elektromagnetisches Spektrum
Karl-Wilhelm Steinfieber
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).
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Spektralbereich |
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Frequenz n |
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Wellenlänge l |
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Temp. eines schwarzen Strahlers (n. Wien) |
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Energie E = hn |
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natürliche Quellen bzw. Prozesse |
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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 |
|
|
|
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 |
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harte Röntgenstrahlen / Gammastrahlen |
bottom:
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> 1021 Hz |
bottom:
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< 1 pm |
bottom:
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> 1010 K |
bottom:
solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'>
> 100 keV |
bottom:
solid black 1.0pt;mso-border-bottom-alt:solid black .75pt;padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'>
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) |
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padding:0cm 3.55pt 0cm 3.55pt\'>
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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