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Eine Beschreibung des gesamten elektromagnetischen Spektrums und die physikalischen Grundlagen
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Elektromagnetische Strahlung

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Schema einer elektromagnetischen Welle
Elektromagnetische Welle
Allgemeines
Das wichtigste Werkzeug der Astronomen ist zweifellos das Licht. Fast alle Informationen, die wir über ferne Sterne und Galaxien erhalten können, erreichen uns in Form von Licht oder verwandten Strahlungsarten (wenn man von Neutrinos und Gravitationswellen einmal absieht). Die Spektren von Himmelskörpern liefern Erkenntnisse über ihre chemische Zusammensetzung und Temperatur, der Doppler-Effekt dient zur Messung von Geschwindigkeiten und Entfernungen und es werden immer wieder neue, raffinierte Methoden ausgetüfftelt, um der empfangenen Strahlung noch mehr Details zu entlocken. Darüber hinaus ist die Tatsache, dass von allen Quellen die prinzipiell gleiche Strahlung ausgesendet wird, ein guter Beweis dafür, dass überall im Universum die gleichen Naturgesetze gelten, die die Voraussetzung für die Entstehung dieser Strahlung sind.
Das elektromagnetische Spektrum
Elektromagnetisches Spektrum
Physik
Elektromagnetische Strahlung entsteht durch die Schwingung elektrischer Ladungen und breitet sich als elektrisch-magnetisches Wechselfeld im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Schwingung erfolgt dabei in Wellenform senkrecht (transversal) zur Ausbreitungsrichtung (Bild links oben). Je nach Frequenz (Schwingungen pro Sekunde) kann elektromagnetische Strahlung in unterschiedlichen Erscheinungsformen beobachtet werden. Das elektromagnetische Spektrum erstreckt sich von den niederfrequenten Radiowellen über das sichtbare Licht bis zur hochfrequenten Gammastrahlung. Dabei ist die Energie der Strahlung proportional zur Frequenz. Zwischen Wellenlänge und Frequenz gilt die folgende Beziehung:
 
c = Frequenz x Wellenlänge
 
Dabei ist c die konstante Lichtgeschwindigkeit von 299.792,458 km pro Sekunde.
Das physikalische Konzept der elektrischen und magnetischen Feldlinien, sowie der gegenseitigen Induktion elektrischer und magnetischer Felder wurde 1831 von dem englischen Chemophysiker Michael Faraday aufgestellt und experimentell bewiesen. 1873 entwickelte der schottische Physiker James Clerk Maxwell aus diesen Beobachtungen die nach ihm benannten Gleichungen. Die Maxwell'schen Gleichungen beschreiben Licht als oszillierendes elektromagnetisches Feld und erlaubten die theoretische Berechnung von dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit). Der deutsche Physiker Heinrich Hertz schliesslich konnte 1888 die von Maxwell vorhergesagten Radiowellen künstlich erzeugen und nachweisen. Zu Ehren von Hertz, dessen Experimente die Grundlagen der drahtlosen Telegraphie und der Rundfunktechnik bildeten, erhielt die physikalische Einheit der Frequenz seinen Namen (1 Hertz = 1 Schwingung pro Sekunde). Aus quantenphysikalischer Sicht besteht elektromagnetische Strahlung aus Photonen.
Strahlungsarten
  • Wechselstrom:
    Da in Stromleitungen elektrische Ladungen (Elektronen) periodisch bewegt werden, senden sie Radiowellen von sehr niedriger Frequenz aus.
  • Funkwellen:
    Der in einer Dipolantenne fliessende Wechselstrom führt zur Abstrahlung von Radiowellen, die für Kommunikations-Zwecke genutzt werden können. Der Empfang von Radio-, Fernseh- oder Handysignalen erfolgt ebenfalls über Antennen, in denen die elektromagnetische Strahlung wieder einen elektrischen Strom induziert. Auch kosmische Objekte mit starken Magnetfeldern können Radiowellen aussenden (Radioastronomie). Die zunehmende Radiostrahlung aus künstlichen Quellen (z.B. Handys) wird als Elektrosmog bezeichnet und steht unter dem bisher noch unbewiesenen Verdacht, gesundheitsschädlich zu sein.
  • Mikrowellen:
    Mikrowellen haben eine höhere Frequenz als Radiowellen und können polare Moleküle zur Rotation anregen. Sie werden bei der Radarortung und in Mikrowellenherden eingesetzt.
  • Infrarotstrahlung:
    Wärmestrählung entsteht durch die Schwingung von Molekülen und geht von heissen Objekten, wie z.B. einem Ofen aus. Da infrarotes Licht Gas- und Staubwolken durchdringen kann, werden in diesem Wellenlängenbereich auch astronomische Beobachtungen durchgeführt.
  • Sichtbares Licht:
    Das mit den Augen wahrnehmbare Licht macht nur einen winzigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums von 700nm (Rot) bis 400nm (Violett) aus. Es entsteht bei Energieübergängen von Valenz-Elektronen in den Aussenhüllen von Atomen und Molekülen. Die optische Astronomie mit Fernrohren nutzt die Durchlässigkeit der irdischen Atmosphäre für sichtbares Licht.
  • Ultraviolettes Licht:
    UV-Licht hat eine etwas höhere Frequenz als sichtbares Licht und entsteht ebenfalls bei Elektronenübergängen. Es ist ein unsichtbarer Bestandteil des von der Sonne empfangenen Lichts und kann photochemische Reaktionen auslösen. In Solarien dient UV-Licht zur kosmetischen Bräunung der Haut.
  • Röntgenstrahlung:
    Die nach ihrem Entdecker Wilhelm Conrad Röntgen benannte, hochfrequente Strahlung entsteht beim Sturz von Elektronen aus den Aussenhüllen von Atomen auf kernnahe, innere Orbitale und kann menschliches Gewebe ungehindert durchdringen. Auch extrem heisse kosmische Objekte oder Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, senden Röntgenstrahlung aus (Röntgenastronomie).
  • Ionisierende Strahlung:
    Die äusserst hochfrequente Gammastrahlung entsteht beim Zerfall schwerer Atomkerne oder bei Nuklearreaktionen in Sternen. Auch extreme kosmische Ereignisse, wie z.B. Supernova-Explosionen, senden grosse Mengen an Gammastrahlung aus. Eine Ausprägung der Gammastrahlung ist die kosmische Höhenstrahlung, die bei der Kollision extrem schneller Teilchen (z.B. aus dem Sonnenwind) mit den Molekülen der Erdatmosphäre entsteht. Die energiereiche, ionisierende Strahlung kann Elektronen aus Atomen und Molekülen heraus schlagen und auf diese Weise das Erbgut schädigen oder bei einer hohen Dosis sogar zum sofortigen Tod führen.
Abkürzungen
Strahlungsarten Einheiten der Wellenlänge Einheiten der Frequenz
UKW = Ultra-Kurzwelle
VHF = Very High Frequency
UHF = Ultra High Frequency
Radar = Radio Detecting and Ranging
IR = Infrarot (Wärmestrahlung)
UV = Ultraviolett
µm = Mikrometer (10-6m)
nm = Nanometer (10-9m)
pm = Picometer (10-12m)
fm = Femtometer (10-15m)
Hz = Hertz (Schwingungen pro Sekunde)
kHz = Kilohertz (103 Hertz)
MHz = Megahertz (106 Hertz)
GHz = Gigahertz (109 Hertz)
THz = Terahertz (1012 Hertz)
PHz = Petahertz (1015 Hertz)
EHz = Exahertz (1018 Hertz)

 
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