Elektromagnetische Strahlung / Physik

Die schnellste Strahlung?

Wie schnell schätzt du, können sich elektromagnetische Gamma-Strahlen durch Vakuum bewegen?

Jede elektromagnetische Strahlung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Licht gehört auch zu den elektromagnetischen Strahlungen.

Im Unterschied zur Teilchenstrahlung, die man sich wie einen Beschuss durch Teilchen mit sehr kleiner Masse vorstellen kann, besteht elektromagnetische Strahlung nicht aus Materie und kann sich daher auch schneller und ungehinderter im Raum ausbreiten.

Wellenlänge zwischen 380 Nanometer und 750 nm. Je kürzer die Wellenlänge ist, desto energiereicher ist die Strahlung.

Licht ist die einzige Strahlungsart, die wir Menschen mit unseren Augen wahrnehmen können.

Das Lichtspektrum, also der Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung, den unsere Augen zufällig sehen können, liegt zwischen 380 nm und 750 nm. Für das gesamte elektromagnetische Spektrum gilt: Je kürzer die Wellenlänge ist, desto energiereicher ist die Strahlung.

Sender und Empfänger

Um Strahlung „sehen“ bzw. detektieren zu können, sind ein Sender und ein Empfänger notwendig. Je nach Wellenlänge bzw. Art der Strahlung müssen unterschiedliche Sender und Empfänger (Detektoren) verwendet werden.

Für Licht eignet sich als Sender beispielsweise eine Taschenlampe und als Empfänger beispielsweise unsere Augen.

Licht wird gesendet und von den Stäbchen und Zapfen auf der Netzhaut detektiert.

Wir haben keine Sinneswahrnehmung für Gamma-Strahlen. Ein Geiger-Müller Zählrohr detektiert die ionisierende Wirkung.

Welche Sender und Empfänger für sichtbares Licht fallen euch noch ein? Info für Lehrende

Die bei der radioaktiven Umwandlung instabiler Atomkerne entstehende Gamma-Strahlung ist für unsere Sinne nicht wahrnehmbar. Um sie zu detektieren, brauchen wir Hilfsmittel. Es kann zum Beispiel ein Geiger-Müller Zählrohr verwendet werden, das die Ionisierung eines Gases in elektrische Signale übersetzt, die dann gezählt bzw. als Lautsprecher Knacken hörbar werden.

Finde die 9 radioaktiven Dinge mithilfe des Geigerzählers!

Für elektromagnetische Strahlung braucht es immer einen Sender. Vom Sender breitet sich die Strahlung kugelförmig in alle Raumrichtungen aus. (Einschränkungen sind hier durch die Bauweise möglich.)

Daraus ergibt sich, dass die Strahlungsintensität I (die „Leistung pro Fläche“) aus geometrischen Gründen mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt:

$$I = \frac{P}{A}$$ mit der Einheit $$ \frac{W}{m^2} $$

Dabei ist P die Leistung und $$ A = 4 \pi r^2 $$ die Oberfläche der Kugel:

$$ I = \frac{P}{4 \pi r^2} $$

Daher ist auch „Abstand von der Strahlungsquelle gewinnen“ eine wichtige Sofortmaßnahme im Strahlenschutz.

Um die kugelförmige Ausbreitung der Strahlung im Raum leichter darstellen zu können, verwenden wir hier beschriftete Pfeile, die vorne breiter werden:

Darstellung des Strahlungsvorganges: Licht aus der Taschenlampe breitet sich kugelförmig aus und wird vom Auge detektiert.

Interaktion mit Materie

Wenn elektromagnetische Strahlung auf Materie trifft, gibt es drei prinzipielle Möglichkeiten was passieren kann: Sie kann durch die Materie durchstrahlen (Transmission), zurückstrahlen (Streuung/Reflexion) oder von der Materie aufgenommen werden (Absorption).

TAR – Prinzip der Interaktion mit Materie: Transmission, Absorption und Reflexion

Probiere das beim Experimentieren mit dem Licht einer Taschenlampe und Papierblättern aus:

Das Licht geht teilweise durch das weiße Blatt Kopierpapier durch, …

zum Teil wird es zurückgestreut (das Papier wirkt hier als Zwischensender) …

und teilweise wird es auch absorbiert (dabei wird das Papier wärmer).

Oft passiert das alles gleichzeitig.

Diese Wechselwirkungen können einzeln oder gemischt auftreten und hängen sowohl von der Art der Strahlung als auch von der Art der Materie ab.

