Elektromagnetische Welle – Spektrum

Hallo und herzlich willkommen bei Physik mit Kalle. Wir befinden uns wieder im Gebiet Schwingungen und Wellen und wollen uns heute im 4. Teil der Videoreihe zur elektromagnetischen Welle mit dem elektromagnetischen Spektrum beschäftigen. Wir lernen heute, was das elektromagnetische Spektrum ist, wie es aussieht und wie man die einzelnen Strahlungsarten eigentlich erzeugen kann. Dann wollen wir mal. Die Summe aller elektromagnetischen Wellen, meist geordnet nach ihrer Wellenlänge ?, das ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit c durch die Frequenz f, nennt man das elektromagnetische Spektrum. Meist sind sie geordnet von der größten zur kleinsten Wellenlänge. Nur noch mal zur Erinnerung: Alle elektromagnetischen Wellen bestehen aus Photonen, den sogenannten Lichtteilchen. Die Energie eines Photons ist h×f, also das plancksche Wirkungsquantum h mal die Frequenz f. Oder, wenn ich das oben einsetze: Energie des Photons ist h×c/?. Man kann die Wellen also nach ihrer Wellenlänge, ihrer Frequenz oder ihrer Energie ordnen.  Hier seht ihr einen Überblick über das elektromagnetische Spektrum, den wir jetzt mal von vorne nach hinten durchgehen wollen. Die langwelligsten Wellen in unserem Spektrum sind die Radiowellen. Ihre Wellenlänge reicht von wenigen km bis herunter zu wenigen m. Und vor allem im längeren Bereich werden sie ausschließlich für das Radio benutzt. Nach den Radiowellen kommen die Mikrowellen, deren Wellenlängenbereich sich grob gesagt von ungefähr 1m bis herunter zu 1mm erstreckt. Im kurzwelligen Bereich der Radiowellen, aber vor allem im langwelligen Teil der Mikrowellen spielt sich ein Großteil der modernen Kommunikation ab. Das Handynetz, das Fernsehen, WLan, GPS, Radar benutzen alle Wellenlängen in diesem Bereich. Als Nächstes kommt der sogenannte Infrarotbereich, in dem wir die Wärmestrahlung finden. Er fängt an bei ungefähr einer Wellenlänge von 1mm und geht hinunter bis zum sichtbaren Bereich, also bis ungefähr 780nm. Und damit sind wir endlich beim sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Das Licht, wie wir es kennen, fängt hier bei einem Rot bei 780nm an und zieht sich über den Regenbogen, bis wir bei 380nm, das ist, eine violette Farbe, wieder in den unsichtbaren Bereich abtauchen. Alle Geräte, die sichtbares Licht erzeugen, also z.B. Glühlampen, Leuchtdioden, euer Fernseher, euer Computerbildschirm oder ein Laser, spucken elektromagnetische Wellen aus diesem Wellenlängenbereich aus. Über dem Violetten kommt, wie der Name schon sagt, die ultraviolette Strahlung. Sie hat eine Wellenlänge von bis zu 1nm und wird vor allem bei Anwendungen eingesetzt, die Fluoreszenzeffekte nutzen, wie z.B. die Echtheitsüberprüfung bei Geldscheinen. Mit Wellenlängen von ungefähr 1nm bis hinunter zu 10pm folgt als Nächstes die Röntgenstrahlung. Sie wird für medizinische Diagnostik eingesetzt, aber auch,  nicht minder wichtig, für Materialanalyse mit Röntgenspektroskopie und Röntgenbeugungsverfahren. Und damit wären wir auch schon beim letzten Bereich, der auf der Erde erzeugt wird, den Gammastrahlen. Sie haben Wellenlängen von 10pm oder darunter. Obwohl es durchaus noch Strahlung mit kleinerer Wellenlänge, die sogenannte Höhenstrahlung, die aus dem Weltraum kommt, gibt, hört unser Spektrum hier auf. Denn nun umfasst es den gesamten Wellenlängenbereich, der in auf der Erde stattfindenden Prozessen erzeugt wird.  Im letzten Kapitel wollen wir uns nun noch ansehen, wie man die verschiedenen Strahlungsarten erzeugen kann. Radiowellen erzeugt man am besten mit einer Antenne und einer Wechselspannungsquelle, also mit einem hertzschen Dipol. Zur Erzeugung von Mikrowellen benutzt man meistens ein sogenanntes Klystron, eine Elektronenröhre. Allerdings kann man auch mithilfe eines Synchrotrons, das ist ein Teilchenbeschleuniger, Mikrowellen erzeugen. Infrarotstrahlung bekommt man zum Beispiel, wenn man von einer Glühlampe das sichtbare Licht wegnimmt und nur den Wärmestrahlungsteil benutzt oder durch andere Wärmestrahler. Man kann Infrarotstrahlung allerdings ebenfalls mit einem Synchrotron erzeugen. Für das sichtbare Spektrum kennt ihr wahrscheinlich selbst genügend Quellen. Eine Glühlampe erzeugt sichtbares Licht, eine Gasentladungslampe erzeugt sichtbares Licht, genauso ein Laser, eine Leuchtdiode oder das Synchrotron. Ultraviolettes Licht erhalte ich zum Beispiel aus einer Gasentladungslampe und mal wieder aus dem Synchrotron. Falls ihr euch fragt, warum ich das ständig anbringe: Mit dem Synchrotron kann man über einen riesigen Wellenlängenbereich stufenlos Strahlung erzeugen. Es ist also für strukturanalytische Zwecke, das heißt für die Untersuchung von Materialien, eine sehr gefragte Strahlungsquelle. Röntgenstrahlen entstehen bei hochenergetischen Übergängen im Atom oder dort, wo diese erzwungen werden, z.B. in einer Röntgenröhre. Und zum Schluss wären wir bei der Gammastrahlung, die schon relativ schwer zu erzeugen ist. Ihr erinnert euch, Gammastrahlung ist ein Sekundärprozess bei Kernzerfällen oder steht zum Beispiel auch bei Paarvernichtung.  Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Das elektromagnetische Spektrum ist die Summe aller elektromagnetischen Wellen, meist geordnet nach ihrer Wellenlänge. Das sichtbare Spektrum geht von 380nm bis 780nm. Und, wie wir am Ende gesehen haben, man braucht eine Reihe verschiedene Geräte, um die verschiedenen Wellenlängenbereiche erzeugen zu können.  So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen. Bis zum nächsten Mal. Euer Kalle.