כל הכבוד על השאלה! תמיד כיף לגלות את ההסבר הפיזיקאלי לתופעות שאנו נוטים לקבל כמובנים מאליהם.
תחילה בואו ניזכר במעט (מאוד) פיזיקה של אור. הסביבה שבה קרני האור נעות נקראת תווך או מדיום (מהמילה באנגלית medium) והתשובה לשאלתך נעוצה באופן שבו קרני האור מתנהגות במעבר מתווך לתווך. כדי להבחין בעצם שאינו מאיר בעצמו, קרני האור (ממקור כגון מנורה או השמש) צריכות תחילה לפגוע בו, להשבר ולהיות מוחזרות אל עינינו. דבר זה נכון עבור כל עצם החל מחולצה אדומה, כוס מים או הירח. הצבע, הבהירות והברק של כל עצם תלויים בעיקר באופן שבו האור מגיב עמו בזמן השבירה. לדוגמה, אם גם זכוכית וגם המים שקופים, איך זה שבכל זאת אנו מסוגלים לראות כוסות מים? התשובה היא שכאשר אור עובר דרך כוס המים הוא נשבר כך שהדברים שנמצאים מאחוריה נראים מעוותים.
במעבר בין האוויר לזכוכית, ממנה למים וחוזר חלילה קרני האור נשברות והתמונה המתקבלת בצד השני איננה התמונה לה היינו מצפים אילו כוס המים לא היתה שם. אפשר לראות זאת בקלות כאשר מכניסים עיפרון לכוס מים או מציבים אותו מאחוריה. העיפרון יראה מוזר, כאילו החלק שנמצא מחוץ למים והחלק שבתוכם אינם מחוברים. העיקרון לפיו קרני האור נשברות במעבר מתווך לתווך התגלה לפני מאות שנים ונוסח בחוק סנל1 המגדיר את זוויות השבירה. מבלי להכנס לפרטים, לכול חומר וגם לריק ישנו מקדם שבירה המסומן בדרך כלל באות האנגלית n.
שבירת האור במעבר מתווך לתווך תלויה ביחס בין מקדמי השבירה. למעשה, כאשר קרני אור הנעות בתווך מסויים פוגעות בתווך אחר, חלק מהאור יחדור לתווך החדש (טרנסמיציה Transmission) וחלקו יחזור אחורה (רפלקציה Reflection). הכמות היחסית של האור העובר טרנסמיציה או רפלקציה מוכתבת על ידי מקדמי השבירה של התווכים בניהם הוא נע. חשוב להדגיש בהקשר זה שהמעבר אינו סימטרי ויש חשיבות לסדר התווכים. כלומר, כמות האור שתעבור מאוויר לזכוכית (או למים) שונה מכמות האור שתעבור מזכוכית (או ממים) לאוויר.
כדי לענות לשאלתך נתחיל מבד לבן ללא צבע. באופן מפתיע, לא רק המים שמרטיבים את הבד שקופים, החומרים ממנו הוא עשוי, פוליסטירן כותנה בד"כ, שקופים גם הם. אז למה הבד לבן? התשובה נעוצה בשבירת האור מסיבי הבד. בד, כידוע מורכב מסיבים (חוטים דקים) השזורים וארוגים זה בזה2.
.jpg)
בתמונה: סיבי פוליאסטר בתמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. החוטים מהם ארוג הבד הם קבוצות הסיבים הגדולות, ניתן לראות שקבוצות אלו מורכבות בעצמן מסיבים קטנים יותר.
כאשר אור לבן, כגון אור השמש או אור ממנורות רגילות, פוגע בבד הוא נשבר, חלקו עובר וחלקו מוחזר בכול הכיוונים האפשריים ממאות אלפי הסיבים מהם מורכב הבד. חלק מהאור הלבן מגיע לעיננו וזו הסיבה שחולצה העשויה מבד זה נראית לבנה. תופעה זו נקראת פיזור (Scattering) וניתן למצוא אותה בחיי היום יום במקומות רבים, הצבע הלבן של החלב הוא דוגמה אחת לכך. סיבי הבד מפזרים אור ביעילות גבוהה כל כך מכיוון שקיים הבדל גדול מאוד במקדם השבירה שלהם יחסית לאוויר. כאשר אנו מרטיבים חולצה (לבנה) אנו בעצם מכניסים מים בין סיבי הבד. ההבדל במקדמי השבירה של המים וסיבי הבד קטן יותר ולכן תופעת הפיזור פוחתת. למעשה המים מאפשרים ליותר אור לחדור דרך הבד ולא להיות מוחזר ממנו. מסיבה זו בגדים לבנים הופכים שקופים כאשר מרטיבים אותם. כדי להתגבר התופעה (והמבוכה שמתלווה אליה בדרך כלל) מוסיפים לעיתים לבגדים צבע לבן אשר ממשיך לפזר את האור ביעילות גם כאשר הבגד רטוב.
ולשאלת הכהות: הצבע בבגדים מורכב מחומרים אשר בולעים חלק מהאור המגיע אליהם. כפי שהקשת מוכיחה לנו כל חורף מחדש האור הלבן המגיע מהשמש (אך גם ממנורות) מורכב למעשה מהרבה צבעים שונים. בד הצבוע אדום למשל, מכיל חומר הבולע את כל הצבעים מלבד אדום; צבע שחור בולע את כל קשת הצבעים. כהות הבד נקבעת על פי עוצמת האור המוחזר ממנו לאחר שהצבע "הסיר" מהאור הלבן את הצבעים העודפים.
כעת, אם נשלב את ההסברים, המים המרטיבים את הבגד גורמים לאור המגיע אליו להתפזר פחות ולחדור יותר אל הבד. המבנה של סיב הבד, לו מקדם שבירה גבוה, העטוף במים, בעלי מקדם שבירה נמוך יותר מבטיח כניסה יעילה של אור אל הסיב ו"כליאתו" שם. מכיוון שיש פחות החזרה של אור, הצבע בבד חופשי לבלוע יותר ממנו ולכן למי שמסתכל על הבד נראה כאילו הוא כהה יותר. חשוב לזכור, הכהות היא לא שינוי בגוון אלא בכמות האור המוחזרת מהבד לענינו.
חתול רטוב - אולי לא יותר כהה, אבל בטוח פחות מרוצה (באדיבות ויקיפדיה).
את התופעה של "כליאת" האור בסיב בעל מקדם שבירה גבוה העטוף בחומר בעל מקדם שבירה נמוך יותר אנו מנצלים עבור תקשורת. סיבים אופטיים פועלים בדיוק על פי העיקרון הזה, אבל זה כבר סיפור אחר.... מקווה שהצלחתי לענות :-)
מאת: ניר קדם
המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון וייצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
