Das elektromagnetische Spektrum - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 7-8, G-Niveau

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Einleitung

Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle elektromagnetischen Wellen – von sehr langen Radiowellen bis zu sehr kurzen Gammastrahlen. Sichtbares Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt dieses großen Spektrums. Die Bereiche unterscheiden sich vor allem durch ihre Wellenlänge, ihre Frequenz und die Energie ihrer Photonen.

Elektromagnetische Wellen begegnen Dir täglich: beim Radiohören, beim Telefonieren, bei WLAN, in einer Wärmebildkamera, im Sonnenlicht und beim Röntgen. Dieser aiMOOC zeigt Dir, wie die Bereiche zusammenhängen, wie sie erzeugt und nachgewiesen werden und warum ihre Wirkungen auf Materie verschieden sind.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du die Bereiche des elektromagnetischen Spektrums in die richtige Reihenfolge bringen. Du kannst mit Wellenlänge, Frequenz und Lichtgeschwindigkeit rechnen, Anwendungen erklären und zwischen ionisierender und nichtionisierender Strahlung unterscheiden. Außerdem kannst Du beurteilen, warum für verschiedene Spektralbereiche unterschiedliche Sender, Detektoren und Schutzmaßnahmen nötig sind.

Elektromagnetische Wellen

Elektrisches und magnetisches Feld

Eine elektromagnetische Welle besteht aus einem veränderlichen elektrischen Feld und einem veränderlichen magnetischen Feld. Beide Felder stehen bei einer idealisierten ebenen Welle senkrecht aufeinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Deshalb ist sie eine Transversalwelle.

Anders als Schall benötigt elektromagnetische Strahlung kein materielles Medium. Sie kann sich deshalb auch durch das Vakuum des Weltalls ausbreiten. Im Vakuum bewegt sie sich mit der Lichtgeschwindigkeit.

Die Animation zeigt eine linear polarisierte elektromagnetische Welle. Die beiden Feldrichtungen schwingen quer zur Ausbreitungsrichtung.

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Wellenlänge, Frequenz und Lichtgeschwindigkeit

Die Wellenlänge $\lambda$ ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten gleicher Schwingungsphase, zum Beispiel zwischen zwei Wellenbergen. Die Frequenz $f$ gibt an, wie viele Schwingungen pro Sekunde stattfinden. Ihre Einheit ist Hertz mit $1\mathrm{H}\mathrm{z}=1/\mathrm{s}$.

Im Vakuum gilt:

$c=\lambda \cdot f$

Dabei ist $c=299792458\mathrm{m}/\mathrm{s}$ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Für Überschlagsrechnungen nutzt man meist:

$c\approx \mathrm{3,00}\cdot 10^8\mathrm{m}/\mathrm{s}$

Daraus folgen:

$f=\frac{c}{\lambda }$

und

$\lambda =\frac{c}{f}$

Merksatz: Je größer die Frequenz ist, desto kleiner ist die Wellenlänge. Eine Frequenz von $100\mathrm{M}\mathrm{H}\mathrm{z}$ entspricht im Vakuum zum Beispiel ungefähr einer Wellenlänge von $3\mathrm{m}$.

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Photonenenergie

Elektromagnetische Strahlung kann auch als Strom von Photonen beschrieben werden. Die Energie eines Photons beträgt:

$E=h\cdot f$

Mit $c=\lambda f$ erhält man:

$E=\frac{h\cdot c}{\lambda }$

$h$ ist das Plancksche Wirkungsquantum. Eine höhere Frequenz bedeutet also eine höhere Photonenenergie. Kurzwelliges ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung können deshalb einzelne Atome oder Moleküle ionisieren.

Ordnung des elektromagnetischen Spektrums

Die Grenzen zwischen den Bereichen sind nicht überall gleich festgelegt. Die folgende Tabelle dient als schulische Orientierung. Besonders Röntgen- und Gammastrahlung werden nicht nur nach ihrer Wellenlänge, sondern häufig auch nach ihrer Entstehung unterschieden.

