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Elektromagnetisches Spektrum

Als elektromagnetisches Spektrum ist der gesamte Frequenzbereich jeglicher elektromagnetischen Strahlung sowie deren jeweiligen Photonenenergien und Wellenlängen zu verstehen. Dieses Spektrum umfasst elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von unter einem Hertz bis über 1025 Hertz, was einem Bruchteil der Größe eines Atomkerns oder Wellenlängen von Tausenden von Kilometern entspricht. Die Frequenzbereiche sind in separate Bänder unterteilt, und die zugehörigen elektromagnetischen Wellen in den Frequenzbändern besitzen unterschiedliche Bezeichnungen. Das beginnt am niederfrequenten oder langwelligen Ende des Spektrums mit Radiowellen, Mikrowellen und Infrarot, über das sichtbare Licht hin zum hochfrequenten, kurzwelligen Ultraviolett, der Röntgenstrahlung und letztlich der Gammastrahlung. Die Wellen in den Bändern weisen unterschiedliche Eigenschaften in der Erzeugung, der Interaktion mit Materie oder der praktischen Anwendung auf. Die Ausdehnung des Universums selbst stellt die Grenze für lange Wellenlängen dar, während die Annahme besteht, dass die kürzesten Wellenlängen nahe an der Plancks Länge liegen. Ein Maß, das an der Grenze des physikalisch vorstellbaren und berechenbaren liegt. . Gammastrahlen und Röntgenstrahlen wie ebenso hoch ultraviolette Strahlen sind als ionisierende Strahlen klassifiziert, da ihre Photonen-Energie ausreichend ist, Atome zu ionisieren, was chemische Reaktionen zur Folge hat. In den meisten Frequenzbändern kann die Technik der Spektroskopie angewendet werden, um Wellen verschiedener Frequenzen physikalisch zu trennen und so ein Spektrum zu erzeugen, das konstituierende Frequenzen aufzeigt. Durch die Spektroskopie erfolgen Untersuchungen zu Wechselwirkungen von elektromagnetischen Wellen mit Materie. Weitere technologische Anwendungen werden im Bereich der elektromagnetischen Strahlung beschrieben.

Geschichte

Licht als sichtbarer Bestandteil des elektromagnetischen Spektrums war über tausende von Jahren der einzige bekannte Teil. Im antiken Griechenland worden bereits Experimente gemacht, die zeigten, das Licht geradlinig verläuft, das es reflektiert und Brechungen unterliegt. Jedoch erst im 16. Jahrhundert wurden Theorien aufgestellt, ob Licht eine Welle ist oder aus Teilchen besteht. In den weiteren Jahrhunderten bis heute machten Wissenschaftler immer neue Entdeckungen in Bezug auf das Licht und seine Frequenzen. So etwa William Herschel, der im Jahr 1800 die Infrarotstrahlung entdeckte, oder Michael Faraday, der die Zusammenhänge zwischen Licht und Elektromagnetismus erkannte. Weitere Pioniere auf dem Feld des elektromagnetischen Spektrums sind unter anderem James Maxwell, Heinrich Hertz, Wilhelm Röntgen, Paul Villard und Ernest Rutherford.

Die Wellen des elektromagnetischen Spektrum lassen sich durch drei physikalische Eigenschaften beschreiben:

Frequenz (f)
Wellenlänge (λ)
Photonenenergie E

In der Astronomie werden Frequenzen beobachtet, deren Reichweite von 2,4 x 1023 Hz (Gammastrahlung) bis hin zur Plasmafrequenz eines interstellaren Mediums mit ∼ 1 kHz geht. Dabei ist die Wellenlänge proportional umgekehrt zur Wellenfrequenz, weshalb sich Gammastrahlung durch sehr kurze Wellenlängen ausweist, die im Verhältnis nur Bruchteile eines Atoms wären. Am anderen Ende des elektromagnetischen Spektrums, bei den Langwellen, finden sich dagegen Wellenlängen, die das gesamte Universum durchmessen. Die Energie der Photonen in den Wellen ist wiederum proportional zur Frequenz. Die ultrakurzen Frequenzen der Gammastrahlung besitzen eine sehr hohe Energiedichte, während Langwellen eine sehr geringe Energiedichte aufweisen.

Quizfragen zum Thema

1. Je größer die Wellenzahl einer elektromagnetischen Strahlung ist, desto größer, geringer oder gleich bleibend ist deren Energie?

   Desto größer ist deren Energie

2. Ein grüner Laserpuls mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Energie von 1,14 x 10-15 J besteht aus wie viel Photonen?

   Er besteht aus etwa 3050 Photonen

3. Wie sieht Einstein’sche Masse-Energie-Gleichung für die Masse eines Photons aus?

   m = E / C_o²

4. Was bedeutet monochromatische Strahlung?

   Bei einer monochromatischen Strahlung besitzen die Wellen die gleiche Frequenz

5. Wie wird der Begriff Strahlung definiert?

   Als Strahlung wird Energie bezeichnet, die sich gerichtet, räumlich und zeitlich ausbreitet.

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