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Elektromagnetisches Spektrum

rockpop 26 Mar, 2019 00:00

Die Röntgenstrahlung und die Gammastrahlung reihen sich wie das sichtbare Licht in das elektromagnetisches Spektrum oder elektromagnetisches Wellenspektrum ein.

Gemeint ist damit die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen verschiedener Energien. Das Spektrum wird zur besseren Unterscheidung in verschiedene Bereiche unterteilt.

Diese Einteilung ist willkürlich und orientiert sich aus historischen Gründen im niederenergetischen Bereich an der Wellenlänge. Dabei werden jeweils Wellenlängenbereiche über mehrere Größenordnungenmit ähnlichen Eigenschaften in Kategorien wie etwa Licht, Radiowellen usw. zusammengefasst. Eine Unterteilung kann auch nach der Frequenz oder nach der Energie des einzelnen Photons (siehe unten) erfolgen. Bei sehr kurzer Wellenlänge, entsprechend hoher Quantenenergie, ist eine Einteilung nach Energie üblich.

Geordnet nach zunehmender Frequenz und somit abnehmender Wellenlänge befinden sich am Anfang des Spektrums die Längstwellen, deren Wellenlängen viele Kilometer betragen. Am Ende stehen die sehr kurzwelligen und damit energiereichen Gammastrahlen, deren Wellenlänge bis in atomare Größenordnungen reicht.

Die Umrechnung von der Wellenlänge in eine Frequenz f erfolgt mit der einfachen Formel \ \ f = c / \lambda, also Lichtgeschwindigkeit (im jeweiligen Medium) geteilt durch die Wellenlänge.

In mancher Hinsicht verhalten sich elektromagnetische Wellen wie ein Strom von Teilchen, den Photonen. Diese Betrachtungsweise ist nötig, um manche physikalischen Phänomene wie den photoelektrischen Effekt zu erklären. Jedes Photon trägt eine der Frequenz proportionale Energie E = h \cdot f. Die Konstante \ h ist dabei das plancksche Wirkungsquantum. Die Energie wird in Joule (J) und in Elektronenvolt (eV) angegeben.

Die Elektromagnetische Wellen sind im elektromagnetischen Spektrum nach der Wellenlänge sortiert.

Das am besten bekannte und am meisten studierte Beispiel einer elektromagnetischen Welle ist das sichtbare Licht. Es stellt nur einen winzigen Teil des gesamten Spektrums dar und ist, mit Ausnahme der Infrarotstrahlung (Wärme), der einzige Bereich, der von Menschen ohne technische Hilfsmittel wahrgenommen werden kann.

Bei niedrigeren Frequenzen ist die Energie der Photonen zu gering, um chemische Prozesse auslösen zu können. Lebewesen können ohne technische Hilfsmittel nicht auf Radiowellen geringer Intensität reagieren. Sehr starke Strahlung dieser großen Wellenlänge wirkt aber erwärmend, weil sie durch das Gewebe absorbiert wird.

Beim Licht bestimmt die Frequenz die Farbe des Lichtes und nicht, wie oft fälschlicherweise angenommen, die Wellenlänge. Deutlich wird dies, wenn man Licht in optisch dichteren Medien beobachtet, wo es sich mit einer geringeren Geschwindigkeit als c ausbreitet. Die Frequenz wird beim Übergang in optisch dichtere Medien nicht beeinflusst und folglich muss es laut c = \lambda \cdot f \ eine kürzere Wellenlänge haben. Da sich die Farbe aber im Medium nicht ändert, ist also nur die Frequenz charakteristisch für die Farbe des Lichts. In Spektren wird aus historischen Gründen jedoch immer noch die Wellenlänge als charakteristische Eigenschaft für Licht angegeben. Dieser Zusammenhang zwischen Farbe und Wellenlänge gilt dann aber nur im Vakuum (und in guter Näherung in Luft). Monochromatisches Licht, also Licht nur einer einzigen Wellenlänge, hat stets eine Spektralfarbe.

Kleine Mengen Photonen mit einer Frequenz unterhalb von 4·1014 Hz (Wellenlänge über 0,7 µm und Energie unter 1,7 eV; im Bild rechts vom sichtbaren Licht, also Mikrowellen und Rundfunkwellen) können keine chemischen Reaktionen an Molekülen bewirken, die bei Zimmertemperatur stabil sind. Damit kann man nur Wasserstoffbrückenbindungen beeinflussen, die deutlich schwächer als die Bindungskräfte innerhalb eines Moleküls sind und wegen der ständigen Bewegung der Atome nur Bruchteile einer Sekunde bestehen bleiben.

Bei höheren Frequenzen hingegen beginnt der Bereich der ionisierenden Strahlung (Radioaktivität), bei der ein einziges Photon Moleküle zerstören kann. Dieser Effekt tritt bereits bei Ultraviolett-Strahlung auf und ist für die Bildung von Hautkrebs bei übermäßiger Sonnenexposition verantwortlich.

Erreicht oder übersteigt die Energie von Photonen die Bindungsenergie eines Moleküls, kann jedes Photon ein Molekül zerstören und es können biologische Wirkungen wie beispielsweise eine beschleunigte Alterung der Haut oder Hautkrebs auftreten. Chemische Bindungsenergien stabiler Moleküle liegen oberhalb von etwa 3 eV pro Bindung. Soll es zu Moleküländerungen kommen, müssen Photonen mindestens diese Energie besitzen, was violettem Licht oder höherfrequenter Strahlung entspricht.

Photonen von Röntgenstrahlung und Gammastrahlung besitzen so viel Energie, dass jedes davon viele Moleküle zerstören und Atome (ab etwa 5 eV) ionisieren kann. Deshalb bezeichnet man sie als ionisierende Strahlung.

Sehr viele Photonen mit Frequenzen unterhalb von 1014 Hz, beispielsweise im Mikrowellenherd, bewirken einen allgemeinen Energieeintrag und damit eine Erhöhung der Temperatur. Diese kann – wie jede anders verursachte Überhitzung auch – die Struktur biologischer Moleküle ändern. Das hat mit den Eigenschaften von Photonen nichts zu tun.

Quelle: Die obige Beschreibung stammt teilweise aus dem Wikipedia-Artikel “Elekromagnetische Wellen", lizenziert gemäß CC-BY-SA.

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