Bereich	Typische Wellenlänge	Typische Frequenz	Beispiele
Radiowellen	größer als etwa $1\mathrm{m}$	kleiner als etwa $3\cdot 10^8\mathrm{H}\mathrm{z}$	Rundfunk, Funkverkehr, Radioastronomie
Mikrowellen	etwa $1\mathrm{m}$ bis $1\mathrm{m}\mathrm{m}$	etwa $3\cdot 10^8$ bis $3\cdot 10^{11}\mathrm{H}\mathrm{z}$	Radar, Satellitenfunk, WLAN, Mikrowellenherd
Infrarot	etwa $1\mathrm{m}\mathrm{m}$ bis $780\mathrm{n}\mathrm{m}$	etwa $3\cdot 10^{11}$ bis $4\cdot 10^{14}\mathrm{H}\mathrm{z}$	Wärmebildkamera, Fernbedienung
Sichtbares Licht	etwa $780$ bis $380\mathrm{n}\mathrm{m}$	etwa $4\cdot 10^{14}$ bis $\mathrm{7,9}\cdot 10^{14}\mathrm{H}\mathrm{z}$	Sehen, Beleuchtung, Fotografie
Ultraviolett	etwa $380$ bis $10\mathrm{n}\mathrm{m}$	etwa $\mathrm{7,9}\cdot 10^{14}$ bis $3\cdot 10^{16}\mathrm{H}\mathrm{z}$	Fluoreszenz, Desinfektion, Sonnenstrahlung
Röntgenstrahlung	etwa $10$ bis $\mathrm{0,01}\mathrm{n}\mathrm{m}$	etwa $3\cdot 10^{16}$ bis $3\cdot 10^{19}\mathrm{H}\mathrm{z}$	medizinische Bildgebung, Materialprüfung
Gammastrahlung	kleiner als etwa $\mathrm{0,01}\mathrm{n}\mathrm{m}$	größer als etwa $3\cdot 10^{19}\mathrm{H}\mathrm{z}$	Kernübergänge, Astrophysik, Strahlentherapie

Die Spektralbereiche

Radiowellen

Radiowellen besitzen große Wellenlängen und kleine Frequenzen. In Sendeantennen werden elektrische Ladungen beschleunigt. Dadurch entstehen elektromagnetische Wellen. Eine Empfangsantenne wandelt einen Teil der Wellenenergie wieder in eine elektrische Wechselspannung um.

Radiowellen werden für Rundfunk, Fernsehen, Navigation und viele Funkverbindungen genutzt. Die genaue Einteilung der Funkbereiche wird technisch noch weiter untergliedert.

Die Animation verdeutlicht, wie das elektrische Feld einer ankommenden Radiowelle Ladungen in einer Dipolantenne bewegt.

Mikrowellen

Mikrowellen sind ein Teil des Funkbereichs. Sie werden unter anderem für Radar, Satellitenkommunikation, Mobilfunk und WLAN eingesetzt. Kurze Wellenlängen ermöglichen kleine Antennen und gebündelte Strahlen.

In einem Mikrowellenherd erzeugt ein Magnetron Mikrowellen. Das schnell wechselnde elektrische Feld wirkt auf polare Moleküle und gelöste Ionen im Lebensmittel. Durch die dabei entstehende Bewegung und Wechselwirkung wird Energie in Wärme umgewandelt. Die Erwärmung ist daher kein einfacher „Wasserresonanz“-Effekt.

Infrarotstrahlung

Infrarotstrahlung liegt zwischen Mikrowellen und sichtbarem Rot. Warme Körper senden aufgrund ihrer Temperatur elektromagnetische Strahlung aus. Bei alltäglichen Temperaturen liegt ein großer Teil davon im Infrarotbereich.

Infrarot wird für Wärmebilder, Bewegungsmelder, Fernbedienungen, Glasfasertechnik und astronomische Beobachtungen genutzt. Menschen können Infrarot nicht sehen, geeignete Sensoren können es jedoch nachweisen.

