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Das Wellenspektrum

wellenspektrum

Licht und Wärme – diese Strahlung ist vertraut, aber nur ein kleiner Teil des Spektrums. Die anderen sind uns verborgen doch nicht weniger real. Surfmed bietet einen Überblick. Wir sehen nur Bruchteile des Lichts. Elektromagnetische Wellen umgeben den Menschen auf Schritt und Tritt. Physikalisch gesehen haben alle diese Wellen dieselben Eigenschaften. Praktisch gesehen unterscheiden sie sich sehr.

Das elektromagnetische Spektrum

Je nach dem welche Energie, Wellenlänge oder Frequenz elektromagnetische Wellen (Teilchen) haben, werden sie in Spektren unterteilt. Ihr Einfluss auf Objekte oder Menschenhängt davon ab, ob ihre Wellenlänge ungefähr den Abmessungen des Objekts oder Teilen davon entspricht. Trifft ein Sänger mit dem Ton genau die Abmessungen eines Glases, kann es zerspringen. Bei elektromagnetischen Wellen ist das nicht anders.

Radiowellen: von ultrakurz bis lang

Radiowellen dienen im weitesten Sinn der Übertragung von Informationen. Sie umgeben uns, ohne dass man sie spürt und dringen ungehindert selbst durch Häuser. Ihre Wellenlänge ist so groß, dass eine Wechselwirkung mit dem Menschen nicht zustande kommt. Gesundheitliche Auswirkungen kommen mehr durch den Inhalt der Programme, als durch die Wellen selbst zu Stande.

Langwellen haben eine Wellenlänge von 10 bis 1 Kilometern bzw. eine Frequenz von 30 bis 300 Kilohertz. Sie schleichen die Erdoberfläche entlang und werden zur Übermittlung von Nachrichten über große Entfernungen eingesetzt. Der Morsecode in der Schifffahrt wird so übertragen. Mittelwellen haben eine Wellenlänge von 1 Kilometer bis 100 Metern bzw. eine Frequenz von 300 Kilohertz bis 3 Megahertz (Mega = 1.000.000).

Viele Radiostationen senden auf diesen Wellenlängen ihr Programm. Die Reichweite ist jedoch begrenzt und die Qualität der Übertragung nimmt nach außen stark ab. Kurzwellen haben eine Wellenlänge von 100 bis 10 Metern bzw. eine Frequenz von 3 bis 30 Megahertz. Mit Hilfe von Kurzwellenempfängern kann man Radioprogramme in weit entfernten Ländern hören.

Der Grund dafür ist, dass die Kurzwellen an bestimmten Schichten der Atmosphäre reflektiert und wieder auf die Erdoberfläche zurückgeworfen werden. Die Atmosphäre wirkt dabei wie ein Spiegel. Auch Amateurfunker können so Kontakt mit Menschen auf anderen Kontinenten aufnehmen. Ultrakurzwellen, bekannter unter dem Kurzbezeichnung UKW haben eine Wellenlänge von 10 bis einem Meter bzw. eine Frequenz von 30 bis 300 Megahertz. Benützt werden die Frequenzen für Radio und Fernsehsendungen.

Mikrowellen

Mikrowellen haben eine Wellenlänge zwischen 10 Zentimetern und einem Millimeter bzw. eine Frequenz von 3 bis 300 Gigahertz (Giga = 1.000.000.000). Damit fallen sie in den Bereich, in dem auch die Größe verschiedener Körpermoleküle liegt. Ein Einfluss dieser Strahlen auf den Menschen ist somit möglich. Anwendung finden sie zum einen beim Mikrowellenherd, dabei bringen sie die Wassermoleküle zum schwingen.

Durch die so entstehende Reibungshitze wärmen sich die Speisen dann auf. Zum Anderen werden die bei den immer beliebter werdenden Handys benutzt. Sie senden auf den Frequenzen 900 Megahertz, 1.800 Megahertz und in den Vereinigten Staaten auf 1.900 Megahertz.

Telefonieren kann man nur, wenn Sender und Empfänger die gleiche Frequenz verwenden. Ist dies nicht der Fall wird ein spezieller Wandler oder ein Dualband-Handy benötigt, das beide Frequenzen versteht. Dies ist auch der Grund dafür, warum die meisten Mobiltelefone in den USA nicht funktionieren. Man benötigt ein Handy, welches die amerikanische Frequenz verdauen kann.

