מדוע נייר דבק מאיר כאשר פותחים אותו בחושך? ואיך אפשר להאיר עם גבישי סוכר?

אם הזדמן לכם אי פעם לפתוח פלסטר או סליל נייר דבק בחושך (לא? שווה לנסות!) אולי נתקלתם בתופעה מוזרה – אור כחלחל חלש שבוקע מהאזור שבו מתבצעת התלישה. תופעה זו, שזכתה לשם טריבולומיניסנציה (triboluminescence, מן המילים tribein – "לשפשף" ביוונית ו-lumen – "אור" בלטינית), מוכרת כבר מאות שנים מכיוון שהיא מתרחשת בחומרים רבים וקלה לשחזור. בני השבט האמריקאי-ילידי אוט (Ute) ממרכז קולורדו, למשל, עושים שימוש טקסי ברעשן עשוי עור תאו (בופאלו), המכיל גבישי קווארץ שמתנגשים זה בזה ופולטים אור. אף שקל להדגים את התופעה, ההסבר המדעי שלה מורכב למדי. 

רעשן מעור תאו של שבט אוט האמריקאי | צילום: Waya sahoni, ויקיפדיה, נחלת הכלל
שימוש טקסי בטריבולומיניסנציה. רעשן מעור תאו של שבט אוט האמריקאי | צילום: Waya sahoni, ויקיפדיה, נחלת הכלל

פליטת אור בעקבות שבירה של חומרים, ולא עקב עלייה בטמפרטורה, תועדה לראשונה כבר במאה ה-15, בעבודותיהם של פרנסיס בייקון (Bacon) ורוברט בויל (Boyle‏), אשר תיארו בכתביהם את האור הבוקע מגבישי סוכר כאשר שוברים אותם. את השם "טריבולומיניסנציה" העניקו לתופעה החוקרים אילהרד וידמן (Wiedemann) וגרהרד קארל שמידט (Schmidt) במאה ה-19.

סוכריה פולטת אור בעקבות מכת פטיש | צילום: TED KINSMAN / SCIENCE PHOTO LIBRARY
הסוכר הזוהר. סוכריה פולטת אור בעקבות מכת פטיש | צילום: TED KINSMAN / SCIENCE PHOTO LIBRARY

סערה בקערית סוכר

טריבולומיניסנציה אינה תהליך אחד ויחיד, אלא תופעה המתרחשת במנגנונים שונים בחומרים שונים.  באופן כללי היא מורכבת משני שלבים עיקריים: הפרדה בין מטענים חשמליים כתוצאה מתהליך מכני (כגון תלישת נייר דבק או שבירת גביש), ופליטה של אור מהחומר עצמו או מהתווך שהוא נמצא בו.

כאשר מפרידים נייר דבק או שוברים גבישים מסוימים, כגון סוכר, נוצרת הפרדה של מטענים חשמליים: במשטח אחד יש עודף של מטען חיובי, ואילו על המשטח הנגדי יש עודף של מטען שלילי. אוויר "רגיל" אינו מוליך חשמל, אך כאשר הפרש המתח החשמלי בין שני המשטחים גדול מספיק, מתרחשת תופעה שנקראת פריצה חשמלית. תופעה זו מוכרת לכולנו מחוויית ה"זץ" הלא נעים שאנחנו חשים כשאנו נוגעים במתכת ביום יבש – וגם מצפייה בברקים

כאשר הפרש המתח החשמלי בין שני המשטחים גבוה מספיק, הוא גורם לאלקטרונים של מולקולות הנמצאות באוויר להתנתק מהן (בתהליך שנקרא יינון) ולהאיץ. האלקטרונים המואצים פוגעים באטומים נוספים, מעבירים להם אנרגיה, גורמים לניתוק האלקטרונים שלהם וחוזר חלילה, עד שנוצר זרם אלקטרונים הנע דרך האוויר בין שני המשטחים. וכיצד נוצר האור? כאשר אלקטרון פוגע במולקולה ומעביר לה אנרגיה, המולקולה עשויה לאצור בתוכה את האנרגיה לזמן קצר (בתהליך שמכונה עירור אלקטרוני) ואז לשחרר אותה בצורה של גל אלקטרומגנטי (את הגל הזה אפשר לתאר גם כחלקיק אור, הנקרא פוטון). כמות האנרגיה המשתחררת תקבע אם הגל האלקטרומגנטי שייפלט יהיה אור נראה, או אפילו גל אנרגטי יותר כגון קרינה על-סגולה או קרינת רנטגן. 

האור הכחול המופיע כשפותחים נייר דבק או שוברים גביש סוכר נוצר בעקבות עירור אלקטרוני של מולקולות חנקן באוויר. מכאן שלסוג ולכמות של הגז שבו מתבצעת פעולת התלישה יש השפעה על הצבע שנראה. אך יש גם חומרים רבים שבהם החומר עצמו, ולא האוויר שסביבו, הוא שעובר עירור ופולט אור כאשר שוברים או תולשים אותו.

קרני רנטגן בעזרת ציוד משרדי

מדענים מאוניברסיטת UCLA הצליחו להדגים יצירה של קרני רנטגן באמצעות מתקן שפוֹתח סליל נייר דבק בקצב קבוע בתנאי לחץ נמוך. מכיוון שבתנאי לחץ נמוך האוויר מכיל מספר קטן יותר של מולקולות, לפריצה החשמלית קשה יותר להתרחש. לכן המטען החשמלי שמצטבר על שני צדדיו של נייר הדבק גדול יותר והפריקה החשמלית אנרגטית יותר מהפריקה באוויר בתנאי לחץ רגילים – והיא יוצרת קרינת רנטגן, שהאנרגיה שלה גבוהה יותר מהאנרגיה של אור נראה. בתנאים רגילים נייר דבק אינו פולט קרני רנטגן, והסכנה העיקרית הנשקפת ממנו בשימוש יומיומי היא התסכול כשלא מצליחים למצוא את הקצה. 

קרני רנטגן מגליל נייר דבק. סרטון המדגים את העבודה ב-UCLA (באנגלית)

 
https://www.google.com/url?client=internal-element-cse&cx=012058860942735899696:uuksjdqdvru&q=https://davidson.weizmann.ac.il/programs/math_online&sa=U&ved=2ahUKEwiq1ufbh8jsAhVi0uAKHdhrDroQFjAAegQIBhAB&usg=AOvVaw3vJba3-vBH7UG1gXsOQ8-n