כימיה פיזיקלית 1

1. הקרינה האלקטרומגנטית כימיה פיזיקלית 1 נושאי השיעור • מבוא ליחידת הלימוד • הקרינה האלקטרומגנטית • אורך גל, תדירות ואנרגיית פוטון • הספקטרום האלקטרומגנטי מצגת זו מכילה אנימציה Middlewick/MorgueFile

2. מבוא ליחידת הלימוד בספר הלימוד "כימיה מכל וחול" שלושה פרקים: פרק 3 המבנה האלקטרוני של מוצקים פרק 1 המבנה האלקטרוני של אטומים פרק 2 המבנה האלקטרוני של מולקולות alvimann/MorgueFile sebastiano/MorgueFile sideshowmom/MorgueFile יש להדפיס את דף הנוסחאות של היחידה וטבלה מחזורית לשימוש בעת השיעורים. 2

3. annika הקרינה האלקטרומגנטית האור שאנו רואים הוא דוגמה לקרינה אלקטרומגנטית. דוגמאות נוספות לקרינה אלקטרומגנטית הן: Mconnors/MorgueFile Ronnieb/MorgueFile Anendel/MorgueFile גלי מיקרו קרינה תת- אדומה (אינפרא אדומה) גלי רדיו Clarita/MorgueFile קרני רנטגן (קרני X) Markemark/MorgueFile Keeshu/MorgueFile קרינה על- סגולה (אולטרה סגולה) קרינת γ (גמא)

4. Kittycat/MorgueFile המודל הדואלי של הקרינה האלקטרומגנטית • לכל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית אופי דוּאָלִי (=כפול): • אפשר להתייחס לקרינה האלקטרומגנטית כאל זרם של חלקיקים קטנים הנעים בקווים ישרים • במהירות גדולה מאוד. חלקיקים אלו נקראים פוֹטוֹנִים והם נעים במהירות האור (המסומנת • באות C). • אפשר להתייחס לקרינה האלקטרומגנטית כאל גל המתפשט במרחב. • לכל קרינה אלקטרומגנטית תכונות מסוימות שאותן ניתן להסביר בעזרת המודל החלקיקי ותכונות אחרות שאותן ניתן להסביר בעזרת המודל הגלי.

5. אורך גל λ אורך גל אורך גל λ ננומטר ואנגסטרום מעבר יחידות בין ננומטר, אנגסטרום ומטר:1 nm = 10 Å = 10-9 m אורך גל, λ כאשר נצייר קרינה אלקטרומגנטית כגל, המרחק בין כל שני שיאים (או שני שקעים) נקרא אורך הגל של הקרינה. אורך הגל מסומן באות היוונית λ (לַמְבְּדָא). אורך הגל נמדד ביחידות אורך: ק"מ, מטר, ס"מ, נַנוֹמטר ((nm, אַנְגְסְטְרום (Å). *מעבר יחידות זה מופיע בדף הנוסחאות של בחינת הבגרות. לצורך פתרון השאלות הדפיסו את דף הנוסחאות. 5

6. שאלה 1, מעבר יחידות שאלה 1: נורת נתרן, המשמשת לתאורת כבישים ורחובות, מאירה באור צהוב שאורך הגל שלו הוא 589 nm. חשבו את אורך הגל ביחידות של מטר וביחידות של אנגסטרום. 1 nm = 10 Å = 10-9 m Clarita/MorgueFile 6

7. תשובה לשאלה 1 שאלה 1: נורת נתרן, המשמשת לתאורת כבישים ורחובות, מאירה באור צהוב שאורך הגל שלו הוא 589 nm. חשבו את אורך הגל ביחידות של מטר וביחידות של אנגסטרום. 1 nm = 10 Å = 10-9 m תשובה: נתון כי: 1 nm = 10-9 m ולכן: 5.89∙10-7 m589 nm = 589∙10-9 m = נתון כי: 1 nm = 10 Å ולכן: 589 nm = 5890 Å 7

8. שאלה 2, מעבר יחידות שאלה 2: גובהו של פסל הוא 1.80 מ'. מה גובהו בננומטר? מה גובהו באנגסטרום? 1 nm = 10 Å = 10-9 m 8

