Elektromagnetisches Spektrum

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 oder ihrer Frequenz charakterisiert. Da sich elektromagnetische Wellen immer mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, gilt die Wellenlänge-Frequenz-Beziehung

.

Wichtig ist hier die umgekehrte Proportionalität von Wellenlänge und Frequenz . Je größer , desto kleiner 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

.

mit dem Planckschen Wirkungsquantum . Elektromagnetische Strahlung lässt sich also ebenso über die Energie ihrer Photonen charakterisieren und sortieren. Dabei müssen wir wieder die Proportionalität 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 und abnehmenden Wellenlänge 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 (-Strahlung).

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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.

Arten elektromagnetischer Wellen

Strahlungsart/Name des Spektrumsbereichs	Wellenlänge	Frequenz	Photonenenergie
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 eV
Mikrowellen	1 m – 1 mm	300 MHz – 300 GHz	1,24 eV – 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
-Strahlung	< 10 pm	>30 EHz	> 124 keV

Die unbekannteren der verwendeten Einheitenvorsätze sind hier f für „femto“ und , p für „piko“ und , T für „Terra“ und , P für „Penta“ und sowie E für „Exa“ und . Außerdem haben wir die Umrechnung über die Elementarladung verwendet.

-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 ) 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

-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.

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Wellenlänge Licht

Farbe	Wellenlänge	Frequenz	Photonenenergie
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.