מערכי שיעור קרינה
Transcription
מערכי שיעור קרינה
מערך שיעור :1רדיואקטיביות המושגים שנלמד בשיעור: גרעין האטום איזוטופים התפרקות רדיואקטיבית קרינה מייננת גלאי גייגר חוק ריבוע המרחק קרינת הרקע מהלך השיעור: גרעין האטום כל החומר שאנחנו מכירים ומרכיב אותנו ואת העולם הסובב אותנו מורכב מאטומים .חומרים שונים מורכבים מאטומים שונים .האטום הוא קטן והגודל האופייני שלו הוא עשירית הננומטר .וממה האטום מורכב? כבר לפני יותר ממאה שנה גילו כי האטום מורכב מגרעין פנימי קטן וחלקיקים נוספים שנקראים אלקטרונים שמקיפים את הגרעין. רוב מסת האטום מרוכזת בגרעין ,למרות שקוטר הגרעין קטן פי אלף מקוטר האטום עצמו ,כך למעשה רוב רובו של האטום הוא חלל ריק .לצורך המחשה ,אם היינו מגדילים את הגרעין למימדים של כדור פינג-פונג ,נפח האטום כולו היה כנפח המים שמכילה הכנרת! אבל מסתבר כי הגרעין הקטן הזה אחראי לכמעט כל הקרינות המסוכנות שקיימות וגם לתופעות עצומות כמו פיצוצים גרעיניים ,חום השמש או אפילו היווצרות של גלקסיות. איזוטופים גרעין האטום עצמו מורכב מאוסף של שני סוגי חלקיקים ,פרוטונים וניטרונים .מספרם של הפרוטונים בגרעין קובע למעשה את סוג החומר (או היסוד) וכך לדוגמא בגרעין פחמן יש 6פרוטונים לעומת גרעין של אלומיניום שמכיל 13 פרוטונים .החומרים השונים ומספר הפרוטונים המתאים שלהם מסודרים בטבלה הנקראת טבלת היסודות הכימית. טבלת היסודות הכימית ,כל יסוד מיוצג בריבוע ועל ידי מספר שמסמל את מספר הפרוטונים באטום צביקי הירש 2012 אם תשאלו כימאי ,למספר הניטרונים אין שום חשיבות ,כי מה שקובע את סוג החומר זה רק מספר הפרוטונים .אבל לפיסיקאי גרעיני מספר הניטרונים הוא חשוב מאוד ,כי מבחינת פיסיקה גרעינית תכונות הגרעין מושפעות גם ממספר הניטרונים וגם ממספר הפרוטונים וכל קומבינציה של פרוטונים וניטרונים נותנת למעשה תכונות חומר גרעיניות שונות! כל קומבינציה כזאת נקראת איזוטופ ,כלומר גרעין אטום עם מספר מסויים של פרוטונים וניטרונים. 12ופחמן .13פחמן 12מכיל שישה פרוטונים לדוגמא ,בטבע אפשר למצוא שני סוגים של איזוטופי פחמן ,פחמן ושישה ניטרונים ואילו פחמן 13מכיל שישה פרוטונים ושבעה ניטרונים .מבחינה כימית הם זהים לחלוטין ,אולם מבחינת פיסיקה גרעינית אלו חומרים עם תכונות שונות לחלוטין! נקודה למחשבה: לאורניום יש שני איזוטופים מפורסמים .אורניום 235ואורניום .238 לשניהם 92פרוטונים ,כך שהם למעשה מהווים אותו חומר בדיוק (אותו מראה ,אותו ריח ,אותו טעם ,אותן תכונות) רק שלאורניום 238יש 3ניטרונים עודפים. ובכל זאת יש הבדל גדול בין האיזוטופים האלה .אם תנסו למשל לזרוק פצצה גרעינית שמכילה אורניום ,238היא פשוט תיפול כמו אבן במדבר ,ושום דבר לא יתפוצץ... התפרקות רדיואקטיבית לא כל האיזוטופים הם יציבים ,למשל אם ניקח גרעין שמספר הניטרונים והפרוטונים שבו לא נמצא בשיווי משקל מספרי ,המצב הזה הוא מצב לא יציב והגרעין הזה רוצה לפלוט את האנרגיה העודפת שנגרמת בגלל עודף פרוטונים או עודף של ניטרונים .אחרי זמן מסויים הגרעינים כאלה ,בלתי יציבים ,מתפרקים והופכים לאיזוטופ יציב יותר. התהליך הזה מכונה התפרקות רדיואקטיבית ומלווה בדרך כלל בקרינה חזקה. קרינה מייננת לקרינה הנפלטת מהתפרקות רדיואקטיביות יש אנרגיה גבוהה ,כל כך גבוהה שהיא מסוגלת ליינן אטומים ,שזה במילים פשוטות ,להעיף אחד מהאלקטרונים הסובבים את האטום .