראות משוואות מקסוול. בעקבות מקסוול יצר היינריך רודולף הרץ במעבדתו גלי רדיו, שהם סוג של קרינה אלקטרומגנטית, והראה שתכונותיהם זהות לאור, ושהם גורמים לתופעות האופייניות לאור כמו החזרה, שבירה, עקיפה והתאבכות. ממצאיו אישרו שאכן אור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית.

תורת היחסות הפרטית - בסוף המאה ה-19 הוכיח ניסוי מייקלסון-מורלי שהאור נע במהירות קבועה, ללא קשר למהירותו של הצופה. עובדה זו סתרה את הפיזיקה המוכרת באותה תקופה, ושימשה את אלברט איינשטיין כאחת מהנחות היסוד של תורת היחסות, בה הגדיר מחדש את המרחב והזמן. לאחר פיתוח תורת היחסות, התבררו משוואות מקסוול כלא מספיק כלליות, ונדרש ניסוח מחדש של משוואות מקסוול בצורה יחסותית.

תורת הקוונטים - בתחילת המאה ה-20, שתי תופעות שלא הוסברו בתורת האלקטרומגנטיות גרמו לפיתוח תורת הקוונטים:

• האפקט הפוטואלקטרי - פליטה של אלקטרונים ממתכת כאשר זו מוקרנת באור. לאלקטרונים הנפלטים אנרגיה קינטית שיחסית לתדירות הקרינה, ולא לעוצמתה כפי שציפו מהתורה האלקטרומגנטית. ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לתופעה זו הוא שהאור מורכב מחלקיקים שהאנרגיה שלהם יחסית לתדירותם. בעקבות הסבר זה זכה איינשטיין בפרס נובל.
• קרינת גוף שחור - האור שפולטים גופים חמים, שבו התדירות העיקרית (בעלת העוצמה הגבהה ביותר) יחסית לטמפרטורת הגוף, וגם תופעה זו לא הוסברה בתורה הגלית. מקס פלאנק הסביר את האור כחבילות גלים, שלהם מידה לא רציפה אלא בדידה של אנרגיה, הקוונטה (בלטינית quanta, "מידות"). פלאנק זכה אף הוא בפרס נובל, על גילוי והבנת הקוונטה.

איינשטיין ופלאנק הסבירו את האור באמצעות דואליות גל-חלקיק כגל וגם כחלקיק, כאשר החלקיק נקרא פוטון, הוא חסר מסה והאנרגיה שלו $\ E$ שווה לתדירות $\ f$ כפול קבוע פלאנק $\ h$:

$\ E=hf$.

מאוחר יותר הרחיב לואי דה ברויי את הדואליות גם לחלקיקים אחרים, בעלי מסה, כדוגמת האלקטרון, וקישר את אורך הגל למסה ולתנע של החלקיק (ראו השערת דה ברויי).

אלקטרודינמיקה קוונטית - נחשבת לתורה הפיזיקלית המדויקת ביותר. תורה זו מתארת את האור כשדה בתורת השדות הקוונטית. התורה התפתחה במחצית הראשונה של המאה ה-20. בתורה זו הפוטון הוא עירור (מצב בעל אנרגיה גבוהה) של שדה כיול (שדה שמוגדר כדי לשמור על המטען החשמלי). בתורה זו הפוטון מגיב עם חלקיקים טעונים חשמלית בלבד, באמצעות חוקי פיינמן. תורה זו נבדקה בניסויים בדיוקים גבוהים, לדוגמה ספקטרום פליטה של אטומים, כלומר אורכי הגל שאטום פולט כאשר מוסיפים לו אנרגיה.

תאורה ומקורות אור

צילום של נורת כספית (בפנס רחוב) דרך סריג עקיפה עגול, הגורם לפיצול אלומת אור הכספית למרכיבי הספקטרום השונים שלה.

השמש היא מקור האור העיקרי על פני כדור הארץ. קרינת השמש נובעת מהטמפרטורה הגבוהה שלה, כ-5,500 מעלות צלזיוס, בהתאם לחוק קרינת גוף שחור. גם נורת להט ביתית קורנת מאותה סיבה, אך הטמפרטורה שלה נמוכה יותר, ולכן אורה נוטה לכוון הצבע האדום. עצמים (וכוכבים) בטמפרטורה גבוהה יותר מהשמש קורנים באור הנוטה לכחול. בעלי חיים, לעומת זאת, הנמצאים בטמפרטורה סביב ה-40 מעלות, פולטים קרינה בתחום התת-אדום. אור הנפלט כתוצאה מקרינת גוף שחור הוא בעל ספקטרום רציף, כלומר מכיל את כל הצבעים בתחום רחב. נורת להט למשל מפיצה אור רב גם בתחום התת-אדום שאינו נראה לעין ואינו תורם לתאורה.

