Wellenlängen und Energie der elektromagnetischer Strahlung
 
Der physikalische Begriff Energie beschreibt das Vermögen eines nicht fassbaren und menschlichen Sinnen nur bedingt zugänglichen Etwas, dessen Auswirkung auf Materie beobachtet werden kann. Dieses 'Etwas' kann an Materie Arbeit verrichten und die ist in vielfältiger Weise beobachtbar. Als Beispiel kann die Tür eines Kühlschranks dienen, der einen Magnetverschluß besitzt. Die beiden Metallplatten üben eine Kraft aufeinander aus, die überwunden werden muß, wenn man die Tür öffnen will. Die beobachtete und erfahrbare Kraft wird der Energie Magnetismus zugeschrieben, doch was ist dieser Magnetismus?
Fährt man mit den Fingern zwischen den Metallplatten hindurch, oder sieht zwischen sie, ist nichts zu fühlen oder zu sehen, obwohl die magnetische Energie zwischen den Platten vorhanden sein muß. Sie ziehen sich ja an.

Im Vakuum bleibt die Energie unbeobachtbar, da es hier keine Materie gibt. Allein die Verrichtung der durch die Energie hervorgerufenen Arbeit an Massen ist beobachtbar, während das was die Arbeit verrichtet, letztlich weiterhin unbekannt bleibt.
Es gibt mehrere, in ihrem Ursprung und ihrer Wirkung unterscheidbare Energiesorten und eine davon ist die elektromagnetische Strahlung. Sie entstammt am Tag zum größten Prozentsatz der Sonne und eine ihrer beobachtbaren Wirkungen ist es beispielsweise, dass sie Moleküle in unserem Körper in Schwingungen versetzt, so dass wir sagen, es würde uns warm werden. Andere ihrer Strahlungsanteile wirken auf die Zellen in unseren Augen ein, was wir als Licht bezeichnen.
Die elektromagnetische Energie lässt sich in Bezug auf das zeitliche Auftreten ihrer Energiemaxima unterscheiden. Man spricht von ihrer Wellenlänge oder ihrer Frequenz. Beide Größen werden zusammen mit der übertragenen Energie in der folgenden Übersicht zusammengestellt. Den Energiebereichen werden überdies Namen zugeordnet. Die Bereiche überlappen sich teilweise, was allerdings keinen Einfluss auf die Wirkung der Strahlung nimmt, sondern sich an unterschiedlichen Erzeugungsmechanismen orientiert, auf welche die Autoren von Publikationen hinweisen wollen.

Abhängigkeiten zwischen Wellenlänge, Frequenz und Energie
Der Bereich der elektromagnetischen Wellen erstreckt sich über ein Spektrum, mit Wellenlängen von einigen Billionstel Metern Länge, bis hin zu Wellen, die einige 1000 Meter lang sind. Diese Wellen oder Energieabstrahlungen entstehen bei der Bewegung atomarer Teilchen, und deren elektrischer Ladung, wobei elektrische Ladungen immer auch magnetische Eigenschaften hervorrufen.
Elektromagnetische Strahlung breiten sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit, c=299.792.458 m/s, aus. Der Zusammenhang zwischen ihrer Frequenz und der zugeordneten Wellenlänge ergibt sich aus der Formel ..

                               Lichtgeschwindigkeit
           Frequenz =   ---------------------
                                 Wellenlänge

Soll die übertragene Energie einer elektromagnetischen Strahlung in der Einheit eV (elektronenvolt) ausgedrückt werden, so lässt sich dieser Wert durch die Beziehung E= h • f berechnen. In dieser Formel steht h für das Plancksche Wirkungsquantum (h= 4,13566733 10-15 eVs) also ..
               Energie in eV = 4,13566733 * 10-15eVs * Frequenz
 
Die folgende Tabelle gibt die BereichsNamen an, in welche die elektromagnetische Strahlung
unterteilt wird und ordnet sie ihrer Wellenlänge/Frequenz und Energie zu.
 