Das Wärmebild ordnet gemessenen Infrarotintensitäten sichtbare Farben zu. Diese Farben sind Falschfarben und nicht die wirklichen Farben des Tieres.

Sichtbares Licht

Sichtbares Licht ist der Bereich, auf den das menschliche Auge reagiert. Die ungefähre Spanne reicht von Violett bei kurzen Wellenlängen bis Rot bei langen Wellenlängen. Die wahrgenommenen Farben entstehen durch die Reaktion der Sinneszellen im Auge und die Verarbeitung im Gehirn.

Weißes Licht kann viele Wellenlängen enthalten. Ein Prisma bricht die Wellenlängen unterschiedlich stark und zerlegt das Licht dadurch in ein Spektrum. Dieser Vorgang heißt Dispersion.

Ultraviolettstrahlung

Ultraviolettstrahlung schließt sich an das kurzwellige sichtbare Violett an. Sie kann Fluoreszenz auslösen und wird technisch unter anderem zur Aushärtung von Materialien oder zur Desinfektion eingesetzt.

UV-Strahlung der Sonne wirkt auf Haut und Augen. Ihre Wirkung hängt von Wellenlänge, Intensität und Einwirkdauer ab. Besonders kurzwellige UV-Strahlung besitzt Photonen mit genügend Energie für Ionisationsprozesse. Die Erdatmosphäre absorbiert einen großen Teil der kurzwelligen UV-Strahlung.

Röntgenstrahlung

Röntgenstrahlung ist kurzwellige, ionisierende elektromagnetische Strahlung. Sie kann viele Materialien durchdringen, wird aber je nach Stoff und Schichtdicke unterschiedlich stark abgeschwächt. Diese Unterschiede ermöglichen Röntgenaufnahmen.

Neben der medizinischen Diagnostik wird Röntgenstrahlung zur Materialprüfung, Sicherheitskontrolle und Untersuchung von Kristallstrukturen verwendet. Wegen ihrer ionisierenden Wirkung muss die Strahlenexposition begrenzt werden.

Gammastrahlung

Gammastrahlung besitzt sehr hohe Photonenenergien. Im engeren Sinn entsteht sie bei Übergängen oder Umwandlungen von Atomkernen. Sie wird in der Medizin, Forschung und Technik eingesetzt und tritt auch bei energiereichen Vorgängen im Weltall auf.

Röntgen- und Gammastrahlung können sich in ihren Energiebereichen überschneiden. Häufig wird die Bezeichnung deshalb nach der Quelle gewählt: Röntgenstrahlung entsteht typischerweise durch Elektronenprozesse, Gammastrahlung durch Kernprozesse.

Die Karte zeigt den Himmel im Bereich der Gammastrahlung. Solche Beobachtungen machen Vorgänge sichtbar, die das menschliche Auge nicht wahrnehmen kann.

Wechselwirkung mit Materie

Trifft elektromagnetische Strahlung auf Materie, kann sie reflektiert, gebrochen, gestreut, absorbiert oder durchgelassen werden. Welche Wirkung überwiegt, hängt von der Frequenz, dem Material, der Oberflächenstruktur und der Schichtdicke ab.

1. Reflexion: Die Welle wird an einer Grenzfläche zurückgeworfen.
2. Brechung: Richtung und Geschwindigkeit ändern sich beim Übergang in ein anderes Medium.
3. Absorption: Strahlungsenergie wird von Materie aufgenommen.
4. Transmission: Ein Teil der Strahlung durchdringt das Material.
5. Streuung: Die Strahlung wird in verschiedene Richtungen verteilt.
6. Beugung: Wellen breiten sich an Kanten oder Öffnungen in den geometrischen Schattenraum aus.

Ein Material kann für einen Spektralbereich durchsichtig und für einen anderen undurchsichtig sein. Glas lässt sichtbares Licht gut durch, blockiert jedoch viele Bereiche der Ultraviolett- und Infrarotstrahlung. Deshalb benötigt jede Messung passende Fenster, Spiegel und Detektoren.