9. תשובה: נתון כי: 1 nm = 10-9 m ולכן: 1.80∙109 nm1.80 m = nm = נתון כי: 1 nm = 10 Å ולכן: 1.80∙109 nm = 1.80∙1010 Å 1.80 10-9 תשובה לשאלה 2 שאלה 2: גובהו של פסל הוא 1.80 מ'. מה גובהו בננומטר? מה גובהו באנגסטרום? 1 nm = 10 Å = 10-9 m 1.80 × 109 nm Alvimann/MorgueFile 9

10. תדירות הגל מתפשט במרחב. אם תדמיינו שהגל המצויר נע, ימינה, לדוגמה, תוכלו לספור כמה שיאים עוברים מולכם בשנייה אחת. זו התדירות של הקרינה. התדירות מסומנת באות היוונית ν (ני). התדירות נמדדת ביחידות הֶרְץ (Hz). Hz = אם עברו לפניכם 5 שיאים בשנייה אחת, תדירות הקרינה היא 5 Hz (או 5). 1 sec תדירות, ν Ardelfin/MorgueFile 10

11. קביעת התדירות של שני גלים עם אורכי גל שונים שאלה 3, תדירות שאלה 3: באנימציה שלפניכם שני גלים הנעים לפניכם. באנימציה יש מונֵה, הפועל לאורך שנייה אחת בדיוק, ומודד כמה שיאים של הגל העליון עוברים מולו. א. כמה שיאים של הגל העליון עוברים מול המונה בשנייה אחת? ב. מהי התדירות של גל זה? ג. כמה שיאים של הגל התחתון עוברים מול המונה בשנייה אחת? ד. מהי התדירות של גל זה? ה. מהו היחס בין אורך הגל לתדירות? *התבוננו באנימציה כמה פעמים כדי לענות על כל סעיפי השאלה. 11

12. תשובה: א. על פי מדידת המונה (ועל פי הנראה לעין) עוברים 3 שיאים בשנייה. ב. התדירות היא 3 Hz (או 3). ג. על פי הנראה לעין עובר שיא אחד בשנייה. ד. התדירות היא 1 Hz (או 1). ה. אורך הגל של הגל העליון קטן יותר מאורך הגל של הגל התחתון, אך התדירות שלו גדולה יותר. מכאן שקיים יחס הפוך בין אורך הגל לתדירות: ככל שאורך הגל של קרינה כלשהי ארוך יותר, התדירות שלה קטנה יותר. קביעת התדירות של שני גלים עם אורכי גל שונים תשובה לשאלה 3 שאלה 3: באנימציה שלפניכם שני גלים הנעים לפניכם. באנימציה מונֵה, הפועל לאורך שנייה אחת בדיוק, ומודד כמה שיאים של הגל העליון עוברים מולו. א. כמה שיאים של הגל העליון עוברים מול המונה בשנייה אחת? ב. מהי התדירות של גל זה? ג. כמה שיאים של הגל התחתון עוברים מול המונה בשנייה אחת? ד. מהי התדירות של גל זה? ה. מהו היחס בין אורך הגל לתדירות? 12

13. אורך גל, תדירות ואנרגית פוטון אנרגיה של פוטון, E לכל פוטון של קרינה אלקטרומגנטית, אנרגיה שאפשר לחשב על פי תדירות הקרינה (או אורך הגל שלה): כאשר hהוא קבוע פְּלַאנְק. *כל הנוסחאות והקבועים הנמצאים בשקופית זו, מופיעים בדף הנוסחאות של בחינת הבגרות. הקשר בין אורך גל לתדירות קיים קשר מתמטי פשוט בין אורך הגל לתדירות של קרינה כלשהי: כאשר c הוא מהירות האור בריק. 13

14. Kevinrosseel/MorgueFile שאלה 4, אורך גל, תדירות ואנרגיית הפוטון שאלה 4: שלט פרסום לחנות מאיר באור אדום בעל אורך גל של 690 nm ובאור ירוק בעל אורך גל של 550 nm. א. חשבו את התדירות של כל אחד מן האורות. ב. חשבו את אנרגיית הפוטון של כל אחד מן האורות ביחידות ג'אול (J) ואלקטרון וולט (eV). ענו על סעיף א': 14

