Was wir üblicherweise als Licht bezeichnen, ist nur ein kleiner Teilbereich des elektromagnetischen Spektrums, den unsere Augen in optische Sinneseindrücke umwandeln. Dieses sichtbare Licht umfasst Wellen mit einer Wellenlänge von etwa 400 bis 700 Nanometern (nm) – vom kurzwelligen Violett über Blau, Grün, Gelb bis zum langwelligen Rot. Dieses Farbenspiel lässt sich eindrucksvoll an einem Regenbogen oder mit einem Prisma sichtbar machen.
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Was ist ein elektromagnetisches Spektrum?
Das gesamte elektromagnetische Spektrum reicht jedoch weit über den sichtbaren Bereich hinaus. Es umfasst eine Vielzahl an Strahlungsarten, die sich durch ihre Wellenlänge, Frequenz und Eigenschaften unterscheiden: Im Gegensatz zu Radiowellen, deren Wellen mehrere Kilometer lang sein können, zeigen Gammastrahlen im Femtometer-Bereich extrem kurze Wellenlängen. Zwischen diesen Extremen finden sich u.a.
- Röntgenstrahlen,
- Ultraviolette (UV) Strahlung,
- Infrarotstrahlung,
- Mikrowellen und
- das sichtbare Licht.
Frequenz und Wellenlänge
Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz und umgekehrt. Zwischen Wellenlänge und Frequenz besteht eine umgekehrt proportionale Beziehung:
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Die Wellenlänge wird in Nanometern, Mikrometern, Millimetern oder sogar Metern gemessen.
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Die Frequenz wird in Hertz, Kilohertz, Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz) gemessen.
Elektromagnetische Felder: Ursprung und Eigenschaften
Ein elektromagnetisches Feld entsteht immer dann, wenn sich elektrische Ladungen bewegen, etwa in elektrischen Leitungen oder durch Funkantennen. Es besteht aus einem elektrischen Feld und einem dazu senkrecht stehenden magnetischen Feld, die sich gemeinsam als Transversalwelle ausbreiten.
Diese Felder können statisch (z. B. bei ruhenden Ladungen) oder dynamisch (z. B. bei Wechselstrom oder Licht) sein. Die mathematische Beschreibung erfolgt über die Maxwell-Gleichungen, die den Zusammenhang zwischen Ladung, Strom, Feldstärke und Ausbreitung beschreiben.
Welle oder Teilchen? Der Dualismus des Lichts
Elektromagnetische Strahlung kann unter bestimmten Bedingungen sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter zeigen. Dieses Phänomen – der Welle-Teilchen-Dualismus – wurde durch das berühmte Doppelspalt-Experiment demonstriert. Erst durch die Beobachtung bzw. Messung entscheidet sich, ob sich Licht wie eine Welle oder wie ein Teilchen (Photon) verhält.
Anwendungen elektromagnetischer Strahlung
Die unterschiedlichen Bereiche des elektromagnetischen Spektrums haben vielfältige Anwendungen:
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Ultraviolette (UV) Strahlung lässt unsere Haut im Sonnenlicht bräunen und findet zugleich Anwendung in der Desinfektion, etwa zur Abtötung von Keimen und Bakterien.
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Infrarotstrahlung (oft als Wärmestrahlung bezeichnet) wird in Bewegungsmeldern, Fernbedienungen oder zur Wärmedetektion eingesetzt.
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Mikrowellen erhitzen unser Essen und ermöglichen Radar- und Mobilfunktechnik.
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Radiowellen übertragen Musik, Sprache und Daten über große Entfernungen.
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Röntgenstrahlen erlauben in der Medizin und Materialprüfung einen Blick ins Innere von Objekten.
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Gammastrahlen kommen bei der Behandlung von Krebs zum Einsatz, aber auch in der Astrophysik.
Elektromagnetisches Spektrum: Tabelle
Diese Tabelle stellt die wichtigsten Bereichen des elektromagnetischen Spektrums dar, sortiert nach Wellenlänge, Frequenzbereich und typischen Anwendungen:
| Bereich | Wellenlänge | Frequenzbereich | Typische Anwendungen |
| Gammastrahlen | < 0,01 nm | > 30 EHz (10¹⁹ Hz) | Krebstherapie, Astrophysik |
| Röntgenstrahlen | 0,01 – 10 nm | 30 PHz – 30 EHz | Medizin (Diagnostik), Materialprüfung |
| Ultraviolett (UV) | 10 – 400 nm | 750 THz – 30 PHz | Sonnenbräune, Desinfektion, Leuchtmittel |
| Sichtbares Licht | 400 – 700 nm | 430 THz – 750 THz | Sehen, Beleuchtung, Fotografie |
| Infrarot (IR) | 700 nm – 1 mm | 300 GHz – 430 THz | Wärmebildkameras, Fernbedienungen, Sensoren |
| Mikrowellen | 1 mm – 1 m | 300 MHz – 300 GHz | Mikrowellenherd, Radar, Satellitenkommunikation |
| Radiowellen (UKW, LW) | > 1 m | < 300 MHz |
Rundfunk, Mobilfunk, Navigation, Amateurfunk |
Hinweise:
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nm = Nanometer, mm = Millimeter, GHz/MHz/THz = Giga-/Mega-/Terahertz, PHz/EHz = Peta-/Exahertz
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Die Grenzen zwischen den Bereichen sind fließend und können je nach Quelle leicht variieren.
Warum sehen wir nur einen kleinen Bereich?
Unser Auge hat sich im Laufe der Evolution an den Bereich angepasst, in dem die Sonne – das wichtigste natürliche Licht in unserer Atmosphäre – die höchste Strahlungsintensität abgibt: das sichtbare Licht. Manche Tiere sehen andere Frequenzbereiche, z. B. UV oder Infrarot, weil es ihnen bei Orientierung und Nahrungssuche hilft.
Beobachtung elektromagnetischer Wellen aus dem All
Mit speziellen Teleskopen lassen sich elektromagnetische Wellen aus dem Kosmos erfassen. Dabei wird zwischen diesen Spektren unterschieden:
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Emissionsspektren: Strahlung, die ein Objekt selbst aussendet
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Absorptionsspektren: Strahlung, die teilweise von einer Substanz geschluckt wird
Die dabei entstehenden Spektrallinien geben Aufschluss über die materielle Zusammensetzung von Sternen, Galaxien oder Gasnebeln – auch auf der Erde ist dies mit geeigneten Geräten möglich.