הבעייה בזה היא שאטומים מרכיבים מולקולות DNA ואם אחד המאטומים מתיינן הקשר המולקולרי עלול להשבר ,ואם במקרה מדובר במולקולה חשובה כמו למשל ,זה עלול לגרום לנזק. נקודה למחשבה: על טלפונים סלולריים ומכשירים דומים אפשר למצוא מדבקה שכתוב עליה "קרינה לא מייננת", מה זה אומר בעצם? באופן פיסיקלי ,אם קרינה לא מסוגלת ליינן ,היא גם לא מסוגלת להרוס קשרים מולקולריים, ולכן כנראה גם אי אפשר לקבל סרטן מזה... צביקי הירש 2012 גלאי גייגר לקרינה רדיואקטיבית יש יחסי ציבור די רעים .בעיקר מכיוון שאין לה ריח ,אין לה טעם ואי אפשר לראות או לשמוע אותה ואנשים מפחדים ממשהו שהם לא מסוגלים להרגיש ,שאין להם שליטה עליו .בשביל לחוש בקרינה אנחנו צריכים להעזר בגלאים .ישנם הרבה סוגים של גלאי קרינה ,הסוג הפשוט והנפוץ ביותר הוא גלאי מסוג גייגר. גלאי גייגר מורכב משפופרת גייגר ומונה קריאות ,כל חלקיק קרינה שנכנס לשפופרת ,מיינן את הגז שנמצא בשפופרת והאלקטרונים המיוננים נאספים במחט דקה שנמצאת במרכז השפופרת .מונה הקריאות משמיע ציפצוף וסופר את מספר קריאות הקרינה שנאספו במשך שנייה. פעילות :קרינת הרקע החומרים הדרושים: גלאי גייגר הפעילו את גלאי הגייגר בסקלה הכי נמוכה (הרגישות הגבוהה ביותר) האם אתם שומעים צפצופים? האם קצב הצפצופים הוא קבוע או אקראי? הצפצופים הללו מקורם בקרינת הרקע ,קרינה ברמה נמוכה נמצאת למעשה בכל מקום ומגיעה אלינו ממקורות טבעיים מסביבנו או מהחלל. נסו למדוד את קרינת הרקע ,רשמו את קצב הקרינה הממוצע .כמה מניות יש בדקה? קרינת הרקע יכולה להיות שונה בהתאם למקום המדידה ,השוו את קרינת הרקע שמדדתם בבית הספר שלכם לרמת הקרינה בבתי הספר האחרים (רשמו את רמת הקרינה בפורום ,לדוגמא) ,בית הספר המנצח הוא זה שרמת הקרינה בו היא הכי נמוכה... אנחנו נלמד על קרינת הרקע ונמדוד מקורות שונים של קרינת הרקע שמסביבנו בשיעור הבא. מדידות קרינה בשביל שנוכל למדוד קרינה ,אנחנו צריכים מקור קרינה .במעבדה הפיסיקאים משתמשים בדרך כלל במקורות קטנים ומכויילים של איזוטופים שונים .אנחנו נשתמש בפריט שאפשר להשיג בחנויות רבות בלי בעייה ועולה רק 10שקלים, שרוול לגזייה .השרוול הזה משמש לתאורה שמורכבת על גזיה ,התכונה העיקרית שלו היא עמידות בטמפרטורות גבוהות של הלהבה .אבל מה שאנשים רבים לא יודעים הוא שהשרוול מכיל גם תוריום-אוקסיד שהוא חומר רדיואקטיבי שאותו נוכל למדוד. פעילות :שרוול לגזייה החומרים הדרושים: גלאי גייגר שרוול לגזייה הפעילו את גלאי הגייגר בסקלה הכי נמוכה (הרגישות הגבוהה ביותר) קרבו את השרוול (לא שלכם ,של הגזייה) לגלאי ,האם אתם שומעים את הציפצופים? רשמו מה הקריאה בגלאי (ייתכן ותצטרכו להחליף סקאלה) פי כמה יותר גבוהה הקריאה הזאת ממדידת הרקע? צביקי הירש 2012 חוק ריבוע המרחק ככל שמתרחקים ממקור קרינה ,רמת הקרינה יורדת בהתאם .זאת בדיוק הסיבה שכאשר הפיסיקאים מבצעים ניסויים עם מקורות קרינה (הרבה יותר חזקים משרוול של גזייה!!) מבצעים את הניסוי ממרחק או אפילו אם אפשר בשליטה מרחוק באמצעות מחשב ,על מנת להפחית את החשיפה לקרינה. רמת הקרינה יורדת על פי "חוק ריבוע המרחק" ,אם לדוגמא התרחקנו בשיעור של פי 2מהמיקום הקודם ,הקרינה יורדת על פי המרחק בריבוע ,כלומר פי 4יותר נמוך. פעילות :חוק ריבוע המרחק החומרים הדרושים: גלאי גייגר שרוול לגזייה סרגל הפעילו את גלאי הגייגר בסקלה הכי נמוכה (הרגישות הגבוהה ביותר) .