15. תשובה לסעיף א': *מכיון שמהירות האור נתונה ביחידות של יש להפוך את אורך הגל ליחידות של מטר. λ=690 nm = 690∙10-9 m = 6.9∙10-7 m ν== = 4.34∙1014 Hz λ=550 nm = 550∙10-9 m = 5.5∙10-7 m ν = = = 5.45∙1014 Hz תשובה:התדירות המתאימה לאורך הגל 690 nm היא 4.34∙1014 Hz, והתדירות המתאימה לאורך הגל 550 nmהיא 5.45∙1014 Hz. c 3.0∙108 λ 6.9∙10-7 c 3.0∙108 λ 5.5∙10-7 תשובה לשאלה 4 סעיף א' שאלה 4: שלט פרסום מאיר באור אדום בעל אורך גל של 690 nm ובאור ירוק בעל אורך גל של 550 nm. א. חשבו את התדירות של כל אחד מן האורות. ב. חשבו את אנרגיית הפוטון של כל אחד מן האורות ביחידות ג'אול (J) ואלקטרון וולט (eV). 15

16. המשך שאלה 4 שאלה 4: שלט פרסום מאיר באור אדום בעל אורך גל של 690 nm ובאור ירוק בעל אורך גל של 550 nm. א. חשבו את התדירות של כל אחד מן האורות. ב. חשבו את אנרגיית הפוטון של כל אחד מן האורות ביחידות ג'אול (J) ואלקטרון וולט (eV). התשובה לסעיף א': התדירות המתאימה לאורך הגל 690 nm היא 4.34∙1014 Hz, והתדירות המתאימה לאורך הגל 550 nm היא 5.45∙1014 Hz. ענו על סעיף ב': 16

17. תשובה לסעיף ב': נשתמש בתדירויות שחישבנו בסעיף א': E= hν=6.63 ∙10-34 x 4.34∙10-14 = 2.87∙10-19J E=hν=6.63∙10-34 x 5.45∙10-14 = 3.61∙10-19J *מכיוון שהיחידות של קבוע פלאנק, h, הן J∙sec, האנרגיה מתקבלת ב- J. אפשר לחשב את אנרגיית הפוטון גם ישירות מאורך הגל: E= hν= *במקרה זה יש להציב את אורך הגל ביחידות של מטר, כמובן. hc λ תשובה לשאלה 4 סעיף ב' שאלה 4: שלט פרסום מאיר באור אדום בעל אורך גל של 690 nm ובאור ירוק בעל אורך גל של 550 nm. א. חשבו את התדירות של כל אחד מן האורות. ב. חשבו את אנרגיית הפוטון של כל אחד מן האורות ביחידות ג'אול (J) ואלקטרון וולט (eV). 17

18. המשך תשובה לסעיף ב': אפשר להפוך את האנרגיה מיחידות ג'אול (J) ליחידות אלקטרון וולט (eV), על פי הנתון בדף הנוסחאות בבחינת הבגרות: 1eV = 1.6∙10-19 J E== 1.79 eV E= = 2.26 eV תשובה:אנרגית הפוטון של קרינה באורך גל 690 nm היא 2.87∙10-19J או 1.79 eV, ואנרגית הפוטון של קרינה באורך גל 550 nm היא 3.61∙10-19J או 2.26 eV. 2.87∙10-19J 1.6∙10-19 3.61∙10-19 J 1.6∙10-19 המשך תשובה לשאלה 4 סעיף ב' שאלה 4: שלט פרסום מאיר באור אדום בעל אורך גל של 690 nm ובאור ירוק בעל אורך גל של 550 nm. א. חשבו את התדירות של כל אחד מהאורות. ב. חשבו את אנרגית הפוטון של כל אחד מהאורות ביחידות ג'אול (J) ואלקטרון וולט (eV). פתרו את שאלות 4-1 בספר "כימיה מכל וחול" בעמ' 12 (חוץ מסעיף 4 ג'). 18