אור נפלט כתוצאה ממעברי אנרגיה של אלקטרונים. כאשר אלקטרון חוזר מרמת אנרגיה גבוהה אל רמה נמוכה יותר, הוא פולט פוטון בעל אנרגיה ששווה להפרש האנרגיה בין הרמות, ולכן גם בעל צבע מתאים. רמת אנרגיה יכולה להיות שייכת לאטום בודד או למולקולה. אור שנפלט עקב מעברי אנרגיה בדידים הוא בעל ספקטרום בדיד, ומכיל רק צבעים מסוימים.

מקורות תאורה בדידים הם למשל נורות פריקה, כמו נורת כספית או נורה פלואורסצנטית, אשר אינן מחוממות לטמפרטורה גבוהה כמו נורת להט, אלא מופעלות באמצעות יינון הגז במתח חשמלי גבוה, אשר מקפיץ את האלקטרונים לרמה גבוהה. חזרה של האלקטרונים לרמה הנמוכה פולטת אור בצבעים בדידים. אור בצבעים שונים נפלט גם בשריפה של חומרים: בוטאן (אחד המרכיבים בגז בישול) מפיץ אור כחול בשריפה בסביבות 500 מעלות, עקב מעברי אנרגיה במולקולת הבוטאן. נורת LED פועלת באופן דומה, אך רמות האנרגיה שייכות למוליך למחצה ולא לגז מיונן.

לומינסנציה היא פליטת אור מגופים שאינם חמים, כמו ביולומינסנציה, שהיא פליטת אור של יצורים חיים או צמחים − גחליליות ודגי מעמקים למשל, הפולטים אור בשלל צבעים, בהם כחול, ירוק ואדום. דוגמה נוספת היא קרינה פלואורסצנטית או פוספורסצנטית (זרחנית), שהיא פליטה של אור בתגובה מושהה לבליעה של אור, לעיתים בצבע אחר (גם המרה של אור תת-אדום או על-סגול לאור נראה). עכביש הטרנטולה מצופה חומר זרחני שפולט אור כתוצאה מקרינה על-סגולה. גופים זרחניים יכולים להאיר גם שעות רבות ומשתמשים בהם למשל לציפוי מחוגי שעונים. קרינה זרחנית נובעת ממעברי אנרגיה "אסורים" (הסיכוי של אלקטרון לבצע את המעבר נמוך מאוד), כך שלוקח לחומר זמן רב לפלוט את האנרגיה שנבלעה.

לייזר הוא אור הנפלט כאשר מעבר אנרגיה מאולץ באמצעות פוטון אחר. במקרה זה הפוטונים הם בעלי אותו מופע (נקודה במחזור הגל) ולכן הקרינה היא קוהרנטית וחזקה עקב התאבכות בונה (שיאי הגל מופיעים יחד).

קרינת השמש

ספקטרום קרינת השמש

סך קרינת השמש היא כ-1000 וואט למטר רבוע על פני כדור הארץ, כאשר העוצמה מתחלקת לאורכי גל שונים על פי הספקטרום המצויר בגרף משמאל.

נורות להט

נורות להט אופייניות פועלות בטמפרטורה של כ-2600 מעלות צלזיוס (2856 מעלות קלווין לנורת CIE סטנדרטית מסוג A). יעילות אופיינית של נורת להט כזו נע בין 10-15 לומן לוואט.

נורות פלואורסצנטיות קומפקטיות

נורות פלואורסצנטיות קומפקטיות, הן נורות חסכניות בחשמל מאשר נורות להט, והן קרות בהרבה מנורות להט ופולטות ספקטרום שונה מאוד מגוף שחור. יעילותן לתאורה היא בסביבות 45 לומן לוואט בממוצע לעומת נורת ליבון שיעילותן היא בסביבות 15 לומן לוואט בממוצע.

מדידת אור

דיאגרמת צבעים תקנית (CIE 1931-1964). הצבעים המונוכרומטיים נמצאים כולם על השפה הקשתית של האיור, ומוצג גם אורך הגל שלהם בננומטרים.

