Elektromagnetische Strahlung
Was alles ist elektromagnetische Strahlung und wie unterscheidet sie sich von Teilchenstrahlung? Ein zentraler Aspekt bei der Untersuchung von elektromagnetischer Strahlung ist die Wechselwirkung mit Materie (Transmission, Absorption und Reflektion).
Info für Lehrende
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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.
Das Lichtspektrum, also der Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung, den unsere Augen zufällig sehen können, liegt zwischen
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.
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:
Dabei ist P die Leistung und $$ A = 4 \pi r^2 $$ die Oberfläche der Kugel:
Die Oberfläche einer Kugel steigt mit dem Quadrat des Kugelradius.
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:
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).
Probiere das beim Experimentieren mit dem Licht einer Taschenlampe und Papierblättern aus:
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 LehrendeBei 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).
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:
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.
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.
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
Große Wellenlängen: Mikro-Bereich
Die Wellenlängen liegen zwischen
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
Das sichtbare Licht
Das sichtbare Licht umfasst nur Wellenlängen zwischen 380 und 780 nm.
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
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.