19. הספקטרום האלקטרומגנטי הוא טווח אורכי הגל של כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית. מקרינת γ(גמא), בעלת אורכי הגל הקצרים ביותר, אל קרינת הרנטגן (קרני X), הקרינה העל- סגולה (אולטרה סגולה), התחום הנראה, הקרינה התת- אדומה (אינפרא אדומה), גלי המיקרו וגלי הרדיו- בעלי אורכי הגל הארוכים. ככל שאורכי הגל ארוכים יותר, תדירות הקרינה קטנה יותר ואנרגיית הפוטונים של הקרינה קטנה יותר. אפשר לראות זאת בנוסחה: E= hν= קיים יחס ישר בין התדירות לאנרגיית הפוטון. קיים יחס הפוך בין אורך הגל לתדירות, או בין אורך הגל לאנרגיית הפוטון. hc λ דר' יואב יאיר, המסע המופלא אל החלל, המרכז לטכנולוגיה חינוכית (מטח) הספקטרום האלקטרומגנטי גלי מיקרו 19

20. האור הנראה התחום הנראה הוא בין 390- 780 nm. הצבע הסגול הוא בעל אורכי הגל הקצרים ביותר. אורכי גל סמוכים הקצרים מ- 390 nm שייכים לתחום העל סגול. הצבע האדום הוא בעל אורכי הגל הארוכים ביותר. אורכי גל סמוכים הארוכים מ- 780 nm שייכים לתחום התת אדום. *בדף הנוסחאות של בחינת הבגרות מופיעים אורכי הגל של הצבעים השונים, אך בגלגל הצבעים ולא בטבלה (ראו בשקופית הבאה). 20

21. Ariadna/MorgeFile שאלה 5- היחס בין אורך גל, תדירות ואנרגיית הפוטון שאלה 5: א. הסבירו מדוע משתמשים בשלט רחוק של מכשירים ביתיים שונים בקרינה תת אדומה ולא בקרינה על סגולה. ב. למי מצבעי האור ברמזור התדירות הגדולה ביותר: לאור האדום, הצהוב או הירוק? נמקו בלא חישוב. גלגל הצבעים כתום 597-622nm צהוב 577-597nm אדום 622-780nm ירוק 492-577nm סגול 390-455nm כחול 455-492nm 21

22. תשובה לשאלה 5 שאלה 5: א. הסבירו מדוע משתמשים בשלט רחוק של מכשירים ביתיים שונים בקרינה תת אדומה ולא בקרינה על סגולה. ב. למי מצבעי האור ברמזור התדירות הגדולה ביותר: לאור האדום, הצהוב או הירוק? נמקו ללא חישוב. תשובה: א. על פי הספקטרום האלקטרומגנטי, לקרינה העל סגולה אורכי גל קצרים יותר מן הקרינה התת אדומה. מכיוון שקיים יחס הפוך בין אורך גל לאנרגיה, הרי שלקרינה העל סגולה אנרגיה גדולה יותר ולכן היא מסוכנת יותר מן הקרינה התת אדומה ועלולה לגרום לנזקים. ב. על פי גלגל הצבעים לאור האדום אורכי הגל הארוכים ביותר ולאור הירוק- הקצרים ביותר. מכיוון שקיים יחס הפוך בין אורך גל ותדירות, לאור האדום התדירות הנמוכה ביותר, לצהוב תדירות גדולה יותר ולירוק התדירות הגדולה ביותר. פתרו את שאלות 1, 2, 4 בספר "כימיה מכל וחול" בעמ' 32. 22

23. נוסחאות ונתונים מדף הנוסחאות בבחינת הבגרות: 1eV =1.6∙10-19 J גלגל הצבעים כתום 597-622nm צהוב 577-597nm אדום 622-780nm ירוק 492-577nm סגול 390-455nm כחול 455-492nm 1 nm = 10 Å = 10-9 m *הדפיסו את דף הנוסחאות לשימוש בשיעורים הבאים. 23

24. סיכום • לקרינה האלקטרומגנטית אופי דואלי: אפשר להתייחס אליה הן כזרם חלקיקים (פוטונים) • והן כגל המתפשט במרחב. • אורך הגל, λ, הוא המרחק בין שני שיאים סמוכים בגל. • התדירות, ν, היא מספר השיאים העוברים מולנו בשנייה אחת. • לכל פוטון אנרגיה שאפשר לחשב על פי אורך הגל של הקרינה (או התדירות). • קיים יחס ישר בין התדירות לאנרגיית הפוטון, אך קיים יחס הפוך בין אורך הגל לתדירות או • לאנרגיית הפוטון. מושגים חשובים: קרינה אלקטרומגנטית, פוטונים, אורך גל, תדירות, אנרגיית פוטון, הספקטרום האלקטרומגנטי.