Es ermöglicht Ihnen, einen geliebten Menschen in einer anderen Ecke der Welt zu sehen oder mit ihm zu sprechen, und manchmal sendet es Sie aus dem Weltraum — es ist elektromagnetische Strahlung. Es ist eine wirklich raffinierte Sache. Schauen wir uns also die verschiedenen Arten elektromagnetischer Strahlung an und warum sie alle dasselbe sind.

Wenn geladene Teilchen in Form von Atomen (Ionen) oder Elementarteilchen (Elektronen oder Protonen) genügend Energie erhalten, um sich zu bewegen und mit ihren Kollegen zu interagieren, erzeugen sie magnetische und elektrische Felder. Das Zusammenspiel dieser beiden Arten von Feldern erzeugt (Sie werden es nie erraten) elektromagnetische Phänomene. Das sind alles sehr gute Nachrichten: Der Elektromagnetismus (EM) ist eine der fundamentalen Kräfte in der Natur, der Satz von vier Naturgesetzen, die nach dem Urknall die Macht übernahmen und unser Universum zu dem machten, was es heute ist.

Ein besonders interessanter Teil des EM-Kuchens ist die elektromagnetische Strahlung. Diese Phänomene halten derzeit den unbestrittenen Rekord für die schnellsten Dinge aller Zeiten. Werfen wir also einen Blick darauf, beginnend mit:

Die Grundlagen

Photonen sind wahrscheinlich am besten für ihre Rolle als lichttragendes Teilchen bekannt, aber das ist nur ein Teil ihrer Aufgabe. Diese Elementarteilchen sind die Energieträger für mehrere andere Arten von Wellen, die zusammen das elektromagnetische Strahlungsspektrum (EMR) bilden. Wie jede Art von Welle (ja, Wellen auf dem Wasser eingeschlossen) sind sie teilweise durch Wellenlänge und Frequenz gekennzeichnet. In der Reihenfolge zunehmender Frequenz / abnehmender Wellenlänge können sie sein:

• Radiowellen
• Mikrowellen
• Infrarotstrahlung
• sichtbares Licht
• ultraviolette Strahlung
• Röntgenstrahlen
• Gammastrahlen

Auf den ersten Blick können sie sehr unterschiedliche Dinge sein. Röntgenstrahlen können verwendet werden, um durch die Haut zu schauen, und ultraviolette Strahlen geben Ihnen eine Bräune und eine Hautverbrennung, wenn Sie keine Sonnencreme verwenden. Ganz anders, oder?

Nun, nicht wirklich. Stellen Sie sich das emektromagnetische Strahlungsspektrum als eine Gitarrensaite vor, die sich über acht Bünde erstreckt. Spielen Sie die niedrigste Note und Sie erhalten Radiowellen, spielen Sie die höchste und Sie erhalten Gammastrahlen. Auf einer Gitarre geben verschiedene Schwingungsmuster in der Saite unterschiedliche Klänge in Form von Noten ab — unsere Wahrnehmung von ihnen variiert, aber sie sind alle im Grunde das Gleiche auf verschiedenen Intensitätseinstellungen. In ähnlicher Weise erzeugen unterschiedliche Schwingungsmuster magnetischer und elektrischer Felder verschiedene Arten von EMR. Wir nehmen sie als völlig unterschiedlich wahr (einige können wir überhaupt nicht direkt wahrnehmen), aber sie sind alle im Grunde die gleichen Phänomene mit unterschiedlichen Intensitäten.

Eine Quelle erzeugt EM-Strahlung, wenn sich Energie im System befindet, weil Partikel dadurch vibrieren. Als Faustregel gilt, dass heißere Körper Wellen mit mehr Leistung und überwiegend bei höheren Frequenzen erzeugen. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen, was als ein Zyklus pro Sekunde definiert ist. Eine Frequenz von einem Hz bedeutet, dass eine Welle pro Sekunde erzeugt wird, ein kHz bedeutet, dass 1.000 Wellen pro Sekunde erzeugt werden und ein GHz entspricht einer Milliarde pro Sekunde.

Wellenlänge ist gleich Geschwindigkeit über Frequenz und wird normalerweise genommen, um den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kämmen darzustellen. Technisch kann es jedoch überall auf der Welle gemessen werden.Schließlich unterscheidet sich elektromagnetische Strahlung von den übrigen EM-Phänomenen dadurch, dass es sich um Fernfeldeffekte handelt. Diese Wellen sind nicht auf die Interaktion mit nahen Objekten beschränkt, im Gegensatz zum elektrostatischen Effekt. Einmal erzeugt, können die Wellen auch durch den Raum rasen (sie ’strahlen‘, woher der Begriff ‚Strahlung‘ kommt), ohne dass die Ladungen, die sie erzeugt haben, mehr eingeben. Diese Wellen werden also so lange weitergehen, bis ihnen die Energie ausgeht — entweder weil sie auf einige Partikel treffen, mit denen sie interagieren können, oder weil sie einfach verpuffen.