פוטומטריה ורדיומטריה הן שני תחומים מקבילים העוסקים במדידת עוצמת האור. ברדיומטריה נמדדת עוצמת האור ביחידות הספק, בעיקר וואט. לעומת זאת, בפוטומטריה נמדדת העוצמה הנראית לעין האדם, ויחידות המידה תלויות באופן בו העין תופשת את האור. יחידות המידה הפוטומטריות משוקללות בעקומה הפוטופית, שהיא רגישות העין לאורכי גל שונים. המעבר בין יחידות פוטומטריות ליחידות רדיומטריות מורכב, ותלוי בספקטרום האור.

מדידת צבע האור היא נושא חשוב נוסף. אור מונוכרומטי הוא בעל אורך גל אחד, וצבעו יכול להיות אחד מצבעי הקשת בענן. מקורות תאורה פולטים אור שמורכב מכמה צבעים כאלו בו-זמנית ויוצרים צבעים אשר אינם בקשת הצבעים, למשל לבן, חום או ורוד. אוסף כל הצבעים, כולל המורכבים, ניתן להצגה על משטח, כמו באיור משמאל. רכיבי הצבעים השונים באור ניתנים למדידה בספקטרומטר, שהוא מכשיר המפרק את האור לרכיבים מונוכרומטיים ומודד את עוצמתם בנפרד. שיטות הפירוק למרכיבים שונות ממכשיר למכשיר, ויכולות להיות מנסרה, סריג עקיפה או פילטרים מונוכרומטיים. את צבע האור אפשר לרוב למדוד בקירוב טוב למדי, באמצעות מדידת העוצמה היחסית של שלושה תחומים ספקטרליים בלבד, אם הם נפרדים זה מזה ומכסים יחד את רוב התחום הנראה.

מדידת קיטוב האור מכונה פולרימטריה. באופן בסיסי ניתן לקבוע את קיטוב האור בעזרת מקטב.

מידות רדיומטריות

היחידה הבסיסית למדידת עוצמת קרינה היא ההספק הזוויתי הנמדד בוואט לסטרדיאן (זווית במרחב).

מידות פוטומטריות

היחידה הבסיסית למדידת עוצמת הארה היא הקָנְדֶלָה (מסומנת ב-cd), "נר" בלטינית, והיא התאורה של נר ממוצע. הקנדלה היא גם ההספק הזוויתי $\ I$ כפול העקומה הפוטופית $\ {\overline {y}}$ כפול קבוע, בכל אורך גל $\ \lambda$:

$I_{v}(\lambda )=683.002\cdot {\overline {y}}(\lambda )\cdot I(\lambda )$

קיימים גדלים נוספים המודדים קרינה והארה: לומן, לוקס, למברט לדוגמה.

שימושים

האור יכול לשמש ליצירת אנרגיה ולמטרות נוספות.

ייצור אנרגיה

ישנן מספר דרכים להשתמש באור לצורך הפקת אנרגיה, הן על ידי האדם ואן על ידי יצורים חיים אחרים בטבע.

פוטוסינתזה ושימוש באנרגיית אור בטבע

צמחים יכולים להפיק אנרגיה מאור השמש בתהליך המכונה פוטוסינתזה

ערך מורחב – פוטוסינתזה

פוטוסינתזה או הַטְמָעַת אוֹר, היא תהליך הפקת אנרגיה ותרכובות אורגניות מתרכובות אי-אורגניות המתקיים בחלק מהיצורים החיים, בכללם צמחים, אצות, וקבוצות מסוימות של פרוטיסטים וחיידקים, כתוצאה מקליטת אור ופירוק מים ופחמן דו-חמצני.

אחד הגורמים העיקריים שמשפיעים על גדילת הצמח והתפתחותו הוא האור. צמחים הופכים את אור השמש לאנרגיה כימית בתהליך הפוטוסינתזה. תהליך הפוטוסינתזה מאפשר לצמח הירוק גם לייצר פחמימות ולבנות את גופו מחומרים אי-אורגניים פשוטים. כפי שיוצג בהמשך אנרגיה זו יכולה גם לשמש בעלי חיים שאוכלים את הצמחים, כמו גם לשמש את האדם בצרכים תעשייתיים מגוונים. דוגמה לניצול אנרגיה של צמחים היא ייצור דלק, כמו ביו דיזל ואתנול.

