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Elektromagnetische Welle – Spektrum 06:10 min

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Transkript Elektromagnetische Welle – Spektrum

Hallo und herzlich willkommen bei Physik mit Kalle. Wir befinden uns wieder im Gebiet Schwingungen und Wellen und wollen uns heute im 4. Teil der Videoreihe zur elektromagnetischen Welle mit dem elektromagnetischen Spektrum beschäftigen. Wir lernen heute, was das elektromagnetische Spektrum ist, wie es aussieht und wie man die einzelnen Strahlungsarten eigentlich erzeugen kann. Dann wollen wir mal. Die Summe aller elektromagnetischen Wellen, meist geordnet nach ihrer Wellenlänge ?, das ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit c durch die Frequenz f, nennt man das elektromagnetische Spektrum. Meist sind sie geordnet von der größten zur kleinsten Wellenlänge. Nur noch mal zur Erinnerung: Alle elektromagnetischen Wellen bestehen aus Photonen, den sogenannten Lichtteilchen. Die Energie eines Photons ist h×f, also das plancksche Wirkungsquantum h mal die Frequenz f. Oder, wenn ich das oben einsetze: Energie des Photons ist h×c/?. Man kann die Wellen also nach ihrer Wellenlänge, ihrer Frequenz oder ihrer Energie ordnen.  Hier seht ihr einen Überblick über das elektromagnetische Spektrum, den wir jetzt mal von vorne nach hinten durchgehen wollen. Die langwelligsten Wellen in unserem Spektrum sind die Radiowellen. Ihre Wellenlänge reicht von wenigen km bis herunter zu wenigen m. Und vor allem im längeren Bereich werden sie ausschließlich für das Radio benutzt. Nach den Radiowellen kommen die Mikrowellen, deren Wellenlängenbereich sich grob gesagt von ungefähr 1m bis herunter zu 1mm erstreckt. Im kurzwelligen Bereich der Radiowellen, aber vor allem im langwelligen Teil der Mikrowellen spielt sich ein Großteil der modernen Kommunikation ab. Das Handynetz, das Fernsehen, WLan, GPS, Radar benutzen alle Wellenlängen in diesem Bereich. Als Nächstes kommt der sogenannte Infrarotbereich, in dem wir die Wärmestrahlung finden. Er fängt an bei ungefähr einer Wellenlänge von 1mm und geht hinunter bis zum sichtbaren Bereich, also bis ungefähr 780nm. Und damit sind wir endlich beim sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Das Licht, wie wir es kennen, fängt hier bei einem Rot bei 780nm an und zieht sich über den Regenbogen, bis wir bei 380nm, das ist, eine violette Farbe, wieder in den unsichtbaren Bereich abtauchen. Alle Geräte, die sichtbares Licht erzeugen, also z.B. Glühlampen, Leuchtdioden, euer Fernseher, euer Computerbildschirm oder ein Laser, spucken elektromagnetische Wellen aus diesem Wellenlängenbereich aus. Über dem Violetten kommt, wie der Name schon sagt, die ultraviolette Strahlung. Sie hat eine Wellenlänge von bis zu 1nm und wird vor allem bei Anwendungen eingesetzt, die Fluoreszenzeffekte nutzen, wie z.B. die Echtheitsüberprüfung bei Geldscheinen. Mit Wellenlängen von ungefähr 1nm bis hinunter zu 10pm folgt als Nächstes die Röntgenstrahlung. Sie wird für medizinische Diagnostik eingesetzt, aber auch,  nicht minder wichtig, für Materialanalyse mit Röntgenspektroskopie und Röntgenbeugungsverfahren. Und damit wären wir auch schon beim letzten Bereich, der auf der Erde erzeugt wird, den Gammastrahlen. Sie haben Wellenlängen von 10pm oder darunter. Obwohl es durchaus noch Strahlung mit kleinerer Wellenlänge, die sogenannte Höhenstrahlung, die aus dem Weltraum kommt, gibt, hört unser Spektrum hier auf. Denn nun umfasst es den gesamten Wellenlängenbereich, der in auf der Erde stattfindenden Prozessen erzeugt wird.  Im letzten Kapitel wollen wir uns nun noch ansehen, wie man die verschiedenen Strahlungsarten erzeugen kann. Radiowellen erzeugt man am besten mit einer Antenne und einer Wechselspannungsquelle, also mit einem hertzschen Dipol. Zur Erzeugung von Mikrowellen benutzt man meistens ein sogenanntes Klystron, eine Elektronenröhre. Allerdings kann man auch mithilfe eines Synchrotrons, das ist ein Teilchenbeschleuniger, Mikrowellen erzeugen. Infrarotstrahlung bekommt man zum Beispiel, wenn man von einer Glühlampe das sichtbare Licht wegnimmt und nur den Wärmestrahlungsteil benutzt oder durch andere Wärmestrahler. Man kann Infrarotstrahlung allerdings ebenfalls mit einem Synchrotron erzeugen. Für das sichtbare Spektrum kennt ihr wahrscheinlich selbst genügend Quellen. Eine Glühlampe erzeugt sichtbares Licht, eine Gasentladungslampe erzeugt sichtbares Licht, genauso ein Laser, eine Leuchtdiode oder das Synchrotron. Ultraviolettes Licht erhalte ich zum Beispiel aus einer Gasentladungslampe und mal wieder aus dem Synchrotron. Falls ihr euch fragt, warum ich das ständig anbringe: Mit dem Synchrotron kann man über einen riesigen Wellenlängenbereich stufenlos Strahlung erzeugen. Es ist also für strukturanalytische Zwecke, das heißt für die Untersuchung von Materialien, eine sehr gefragte Strahlungsquelle. Röntgenstrahlen entstehen bei hochenergetischen Übergängen im Atom oder dort, wo diese erzwungen werden, z.B. in einer Röntgenröhre. Und zum Schluss wären wir bei der Gammastrahlung, die schon relativ schwer zu erzeugen ist. Ihr erinnert euch, Gammastrahlung ist ein Sekundärprozess bei Kernzerfällen oder steht zum Beispiel auch bei Paarvernichtung.  Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Das elektromagnetische Spektrum ist die Summe aller elektromagnetischen Wellen, meist geordnet nach ihrer Wellenlänge. Das sichtbare Spektrum geht von 380nm bis 780nm. Und, wie wir am Ende gesehen haben, man braucht eine Reihe verschiedene Geräte, um die verschiedenen Wellenlängenbereiche erzeugen zu können.  So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen. Bis zum nächsten Mal. Euer Kalle.

