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elektromagnetisches Spektrum

Elektrodynamik und Elektrotechnik, die Intensität (Strahlungsleistung) elektromagnetischer Wellen in Abhängigkeit von der Frequenz. Wegen der grossen Bandbreite des Spektrums der in der Natur vorkommenden elektromagnetischen Wellen werden verschiedene Teilbereiche des Spektrums wie eigene Strahlungsarten betrachtet (vgl. Abb. »Elektrodynamik«). Die Erkenntnis, dass es sich bei Radiowellen-, Mikrowellen-, Lichtwellen- und Röntgenwellen um dasselbe Phänomen handelt, folgt aus den Maxwell-Gleichungen und wurde erstmals mit den Hertzschen Versuchen bewiesen. Einen Überblick über die Bereiche des elektromagnetischen Spektrums gibt Tabelle 1; die Abgrenzungen sind, z.T. aus historischen Gründen, nicht scharf, sondern als Grössenordnungen aufzufassen. Aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus besitzen die elektromagnetischen Wellen auch Teilcheneigenschaften (Photonen), Röntgen- und höherenergetische Strahlen haben überwiegend Teilchencharakter. Man unterscheidet Emissionsspektren, bei der die Wellen von einer Quelle ausgesandt werden, und Absorptionsspektren, bei denen Teile eines kontinuierlichen Spektrums in einer Substanz absorbiert werden. Sehr enge Spektralbereiche heissen Spektrallinien, deren Breite immer grösser als die von der Unschärferelation vorgegebene natürliche Linienbreite ist. Die Untersuchung von Emissions- oder Absorptionsspektren natürlicher oder künstlicher Strahlungsquellen (Spektroskopie) ist ein wesentliches Hilfsmittel in Chemie, Kernphysik und insbesondere der Astronomie. Praktisch das gesamte heutige kosmologische Wissen beruht auf den Spektren der galaktischen und extragalaktischen Materie.

 

elektromagnetisches Spektrum: Übersicht über das elektromagnetische Spektrum. Die Temperatur eines schwarzen Strahlers ist diejenige, bei der das Strahlungsmaximum nmax der angegebenen Frequenz entspricht (Wiensches Verschiebungsgesetz).

Spektralbereich

Frequenz n

Wellenlänge l

Temp. eines schwarzen Strahlers (n. Wien)

Energie E = hn

natürliche Quellen bzw. Prozesse

Nutzung

elektrische Wellen, Hertzsche Wellen

10-100 Hz

103-104 km

10-10-10-9 K

» 10-13 eV

 

Wechselstrom

 

102-104 Hz

10-1000 km

10-9-10-7 K

10-13-10-11 eV

 

Telephonie

Langwellen

10 kHz-1 MHz

0,5-10  km

10-7-10-5 K

10-11-10-9 eV

 

Rundfunk, Radioastronomie

Mittelwellen (AM)

» MHz

» 500 m

» 0,01 mK

»5 × 10-8 eV

Kernspinaufspaltung

Rundfunk, Radioastronomie, Kernspinresonanz (NMR)

Kurzwellen

1-50 MHz

10-100 m

» 0,1 mK

»0,1 meV

Kernspinaufspaltung

Rundfunk, Radioastronomie, Kernspinresonanz (NMR)

UKW (FM)

» 100 MHz

» 1 m

» 1 mK

» 0,5 meV

 

(Stereo-)Rundfunk, TV, Radioastronomie

Mikrowellen

GHz-THz (109-1012 Hz)

0,1 mm-10 cm

0,01-10 K

5 meV-5 meV

kosmische Hintergrundstrahlung (» 3K), 21-cm-Linie des Wasserstoffs (Hyperfeinstruktur), Molekülrotationen (» meV)

Richtfunk, Radar, Elektronenresonanz (ESR), Mikrowellenherd, Hochfrequenz-(HF-)Technik

Infrarot (IR)

1012-4 × 1014 Hz

1 mm-800 nm

10-7000 K

5 meV-0,1 eV

»Wärmestrahlung« von Lebewesen (» 300 K), Molekülvibrationen (»0,1 eV), Strahlungsmaximum der Sonne (3,4 × 1014 Hz, 5800 K)

Nachtsichtgeräte, Infrarot-Wärmelampe (Tierhaltung)

sichtbares Licht

4-8 × 1014 Hz

800-400 nm

7000-14000 K

0,1-0,2 eV

elektronische Übergänge im Atom (äussere Schalen), Photosynthese

Beleuchtung, Astronomie, Mikroskopie usw.

Ultraviolett (UV)

1015-1017 Hz

400-10 nm

104-106 K

0,2-10 eV

elektronische Übergänge im Atom, atmosph. Ozon-Absorptionsbanden

Sterilisation medizinischer Geräte, Leuchtstoffröhre (»Neonröhre«), Photochemie

weiche Röntgenstrahlen

1017-1021 Hz

10 nm-1 pm

106-1010 K

10 eV-100 keV

elektronische Übergänge im Atom (Innere Schalen, 1-100 keV), Bremsstrahlung

»Röntgen«, Kristallstrukturuntersuchungen, Identifizierung von Elementen anhand der charakteristischen Röntgenstrahlung

harte Röntgenstrahlen / Gammastrahlen

> 1021 Hz

< 1 pm

> 1010 K

> 100 keV

elektromagn. Kernübergänge (1-10 MeV), Compton-Streuung, e+e--Paarerzeugung (> 1MeV), Brems- / Synchrotronstrahlung (auch kosmisch: Akkretionsscheiben Schwarzer Löcher, aktive Galaxien, Quasare), kosmische Gamma-Ausbrüche (»Bursts« ), sekundäre Höhenstrahlung (1010-1020 eV)

Kernphysik: Identifizierung und Anregung von Kernreaktionen, Teilchenphysik: Erzeugung von Mesonen (> 0,3 GeV), Baryonen (> 2 GeV) oder W±- und Z0-Bosonen (> 80-90 GeV) durch virtuelle g-Quanten, Röntgen- und Gammaastronomie

 

 

 

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