Jetzt haben wir also eine grundlegende Vorstellung davon, wie sie sich bilden, cool. Gehen wir durch jede Art von Welle.

Radiowellen

Radiowellen haben die niedrigsten Frequenzen aller Arten von EMR und ihre Photonen tragen die geringste Energiemenge. Normalerweise wird alles zwischen 3 kHz und 300 GHz als Funkwelle angesehen, obwohl einige Definitionen alles über 1 GHz oder 3 GHz als Mikrowellen einstufen. Dies macht Radiowellen zu den Faultieren von EMR. Radiowellenphotonen sind weit voneinander entfernt – bei 3 khz ist die Wellenlänge 100 km (62 Meilen) lang, 1 mm (0,039 Zoll) bei 300 GHz — was bedeutet, dass sie weniger Energie tragen als andere Arten von ER.Ihre Wechselwirkung mit Materie beschränkt sich weitgehend darauf, ein Bündel elektrischer Ladungen zu erzeugen, die über viele Atome verteilt sind — also ist jede Ladung ziemlich winzig. Es ist jedoch nützlich, da diese Spreizung es einem an eine Schaltung gebundenen Leiter ermöglicht, Radiowellen wieder in einige elektrische Signale umzuwandeln. Koppeln Sie das mit ihrer Geschwindigkeit (alle EM-Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum), und sie sind wirklich gut für die Kommunikation über große Entfernungen.Alternativ, wenn Sie einen Leiter haben, der nicht an einen Stromkreis gebunden ist, sagen wir ein Flugzeug im Flug, wird die Trennung dieser Ladungen neue Radiowellen erzeugen — das ist es, was Radarsignale von Sachen ‚reflektieren‘ lässt. Die Absorption oder Emission von Radiowellen erzeugt immer einen elektrischen Strom, Wärme oder beides.

Mikrowellen

Mikrowellen sind elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen zwischen 300 MHz (Wellenlänge 100 cm) und 300 GHz (0,1 cm). Abgesehen von etwas energiereicheren Photonen und einer kürzeren Wellenlänge (was mehr Energiedichte bedeutet) sind sie wirklich radiowellenartig. Tatsächlich werden Mikrowellen auch in der Kommunikation in großem Umfang verwendet, jedoch mit einigen wesentlichen Unterschieden zu Radiowellen.Erstens brauchen Sie eine direkte Sichtlinie zum Empfänger, da Mikrowellen sich nicht um Hügel oder Berge biegen (beugen), sie reflektieren nicht von der Ionosphäre zurück oder folgen der Krümmung des Planeten als Oberflächenwellen. Aber sie haben mehr Schlagkraft als Radiowellen und können aufgrund ihrer höheren Frequenz einige der Dinge durchdringen, die Radio nicht kann — wie dicke Wolken oder Staub.Mikrowellen werden verwendet, um Daten über drahtlose Netzwerke zu übertragen, mit Satelliten und Raumfahrzeugen zu kommunizieren, in autonomen und klassischen Fahrzeugen für Kollisionsvermeidungssysteme, einige Funknetze, schlüssellose Zugangssysteme und Garagentorfernbedienungen.

Sie sind auch in Öfen nützlich. Der gleiche Prozess, der Radiowellenabsorption zur Erzeugung von Wärme ermöglicht, macht eine 2,45 GHz (12 cm) Mikrowelle sehr gut zum Erhitzen von Wasser. Und da Essen immer mindestens etwas Wasser hat, bedeutet das, dass Mikrowellenherde eine raffinierte Möglichkeit sind, Essen zu erhitzen.

Infrarotstrahlung

Bildnachweis NASA / JPL.

Der Schatz von kitschigen Actionfilmen, Infrarot oder IR. Es kommt nur lange des sichtbaren spektrums, spanning von 300 GHz (1mm) an die untere sichtbare grenze (die farbe rot) bei 430 THz (700 nm). Dies ist das Spektrum, über das die meisten Objekte, mit denen Sie interagieren, Wärme abstrahlen. Im Gegensatz zu Radio— und Mikrowellenstrahlung interagiert Infrarotstrahlung mit Dipolen (stark polarisierte chemische Moleküle wie Wasser), dh sie wird von einer Vielzahl von Substanzen — und fast allen organischen Substanzen – absorbiert, die ihre Schwingung in Wärme umwandeln. Das Gegenteil ist jedoch auch der Fall, was bedeutet, dass Schüttgüter im Allgemeinen ein gewisses Maß an IR ausstrahlen, wenn sie ihre Wärme abgeben.