3 Kommentare
  1. Gut und leicht verständlich erklärt! Weiter so!

    Von Leos, vor etwa 2 Jahren
  2. Eine Frage zu dem Bild zum Spektrum der Elektromagnetische Welle - Da wird ja auch gezeigt, ob diese Wellen die Erdatmosphäre durchdringen:
    Du meintest, dass die Mikrowellen z.b. zum Versenden von Video verwendet wird, aber wie können Satelliten das Bild dann schicken?
    Und das UV Licht durchdringt die Atmosphäre auch nicht? Wieso bekommen wir dann Sonnenbrand?

    Von Louis H., vor fast 4 Jahren
  3. Vielen Dank, Kalle :) super erklärt und es macht mir mega Spaß dir zu zu hören, schon alleine das "euer Kalle" klingt schon immer so lustig, dass man sich gleich aufs nächste video freut ^^

    Von Juliane G., vor fast 4 Jahren

Elektromagnetische Welle – Spektrum Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektromagnetische Welle – Spektrum kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die Definition des elektromagnetischen Spektrums.

    Tipps

    Das Spektrum ist definitiv nicht unendlich, aber sehr groß.

    Lösung

    Was meinen wir eigentlich, wenn wir von einem Spektrum reden?

    Das elektromagnetische Spektrum ist die Summe aller elektromagnetischen Wellen, also aller möglichen Wellenlängen.

    Materiewellen gehören nicht zum elektromagnetischen Spektrum, denn sie benötigen ein Ausbreitungsmedium und transportieren sowohl Stoffe als auch Energie.

