Chemie Grundlagen

Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum fasst die Gesamtheit der elektromagnetischen Strahlung zusammen und ordnet sie in die Kategorien verschiedener Strahlungsarten, auch das bekannte Farbspektrum des sichtbaren Lichts. Wenn du wissen möchtest, wie das funktioniert, dann bist du hier richtig!

In unserem Video haben wir für dich zudem das Wichtigste zum elektromagnetischen Spektrum in aller Kürze zusammengefasst.

Inhaltsübersicht

Elektromagnetisches Spektrum einfach erklärt

Das elektromagnetische Spektrum fasst alle verschiedenen Arten elektromagnetischer Wellen aller möglichen Wellenlängen und Frequenzen zusammen. Es beschreibt daher die Gesamtheit der in der Natur vorkommenden und prinzipiell detektierbaren elektromagnetischen Strahlung.

Da sich das elektromagnetische Spektrum über viele Größenordnungen (Zehnerpotenzen) von Wellenlängen und Frequenzen der elektromagnetischen Wellen erstreckt und die Strahlung verschiedener Bereiche dieses Spektrums daher stark unterschiedliche Eigenschaften zeigt, werden diese Bereiche wie verschiedene Strahlungstypen behandelt.

Ein solcher Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist das Farbspektrum des sichtbaren Lichts. Dieses Lichtspektrum ist aus Spektralfarben zusammengesetzt.

Elektromagnetisches Spektrum Unterteilung

Im elektromagnetischen Spektrum wird die Strahlung mittels ihrer Wellenlänge \lambda oder ihrer Frequenz f charakterisiert. Da sich elektromagnetische Wellen immer mit Lichtgeschwindigkeit c\approx 3,0\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}} ausbreitet, gilt die Wellenlänge-Frequenz-Beziehung

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

Wichtig ist hier die umgekehrte Proportionalität von Wellenlänge und Frequenz \lambda \sim f^{-1}. Je größer \lambda, desto kleiner f und umgekehrt.

Durch den Photoeffekt wissen wir, dass sichtbares Licht, und damit elektromagnetische Strahlung im Allgemeinen, auch die Teilcheneigenschaften der sogenannten Photonen zeigt. Für deren Energie gilt

E_\text{Ph} = hf = \frac{hc}{\lambda} .

mit dem Planckschen Wirkungsquantum h. Elektromagnetische Strahlung lässt sich also ebenso über die Energie ihrer Photonen charakterisieren und sortieren. Dabei müssen wir wieder die Proportionalität E_\text{Ph}\sim f \sim\lambda^{-1} beachten.

Meist wird das elektromagnetische Spektrum nur bis zu einer oberen und unteren Grenze von Frequenz und Wellenlänge angegeben, da Strahlung darüber oder darunter in der Natur praktisch nicht vorkommt. Innerhalb dieser Grenzen teilt man das Spektrum in viele kleine Teilbereiche auf, sodass sämtliche Strahlung mit Frequenzen innerhalb dieser Bereiche gewisse, gleiche Eigenschaften zeigt. Diese charakteristischen Eigenschaften unterscheiden sich zwischen den Frequenzbereichen so stark, sodass man von unterschiedlichen Strahlungsarten spricht. Nach steigender Frequenz f und abnehmenden Wellenlänge \lambda geordnet befinden sich im elektromagnetischen Spektrum die Niederfrequenzstrahlung, die Radiowellen, die Mikrowellen, die Infrarotstrahlung oder Wärmestrahlung, das sichtbare Licht, die UV-Strahlung, die Röntgenstrahlung und schließlich die Gammastrahlung (\boldsymbol{\gamma}-Strahlung).

elektromagnetisches Spektrum
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Elektromagnetisches Spektrum

Die Grenzen der einzelnen Bereiche sind natürlich nur grob und die Übergänge zwischen den verschiedenen Strahlungsarten sind fließend, denn schließlich haben wir die elektromagnetische Strahlung künstlich in diese Kategorien eingeteilt.