Es ist also nicht sehr gut für die Fernkommunikation, da es nur vom Wasser in der Atmosphäre absorbiert würde. Aber Ihre TV-Fernbedienung kann IR verwenden, um Befehle über kurze Entfernungen mit großem Erfolg auszugeben. IR-Detektoren sind nützlich, wenn Sie versuchen, etwas zu sehen, das Wärme abgibt, z. B. einen Einbrecher mitten in der Nacht. Infrarot wird auch in der Astronomie verwendet, um durch Staubwolken auf der Suche nach Planeten zu blicken, in industriellen Anwendungen, um Wärmeverluste zu überwachen oder Überhitzung zu verhindern, in der Wettervorhersage und in bestimmten medizinischen Anwendungen. Das Militär ist offensichtlich auch ein großer Fan von IR, der es sowohl zur Beobachtung als auch zur Führung von Munition auf ein Ziel verwendet.

Und wie Eidechsenliebhaber wissen, ist Infrarotstrahlung eine großartige Möglichkeit, Wärme dorthin zu strahlen, wo sie benötigt wird. Genau so haben die Leute IR entdeckt. Im Jahr 1800 beschrieb ein Astronom namens Sir William Herschel erstmals IR-Strahlung, indem er ihre Auswirkungen auf ein Thermometer beobachtete.Wie jede andere elektromagnetische Strahlung trägt IR Energie und verhält sich sowohl wie eine Welle als auch wie ein Quantenteilchen, das Photon. Etwas mehr als die Hälfte der gesamten Sonnenenergie, die die Erde erreicht, geschieht als Infrarotstrahlung — deshalb fühlt sich das Sonnenlicht so warm an.

Sichtbares Licht

Dies ist das Intervall elektromagnetischer Strahlung, auf das Ihre Augen abgestimmt sind. Sichtbares Licht umfasst das Spektrum von 430-770 THz (390 bis 700 nm). Wir sehen verschiedene Farben, weil bestimmte Teile dieses Spektrums von Objekten absorbiert werden und der Rest reflektiert wird. Damit Ihnen etwas rot erscheint, muss es die Wellenlängen absorbieren, die nicht der Farbe entsprechen, und nur rote Wellenlängen reflektieren, damit Ihre Augen sie aufnehmen können.

Farbe kann jedoch auch aus der Art und Weise entstehen, wie Licht mit einem bestimmten Objekt interagiert. Die Textur eines Objekts wird ebenfalls durch den gleichen Mechanismus erzeugt. Schnee, zum Beispiel, scheint weiß zu sein, matt und reflektierend zugleich — aber einzelne Schneekristalle aussehen wie Bits aus Glas. Warum, erfahren Sie hier.

UV-Strahlung

Das EM-Spektrum über die Frequenz von 789 Terahertz (THz) oder mehr wird ultraviolett genannt. Ultraviolettes Licht besteht aus sehr kurzen Wellen von 10 nm bis 400 nm und trägt viel Energie. Tatsächlich tragen Photonen ausgehend von der UV-Grenze genug Energie, um bestimmte chemische Bindungen in neue Anordnungen zu verwandeln. Was die Hölle ist, wenn Sie ein DNA-Molekül sind, das nur versucht, Informationen zu erhalten. Schlimmer noch für Lebewesen, bestimmte UV-Subtypen, die nicht genug Energie haben, um die DNA direkt zu schädigen (wie Subtyp A), stellen immer noch ein Risiko dar, da sie reaktive Sauerstoffspezies im Körper produzieren, hochreaktive Verbindungen, die chemische Bindungen in der DNA entführen.

Insgesamt ist die UV-Strahlung so energiereich, dass sie eine echte Gefahr für das Leben darstellt. Selbst relativ energiearmes UV-Licht kann unangenehme Hautverbrennungen verursachen, die weitaus schlimmer sind als die, die einfach durch die Temperatur verursacht werden (da es sich, wie oben erläutert, auch um Strahlungsverbrennungen handelt). Die Exposition gegenüber höherenergetischem UV kann zu Krebs führen, da die Wellen die DNA-Stränge verwüsten.

Diese Fähigkeit, lebende Organismen zu schädigen, wird ab sofort ein gemeinsames Merkmal auf der Liste sein, da die Häufigkeit nur noch weiter zunehmen wird. An den höheren Enden des UV-Spektrums (etwa 125 nm oder weniger, manchmal auch als „extremes UV“ bezeichnet) ist die von diesen Wellen getragene Energie so hoch, dass sie in einem als Photoionisation bezeichneten Prozess tatsächlich Elektronen aus den Schalen der Atome entfernen kann.