    Elektromagnetische Wellen transportieren dagegen nur Energie und benötigen kein Ausbreitungsmedium.

  • Nenne, woraus die elektromagnetische Welle besteht.

    Tipps

    Es gibt einen Dualismus, der auf elektromagnetische Wellen zutrifft.

    Lösung

    Was sind elektromagnetische Wellen? Sie unterscheiden sich auf jeden Fall von mechanischen und anderen Wellen.

    Eine Welle besteht aus gequantelten Energieportionen: den Photonen. Diese kann man auch als Lichtteilchen bezeichnen. Sie stellen die Teilchen-Eigenschaft einer Welle dar.

  • Nenne Beispiele für Gegenstände, die so lang sind wie EM-Wellenlängen.

    Tipps

    EM-Wellen mit hoher Energie haben kleinere Wellenlängen.

    Das sichtbare Licht steht ungefähr in der Mitte der uns bekannten Frequenzbereiche.

    Lösung

    Womit lassen sich die Wellenlängen vergleichen? Von hohen Gebäuden bis hin zur Größe von Atomkernen gehen die Wellenlängen des EM-Spektrums.

    Die Gegenstände auf den Bildern werden von oben links nach unten rechts kleiner. So auch die Wellenlängen in dieser Reihenfolge beginnend mit der längsten:

    • Radiowellen
    • Mikrowellen
    • Sichtbar
    • UV-Strahlung
    • Röntgenstrahlung
    • Gammastrahlung
    Nur die Dauerwellen gehören ganz woanders hin.

  • Berechne die Energie eines Photons anhand seiner Wellenlänge.

    Tipps

    Du kennst die Gleichung für die Photonenenergie und die für die Frequenz.

    Lösung

    Die Energie eines Photons braucht man in der Photonik und Quantenphysik oft. Manchmal hat man aber nur die Wellenlänge gegeben. Das ist allerdings kein Problem für uns:

    $E_{Ph}=h\cdot f$, wobei ja $f=\dfrac{c}{\lambda}$ ist:

    $E_{Ph}=6,626\cdot 10^{-34}~\text{Js}\cdot \dfrac{3\cdot 10^{8}~\dfrac{\text{m}}{\text{s}}}{500\cdot 10^{-9}~\text{m}}=4\cdot 10^{-19}~\text{J}$ .

  • Berechne die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle anhand ihrer Frequenz.

    Tipps

    Nimm dir die Formel für die Frequenz zur Hand und benutze die Konstante, die du brauchst, ohne Kommastellen gerundet.

    Mögliche Konstanten sind: Plank'sches Wirkungsquantum: $h=6,626 \cdot 10^{-34} \text{J} \cdot \text{s}$
    Lichtgeschwindigkeit: $c\approx 3 \cdot 10^8 \frac{\text{m}}{\text{s}}$.

    Lösung

    Wellenlängen in Frequenzen umrechnen und andersherum. Mal braucht man dies, mal jenes.

    $f=\dfrac{c}{\lambda}$, formen wir das um bekommen wir $\lambda=\dfrac{c}{f}$.

    Dann setzen wir gemütlich ein: $\lambda=\dfrac{3\cdot 10^{8}~\dfrac{\text{m}}{\text{s}}}{2\cdot 10^{12}~\text{Hz}}=1,5\cdot 10^{-4}~\text{m}$.

    Das sind $400~\mu\text{m}$. Damit liegt die Strahlung zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung, der Terahertzstrahlung.

  • Nenne Erzeuger von elektromagnetischer Strahlung.

    Tipps

    Radiowellen werden, wie der Name schon sagt, in elektrischen Radios verwendet.

    Lösung

    Will man EM-Wellen benutzen, muss man sie natürlich auch erzeugen können.

    Jeden Erzeuger zu erklären, würde zu weit gehen. Daher werden hier nur die richtigen Paare genannt:

    • Radiowelle - Hertz'scher Dipol
    • Mikrowelle - Klystron/Synchrotron
    • Ultraviolette Strahlung - Gasentladung/Synchrotron
    • Röntgenstrahlen - Röntgenröhre
    • Gammastrahlen - Kernzerfall/Paarvernichtung.