 
Name
 
Wellenlänge
Frequenz
Energie
 
 
 
Gammastrahlen
 
0,08pm - 50pm
Definition:
Im erweiterten Sinn eine elektromagnetische Strahlung mit Quantenenergien > 200keV
 
 
 
 
 
1pm.
300EHz
1,24 MeV
 
 
 
 
 
5pm.
60EHz
0,25 MeV
 
 
 
 
 
10pm.
30EHz
0,12 MeV
 
 
 
Röntgenstrahlung (X-Ray)
 
~0,01nm - ~10nm
Bereich: je nach Erzeugungsmechanismus mit den Gammastrahlen überlappend
 
 
 
hart
 
Wellenlänge kürzer als Atomabstand im Festkörper (0,1-0,5nm)
 
 
 
 
 
weich
 
Wellenlänge länger als Atomabstand im Festkörper (0,1-0,5nm)
 
 
 
 
 
Ultraviolettes Licht (UV)
 
1nm – 380nm
Bereich: keine klare Grenze zur Röntgenstrahlung. Ionisierend ab ~5eV=>1,21PHz
 
 
 
extremes UV
 
1-100nm
300-3,00PHz
1,24keV-12,40eV
 
 
 
Vakuum UV
 
100-200nm
3,00-1,50PHz
12,40-6,20eV
 
 
 
UV-C (fernes UV)
 
200-280nm
1,50-1,01PHz
6,20-4,43eV
 
 
 
UV-B(mittleres UV)
 
280-315nm
1,01-0,95PHz
4,43-3,94eV
 
 
 
UV-A (nahes UV-Schwarzlicht)
 
315-380nm
952-789THz
3,94-3,26eV
 
 
 
Sichtbares Licht
 
 
Sensor, menschliches Auge
 
 
 
Violett
 
380 - 420nm
789-714THz
3,26-2,95eV
 
 
 
Blau
 
420 - 490nm
714-612THz
2,95-2,53eV
 
 
 
Grün
 
490 - 575nm
612-521THz
2,53-2,16eV
 
 
 
Gelb
 
575 - 585nm
521-512THz
2,16-2,12eV
 
 
 
Orange
 
585 - 650nm
512-461THz
2,12-1,91eV
 
 
 
Rot
 
650 - 780nm
461-384THz
1,91-1,59eV
 
 
 
Infrarotes Licht (IR)
 
 
Vom Körper als Wärmestrahlung empfunden
 
 
 
nahes Infrarot (NIR) (IR A)
 
780-1400nm
384-214THz
1590-886meV
 
 
 
nahes Infrarot (NIR) (IR B)
 
1,4-3µm
214-100THz
886-413meV
 
 
 
mittleres Infrarot (MIR) (IR C)
 
3-50µm
100 -6THz
413-24,8meV
 
 
 
fernes Infrarot (FIR) (IR C)
 
50-1000µm
6 -0,3THz
24,8-1,24meV
 
 
 
Mikrowellen
Radio und Fernsehen
 
 
Technische Nutzung Mikrowellenherd Radar, Mobilfunk
 
 
 
Millimeterwellen (EHF)
 
1-10mm
300-30GHz
1240-124µeV
 
 
 
Zentimeterwellen (SHF)
 
10-100mm
30-3GHz
124-12,4µeV
 
 
 
Dezimeterwellen (UHF)
 
0,1-1m
3000-300MHz
12,4-1,24µeV
 
 
 
Ultrakurzwellen (VHF)
 
1-10m
300-30MHz
1240-124neV
 
 
 
Kurzwellen (HF)
 
10-100m
30-3MHz
124-12,4neV
 
 
 
Mittelwellen (MF)
 
100-1000m
3000-300kHz
12,4-1,24neV
 
 
 
Langewellen (LF)
 
1-10km
300-30kHz
1240-124peV
 
 
 
Längstwellen (VLF)
 