Ionisierende und nichtionisierende Strahlung

Ionisierende Strahlung kann Elektronen aus Atomen oder Molekülen lösen. Dazu muss ein einzelnes Photon genügend Energie besitzen. Röntgenstrahlung und Gammastrahlung sind ionisierend; auch sehr kurzwellige UV-Strahlung kann ionisieren.

Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot und sichtbares Licht sind nichtionisierend. Das bedeutet nicht, dass hohe Intensitäten immer ungefährlich sind. Nichtionisierende Strahlung kann Materie stark erwärmen oder Gewebe schädigen. Für eine Risikobewertung müssen deshalb Photonenenergie, Intensität, Expositionsdauer und betroffener Stoff gemeinsam betrachtet werden.

Atmosphäre und Astronomie

Die Erdatmosphäre ist nicht für alle Wellenlängen gleich durchsichtig. Sichtbares Licht und große Teile des Radiobereichs erreichen den Boden vergleichsweise gut. Viele Bereiche der UV-, Röntgen- und Gammastrahlung werden in der Hochatmosphäre absorbiert. Große Teile des Infrarots werden von atmosphärischen Gasen aufgenommen.

Darum stehen manche Teleskope auf hohen Bergen, in Flugzeugen oder im Weltraum. Beobachtungen in unterschiedlichen Spektralbereichen liefern verschiedene Informationen über Temperatur, chemische Zusammensetzung, Magnetfelder und energiereiche Vorgänge.

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Sender und Detektoren

Für verschiedene Spektralbereiche braucht man unterschiedliche technische Systeme. Eine Radioantenne reagiert auf Radiowellen, während eine Fotodiode sichtbares oder infrarotes Licht registrieren kann. Für Röntgen- und Gammastrahlung werden spezielle Halbleiterdetektoren, Szintillatoren oder andere Strahlungsdetektoren verwendet.

Bereich	Typische Erzeugung	Typischer Nachweis
Radiowellen	Wechselstrom in Antennen	Empfangsantenne
Mikrowellen	Magnetron oder elektronische Oszillatoren	Antenne oder Mikrowellendetektor
Infrarot	Wärmestrahlung oder Infrarot-LED	Thermosensor oder Fotodiode
Sichtbares Licht	Lampe, LED, Laser oder Sonne	Auge, Kamera oder Fotodiode
Ultraviolett	Gasentladung, LED oder Sonne	UV-Sensor oder fluoreszierender Stoff
Röntgenstrahlung	Abbremsen schneller Elektronen in einer Röntgenröhre	Röntgendetektor
Gammastrahlung	Kernübergänge oder kosmische Prozesse	Szintillator oder Halbleiterdetektor

Rechenbeispiele

Beispiel 1: Frequenz aus Wellenlänge

Rotes Licht habe die Wellenlänge $\lambda =650\mathrm{n}\mathrm{m}=650\cdot 10^{-9}\mathrm{m}$.

$f=\frac{c}{\lambda }=\frac{\mathrm{3,00}\cdot 10^8\mathrm{m}/\mathrm{s}}{650\cdot 10^{-9}\mathrm{m}}\approx \mathrm{4,62}\cdot 10^{14}\mathrm{H}\mathrm{z}$

Beispiel 2: Wellenlänge einer Funkwelle

Eine Funkwelle habe die Frequenz $f=100\mathrm{M}\mathrm{H}\mathrm{z}=\mathrm{1,00}\cdot 10^8\mathrm{H}\mathrm{z}$.

