סרגלי פלסטיק יכולים להקרין אור בוהק בין כפות הידיים

בניסוי זה נראה כיצד סרגלי פלסטיק יכולים להוליך בתוכם אור ולהתנהג כמו מקור אור קטן ובוהק.

ציוד

  • סרגלי פלסטיק צבעוניים-שקופים

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר והרחבה

סרגלי הפלסטיק מראים התנהגות מפתיעה - הם 'מוליכים' בתוכם את האור שפוגע בהם בקצה אחד, ומוציאים אותו בקצה השני, ובעוצמה מפתיעה (מצלמת הווידאו בסרטון קצת פיספסה את האפקט, אבל במציאות הוא יפה ומרשים בהרבה ממה שצולם - שווה לנסות!). בעולם הטכנולוגיה - יש המצאה שנקראת 'סיב אופטי' שעושה בדיוק את זה, זהו סיב שקוף שמוליך בתוכו קרני אור למרחקים עצומים של אלפי קילומטרים. למשל מתל אביב יוצא כבל תת-ימי של סיבים אופטיים, המגיע עד סיציליה שבאיטליה, ומשמש לתעבורת האינטרנט של ישראל עם שאר העולם – המידע שבאינטרנט עובר דרך פולסים או היבהובים שלהבזקי אור (פולסים) בתוך הסיב - סביר מאוד שסרט היוטיוב שבכתבה זו עבר אליכם דרך כבל תת ימי.

מפת כבלי הסיבים האופטיים התת-ימיים שהניחה חברת מד-נאוטילוס בין תל אביב וחיפה לבין סיציליה וכרתים
מפת הכבלים התת-ימיים שהניחה חברת מד-נאוטילוס בין תל אביב וחיפה לסיציליה וכרתים. יש גם כבלים של חברות נוספות, תעבורת האינטרנט בין ישראל לשאר העולם עוברת דרך כבלים אלו | מקור: וויקיפדיה, יוצר: J.P.Lon~commonswiki

את הסיב האופטי המציא בשנת 1966 המדען הסיני צ'ארלס קואן קאו (Kuen Kao), והוא קיבל עבור המצאתו פורצת הדרך פרס נובל בפיזיקה בשנת 2009.

אבל כיצד האור נשאר 'כלוא' בתוך הכבל ועובר מקצה אחד לשני בלי לצאת? אפשר היה לחשוב שכל כבל מצופה בדפנותיו בציפוי מראה וכך האור נשאר כלוא בתוכו, אבל האמת שאין ציפוי כזה, וכמו שראינו בסרגלים, אפילו שהסרגלים שקופים מכל כיוון, האור בכל זאת התקדם בתוכם מקצה עד קצה. זה מתרחש בגלל תופעה שנקראת 'החזרה גמורה' – שהיא מעיין ציפוי מראתי שקיים לדפנות הסרגל, בלי שקיים כל ציפוי פיזי כזה, נסביר:
האור נע בקווים ישרים – קרני אור. כאשר קרן אור עוברת מחומר שקוף אחד (נקרא גם תווך) – למשל זכוכית, מים או פלסטיק שקוף, לחומר שקוף אחר, למשל האוויר, מתרחשת תופעה שנקראת 'שבירה' של קרן האור, שזה למעשה שינוי כיוון קל בזווית שלה שמתרחש בעת המעבר בין שני החומרים.

נסתכל באיור למטה על מקור אור שנמצא למשל בתוך מים, ושולח קרני אור לכל עבר (הקווים השחורים). רואים שחוץ מאור שממש פוגע במאונך לקו החיבור בין המים לאוויר (הקרן שבמרכז התמונה), קרני האור משנות כיוון בעת המעבר:

מהלך של קרני אור שיוצאות מתוך מים אל עבר האוויר | תמונה עובדה מתוך וויקיפדיה
מהלך של קרני אור שיוצאות מתוך מים אל עבר האוויר | תמונה עובדה מתוך ויקיפדיה, יוצר מקורי: DPoptics

שימו לב שבמעבר ממים לאוויר (או כללית מחומר צפוף יחסית לפחות צפוף) קרני האור נשברות לזווית גדולה יותר מהזווית בה פגעו, כך שבזווית מסויימת של קרן אור – שנקראת הזווית הקריטית, הקרן תישבר כבר ממש במקביל לפני המים, ובזוויות גדולות ממנה – האור כבר ישבר חזרה 'לתוך' המים – ולא יצא החוצה לאוויר, כאילו היה שם ראי – התופעה הזאת נקראת החזרה גמורה – כי כל קרני האור שיפגעו מעל הזווית הקריטית יוחזרו באופן מוחלט חזרה. אפשר ממש לראות את התופעה כאשר צוללים בתוך בריכה ומסתכלים מעלה, פני המים נראים כראי (שמחזיר חזרה את קרני האור):
תופעה של 'החזרה גמורה' בפני המים של בריכה, מצולם מתוך הבריכה – פני המים נראים כמראה
תופעה של 'החזרה גמורה' בפני המים של בריכה, מצולם מתוך הבריכה – פני המים נראים כמראה | מקור: ויקיפדיה, צלם: Jean-Marc Kuffer

בסיב אופטי לכל דופן יש דופן מקבילה, כך שקרני אור שפגעו בזוויות שעברו את הזווית הקריטית והופנו חזרה פנימה, פוגעות בדופן המקבילה באותה זווית קריטית בדיוק, ושוב מוחזרות חזרה, כך שיוצא שהקרניים 'כלואות' בתוך דפנות הסיב שמחזירות אותן שוב ושוב את הקצה השני של הסיב, כפי שאפשר לראות באיור:

קרני אור בתוך סיב אופטי | תמונה באדיבות ויקיפדיה
קרני אור מתקדמות בתוך סיב אופטי | איור באדיבות ויקיפדיה

וזה המצב גם בסרגל שלנו – הרבה קרני אור פוגעות בסרגל, עוברות דרכו, ויוצאות מהדופן השנייה (לכן הסרגל נראה שקוף), אבל מעט קרני אור שנכנסות בזוויות מסויימות "נכלאות" בסרגל בגלל תופעת ההחזרה הגמורה, כך שהן יכולות לצאת רק בקצה השני שלו – והקצה נראה בוהק ומאיר בגלל קרני האור הרבות שבוקעות ממנו.