Was bei der Reflexion mit der Strahlung passiert, erscheint logisch – sie wird zurückgeworfen. Die Materie wird nicht durchdrungen und wirkt analog zu einem Spiegel oder einer weißen Oberfläche bei sichtbarem Licht.

Bei der Transmission geht die Strahlung durch die Materie durch – die Materie ist dann für diese Wellenlänge durchsichtig. So wie Fensterglas für sichtbares Licht.

Im Vergleich dazu wirft die Absorption auf den ersten Blick mehr Fragen auf.

Was passiert bei der Absorption mit der aufgenommenen Strahlung?

Bei der Absorption elektromagnetischer Strahlung kommt es immer zur thermischen Wirkung: Das Material nimmt Energie auf und erwärmt sich. (Manchmal merkt man das unmittelbar, manchmal ist die Erwärmung so gering, dass es im Alltag nicht auffällt.)

Kennt ihr ein Beispiel, wo ihr das im Alltag bemerkt? Besprecht gemeinsam!

Info für Lehrende

Bei ionisierender Strahlung tritt zusätzlich zur Absorption ionisierende Wirkung auf – aus neutralen Molekülen oder Atomen werden durch die Einwirkung der kurzwelligen Strahlung Ionen (geladene Moleküle oder Atome).

Ionisierende Strahlung im Gamma-, Röntgen- und UV-Bereich; thermische Strahlung über das gesamte Spektrum — Wirkungen elektromagnetischer Strahlung

Im folgenden Experiment werden zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche betrachtet und verglichen.

Das Spektrum erweitern

Vom gesamten elektromagnetischen Spektrum besteht nur ein sehr kleiner Teil aus für Menschen sichtbarem Licht. Von vielen Tieren aber werden auch andere Wellenlängenbereiche wahrgenommen. Schon lange bekannt ist das bei den Honigbienen. Sie können mit ihren Augen auch die EM-Strahlung im UV-Bereich wahrnehmen, sie sehen also UV-Licht. Das hilft ihnen bei der Suche nach Nektar, da viele Blüten besondere Markierungen im UV-Bereich aufweisen. Zum Beispiel wird die Mitte der Blume besonders stark im UV-Bereich absorbiert und zeigt den Bienen an wo der Nektar zu finden ist:

Gänseblümchen im sichtbaren Licht, im UV-Bereich und im IR Bereich

Vergissmeinnicht im sichtbaren Licht, im UV-Bereich und im IR Bereich

Auch viele Vögel und sogar Rentiere können im UV-Bereich sehen. Von manchen Schlangen weiß man, dass sie Sinnesorgane haben, die IR-Strahlung wahrnehmen können. Dadurch können Beutetiere auch in Dunkelheit aufgespürt werden.

Python — Manche Schlangenarten können mit Hilfe eines Sinnesorgans IR-Strahlung wahrnehmen und auch in völliger Dunkelheit Warmblüter erjagen.

In der Physik wurden die Wellenlängenbereiche abseits des sichtbaren Lichtes erst nach und nach ab dem Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckt und alles begann mit einem Zufall:

Um 1800 wollte der Astronom Friedrich Wilhelm Herschel die Temperaturen der verschiedenen Farben des Sonnenlichts mit Hilfe von Thermometern und einem Glasprisma messen. Schon seit Newton war bekannt, dass Glasprismen das Sonnenlicht in das Spektrum auffächern. Er positionierte Thermometer in den einzelnen Farbbereichen und auch eines daneben zur Kontrolle. Herschel bemerkte zu seinem Erstaunen, dass das eigentlich zum Vergleich gedachte Thermometer neben dem roten Ende des sichtbaren Spektrums die höchste Temperatur zeigte. Anfangs war noch unklar, ob dies durch eine neue Art von Strahlung oder eine unsichtbare Form von Licht verursacht wurde. Diese Strahlung wurde zunächst als „Wärmestrahlung“ oder „Ultrarot“ bezeichnet, bevor sich der Name „Infrarot“ durchsetzte.