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Arten elektromagnetischer Wellen

Strahlungsart/Name des Spektrumsbereichs Wellenlänge \boldsymbol{\lambda} Frequenz \boldsymbol{f} Photonenenergie \boldsymbol{E_\text{Ph}}
Niederfrequenz
100 000 km – 10 km 3 Hz – 30 kHz 12,4 feV – 124 peV
Radiowellen
10 km – 1 m 30 kHz – 300 MHz 124 peV – 1,24 \mueV
Mikrowellen 1 m – 1 mm 300 MHz – 300 GHz 1,24 \mueV – 1,24 meV
Infrarotstrahlung/Wärmestrahlung 1 mm – 780 nm 300 GHz – 385 THz 1,24 meV – 1,59 eV
sichtbares Licht 780 nm – 380 nm 385 THz – 789 THz 1,59 eV – 3,27 eV
UV-Strahlung 380 nm – 10 nm 789 THz – 30 PHz 3,27 eV – 124 eV
Röntgenstrahlung 10 nm – 10 pm 30 PHz – 30 EHz 124 eV – 124 keV
\boldsymbol{\gamma}-Strahlung < 10 pm >30 EHz > 124 keV

Die unbekannteren der verwendeten Einheitenvorsätze sind hier f für „femto“ und 10^{-15}, p für „piko“ und 10^{-12}, T für „Terra“ und 10^{12}, P für „Penta“ und 10^{15} sowie E für „Exa“ und 10^{15}. Außerdem haben wir die Umrechnung 1\,\text{eV} \approx 1,602\cdot 10^{-19}\,\text{J} über die Elementarladung e verwendet.

\boldsymbol{\gamma}-Strahlung bezeichnet tatsächlich jede Strahlung mit Wellenlängen kleiner 10 pm. Wir sehen zudem, dass sichtbares Licht nur einen sehr kleinen Teil des gesamten elektromagnetischen Spektrums ausmacht. Zuletzt ist zu beachten, dass das nur eine grobe Einteilung ist und jeder dieser Strahlungstypen in der Praxis in noch weitere Unterarten aufgegliedert wird.

Elektromagnetische Strahlung Vorkommen in der Natur und technische Anwendung

Jeder Typ der elektromagnetischen Wellen kommt in der Natur vor und findet in der Technik seine Anwendung. Im Folgenden geben wir einige Beispiele hierfür an.

Niederfrequenz

  • entsteht bei Blitzen in der obersten Atmosphäre, ausgelöst durch erhöhte Sonnenaktivität
  • Funknavigation und U-Boot-Kommunikation

Radiowellen

  • kalte Gas- und Staubwolken (Temperatur \leq 1\,\text{K}) Raum zwischen den Sternen emittieren Radiostrahlung
  • Radio- und Fernsehübertragung, Magnetresonanztomographie (MRT)

Mikrowellen

  • kosmische Hintergrundstrahlung („Cosmic Microwave Background“) im Mikrowellen-Bereich, letzte Reststrahlung des Urknalls aus der Zeit 380 000 Jahre nach dem Big Bang, überall im Universum (schwach) vorhanden
  • Mikrowellengeräte, Radar, Satellitenrundfunk, WLAN, Bluetooth, GPS

Infrarotstrahlung

  • „Wärmestrahlung“ aller Lebewesen aufgrund ihrer Temperatur, hauptsächliche Strahlung bei allen „alltäglichen“ Temperaturen bis zu maximal ein paar tausend Kelvin (daher auch starke Strahlung von z.B. Feuer und kalten, kleinen Sternen)
  • Fernbedienungen, Wärmestrahlung (z.B. in der Tierhaltung), Nachtsichtgeräte

sichtbares Licht

  • Durchschnittliche, sonnenähnliche Sterne haben ihr Strahlungsmaximum im sichtbaren Bereich. Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt circa 6000 K, sodass sie ihr Strahlungsmaximum bei blau-grünem Licht hat. Sie strahlt aber auch jedes andere sichtbare Licht in ausreichender Stärke ab, sodass sie uns weiß erscheint. Kalte Sterne mit Oberflächentemperaturen von etwa 4000 K emittieren hauptsächlich rotes Licht und erscheinen uns rötlich, das sie zu wenig blaues Licht ausstrahlen. Auf der anderen Seite wirken heiße Sterne mit circa 10 000 K Oberflächentemperatur bläulich.
  • Beleuchtung, Anzeigetechnik, Fotographie, Mikroskopie, DVD- und Blu-ray-Player, Laser(pointer)