קרבו את שרוול הגזיה למרחק 2סנטימטר מהגלאי ,רשמו את קצב הקריאות בגלאי .כעת רחקו את השרוול למרחק כפול 4 ,ס"מ ,פי כמה ירדו קצב הקריאות? על פי חוק ריבוע המרחק ,קצב הקריאות צריך לרדת פי 4כאשר מרחיקים את המקור למרחק רחוק פי .2 מה הייתם מצפים לקבל במרחק של 6ס"מ? אלפא ,בטא ,גאמא את הקרינה הנפלטת בתהליך הההתפרקות של חומר רדיואקטיבי ,אנחנו הפיסיקאים מסווגים לשלושה סוגים עיקריים ,ומסמנים אותם בשלושת האותיות הראשונות של האלף-בית היווני :אלפא ,בטא וגאמא. קרינת אלפא נפלטת בעיקר בהתפרקויות של גרעינים כבדים שמכילים הרבה ניטרונים ופרוטונים ,והיא משתחררת בצורה של שני פרוטונים ושני ניטרונים שנפלטים באנרגיה גבוהה מתוך הגרעין הכבד .קרינת האלפא היא מאוד אנרגטית אבל קל מאוד לעצור אותה ,מספיקה חתיכת נייר דקה על מנת לעצור את כל הקרינה. קרינת בטא היא למעשה אלקטרונים שנוצרים בתוך הגרעין ונפלטים החוצה במהלך תהליך ההתפרקות ,את הקרינה הזאת קצת יותר קשה לעצור מאשר קרינת אלפא ,אבל בדרך כלל מספיקים כמה מלימטרים של חומר (פלסטיק ,עץ, אלומיניום ,כל דבר בעצם) כדי לעצור את הקרינה לגמרי. נקודה למחשבה: בפליטה של קרינת בטא ,אלקטרונים נפלטים מהגרעין המתפרק ,אבל הרי אין אלקטרונים בתוך הגרעין ,אז מאיפה הם נוצרים? בהתפרקות מסוג בטא ,קורה תהליך די משונה ,אחד מהניטרונים הופך לפרוטון,ובשביל לשמר את המטען החשמלי ,נוצר גם אלקטרון שנפלט החוצה ומהווה את קרינת הבטא. צביקי הירש 2012 קרינת גאמא היא כבר הרבה יותר חודרנית ובשביל לעצור אותה צריך שכבה עבה של חומר (לדוגמא מטר של בטון או עשרה ס"מ עופרת) .לעומת קרינות אלפא ובטא שהם בעצם חלקיקים ,קרינת הגאמא היא גל ,גל אלקטרומגנטי. פעילות :אלפא ,בטא ,גאמא החומרים הדרושים: גלאי גייגר שרוול לגזייה דף נייר מטבע של חצי שקל הפעילו את גלאי הגייגר בסקלה הכי נמוכה (הרגישות הגבוהה ביותר) .מדדו את שרוול הגזיה ממרחק קרוב ,וללא כל כיסוי (זהירות !!! אין לגעת בממברנה של גלאי הגייגר ,היא עדינה ונקרעת בקלות, ובמקרה כזה הגלאי שלכם ייהרס !!) .רשמו את הקריאה של הגלאי. שרוול הגזייה המכיל תוריום פולט את כל סוגי הקרינות ,אלפא בטא וגאמא .כאשר הגלאי חשוף ,ללא כל כיסוי ,הוא מודד כל קרינה (מייננת) שנכנסת לתוכו ,אלפא ,בטא או גאמא. כעת נניח נייר בין הגלאי לבין שרוול הגזיה ,איזה סוגי קרינה אנחנו מודדים כעת? רשמו את הקריאה של הגלאי. בשלב אחרון ,נניח מטבע של חצי שקל או פיסת עץ או פלסטיק בעובי של 2-3מ"מ בין הגלאי לשרוול הגזייה .איזה סוגי קרינה אנחנו מודדים כעת? רשמו את הקריאה של הגלאי. כעת ,נוכל לחשב כמה קרינה מכל סוג פולט שרוול הגזייה .איך נוכל לחלץ מהמדידות שלנו את כמות קרינת האלפא ,בטא וגאמא? רמז :על ידי חיסור המדידות זו מזו. צביקי הירש 2012 מערך שיעור :2קרינה מסביבנו המושגים שנלמד: קרינת הרקע מקורות קרינה בטבע רדון קרינת הרקע כאשר אנחנו מפעילים גלאי קרינה ,אנחנו שומעים צפצופים אקראיים מדי פעם ,הצפצופים האלה הם למעשה מדידות של קרינת הרקע .