Strahlungsarten:
Was ist elektromagnetische Strahlung?
Alle elektromagnetische Strahlung existiert auf demselben fortlaufenden Spektrum. EM-Strahlung ist ein Energiestrom, der sich als gekoppelte und sich selbst ausbreitende elektrische und magnetische Wellen durch den Raum bewegt. Im Gegensatz zu Schall benötigt EM-Strahlung kein Medium wie Luft oder Wasser, um sich fortzubewegen, und bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit, sofern sie nicht durch Materie hindurchgeht.1
Ob es sich nun um ein Radiosignal, einen Lichtstrahl oder Gammastrahlung aus radioaktivem Zerfall handelt, der einzige grundlegende Unterschied besteht in der Frequenz und Wellenlänge der Welle. Von niedrigen zu hohen Frequenzen (und damit von den längsten zu den kürzesten Wellen) verläuft das Spektrum von Radiowellen und Mikrowellen über Infrarot- und sichtbares Licht bis hin zu Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen.2
Radio
Mikrowellen
Infrarot
Glühbirne
Ultraviolett
Röntgen
Gammastrahlen
Sichtbares Spektrum
Das sichtbare Spektrum umfasst Wellenlängen von 380 bis 750 nm und stellt den schmalen Bereich dar,
den das menschliche Auge wahrnehmen und als Farben des Regenbogens interpretieren kann.
Kategorisierung elektromagnetischer Strahlung
Im Gegensatz zu physikalischer Materie, die aus Atomen mit Masse besteht, setzt sich elektromagnetische Strahlung aus Photonen zusammen, die keine Ruhemasse haben und nur Energie transportieren. Die Energie eines Photons wird durch seine Frequenz definiert – die Geschwindigkeit, mit der die zugehörigen elektrischen und magnetischen Felder schwanken, während es sich durch den Raum bewegt. Um diese Wellen zu kategorisieren, verwenden wir drei primäre Messgrößen:
Wellenlänge (Meter, m)
Dies misst den räumlichen Abstand zwischen zwei Wellenbergen. Es gibt Auskunft über die Größe der Welle und bestimmt, wie sie mit physischen Objekten interagiert.
Frequenz (Hertz, Hz)
Dies misst, wie viele Zyklen pro Sekunde auftreten. Es gibt Auskunft über das Energieniveau jedes einzelnen Photons; eine höhere Frequenz bedeutet, dass jedes Photon mehr Energie transportiert und schneller schwingt.
Leistungsdichte
(Watt pro Quadratmeter, W/m²)
Dies misst die Intensität der Welle. Es gibt Auskunft über die Dichte der Photonen – im Wesentlichen darüber, wie viele Photonen zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem bestimmten Bereich vorhanden sind.
Über diese Messungen hinaus ist die wichtigste biologische Unterscheidung, ob eine Welle ionisierend oder nicht ionisierend ist. Diese Einteilung hängt vollständig davon ab, ob ein einzelnes Photon über genügend Frequenz und damit Energie verfügt, um ein Elektron aus einem Atom „auszustoßen“ – wodurch ein ionisiertes Atom oder ein Ion entstehen würde, also ein Atom mit einer nicht neutralen elektrischen Ladung.3
Nichtionisierende Strahlung
Nichtionisierende Strahlung umfasst niederfrequente Wellen wie Radio, WLAN, Mikrowellen und sichtbares Licht. Diese Photonen verfügen nicht über genügend Energie, um chemische Bindungen aufzubrechen oder die DNA direkt zu schädigen. Ihre primäre Wechselwirkung mit Materie erfolgt durch „Anregung“, wodurch Moleküle in Schwingung versetzt werden und Wärme erzeugen.
