Elektromagnetische Wellen

Auftreten und Anwendungsbereiche


für den GK Physik 13.1

von Patrick Bernau 2000-01-16


  1. Einführung

    2. Sämtliche elektromagnetischen Wellen haben gleichzeitig Wellen- und Teilchen-Charakter. Darum kann man in diesem Zusammenhang die Begriffe "Welle" und "Strahlung" fast gleichwertig verwenden. Die Strahlung besteht nach Albert Einstein aus "Photonen", masselosen Teilchen und Energieträgern, die manchmal als Wellen erscheinen. Dies soll an dieser Stelle einmal erwähnt sein; eine genauere Ausführung würde zu weit und am Thema dieses Referats vorbeiführen – im Zusammenhang mit dieser Entdeckung wurden im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts verschiedene Nobelpreise vergeben.

  2. Gammastrahlen (l = 10-10 - 10-14 m, f = 3*1018 - 3*1022 Hz)

    3. Gamma-Strahlen sind nuklearen Ursprungs; sie entstehen beim Zerfall von Atomkernen. Radioaktive Elemente sind ebenso Quelle von Gammastrahlen wie Kernwaffen-Explosionen und kosmische Ereignisse. Die Photonen (masselose Teilchen) der Gammastrahlen tragen besonders viel Energie; sie können daher andere Atome ionisieren und sind für Menschen und Tiere gefährlich. Blei kann die Gammastrahlen aufhalten.

    Die kürzesten bekannten elektromagnetischen Wellen treten in der kosmischen Höhenstrahlung auf. Sie sind noch energiegeladener und damit noch gefährlicher.

  3. Röntgenstrahlen (6*10-12 - 10-9 m, 5*1019 - 3*1017 Hz)

    4. Röntgenstrahlen werden durch Abbremsung an Metallgegenständen von Elektronen erzeugt, die sich schnell bewegen und somit energiereich sind. Für ihre Entdeckung erhielt Wilhelm Conrad Röntgen 1901 den ersten Physik-Nobelpreis.

    Auch Röntgenstrahlen sind für Menschen gefährlich. Sie können wie Gammastrahlen durch Blei aufgehalten werden – und beispielsweise durch Knochen. So können sie zur inneren Untersuchung von Menschen verwendet werden.

  4. Ultraviolettes Licht (60-380nm, 5*1016-1015 Hz)

    5. UV-Licht entspringt an elektrischen Entladungen im atomaren wie molekularen Bereich. Es dient in der Natur verschiedenen chemischen Reaktionen, unter anderem der Bildung von Ozon. Auch diese Wellen sind noch nicht vollständig ungefährlich; in größeren Mengen können sie Hautkrebs auslösen.

  5. Sichtbares Licht (400-750nm, 0,75*1015 – 0,4*1015 Hz)

    6. Auch sichtbares Licht wird durch Beschleunigung elektrischer Ladungen erzeugt, vorwiegend von Elektronen im Innern der Elektronenschalen der Atome. Für diesen Vorgang wird Wärmeenergie verwendet, die meist aus chemischen Prozessen stammt.

    Die Farbe des Lichts hängt vom Grad der Anregung und damit von der Frequenz der Wellen ab. Hohe Frequenzen führen zu violettem, blauem oder grünem Licht, während niedrige Frequenzen das Licht rot scheinen lassen. Weiß wird das Licht, wenn Wellen aller Frequenzen enthalten sind.

    Auch Laserstrahlen gehören zum sichtbaren Licht. Durch Bündelung der Wellen erhalten sie eine besondere Eigenschaft: Sie werden kohärent [Phasendifferenz in jedem Punkt des Wellenfelds bleibt über längere Zeit konstant – zu langwierig herzuleiten]. Angewendet werden Laserstrahlen zur Längen-Vermessung, zur Geschwindigkeitsmessung und dank ihrer hohen Energiedichte zum Schneiden, Bohren und Schweißen harter Materialien mit hohem Schmelzpunkt (Wolfram, Diamant). Durch hohe Genauigkeit ist dies im kleinsten Bereich möglich, so zum Beispiel in der Mikroelektronik und der Augenmedizin. Zusätzlich lassen sich dank der Kohärenz auf Laserstrahlen viele Daten (Telefongespräche, Fernsehsendungen) gleichzeitig übertragen.