על פי רוב, צמחים השרויים באור שמש בהיר מגיעים להטמעת אור אופטימאלית. ישנם גם צמחים המכונים "שוחרי צל", אשר מסוגלים לגדול ולשגשג גם באור כהה יחסית. כמו למשל האור המסתן דרך עלוות העצים או קרינה לא ישירה של אור, אשר נכנס לחדר דרך החלונות. רוב צמחי הבית הם צמחים שוחרי צל ועל כן קרינה ישירה של שמש עלולה להציק לעליהם.

הפקת אנרגיה סולרית על ידי האדם

תאים פוטו-וולטאים על גג בית פרטי

ערך מורחב – אנרגיה סולארית

קרינת השמש מספקת אנרגיה רבה על פני כדור הארץ, שמנוצלת בטבע ויכולה להיות מנוצלת לצורכי האדם. בליעה של אור השמש באוויר ובאדמה היא המספקת לנו תנאים שמאפשרים מחיה, והיא הגורם העיקרי למזג האוויר. שימוש באור השמש לצורכי האדם גדל בחשיבותו לנוכח עליית מחירי הדלק המאובן ומודעות לאיכות הסביבה, שכן זהו מקור לאנרגיה מתחדשת. למעשה רוב האנרגיה שהאדם מנצל מקורה בקרינת השמש: נפט ופחם נוצרו לפני מיליוני שנים, כאשר השמש סיפקה אנרגיה לצמחים ובעלי חיים שמתו ובתנאים מסוימים שקעו והפכו לדלק מאובן.

• תא פוטו-וולטאי הופך את אור השמש למתח חשמלי, ומייצר אנרגיה חשמלית. ישנן תחנות כוח שפועלות על אנרגיה סולארית, אם כי הן מייצרות הספק נמוך ביחס לסוגי דלק אחרים ודורשות שטח גדול. תאים פוטו-וולטאים מותקנים על גגות בתים, אך גם על מכוניות, מטוסים ולוויינים, כמו גם על מכשירים מסוימים, כמו מחשבוני כיס, מדחנים ופנסי רחוב.
• דוד שמש מנצל את אור השמש באופן ישיר לחימום מים.

שימושים אחרים

חלון רוזטה בסגנון גותי קורן. האדריכלות הגותית שמה דגש על אור שעובר דרך חלונות ויטראז' ומאיר את חלל המבנה

• תקשורת אופטית - אור נוצל בעבר לתקשורת למרחקים ארוכים באמצעות שרשרת מדורות שהודלקו על ראשי הרים. מגדלור משמש לאיתות אל ספינות. כיום משתמשים בסיבים אופטיים לתקשורת ברוחב פס גדול (קצב מהיר של העברת נתונים) גם למרחקים גדולים.
• מחקר - הספקטרוסקופיה משתמשת באור לחקר תכונות חומרים: לכל חומר יש תדרים מסוימים שבהם הוא בולע אור (ראו פסקה מקורות אור), ולכן באמצעות הקרנת החומר וניתוח של האור המוחזר מתגלות תכונות החומר, על פי הצבעים (התדרים) הנפלטים מהחומר. אפשר לדעת בדיוק גבוה אילו יסודות מצויים בחומר, וגם תרכובות וקשרים כימיים. באופן זה חוקרים גם כוכבים, ומנתחים את תכולתם ואופן פעולתם. כל המידע על פעולת כוכבים ועתיד מערכת השמש מגיע מחקר הכוכבים - אסטרונומיה.
• טיפול בחומרים - דבקי-UV וסוגי סתימת שן מסוימים מתפלמרים (מתקשים) באור על-סגול. ישנם דבקים שמספיק מרכיב העל-סגול שבקרינת השמש כדי להקשותם, וישנם דבקים שנדרש מקור אור מיוחד לכך.
• תאורה באומנות ואדריכלות - משמשת לצרכים מעשיים כמו גם ליופי. מטרת התאורה היא לייצר ולכוון קרני אור כך שיוחזרו מהמשטחים המוארים להשגת התוצאה המבוקשת. השגת מטרות התאורה מתבצעת באמצעות מקורות אור מלאכותיים כמו נורה חשמלית וגוף תאורה, או טבעיים כמו אור יום. דוגמאות לשימוש באור לתאורה כוללות ויטראז'ים (בעיקר באדריכלות הגותית), כמו גם תאורת במה בתיאטרון ובהופעות.