את קרינת הרקע אפשר למצוא במינונים שונים בכל מקום על פני כדור הארץ (אבל גם בחלל ומתחת לפני האדמה) וכל אדם באשר הוא ,נחשף לקרינת הרקע במהלך חייו .קרינת הרקע מגיעה אלינו ממקורות שונים ,והיא משתנה בהתאם למקום המדידה ,העוגה הבאה מפרטת את מרכיבי קרינת הרקע כפי שנמדדו בישראל. רדון כפי שניתן לראות מהעוגה הזאת ,רוב החשיפה שלנו לקרינה במהלך חיינו נגרמת מרדון .מה זה בדיוק רדון ומאיפה הוא מגיע? במעמקי האדמה ,בסלעים מסויימים קיימים מרבצים גדולים של אורניום ,תוריום ,רדיום ועוד כל מיני חומרים רדיואקטיביים .כאשר החומרים האלה מתפרקים ,אחד מתוצרי ההתפרקות הוא גז אציל ,רדיואקטיבי ,בשם רדון ,222איזוטופ עם זמן מחצית חיים של שלושה ימים .מכיוון שרדון הוא גז אציל ,הוא לא יוצר תגובה כימית עם שום חומר אחר והוא פשוט מפעפע לו לאיטו במעלה הסדקים שבין הסלעים ,עד שהוא מגיע אל פני האדמה .מכיוון שרדון כבד מהאוויר ,הוא נוטה להצטבר במקומות נמוכים ולא מאווררים כמו מרתפים ומקלטים .וכאשר הרדון מתפרק לבסוף הוא פולט קרינה ,שאחראית ,על פי העוגה ,לכמעט 60%מכמות הקרינה שנחשף אלייה במהלך חיינו. נקודה למחשבה: איזו קרינה לדעתכם פולט רדון? רדון פולט בעיקר קרינת אלפא. אם כן ,מה כל כך מסוכן בזה ,הרי את קרינת האלפא אפשר לעצור בדף נייר !! היא בכלל לא עוברת את העור שלנו ! אז מה כל כך מסוכן בזה? אני יכול לשחות בבריכה מלאת רדון ושום קרינת אלפא לא תיכנס לגוף שלי בכלל ! נכון? זה נכון .אבל תארו לעצמכם מצב שבו אנחנו נושמים את הרדון ,במצב כזה קרינת האלפא עלולה להגיע לריאות .קרינת אלפא אמנם לא מסוגלת לחדור יותר מכמה מיקרונים לתוך חומר ,אבל היא מסוגלת ליינן פי 2000יותר אטומים מאשר קרינת גאמא! אז איך אפשר להפחית את החשיפה לרדון? פשוט מאוד .לאוורר .כאשר אנחנו מאווררים את החדר ,ריכוז הרדון בחדר יורד בצורה דרמטית והחשיפה לקרינה פוחתת. צביקי הירש 2012 כדאי לדעת בכל זאת ,שהחשיפה הממוצעת לקרינה מרדון ומגורמים אחרים פה בישראל היא נמוכה למדי ביחס לעולם .לדוגמא ,בפינלנד ,קרינת הרקע הממוצעת גבוהה פי 4מאשר אצלנו (והם גם חיים יותר שנים.)... פעילות :רדון החומרים הדרושים: גלאי גייגר בלון או ניילון נצמד שעון נפחו את הבלון או מתחו את הניילון הנצמד .שפשפו את הבלון או הניילון כלפי בגד או שיער כך שיצטבר מטען סטטי על פני השטח השאירו את הבלון או הניילון בחדר ריק בבי"ס למשך מספר שעות (כדאי להתכונן לפני !) .הכי כדאי לשים במקלט או מרתף ,בקומה נמוכה בחדר בלי הרבה לחות שלא נכנסים אליו הרבה תלמידים. חשוב להשאיר את החדר ללא איוורור ואת החלונות סגורים ,אנחנו מנסים לצוד פה רדון ! במהלך ההתפרקות של גז הרדון נוצרים איזוטופים טעונים שנצמדים לאבק בחדר ולאחר מכן לבלון או לניילון הטעון. אם הצלחתם לאסוף מספיק אבק ,תוכלו למדוד את תוצרי ההתפרקות במונה הגייגר. זמן מחצית חיים איזוטופ רדיואקטיבי נתון בחוסר שיווי משקל אנרגטי ,לפיכך בכל פרק זמן לאיזוטופ שלנו יש סיכוי מסויים להתפרק .אם נסתכל על אוסף של איזוטופים ,אנחנו לא יכולים לומר מתי כל אחד מהם יתפרק ,מכיוון שזמן ההתפרקות הוא אקראי .הדבר היחיד שאנחנו יכולים למדוד זה ערך ממוצע ,והפיסיקאים נוהגים להגדיר את זמן ההתפרקות על ידי המושג "זמן מחצית החיים". ההגדרה היא די פשוטה ,זמן מחצית החיים הוא הזמן הממוצע שלוקח למחצית מהחומר להתפרק .