Auch Handy-Masten, die zunehmend auf Hausdächern auftauchen senden auf diesen Frequenzen. Sie leiten das Gespräch weiter. Wie weit die elektromagnetischen Wellen reichen, hängt bei Handy und Mast von der Sendestärke ab. Über gesundheitliche Auswirkungen von Mikrowellen wird derzeit heftig diskutiert (siehe Strahlenalarm).

Der Maser - das Pendant zum Laser wurde als militärische Anwendung der Mikrowellen erdacht. Er sollte im Rahmen des Star-Wars-Programmes zur Raketenabwehr im Weltraum eingesetzt werden. Die Erfolge waren jedoch bescheiden.

Infrarot

Infrarotwellen haben eine Wellenlänge von 1 Millimeter bis 800 Nanometer (Nano = 0,000.000.000.1) bzw. eine Frequenz von 300 Gigahertz bis 375 Terrier (Terra = 1.000.000.000.000). Infrarotstrahlen können als Wärmelampe Anwendung finden, aber auch bei Filmaufnahmen im Dunkeln eingesetzt werden.

Die Wellen werden vom menschlichen Körper absorbiert und erwärmen ihn. Infrarotstrahlen können zur Heilung von Krankheiten oder zur Linderung von Beschwerden eingesetzt werden. Negative gesundheitliche Auswirkungen sind bei richtiger Anwendung nicht bekannt.

Sichtbares Licht

Sichtbares Licht reicht von 800 bis 400 Nanometer bzw. von einer Frequenz von 375 bis 750 Terrier. Das sichtbare Licht macht nur einen sehr geringen Bruchteil der elektromagnetischen Wellen aus. Die Frequenzen werden vom Auge aufgenommen. Dort lösen sie eine chemische Reaktion aus und erzeugen via Sehnerv im Gehirn Bilder.

Ultraviolett

Ultraviolettes Licht besitzt eine Wellenlänge zwischen 400 und 10 Nanometer bzw. eine Frequenz von 750 Terrier bis 30 Panther (1.000.000.000.000.000 Schwingungen pro Minute). Ultraviolette Strahlen werden von der Sonne erzeugt, aber auch in Solarien. Sie besitzen eine hohe Energie und können dadurch die Haut schädigen. Sonnenbrand ist die Folge. UV-Strahlen können die Hautzellen jedoch auch so stark schädigen, dass Hautkrebs entsteht.

Röntgenstrahlen und Gammastrahlen

Röntgenstahlen und Gammastrahlen haben Wellenlängen, die kleiner als 60 Nanometer sind bzw. sie reichen von 5 Pentahertz aufwärts. Damit können Dinge betrachtet werden, die Molekülgröße haben. Spezielle Verfahren machen sogar einzelne Atome sichtbar. Die Strahlen sind sehr energiereich und können das menschliche Erbgut oder Zellen schädigen.

Versagen dann die Reparaturmechanismen der Zelle kann Krebs entstehen. Röntgenstrahlen werden in der Sonne, anderen Sternen und in Röntgenröhren erzeugt. Unsere Erde wird von der Atmosphäre gegenüber der natürlichen Strahlung der Sonne abgeschirmt und so geschützt. Gammastrahlen sind besonders energiereiche Röntgenstrahlen. Sie entstehen beim Zerfall von radioaktiven Elementen.

Elektromagnetische Wellen

Aller erwähnten elektromagnetischen Wellen haben die Eigenschaften Wellenlänge, Frequenz und Stärke - diese wird auch Amplitude genannt. Wellenlänge und Frequenz hängen direkt von einander ab - beschreiben also das gleiche Phänomen. Die Wellenlänge gibt an wie groß der Abstand von einem Wellenberg bis zum nächsten ist.

Dazwischen liegt dann immer ein Wellental. Die Frequenz dagegen gibt die Anzahl der Wellenberge bei einem bestimmten Abstand an. So hat eine Welle mit einer Wellenlänge von einem Meter immer eine Frequenz von 300 Megahertz. Das bedeutet, dass innerhalb einer Sekunde 300 Millionen Wellenberge einer elektromagnetischen Welle entstehen. In dieser Zeit hat die Welle fast die Entfernung Erde - Mond hinter sich.