Zerlegung von weißem Licht mit Hilfe eines Prismas in sichtbares Licht (VIS) und für uns Menschen unsichtbares IR- und UV-Licht

Nachdem eine neue Art von Strahlung nahe dem roten Ende des Lichtspektrums gefunden worden war, war es nur naheliegend, auch in der Nähe des violetten Endes zu suchen. Und 1801 wurde der Physiker Johann Wilhelm Ritter fündig: Er konnte zeigen, dass auch hier das Spektrum weitergeht. Die Strahlen jenseits des violetten Spektrums eigneten sich, um Fotopapier (Silberchloridpapier) zu schwärzen. Diese Strahlung wird heute UV-Strahlung (ultraviolett) genannt, wurde aber früher auch als „chemische Strahlung“ bezeichnet.

Heute wissen wir, dass die Einteilung und Namen der einzelnen Wellenlängenbereiche sehr willkürlich und historisch gewachsen sind.

Von großen zu kleinen Wellenlängen

Das elektromagnetische Spektrum ist kontinuierlich. Somit ändern sich auch die Eigenschaften der Strahlung und ihre Energie kontinuierlich von großen zu kleinen Wellenlängen. Je kürzer die Wellenlänge ist, desto energiereicher ist die Strahlung.

Sehr große Wellenlängen: Niederfrequenz und Rundfunk-Bereich

Die Wellenlängen liegen zwischen 100 000 km und 1 m. Dieser Bereich wird für Funk, Fernsehen und Radio verwendet. Auch Funknavigation im Flugverkehr und ferngesteuerte Spielzeugautos verwenden diesen Bereich.

Große Wellenlängen: Mikro-Bereich

Die Wellenlängen liegen zwischen 1 mm und 1 m. Radar, Mobilfunk (2G, 3G, 4G, 5G), Richtfunk, Fernsehen, WLAN, Bluetooth, GPS … übertragen damit Daten, aber auch Mikrowellenherde verwenden diesen Wellenlängenbereich.

Mikrowellen Popcorn — Nahrungszubereitung durch Mikrowellen

Warum kann dein Handy im Gegensatz zum Mikrowellenherd kein Popcorn machen?

Mikrowellenherde arbeiten mit 600 bis 1000 Watt, die Sendeleistung eines Handys beträgt höchstens 2 Watt. Das ist, als würde man einen Lasercutter mit deiner Hand vergleichen. Beides sind Quellen von IR-Strahlen, aber die Strahlungsintensität liegt in völlig unterschiedlichen Größenbereichen.

Der IR-Bereich

Von 780 nm bis 1 mm reichen die Wellenlängen der infraroten Bereiches. Fernbedienungen, die Erde, dein Körper, CO₂-Laser, Wärmelampen, Infrarotkabinen und CD-Player arbeiten in diesem Wellenlängenbereich.

Eine Hand als IR-Strahlungsquelle (Falschfarbenbild)

Das sichtbare Licht

Das sichtbare Licht umfasst nur Wellenlängen zwischen 380 und 780 nm.

Sonnenaufgang über einem Bergtal — Die Sonne ist wohl die bekannteste Quelle für sichtbares Licht.

Der UV-Bereich

Ganz nahe am violetten Licht liegt der nahe UV-Bereich der mit „Schwarzlichtlampen“ für Fluoreszenzanregung verwendet wird. Ungefähr in der Mitte des ultravioletten Bereiches beginnt der Bereich der Ionisierenden Strahlung. Sonnencreme schützt deine Haut vor deren Auswirkung.

Der UV-Wellenlängenbereich umfasst 10 - 380 nm.

Schwarzlicht bringt UV-Farben zum Leuchten.

Sehr kleine Wellenlängen: Gamma- und Röntgenstrahlen

Die elektromagnetischen Strahlen mit den allerkleinsten Wellenlängen sind die Gamma-Strahlen. Sie überschneiden sich in einem weiten Bereich mit den Röntgenstrahlen, die zu etwas größeren Wellenlängen reichen. Durch die Art der Entstehung kann man sie trotzdem unterscheiden: Während Gamma-Strahlen im Atomkern ihren Ursprung haben, entstehen Röntgenstrahlen bei Vorgängen in der Elektronenhülle.

Die Entdeckung der Röntgenstrahlen im 19. Jahrhundert durch den deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen ermöglichte erstmals die nicht-invasive Darstellung des menschlichen Körpers. Damit waren Bilder von Knochen, Organen und Geweben möglich.

Während seiner Experimente mit Kathodenstrahlen stieß Röntgen auf eine mysteriöse Strahlung, die durch undurchsichtige Materialien hindurchdringen und Filme belichten konnte. Diese neu entdeckte Strahlung nannte er „X-Strahlen“.

Die Röntgenbildgebung wurde schnell zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Medizin.