Ionisierende Strahlung
Ionisierende Strahlung beginnt am äußersten Ende des ultravioletten Spektrums und umfasst Röntgen- und Gammastrahlen, die häufig durch Kernzerfall entstehen. Diese Photonen tragen so viel Energie, dass sie beim Aufprall heftig wirken. Wenn sie auf ein Atom treffen, können sie Elektronen aus ihrer Umlaufbahn stoßen und so das Atom ionisieren. Dies kann zur „Denaturierung” von Proteinen und zu einer direkten Schädigung der DNA-Doppelhelix führen, weshalb diese Frequenzen eine starke Abschirmung wie Blei oder dicken Beton erfordern, um die Sicherheit zu gewährleisten.4
Wie funktioniert elektromagnetische Strahlung?
Im Grund genommen lässt sich elektromagnetische Strahlung am besten anhand eines grundlegenden Konzepts der Physik verstehen, das als „Welle-Teilchen-Dualismus“ bezeichnet wird. Das bedeutet, dass sich Photonen als Wellen durch den Raum bewegen, sich jedoch bei der Begegnung mit Materie wie diskrete Teilchen verhalten – ein Prinzip, das durch das Doppelspaltexperiment demonstriert wurde, bei dem die Messung dazu führt, dass sich die Welle als einzelne Teilchen offenbart.5
Als Welle
EM-Strahlung breitet sich wellenförmig in der Umgebung aus. Die physikalische Größe dieser Wellen – die Wellenlänge – bestimmt, wie sich die Strahlung in der Welt verhält. Niedrigenergetische Wellen (Radio/WLAN) haben lange Wellenlängen, wodurch sie über Möbel hinwegrollen oder durch Wände hindurchdringen können.
Auch wenn Wände für uns fest erscheinen, bestehen sie auf atomarer Ebene größtenteils aus leerem Raum – tatsächlich sind mehr als 99,999999 % jedes Atoms im Wesentlichen „Nichts“ (oder etwas, über das wir noch nichts wissen).6 Was wir als „fest“ wahrnehmen, ist in Wirklichkeit der unsichtbare, hochenergetische Widerstand von Elektronenfeldern, die uns zurückdrängen.
Die meisten Atome der Materie innerhalb der Wand benötigen viel mehr Energie (und damit eine höhere Frequenz) für eine Interaktion, als eine Welle mit niedriger Energie liefern kann. Anstatt absorbiert zu werden, durchdringt die Welle die Wand, verliert jedoch etwas Energie an eine kleine Anzahl von Atomen, die sie absorbieren (wie mikroskopisch kleine Metallfragmente), oder an Moleküle, die sie in andere Richtungen streuen (wie Wassermoleküle).
Als Teilchen
Um Strahlung zu absorbieren, muss ein Atom angeregt werden. Die Anregung erfordert, dass die einfallende Welle genügend Energie hat, um das Elektron eines Atoms auf ein höheres Energieniveau innerhalb der Elektronenwolke anzuregen.
Wenn genügend Energie vorhanden ist, wirken die Photonen wie Teilchen, und die von ihnen transportierte Energie wird vom Atom absorbiert und für einen winzigen Moment in Form des angeregten Elektrons „gehalten“, wodurch ein sogenanntes angeregtes Atom entsteht.7
Das Atom kann nicht lange angeregt bleiben, da eine der Grundkräfte des Universums, die elektromagnetische Kraft, das Elektron unter Verwendung der gespeicherten Energie auf sein ursprüngliches Energieniveau innerhalb der Elektronenwolke zurückzieht und diese Energie in eine winzige Menge Wärme umwandelt. Deshalb fühlen wir uns wärmer, wenn die Sonne auf unsere Haut scheint, unabhängig vom Wetter.
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Referenzen
- NASA (National Aeronautics and Space Administration). “Anatomy of an Electromagnetic Wave”
- NIST (National Institute of Standards and Technology). “The Electromagnetic Spectrum”
- NASA. “Introduction to the Electromagnetic Spectrum”
- OSHA (Occupational Safety and Health Administration). “Ionizing Radiation”
- CalTech (California Institute of Technology). “Feynman Lectures Volume III, Chapter 1: „Quantum Behavior“”
- Britannica. “Rutherford model”
- Britannica. “Excitation”