$\lambda =\frac{c}{f}=\frac{\mathrm{3,00}\cdot 10^8\mathrm{m}/\mathrm{s}}{\mathrm{1,00}\cdot 10^8\mathrm{H}\mathrm{z}}=\mathrm{3,00}\mathrm{m}$

Beispiel 3: Vergleich zweier Photonen

Ein Photon mit doppelter Frequenz besitzt nach $E=hf$ die doppelte Energie. Seine Wellenlänge ist nach $c=\lambda f$ gleichzeitig halb so groß.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Gleichung verbindet Lichtgeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz? (c = λ · f) (!c = λ + f) (!c = λ − f) (!c = λ : f)

Welcher Bereich besitzt typischerweise die höchste Photonenenergie? (Gammastrahlung) (!Radiowellen) (!Infrarotstrahlung) (!Mikrowellen)

Was benötigen elektromagnetische Wellen nicht für ihre Ausbreitung? (Ein materielles Medium) (!Energie) (!Ein elektrisches Feld) (!Ein magnetisches Feld)

Wie verändert sich die Wellenlänge bei steigender Frequenz im Vakuum? (Sie wird kleiner) (!Sie wird größer) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie wird zuerst größer und dann kleiner)

Welches Gerät nutzt Infrarotstrahlung? (Eine Wärmebildkamera) (!Ein Kompass) (!Eine Balkenwaage) (!Ein Federkraftmesser)

Was bedeutet Ionisation? (Elektronen werden aus Atomen oder Molekülen gelöst) (!Ein Stoff wird ausschließlich erwärmt) (!Eine Welle wird vollständig reflektiert) (!Ein Magnet verliert seine Pole)

Welcher Bereich ist für das menschliche Auge direkt wahrnehmbar? (Sichtbares Licht) (!Röntgenstrahlung) (!Gammastrahlung) (!Radiowellen)

Welches Bauteil empfängt Radiowellen? (Eine Antenne) (!Ein Thermometer) (!Ein Prisma) (!Eine Feder)

Warum wird weißes Licht in einem Prisma in Farben zerlegt? (Verschiedene Wellenlängen werden unterschiedlich stark gebrochen) (!Alle Farben bewegen sich im Vakuum unterschiedlich schnell) (!Das Prisma erzeugt neue Atome) (!Das Licht wird vollständig absorbiert)

Welche Strahlung ist ionisierend? (Röntgenstrahlung) (!Radiowellen) (!Mikrowellen) (!Infrarotstrahlung)

Memory

Radiowelle	Antenne
Mikrowelle	Radar
Infrarot	Wärmebild
Sichtbares Licht	Auge
Ultraviolett	Fluoreszenz
Röntgenstrahlung	Knochenaufnahme
Gammastrahlung	Kernübergang

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
lange Wellenlänge	Radiowellen
Wärmestrahlung	Infrarot
menschliches Sehen	Sichtbares Licht
medizinische Durchleuchtung	Röntgenstrahlung
sehr hohe Photonenenergie	Gammastrahlung

Kreuzworträtsel

Wellenlaenge	Wie heißt der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen?
Frequenz	Welche Größe gibt Schwingungen pro Sekunde an?
Photon	Wie heißt ein Energiequant elektromagnetischer Strahlung?
Infrarot	Welcher Spektralbereich wird für Wärmebilder genutzt?
Antenne	Welches Bauteil sendet oder empfängt Radiowellen?
Ionisation	Wie heißt das Herauslösen eines Elektrons aus einem Atom oder Molekül?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle elektromagnetischen . Im Vakuum breiten sie sich mit der aus. Wellenlänge und Frequenz sind über die Gleichung miteinander verbunden. Bei steigender Frequenz wird die Wellenlänge . Die Energie eines Photons ist proportional zur . Für Wärmebilder nutzt man . Der für Menschen direkt sichtbare Bereich heißt . Röntgenstrahlung und Gammastrahlung gehören zur Strahlung. Radiowellen werden mit einer empfangen. Ein Prisma zerlegt weißes Licht durch . Die Atmosphäre ist nur für bestimmte Spektralbereiche gut .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Spektrum im Alltag: Fotografiere oder zeichne vier Geräte aus Deinem Alltag und ordne ihnen den passenden Spektralbereich zu.
2. Wellenlänge und Frequenz: Erstelle eine Merkkarte mit der Formel $c=\lambda f$, den Einheiten und einem eigenen Zahlenbeispiel.
3. Farbspektrum: Zeichne das sichtbare Spektrum von Violett bis Rot und kennzeichne die Richtung steigender Wellenlänge.
4. Medienanalyse: Wähle eines der eingebetteten Bilder und erkläre in fünf Sätzen, was daran physikalisch zu erkennen ist.