10-100km
30-3kHz
124-12,4peV
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Wirkungen die den Menschen betreffen
Grundsätzlich haben alle elektromagnetischen Strahlungen eine Wirkung auf den Menschen. Sie reicht von lebensnotwendig bis hin zu schädlich und tödlich. Unter die lebensnotwendige Strahlung fällt die im Bereich zwischen ~380nm – ~780nm. Für sie besitzen Menschen mit ihren Augen einen Sensor und dieser Bereich wird von ihnen als Licht bezeichnet. Trifft keine Strahlung dieses Wellenlängenbereichs in den Augen ein, so scheint es dunkel zu sein, treten alle Frequenzen dieses Bereichs in ähnlicher Energiedichte ein, so interpretiert unser Gehirn dies als weißes Licht. Unterschiedliche Energiemengen der Einzelfrequenzen führen zu den bekannten Farberscheinungen.*)
Ebenso wie für das Licht, besitzen Menschen eine ausgeprägte Sensorik für infrarote elektromagnetische Strahlung. Diese wird als Wärme empfunden. Dabei dringt das nahe Infrarotlicht B, etwa 4cm tief in den Körper ein, bevor es als Wärme empfunden wird. Da in dieser Tiefe bereits größere Blutbahnen auftreten, wird die Wärme wie bei einer Heizung unmittelbar im ganzen Körper verteilt. Dies wirkt wie eine Art künstliches Fieber und wird in der Medizin eingesetzt. Mittleres Infrarotlicht dagegen wird bereits in den oberen Hautschichten absorbiert und entspricht der Wärme die Heizgeräte aussenden.
Ultraviolette Strahlung erreicht den Erdboden nur in geringem Maß. Für sie besitzen Menschen keinen 'bewußten' Sensor. Allerdings reagiert der Körper trotzdem auf diese Strahlung. Durch die UV-B Strahlung bildet der Körper das lebensnotwendige Vitamin D und sie führt zur Bräunung der Haut. In zu hoher Dosierung wirkt sie jedoch schädlich, führt zu Verbrennungen und unter Umständen zu Hautkrebs. In diesem Sinn können Menschen froh sein, dass nur wenige Prozent der UV-Strahlung von der Sonne, den Erdboden erreichen und von der noch gefährlicheren Gammastrahlung, so gut wie nichts auf der Erde ankommt.

Technisch benutzt der Mensch die elektromagnetische Strahlung in einer Reihe von Anwendungen. So für die drahtlose Übertragung von Rundfunk, Fernsehen, Radarmessungen und Mikrowellenherde. Auch im höchstfrequenten Bereich wird diese Energie benutzt. So beispielsweise in Röntgengeräten zum 'Durchleuchten' von Körpern. Bei organischen Substanzen besteht hierbei allerdings die Gefahr einer Schädigung des Organismus. Ab einer Energie von etwa 5eV wirkt die elektromagnetische Strahlung ionisierend. Das meint, dass Atome oder ihre chemischen Verbindungen in ihre Einzelteile zerlegt werden können, wenn sie von der Energie getroffen werden.

Sonne und Erde
Für Astrophysiker ist der irdische Umgang mit elektromagnetischer Energie von nebengeordnetem Interesse. Sie interessiert die Strahlung, die von fernen Sternen, Nebeln und Galaxien auf der Erde eintrifft. Die während des Tages auf der Erde einfallende elektromagnetische Strahlung stammt zum überwiegenden Teil von der Sonne. Dabei werden etliche Wellenbereiche bereits in der Erdatmosphäre stark herausgefiltert, was das Leben auf der Erde schützt. Dies verhindert andererseits, dass interessante Informationen aus dem All bis auf die Erde vordringen. Sie konnten erst durch die Entwicklung von Satelliten, welche die Erde außerhalb der Atmosphäre umkreisen, gemessen werden und verhalfen der Astronophysik zu vielen spektakulären Erkenntnissen. So verraten sich beispielsweise Magnetare, das ist eine bestimmte Art der Neutronensterne, durch das Auftreten von gigantischen Ausbrüchen im Bereich der Röntgenwellen, und Pulsare, eine andere Art der Neutronensterne, durch typische Wellen im Radiobereich.
Für alle oben angesprochenen Wellenlängen gibt es technische Sensoren, welche ähnlich, wie bei der Sensorik des Fotoapparats für Schwarz-Weissbilder, die Verteilung und Intensität dieser Wellen, in Form von mehr oder minder grauen Flächen aufzeichnen können. Diese Graubilder zeigen eine Welt, die sich unseren Augen, entzieht. Durch eine Technik, die auf den nächsten Seiten beschrieben wird, entstehen Abbilder dieser für uns unsichtbaren Welt. Man nennt sie 'Falschfarben-Bilder'.
 
*) Es sei angemerkt, dass die elektromagnetischen Wellen die wir als farbiges Licht ansprechen, farblos sind. Sie stoßen mit ihrer Energie nur bestimmte chemische Vorgänge in den Stäbchen und Zapfen der Augen an. Diese werden über Nervenreize an das Gehirn weitergeleitet werden und erst hier entsteht das 'Farberleben'. Ahnliches gilt für denWärmereiz den infrarotes Licht auf der Haut erzeugt.
 

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