לדוגמא ,אם היה לך בכוס 400גרם של יוד רדיואקטיבי ,שיש לו זמן מחצית חיים של 8ימים .אם נחכה זמן מחצית חיים אחד ,כלומר 8ימים ,נמצא שנשאר לנו בכוס חצי מהחומר 200 ,גרם של יוד רדיואקטיבי ו 200גרם של קסנון יציב שהוא תוצר ההתפרקות .אם נחכה עוד זמן מחצית חיים אחד ,נמצא שנותר כעת חצי מהחצי 100 ,גרם של יוד רדיואקטיבי .נחכה עוד 8ימים ונשאר עם 50גרם של יוד ,וכן הלאה וכן הלאה. נקודה למחשבה: על פי ההגדרה של זמן מחצית חיים ,אם אחרי זמן מחצית אחד אנחנו נשארים עם חצי מהכמות המקורית ,ואחרי שני זמני מחצית עם חצי מהחצי ,ואח"כ עם חצי מזה ואז עם חצי ממה שנותר וכן הלאה והלאה ,יוצא למעשה שהחומר אף פעם לא דועך לגמרי! כי חלוקה לשתיים אף פעם לא תוביל לאפס! תיאורטית זה נכון .אבל מעשית אתה תגיע בסוף למצב שיישאר איזוטופ אחרון וגם הוא ידעך בשלב מסויים .בפועל ,אחרי הרבה מחציות חיים כמות החומר שנשארת היא כל כך קטנה שאי אפשר למדוד אותה. צביקי הירש 2012 פעילות :זמן מחצית חיים החומרים הדרושים: קובייה בפעילות הזאת התלמידים מייצגים איזוטופים רדיואקטיביים ,אנחנו ננסה למדוד את "זמן מחצית החיים" שלהם .נצייר על הלוח טבלה כזאת (המספרים כאן הם רק דוגמא): 3 2 1 0 זמן (סיבוב) תלמידים שנשארו 5 8 17 30 4-5-6 תלמידים שנשארו 10 13 21 30 5-6 בשלב ראשון ,נבקש מכל התלמידים לעמוד .כעת על כל תלמיד להטיל בתורו את הקוביה ,תלמיד שמקבל תוצאה של 5 ,4או 6מתיישב ומייצג איזוטופ שהתפרק .תוצאה של 1,2או 3מייצגת איזוטופ שלא התפרק והתלמיד נשאר לעמוד .לאחר כל סיבוב (כל התלמידים העומדים הטילו קובייה פעם אחת) נרשום בטבלה כמה תלמידים עומדים נותרו. המצב הזה מתאר איזוטופ שיש לו זמן מחצית קצר עם הסתברות של 50%שיתפרק בכל סיבוב. בדקו כמה סיבובים לוקח שישארו בערך שמינית ממספר התלמידים הראשוני (צריך להיות בערך 3 סיבובים) כעת ,ננסה לתאר מצב עם זמן מחצית חיים יותר ארוך .נעמיד בחזרה את התלמידים ונחזור על 5או 6מביאה להתפרקות ולהתיישבות הניסוי (שורה נוספת בטבלה) ,הפעם רק תוצאה של התלמיד ,כל תוצאה של ,1,2,3או 4מתארת מצב שהאיזוטופ נותר יציב בסיבוב הזה. המצב הזה מתאר איזוטופ עם זמן מחצית חיים ארוך יותר ,עם הסתברות של 33%שיתפרק בכל סיבוב. כמה זמן לוקח כעת שישארו רק שמינית ממספר התלמידים העומדים הראשוני? למוצרי ההתפרקות של הרדון יש זמן מחצית חיים של כחצי שעה ,אם אספתם מספיק אבק רדיואקטיבי ,תוכלו לבצע מדידה של זמן מחצית החיים. פעילות :מדידה של זמן מחצית חיים החומרים הדרושים: גלאי גייגר בלון או ניילון נצמד עם אבק רדיואקטיבי (מהפעילות על רדון) שעון האבק שאספתם באמצעות הבלון מכיל את מוצרי ההתפרקות של רדון .זמן מחצית החיים שלהם הוא בערך 30דקות. מדדו את רמת הקרינה של הבלון באמצעות מונה הגייגר פעם בעשר דקות ,ורשמו בטבלה .על מנת לבצע ניסוי מדעי מדוייק ,נסו למדוד את אותה נקודה בבלון בכל פעם (עדיף לא להזיז את הגלאי בין המדידות) 30 20 10 0 זמן (דקות) קצב מנייה 155 178 232 310 (קריאות בדקה) בדקו כמה זמן לקח לכמות הקריאות להגיע לחצי מהכמות שנמדדה בקריאה הראשונה? הזמן הזה הוא זמן מחצית החיים. צביקי הירש 2012 מערך שיעור :3גלים המושגים שנלמד בשיעור: התקדמות גלים אורך גל גלים עומדים התאבכות מהלך השיעור: קרינה אלקטרומגנטית היא תופעה גלית ,מכיוון שאת רוב הספקטרום האלקטרומגנטי אנחנו לא מסוגלים לראות, נוכל להדגים חלק מהתופעות הגליות באמצעות גלים מכניים. נקודה למחשבה: אנחנו נתקלים בתופעות רבות של התקדמות גלים בחיי היום יום .