  6. Infrarotes Licht (780-1000nm, 4*1014 - 3*1011 Hz)

    7. Die Entstehung von infrarotem Licht war lange Zeit nicht richtig bekannt. Erst Max Planck konnte dieses Rätsel gegen Ende des 19. Jahrhunderts lösen – und baute später seine Quantentheorie auf diesem Phänomen auf. Die Strahlung wird in Form von Wärmestrahlung von Molekülen und heißen Körpern erzeugt, aber nicht kontinuierlich, sondern portionsweise, in "Paketen". Einstein ergänzte diese Erkenntnis durch weitere Überlegungen, nach der auch die Strahlung selbst aus einzelnen Energieteilchen, sogenannten "Photonen", besteht.

    Viele Tiere besitzen Infrarotsensoren als Sinnesorgane und können so Wärmeunterschiede "sehen". Auch die Menschen machen sich die Infrarotwellen inzwischen bei Nachtsichtgeräte zu Nutze.

    Längere Wellen als Infrarotlicht werden hauptsächlich durch ihre Länge bezeichnet. Sie kommen nicht in der Natur vor, sondern werden elektronisch erzeugt.

  7. Mikrowellen (0,1mm – 10cm, 3*1012 – 3*109 Hz)

    8. Mikrowellen sind jedermann aus der Küche bekannt, wo sie das Essen erwärmen. Auch im Weltraum entsteht Mikrowellen-Strahlung. Eigentlich gehören schon sie zu den sogenannten "Funkwellen".

  8. Andere Funkwellen (>10cm, <3*109 Hz)

    9. Noch längere Wellen werden zur Übertragung von Daten genutzt. Ab etwa 1GHz abwärts werden die Frequenzen für Mobiltelefone und Fernsehen verwendet. Zwischen 300 und 30 MHz (10m bis 1m) liegen die Ultrakurzwellen, danach bis 3 MHz (100m bis 10m) die Kurzwellen – die Längenangaben auf Weltempfängern sind also die Längen der Kurzwellen.

    Zwischen 1500 und 600 kHz wird die Strahlung "Mittelwellen" genannt; bis etwa 100 kHz (l  = 3000m) liegen die Langwellen.

    Die Frequenzbereiche werden international von der ITU (International Telecommunications Union) vergeben, einer UN-Unterorganisation in Genf, denn Langwellen-Frequenzen können nur einmal verwendet werden; Langwellen breiten sich über die ganze Erde aus. Gleichzeitig existieren im niedrigen Frequenzbereich weniger verschiedene Frequenzen. Die Reichweite kurzer Wellen ist deutlich geringer [Mobilfunk-Umsetzer in jedem dritten Dorf]; gleichzeitig gibt es im höheren Frequenzbereich mehr zu besetzende Frequenzen.

  9. Gesundheitsschädlichkeit elektromagnetischer Wellen

    10. Bekannt gesundheitsschädliche Wellen wurden schon oben so bezeichnet. Es handelt sich hierbei um Wellen mit hohen Frequenzen, die gleichzeitig eine hohe Energiedichte aufweisen und so Atome im menschlichen Körper ionisieren können. Bei Wellen niedrigerer Frequenzen ist diese Gefahr sicher nicht gegeben. Dennoch ist damit nicht bewiesen, dass diese Wellen nicht gesundheitsschädlich sind. Viele Menschen haben Angst vor "Elektro-Smog", sogar von elektronischen Leitungen – und noch mehr von Mobiltelefonen oder Mikrowellen.

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    Literatur:
    • Stratis Karamanolis, Elektromagnetische Wellen, Neubiberg 1996
    • Dorn / Bader (Hrsg.), Physik Oberstufe, Hannover 1986
    • Meyers Taschenlexikon, Mannheim 19922