Standard

1. Prisma-Experiment: Untersuche mit Prisma oder Beugungsgitter eine geeignete Lichtquelle und dokumentiere Aufbau, Beobachtung und Erklärung. Schaue niemals direkt in starke Lichtquellen oder Laser.
2. Infrarot-Fernbedienung: Prüfe mit einer Digitalkamera, ob das Signal einer Fernbedienung sichtbar gemacht werden kann, und erkläre die Beobachtung.
3. Spektralbereiche vergleichen: Erstelle eine Tabelle zu Erzeugung, Nachweis, Anwendung und möglicher Wirkung von fünf Spektralbereichen.
4. Modellkritik: Vergleiche zwei Darstellungen des elektromagnetischen Spektrums und untersuche, welche Größen korrekt, vereinfacht oder missverständlich gezeigt werden.

Schwer

1. Funkwellen berechnen: Recherchiere drei legal genutzte Funkfrequenzen, berechne ihre Vakuumwellenlängen und vergleiche die Ergebnisse.
2. Atmosphärische Fenster: Erkläre anhand einer Grafik, warum Radioastronomie teilweise vom Boden aus möglich ist, Röntgenastronomie aber Weltraumteleskope benötigt.
3. Strahlungsbewertung: Entwickle ein begründetes Schema, mit dem Du Aussagen über „gefährliche Strahlung“ anhand von Photonenenergie, Intensität und Dauer prüfst.
4. Spektrometer-Projekt: Entwirf ein einfaches Spektrometer für sichtbares Licht, dokumentiere das Funktionsprinzip und diskutiere mögliche Messfehler.

Lernkontrolle

1. Modell des Spektrums: Begründe, warum alle Bereiche zum selben physikalischen Phänomen gehören, obwohl ihre Anwendungen sehr verschieden sind.
2. Transfer Wellenlänge: Ein Sender verdoppelt seine Frequenz. Leite ab, wie sich Wellenlänge und Photonenenergie verändern.
3. Materialvergleich: Erkläre, warum ein Stoff für sichtbares Licht transparent, für Infrarot aber undurchlässig sein kann.
4. Astronomische Beobachtung: Entscheide für Radio-, sichtbare und Röntgenstrahlung, ob ein Teleskop am Boden oder im Weltraum sinnvoller ist, und begründe.
5. Risikoanalyse: Vergleiche eine intensive Mikrowellenquelle mit einer schwachen Röntgenquelle, ohne nur die Begriffe ionisierend und nichtionisierend zu nennen.
6. Detektorauswahl: Wähle für Infrarot, sichtbares Licht und Gammastrahlung geeignete Detektorprinzipien und erkläre, warum ein einziger Sensor nicht für alles optimal ist.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. die Spektralbereiche in richtiger Reihenfolge anordnen kannst,
2. den Zusammenhang $c=\lambda f$ sicher anwendest,
3. den Zusammenhang $E=hf$ qualitativ erklärst,
4. Anwendungen passenden Spektralbereichen begründet zuordnest,
5. Wechselwirkungen wie Absorption, Reflexion und Transmission unterscheidest,
6. ionisierende und nichtionisierende Strahlung differenziert bewertest,
7. Diagramme und logarithmische Skalen des Spektrums lesen kannst,
8. eine Beobachtung oder ein Experiment verständlich dokumentierst.

OERs zum Thema

1. Wikimedia Commons: Abbildungen zum elektromagnetischen Spektrum
2. Wikipedia: Elektromagnetische Welle
3. Wikipedia: Ionisierende Strahlung

Verknüpfte Lernbereiche

Das elektromagnetische Spektrum - Physik Elektromagnetische Welle Wellenlänge Frequenz Photon Optik Wellenlehre Strahlung Astronomie