חשבו ,איפה אפשר לחזות בתופעות גליות. רמז :בים באוויר וביבשה ,וגם במגרש הכדורגל. גלים מכניים ניתן לייצר בקלות באמצעות חבל ארוך או קפיץ (סלינקי). פעילות :גלים מכניים החומרים הדרושים: חבל ארוך ועבה קפיץ (סלינקי) מתחו את החבל (או הקפיץ) לכל אורכו ותנו לתלמיד להחזיק בקצהו החופשי .כעת צרו הפרעה בחבל על ידי הרמה והורדה מהירה של היד המחזיקה בחבל .תוכלו לראות כי ייצרתם גל שמתקדם לאורך החבל עד לקצהו. גלים עומדים כאשר שני גלים נעים בשני כיוונים מנוגדים (או לדוגמא כאשר גל מצטלב עם ההחזר שלו שמגיע מהקיר) נוצרת תופעה של גלים עומדים .גלים עומדים נראים לצופה החיצוני כאילו הם עומדים במקום. בגל עומד ,שיא הגל (נקודת המקסימום) מופיע תמיד באותה נקודה וכמו כן ,האיזורים שבהם הגל מתאפס אינם נעים. צביקי הירש 2012 פעילות :גלים עומדים החומרים הדרושים: חבל ארוך ועבה קפיץ (סלינקי) מתחו את החבל (או הקפיץ) לכל אורכו ותנו לתלמיד להחזיק בקצהו החופשי .אם תניעו את ידיכם בתדירות המתאימה ,תוכלו ליצור גל נע מוד ראשון ,במוד הזה אורך החבל מהווה חצי מאורך הגל. תניעו כעת את ידיכם בתדירות כפולה ותוכלו לייצר גל במוד שני (התאפסות אחת של החבל במרכז). האם תצליחו לייצר גלים עומדים במודים גבוהים יותר? מכונת גלים באמצעות מכונת הגלים נוכל כעת לחקור תופעות גליות מעניינות .במכונת הגלים התנועה עוברת בצורה מכנית ,כאשר האנרגיה עוברת באמצעות פיתול סרט הדבק שבין כל צמד שיפודים. פעילות :מכונת גלים החומרים הדרושים: נייר דבק רחב שיפודים פלסטלינה מותחים את נייר הדבק בין שני שולחנות יציבים ,כאשר הדבק כלפי מעלה ,יש לדאוג שהסרט יהיה כמה שיותר מתוח .מגלגלים כדורים קטנים של פלסטלינה ( 2ס"מ קוטר בערך) ומשחילים בשני קצותיו 5ס"מ זה מזה. של כל שיפוד .מניחים שפודים עם פלסטלינות על פני נייר הדבק במרווחים של מותחים רצועה נוספת של נייר דבק על פני השיפודים ולאורך כל פס הדבק הראשון על מנת לאבטח את השיפודים במקומם .יש לדאוג שהשיפודים יהיו מאוזנים פחות או יותר ,זאת על ידי הזזה של הפלסטלינה לכיוון המרכז או לקצוות. וזהו ,יש לנו מכונת גלים ! מספיקה נגיעה קלה באחד השיפודים והגל מתקדם מצד לצד. מכונת גלים היא דוגמא קלאסית לתנועת גלים מכנית ,תנועת הגלים במקרה הזה מועברת משיפוד לשיפוד אם הגל מתקדם מהר מדי ,נסו להרחיק את הפלסטלינות לקצה השיפודים או להוסיף משקל בקצוות. ואם הגל מתקדם לאט מדי ,נסו לקרב את הפלסטלינות לכיוון המרכז או להוריד משקל. צביקי הירש 2012 פעילות :התקדמות גלים החומרים הדרושים: מכונת גלים שעון תנו מכה קלה והניעו את אחד השיפודים שבקצה המכונה ,תוכלו לראות תנועה של הגל לאורך הסרט. שימו לב לכך שהשיפודים נעים רק למעלה ולמטה ,ובכל זאת אפשר לראות תנועה בכיוון המאונך שלאורך הסרט .התנועה הזאת היא למעשה מעבר של אנרגייה. נסו למדוד את מהירות הגל במכונה שלכם ,מדדו כמה זמן לוקח לגל לעבור מצד לצד .חלקו את אורך הסרט (במטרים) בזמן שלקח לגל לעבור (בשניות) ותקבלו את מהירות הגל. אם תחלקו את התוצאה ב 3.6תקבלו את המהירות בקמ"ש. מעבר גלים בחומר כאשר גל עובר מתווך אחד (לדוגמא אוויר) לתווך אחר (לדוגמא מים) מהירות הגל בדרך כלל משתנה .