ראייה

ערך מורחב – מערכת הראייה

מערכת הראייה היא שם כולל לאיברים והמרכזים העצביים המאפשרים לבעלי חיים לראות. מערכת הראייה של האדם מורכבת מהעין שקולטת אור והופכת אותו לאותות, ומערכת העצבים שמובילה ומעבדת את האותות.

במערכת העצבית מספר מסלולים בהם עוברים האותות, ולהם תפקידים שונים:

• המסלול הראשון חשוב לעיבוד המידע החזותי, ומשתתפים בו התלמוס, בו מתבצע העיבוד הראשוני של המידע החזותי, וקליפת המוח הראייתית, בה מתבצע עיבוד מתקדם יותר.
• המסלול השני מגיע לקליפת המוח דרך המוח התיכון, המבקר את תנועת העין.
• המסלול השלישי עובר דרך ההיפותלמוס ומשמש לתיאום מקצב השעון הביולוגי בהתאם לתאורה השוררת בסביבה, ושולט על שינוי גודל האישון בעין.

העין מרכזת את האור באמצעות העדשה והקרנית המצויות בחזית העין. העדשה יכולה לשנות את עובייה כדי להתאים לראייה ממרחקים שונים. כמות האור הנכנסת נקבעת באמצעות גודל האישון, הנשלט בידי שרירי הקשתית. צורת העין היא בקירוב כדור, שעל חלקו הקדמי מורכבת כיפה (הקרנית). האור שעובר באישון מרוכז על הרשתית המצויה באחורי העין. הרשתית מכילה תאים קולטי אור - קנים, מדוכים ותאי גנגליון קולטי אור. הקנים רגישים לאור, ללא קשר לצבעו, ואחראים על ראיית לילה. המדוכים, או תאי חרוט, רגישים לצבע. ההבחנה בין הצבעים נעשית על ידי שלושה סוגים של תאי חרוט, אשר כל אחד מהם רגיש לצבע ראשוני אחר - אדום, ירוק או כחול. תאי גנגליון קולטי אור אחראיים על הבחנה בעוצמת האור, ולא על ראית תמונה.

המנגנון ההופך אור לאות במוח הוא בליעת פוטון על ידי התא קולט האור והפיכתו לזרם חשמלי. כל תא כזה מכיל חלבון הנקרא אופסין, המכיל מולקולה רגישה לאור הנקראת רטינל (שהוא ויטמין A מחומצן). כאשר פוטון פוגע בתא, הוא נבלע תוך שינוי צורת הרטינל והאופסין. שינוי זה בצורתם משנה את המתח החשמלי על פני החלבון, וזה נקלט בעצב ומועבר הלאה, אל המוח.

פעולת המצלמה דומה לפעולת העין, אך את התפקידים של ריכוז וקליטת אור במצלמה ממלאים רכיבים מלאכותיים.

אזכורים

בתנ"ך

למרות שבתורה נאמר (בראשית א ג ) "וַיֹּאמֶר אֱלֹהִים יְהִי אוֹר וַיְהִי אוֹר. " הרי שאין הכוונה שם לאור רגיל, כיוון שהאור שאנו מכירים נוצר עם השמש ושאר הכוכבים ביום הרביעי שנאמר (בראשית א יד) " וַיֹּאמֶר אֱלֹהִים יְהִי מְאֹרֹת בִּרְקִיעַ הַשָּׁמַיִם לְהַבְדִּיל בֵּין הַיּוֹם וּבֵין הַלָּיְלָה וְהָיוּ לְאֹתֹת וּלְמוֹעֲדִים וּלְיָמִים וְשָׁנִים. ". אחד ההסברים לאותו אור בראשיתי של היום הראשון, הוא היותו למעשה המפץ הגדול.

קישורים חיצוניים

• איתי להט, בחזרה לשמיים, באתר כלכליסט, 17 במאי 2012
• ארז גרטי, ‏נושא חודש דצמבר 2010 – באנו חושך לגרש: האור, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 25 נובמבר 2010
• אברהם קציר, ‏קרן אור - מהפכת האור, הרצאה בסדרת ההרצאות "בכור המהפכה", 5 במאי 2015
• J. J. O'Connor, E. F. Robertson (2002), Light through the ages: Ancient Greece to Maxwell
• Filming the Speed of Light at 10 Trillion FPS, סרטון באתר יוטיוב - מצלמה המסוגלת לעקוב אחר התקדמות אור