Je mehr Wellenberge oder je höher die Frequenz ist, desto mehr Energie enthält die Welle. Auch wenn die Sendestärke und damit die Amplitude der Welle steigt, transportiert sie mehr Energie. Da sich Wellen im dreidimensionalen Raum kugelförmig ausdehnen, nimmt ihre Energie mit dem Quadrat der Entfernung ab.

Ist also eine Welle 2 Meter weit gekommen, hat sie nur noch ein Viertel ihrer Energie. Bei 3 Metern, ein Neuntel und so weiter. Eine energiereiche und damit potentiell schädliche Welle hat also eine hohe Frequenz, eine kleine Wellenlänge, eine große Amplitude und wird in großer Nähe abgegeben. Entfernt man sich, ist man rasch in Sicherheit.

Elektromagnetische Felder - ein Doughnut

Radio- und Mikrowellen werden mit Hilfe von Antennen erzeugt, indem man eine Wechselspannung anlegt. Antennen sind sowohl für Empfang, als auch für das Senden notwendig. Um die Antenne entsteht dabei ein ringförmiges elektrisches Feld, das sich nach außen hin ausbreitet und immer schwächer wird.

Um dieses elektrische Feld wiederum entsteht durch die Wechselspannung ein ringförmiges magnetisches Feld. Es steht im rechten Winkel auf dem elektrischen Feld. Das Magnetfeld sieht dann wie ein amerikanisches Gebäck – ein Doughnut – aus. Auch dieses Feld breitet sich nach außen hin aus. Das Magnetfeld erzeugt dann seinerseits ein neues elektrisches Feld, dieses wieder ein magnetisches Feld und so weiter. Zusammengefasst wird dies als elektromagnetisches Feld bezeichnet.

Es breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die elektromagnetischen Wellen sind die Speerspitze dieser Ausbreitungsfront. Mit jeder Schwingung der an die Antenne angelegten Wechselspannung werden neue Wellen erzeugt, sodass auf eine Welle immer sofort die nächste folgt. Die elektromagnetischen Wellen sind jedoch auch Teilchen. Und zwar Welle und Teilchen zugleich.

Die Quantenmechanik

Schuld an diesem Dilemma ist die Quantenmechanik, eine physikalische Theorie, aufgestellt von dem Österreicher Erwin Schrödinger und dem Deutschen Werner Heisenberg Mitte der zwanziger Jahre. Um zu verstehen wie sich elektromagnetische Wellen verhalten gab es seit Isaac Newton zwei Erklärungen. Sir Isaac vertrat den Standpunkt Licht besteht aus Teilchen.

Diese Hypothese wurde in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von James Clerk Maxwell widerlegt und durch ein Wellenbild ersetzt. Bis zur Entdeckung der Quantenmechanik waren Wellen somit die alleinigen Herrscher über das Licht.

Wieder einmal Einstein

Lichtwellen unterscheiden sich in dieser Erklärung nicht von Wasserwellen die entstehen, wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Zum Sturz brachte dieses Bild wieder einmal Albert Einstein. Schon 1905, etwa 10 Jahre bevor er die allgemeine Relativitätstheorie formulierte, machte er die Entdeckung, dass Licht in bestimmten, genau abgemessenen Portionen abgegeben wird.

Ähnlich Portionen, die aus einem Kuchen herausgeschnitten werden. Je energiereicher das Licht, desto größer das Stück. Dies wurde unter Physikern als Widerspruch dazu gesehen, dass Licht als Welle existiert, denn eine Welle besteht nicht aus Portionen sondern läuft kontinuierlich dahin. Schrödinger und Heisenberg entdeckten, dass eine Lampe, die Licht ausstrahlt, nicht nur die vermuteten elektromagnetischen Wellen abgibt, sondern stattdessen Teilchen.

Allerdings hängt es davon ab, wie das Experiment durchgeführt wird. Einmal erhält man aus derselben Lampe Wellen - einmal Teilchen. Diese Lichtteilchen (Photonen genannt) rasen also aus dem Wellensalat mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Kilometer pro Sekunde auf unsere Zellen zu. Die Energie des einzelnen Lichtteilchens entscheidet darüber, ob Schaden entsteht oder nicht.

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