גם גלים אלקטרומגנטיים (אור למשל) שידוע לנו שהם נעים במהירות האור ,כאשר הם נעים בתווך אחר מהירות הגל יורדת, כאשר אור עובר דרך מים מהירות התנועה היא בערך שני שלישים ממהירות האור .נוכל להדגים את המעבר הזה באמצעות מכונת הגלים שלנו. פעילות :מעבר גלים בתווך שונה החומרים הדרושים: מכונת גלים אנחנו יכולים לשנות את מהירות הגל במכונה שלנו על ידי מיקום מחדש של משקולות הפלסטלינה. נחלק את המכונה לשני חלקים כעת ,החצי הימני ישאר כפי שהוא ובחצי השמאלי אנחנו נמקם את הפלסטלינות יותר קרוב למרכז. נסו כעת להעביר גל מקצה לקצה .מה קרה כעת? צביקי הירש 2012 מערך שיעור :4מיקרוגל המושגים שנלמד בשיעור: קרינת מיקרוגל איך עובד תנור מיקרוגל מהירות האור עירור מטענים במתכות מהלך השיעור: קרינת מיקרוגל על פני ספקטרום הגלים האלקטרומגנטיים ,אנחנו מוצאים את קרינת המיקרו בין גלי הרדיו לבין גלי האינפרה- אדום .כולכם ודאי מכירים את קרינת המיקרו מהיכרותכם עם תנור המיקרוגל הביתי .קרינת מיקרוגל היא תופעה רחבה שמתפרשת על אורכי גל רבים ,החל מאורך של מיקרון (מיליונית המטר) ועד לכמה עשרות ס"מ .ככלל ,קרינת מיקרוגל היא מאוד דומה בתכונותיה לגלי רדיו ובעוצמות נמוכות היא אינה מסוכנת לבני האדם. תנור המיקרוגל הביתי לתנור המיקרוגל ,שקיים כיום בכמעט כל מטבח ,אופן פעולה שונה מתנור ביתי סטנדרטי ,ובזה אפשר להבחין בקלות, לדוגמא ,כשמחממים שניצלים במיקרוגל הם יוצאים מושי וללא ציפוי פריך ואם תכניס סופגנייה לחימום במיקרוגל, תמיד הריבה יוצאת ממש רותחת בעוד הבצק של הסופגנייה נשאר קר... איך מכשיר המיקרוגל פועל? באמצעות קרינת מיקרוגל כמובן ,רק שהתדירות של הגלים מכוונת קרוב לתדירות המתאימה לתנודות של מולקולות של מים .מכיוון שבכל מזון יש מים (חוץ מקרקרים ממש יבשים?) הקרינה גורמת לתנועות מוגברות של מולקולות המים ,המים מתחככים זה בזה ובמולקולות המזון שסביבן ,וגורמים לאוכל להתחמם. נקודה למחשבה: תנור המיקרוגל פועל ישירות על מולקולות המים שבמזון. אם כן ,האם תוכלו להסביר מה ההבדל בין תהליך חימום של שניצל במיקרוגל לעומת תהליך חימום בתנור? לצורך כך תוכלו להניח כי בשניצל שלנו המים מפוזרים בכל הנפח באופן אחיד. בהתאם לאופן הפעולה של המכשיר ,מזון המכיל הרבה מים (אבטיח! ריבה!) יתבשל מהר יותר ואילו מזון המכיל מעט מים (קרקרים יבשים של פסח) או עטיפות ואריזות של פלסטיק יתחממו לאט יותר. צביקי הירש 2012 פעילות :מה מתחמם יותר? החומרים הדרושים: מיקרוגל ביתי תפוח עץ (או כל פרי אחר) קערת פלסטיק תפוח העץ מכיל כמות נכבדה של מים ,קערת הפלסטיק לעומת זאת לא מכילה כמעט מים .הכניסו את תפוח העץ לתוך קערת הפלסטיק והכניסו אל תנור המיקרוגל .הפעילו את המיקרוגל בעוצמה מלאה למשך 20שניות .הוציאו בזהירות (זה עלול להיות חם !) את הקערה והתפוח והניחו אותם זה לצד זה. מה יותר חם? התפוח או קערת הפלסטיק? קרני המיקרוגל עברו דרך הפלסטיק בדיוק כמו שקרני אור חוצים חלון שקוף ,ולכן הפלסטיק לא מתחמם .כאשר הקרניים פגעו בתפוח הם נבלעו על ידי מולקולות המים הרבות שבתפוח וגרמו לחימומו. מה היה קורה (אין צורך לנסות ,זאת שאלה היפוטתית )..