Wenn man bedenkt, dass UV-Strahlung etwa 10% der gesamten Lichtleistung der Sonne ausmacht, würde dies für alles, was an Land lebt, große Probleme verursachen (da Wasser UV-Strahlung ziemlich gut absorbiert). Zum Glück für uns Erdlinge sind wir durch die Ozonschicht und den Rest der Atmosphäre geschützt, die die meisten UV-Strahlen herausfiltern, bevor sie wirklichen Schaden anrichten.

Es sind jedoch nicht alle schlechten Nachrichten. UV-Strahlung ist der Schlüssel zur Synthese von Vitamin D in den meisten Landwirbeltieren, einschließlich des Menschen. UV-Strahlen werden auch in der Fotografie und Astronomie, in bestimmten Sicherheitsanwendungen (zur Authentifizierung von Rechnungen oder Kreditkarten), in der Forensik, als Sterilisator und natürlich auf Sonnenbänken verwendet.

Röntgen- /Röntgenstrahlung

Mit Frequenzen von 30 Petahertz bis 30 Exahertz („peta“ bedeutet 15 Nullen, „exa“ bedeutet 18 Nullen) und Wellenlängen von 0,01 bis 10 Nanometern sind Röntgenstrahlen sehr energiereich. Diejenigen mit Wellenlängen unter 0,2-0.1 nm werden als ‚harte‘ Röntgenstrahlen bezeichnet. Ärzte verwenden sie, um die Knochen im Körper zu sehen, weil sie so winzig und kraftvoll sind, dass unsere Weichteile für sie praktisch transparent sind. Gleiches gilt für Gepäck am Flughafen – harte Röntgenstrahlen können direkt durch sie hindurch sehen. Ihre Wellenlänge ist vergleichbar mit der Größe einzelner Atome, weshalb Geologen sie zur Bestimmung von Kristallstrukturen verwenden.Röntgenstrahlen (und die energiereicheren Gammastrahlen) bestehen aus Photonen, die alle minimale Ionisationsenergie tragen (sie können alle photoionisieren) und werden daher ionisierende Strahlung genannt. Sie können Organismen und Biomolekülen massiven Schaden zufügen und betreffen oft Gewebe sehr tief unter der Haut, da sie die meisten Stoffe leicht durchdringen.

Sie sind nach Wilhelm Röntgen benannt, dem deutschen Wissenschaftler, der sie am 8. November 1895 entdeckte. Röntgen selbst nannte sie Röntgenstrahlung, weil sie zu dieser Zeit ziemlich mysteriös war — niemand verstand wirklich, was diese Strahlung war oder was sie tat.

Gammastrahlen

Dies sind die EMRs mit den einzelnen Photonen mit der höchsten Energie, die wir kennen. Sie haben Frequenzen von mehr als 30 Exahertz und Wellenlängen von unter 10 Pikometern (1 Pikometer ist ein Tausendstel Nanometer oder ein Tausendstel Milliardstel Meter), was weniger als der Durchmesser eines Atoms ist. Sie sind hauptsächlich auf radioaktiven Zerfall hier auf der Erde zurückzuführen (wie Atomwaffen oder Tschernobyl), können aber auch in lächerlich starken Gammastrahlenausbrüchen auftreten, wahrscheinlich das Produkt sterbender Sterne, die zu Supernova oder der größeren Hypernova werden, bevor sie in Neutronensterne oder Schwarze Löcher kollabieren. Sie sind die tödlichste Art von EM-Strahlung für lebende Organismen. Glücklicherweise werden sie weitgehend von der Erdatmosphäre absorbiert.Künstliche Gammastrahlen werden manchmal verwendet, um das Aussehen von Edelsteinen zu verändern, z. B. um weißen Topas in blauen Topas zu verwandeln. Die USA experimentieren auch mit ihnen, um eine Art Röntgengerät auf Steroiden zu schaffen, das bis zu 30 Container pro Stunde scannen kann. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie lächerlich durchdringend Gammastrahlen sind, sollten Sie wissen, dass Bergbaubetriebe Gammastrahlengeneratoren verwenden, um riesige Erzberge zu durchsuchen und die reichsten für die Verarbeitung auszuwählen. Andere Anwendungen umfassen Bestrahlung (zur Sterilisation von medizinischen Geräten oder Lebensmitteln), zur Abtötung von Krebstumoren und in der Nuklearmedizin.Kurz gesagt, dies sind die Kategorien, die wir verwenden, um elektromagnetische Strahlung zu beschreiben. Sie haben Dinge, die sie gerne durchmachen, und Dinge, von denen sie reflektieren. Sie sind das Licht, das du nicht sehen kannst und können angenehm, sehr gefährlich und manchmal wahnsinnig tödlich sein.