UV-Strahlung

  • heiße Sterne mit 10 000 K Oberflächentemperatur strahlen hauptsächlich UV-Strahlung, Sonne emittiert auch UV-Strahlung, das zu Bräunung der Haut, aber auch Sonnenbrand führt
  • wirkt Bakterien-tötend, daher verwendet zur Sterilisation in Krankenhäusern, Banknotenprüfung, Solarien

Röntgen-Strahlung

  • Supernova-Explosionen großer Sterne, in schwarze Löcher fallende Materie, aber auch die Sonne emittiert sehr schwach Röntgenstrahlung, die die Erdoberfläche aber nicht erreicht
  • Röntgenuntersuchung in der Medizin, Untersuchung kristalliner Strukturen (Bragg-Gleichung ), Sterilisation in Krankenhäusern

\boldsymbol{\gamma}-Strahlung

  • radioaktiver Zerfall, Supernovae-Explosionen großer Sterne, in schwarze Löcher fallende Materie
  • Strahlentherapie in der Medizin, Sensorik und Materialprüfung, Sterilisation in Krankenhäusern

Farbspektrum des sichtbaren Lichts

Wir haben bereits gesehen, dass das sichtbare Licht nur einen sehr kleinen Teil des gesamten elektromagnetischen Spektrums ausmacht. Trotzdem können wir das elektromagnetische Spektrum besser verstehen, indem wir uns auf das sichtbare Licht beschränken, das gemäß seiner verschiedenen Farben in ein Farbspektrum unterteilt werden kann. In diesem Lichtspektrum wird das sichtbare Licht also gemäß seiner Wellenlänge und Frequenz in verschiedene Farbbereiche unterteilt.

Lichtspektrum
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Lichtspektrum

Wellenlänge Licht

Farbe Wellenlänge \boldsymbol{\lambda} Frequenz \boldsymbol{f} Photonenenergie \boldsymbol{E_\text{Ph}}
rot 780 nm -640 nm 385 THz – 468 THz 1,59 eV – 1,93 eV
orange 640 nm – 600 nm 468 THz – 500 THz 1,93 eV – 2,07 eV
gelb 600 nm – 570 nm 500 THz – 526 THz 2,07 eV – 2,18 eV
grün 570 nm – 490 nm 526 THz – 612 THz 2,18 eV – 2,54 eV
blau 490 nm – 430 nm 612 THz – 697 THz 2,54 eV – 2,89 eV
violett 430 nm – 380 nm 697 THz – 789 THz 2,89 eV – 3,27 eV

Das gesamte elektromagnetische Spektrum wird analog in verschiedene Strahlungstypen unterteilt, wie das sichtbare Licht in ein Farbspektrum aus verschiedenen Farben unterteilt wird. Es handelt sich aber immer nur um elektromagnetische Strahlung. Am Lichtspektrum wird auch klar, warum die Übergänge zwischen verschiedenen Strahlungsarten eher fließend sind. Oranges Licht unterscheidet sich in seiner für uns direkt wahrnehmbaren Eigenschaft der Farbe so gravierend von gelbem Licht, dass wir diese beiden Arten sichtbaren Lichts unterschiedlichen Kategorien, also Farben, zuordnen. So können wir mit der Frequenz oder Wellenlänge Licht in Farben ordnen. Es gibt aber keine harten Grenzen zwischen den Farben. Orange geht beispielsweise fließend in gelb über.

Spektralfarben

Das Lichtspektrum besteht aus einzelnen Farben. Streng genommen ist aber die Farbe jeder Wellenlänge eine andere (daher auch die kontinuierlichen Übergänge im Farbspektrum). Die Farbe, die einer perfekt monochromatischen elektromagnetischen Welle des sichtbaren Lichts zugeordnet ist, heißt die entsprechende Spektralfarbe. Das sichtbare Spektrum besteht also aus unendlich vielen Spektralfarben.

Da sich diese Farben aber innerhalb einer Farbgruppe (rot, orange, gelb, …) nur sehr wenig unterscheiden, was ja auch der Sinn der Unterteilung des sichtbaren Lichts in ein Farbspektrum ist, fasst man meist sämtliche Spektralfarben einer Farbgruppe zusammen und nennt diese Farbgruppe die jeweilige Spektralfarbe.

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