אילו היינו מבצעים את הניסוי הזה בתנור רגיל ,מה היה מתחמם יותר? הקופסא או התפוח? מהירות האור גלי המיקרו ,כמו כל גל אלקטרומגנטי ,נעים במהירות האור .בניסוי הבא אנחנו נשתמש במכשיר המיקרוגל הביתי על מנת למדוד את מהירות האור! המדידה ה באה מתבססת על העובדה שבתוך המיקרוגל הגלים נעים ומוחזרים מקירות המתכת ונוצרים גלים עומדים .בדיוק כפי שלמדנו בשיעור הקודם והדגמנו עם קפיץ או חבל .לא נוכל לראות את הגלים האלה ,אבל נוכל לראות את ההשפעה שלהם על חומרים אחרים. צביקי הירש 2012 פעילות :מדידת מהירות האור בגבינה צהובה החומרים הדרושים: מיקרוגל ביתי צלחת פרוסות לחם מרגרינה סכין מריחה סרגל מחשבון הוציאו את הצלחת המסתובבת ממכשיר המיקרוגל ,או לחילופין ,העמידו את הצלחת על פקקים של קולה על מנת שהיא לא תסתובב .מרחו (בנדיבות) מרגרינה על פרוסות הלחם והציבו את הפרוסות המרוחות (צד המרגרינה למעלה) על הצלחת במרכז המיקרוגל .הפעילו את המיקרוגל ל 20שניות בדיוק (לא יותר !!). הוציאו את הצלחת החוצה והביטו על המרגרינה .אם תסתכלו טוב תוכלו לראות שהמרגרינה נמסה רק באיזורים מסויימים. נקודות אלו הן הנקודות החמות ,נקודות המקסימום של הגלים העומדים (של קרינת המיקרוגל). מכיוון שהגלים יכולים לנוע בכל נקודה במיקרוגל ,אנו מקבלים גלים עומדים תלת מימדיים שהם קצת נראים שונה ממה שראינו בחבל .אתם אמורים לראות תבניות מהסוג הזה (תלוי בגובה שהצבתם את הצלחת במיקרוגל). כעת מדדו באמצעות סרגל את המרחק בין זוג נקודות חמות הכי קרובות (יכול להיות שתמצאו כמה זוגות כאלה ,חפשו את המרחקים הכי קצרים) זהו חצי אורך הגל. הכפילו את המספר בשתיים לקבלת אורך הגל המלא (אמור לצאת לכם בסביבות 12סנטימטר) חלקו את המספר הזה בעשר על מנת לקבל את אורך הגל במטרים. מהירות הגל שווה לאורך הגל כפול התדירות .בגב מכשיר המיקרוגל אמורה להיות מדבקה שבה כתובה תדירות הקרינה של המכשיר (בדרך כלל זה 2.45גיגההרץ ,כלומר 2,450,000,000מחזורים בשנייה) הכפילו את התדירות באורך הגל ( 0.12*2,450,000,000השתמשו במחשבון) על מנת לקבל את מהירות הגל. מכיוון שמהירות גלי המיקרוגל שווה למהירות האור ,אתם אמורים לקבל מספר שקרוב למהירות האור. מהירות האור היא 299792458מטרים בשנייה .האם קיבלתם מספר קרוב? עירור מטענים במתכת כאשר גלי מיקרו פוגעים במתכת הם גורמים לאלקטרונים שבמתכת להתנודד בתדירות של הגל ,ממש בדומה לגלי רדיו שנקלטים על ידי אנטנה. פעילות :מדידת מהירות האור בגבינה צהובה החומרים הדרושים: מיקרוגל ביתי נורה (נורת חוט להט ,לא חייבת להיות תקינה) כוס עם מים (עד חצי הגובה) הכניסו את הנורה לתוך כוס המים כאשר ההברגה נמצאת בתוך המים .אנחנו משתמשים במים על מנת שחלק מהגלים ייבלעו והנורה לא תתחמם מדי .הפעילו את המיקרוגל ל 40שניות (לא יותר !!! זהירות ,זמן ממושך יותר עלול לגרום לנורה להתנפץ) .רצוי גם להחשיך את הכיתה. הנורה דולקת ללא חשמל !!! גלי המיקרו שפוגעים בחוט הלהט המתכתי מניעים את האלקטרונים במתכת וגורמים לחוט להתלהט. כדאי לחכות מספר דקות לפני שמוציאים את הנורה מהמיקרוגל ורצוי להשתמש בכפפות נגד חום למקרה שהנורה התחממה. צביקי הירש 2012 מערך שיעור :5קרינת לייזרים צביקי הירש 2012 מערך שיעור :6קרינה מגנטית ופלאפונים צביקי הירש 2012 מערך שיעור :7גלי קול צביקי הירש 2012