Elektromagnetisches Spektrum

Radiowellen

Radiowellen werden von Antennen ausgesendet und empfangen, die aus Leitern wie Metallstabresonatoren bestehen. Bei der künstlichen Erzeugung von Funkwellen erzeugt ein elektronisches Gerät, das als Sender bezeichnet wird, einen elektrischen Wechselstrom, der an eine Antenne angelegt wird. Die oszillierenden Elektronen in der Antenne erzeugen oszillierende elektrische und magnetische Felder, die als Radiowellen von der Antenne wegstrahlen., Beim Empfang von Radiowellen reagieren die oszillierenden elektrischen und magnetischen Felder einer Funkwelle auf die Elektronen in einer Antenne, schieben sie hin und her und erzeugen oszillierende Ströme, die an einen Funkempfänger angelegt werden. Die Erdatmosphäre ist hauptsächlich für Radiowellen transparent, mit Ausnahme von Schichten geladener Teilchen in der Ionosphäre, die bestimmte Frequenzen reflektieren können.,

Radiowellen werden in Funkkommunikationssystemen wie Rundfunk, Fernsehen, Zweiwegradio, Mobiltelefonen, Kommunikationssatelliten und drahtlosen Netzwerken äußerst häufig zur Übertragung von Informationen über Entfernungen verwendet. In einem Funkkommunikationssystem wird ein Hochfrequenzstrom mit einem informationstragenden Signal in einem Sender moduliert, indem entweder die Amplitude, Frequenz oder Phase variiert und an eine Antenne angelegt wird., Die Radiowellen transportieren die Informationen über den Raum zu einem Empfänger, wo sie von einer Antenne empfangen werden, und die Informationen, die durch Demodulation im Empfänger extrahiert werden. Radiowellen werden auch für die Navigation in Systemen wie Global Positioning System (GPS) und Navigationsbaken sowie für die Ortung entfernter Objekte in Radiolokalisierung und Radar verwendet. Sie werden auch für die Fernbedienung und für die industrielle Heizung verwendet.,

Die Nutzung des Funkspektrums wird von den Regierungen streng reguliert und von einem Gremium namens International Telecommunications Union (ITU) koordiniert, das Frequenzen verschiedenen Benutzern für unterschiedliche Zwecke zuweist.

Mikrowellen

Mikrowellen sind Radiowellen mit kurzer Wellenlänge von etwa 10 Zentimetern bis zu einem Millimeter im SHF-und EHF-Frequenzband. Mikrowellenenergie wird mit Klystron-und Magnetronröhren sowie mit Festkörpergeräten wie Gunn und IMPATT-Dioden erzeugt. Obwohl sie von kurzen Antennen emittiert und absorbiert werden, werden sie auch von polaren Molekülen absorbiert, die sich an Vibrations-und Rotationsmodi koppeln, was zu einer Massenerwärmung führt., Im Gegensatz zu höherfrequenten Wellen wie Infrarot und Licht, die hauptsächlich an Oberflächen absorbiert werden, können Mikrowellen in Materialien eindringen und ihre Energie unter der Oberfläche ablagern. Dieser Effekt wird zum Erhitzen von Lebensmitteln in Mikrowellenherden sowie zur industriellen Erwärmung und medizinischen Diathermie verwendet. Mikrowellen sind die Hauptwellenlängen, die im Radar verwendet werden, und werden für Satellitenkommunikation und drahtlose Netzwerktechnologien wie Wi-Fi verwendet., Die Kupferkabel (Übertragungsleitungen), die verwendet werden, um niederfrequente Radiowellen zu Antennen zu tragen, haben übermäßige Leistungsverluste bei Mikrowellenfrequenzen, und Metallrohre, sogenannte Wellenleiter, werden verwendet, um sie zu tragen. Obwohl am unteren Ende des Bandes die Atmosphäre hauptsächlich transparent ist, begrenzt am oberen Ende des Bandes die Absorption von Mikrowellen durch atmosphärische Gase die Ausbreitungsdistanzen auf einige Kilometer.,

Terahertz-Strahlung oder Submillimeterstrahlung ist ein Bereich des Spektrums von etwa 100 GHz bis 30 Terahertz (THz) zwischen Mikrowellen und Ferninfrarot, der als zu beiden Bändern gehörend angesehen werden kann. Bis vor kurzem wurde der Bereich selten untersucht und es gab nur wenige Quellen für Mikrowellenenergie in der sogenannten Terahertz-Lücke, aber Anwendungen wie Bildgebung und Kommunikation erscheinen jetzt. Wissenschaftler versuchen auch, die Terahertz-Technologie in den Streitkräften anzuwenden, wo Hochfrequenzwellen auf feindliche Truppen gerichtet sein könnten, um ihre elektronische Ausrüstung außer Gefecht zu setzen., Terahertz-Strahlung wird stark von atmosphärischen Gasen absorbiert, wodurch dieser Frequenzbereich für die Fernkommunikation nutzlos wird.

Infrarotstrahlung

Der infrarote Teil des elektromagnetischen Spektrums deckt den Bereich von etwa 300 GHz bis 400 THz (1 mm – 750 nm) ab. Es kann in drei Teile unterteilt werden:

• Weit-Infrarot, von 300 GHz bis 30 THz (1 mm – 10 µm). Der untere Teil dieses Bereichs kann auch als Mikrowellen oder Terahertz-Wellen bezeichnet werden., Diese Strahlung wird typischerweise durch sogenannte Rotationsmodi in Gasphasenmolekülen, durch molekulare Bewegungen in Flüssigkeiten und durch Phononen in Festkörpern absorbiert. Das Wasser in der Erdatmosphäre absorbiert in diesem Bereich so stark, dass es die Atmosphäre in der Tat undurchsichtig macht. Es gibt jedoch bestimmte Wellenlängenbereiche („Fenster“) innerhalb des undurchsichtigen Bereichs, die eine teilweise Übertragung ermöglichen und für die Astronomie verwendet werden können. Der Wellenlängenbereich von etwa 200 µm bis zu einigen mm wird oft als submillimetrische Astronomie bezeichnet, wobei weites Infrarot für Wellenlängen unter 200 µm reserviert wird.,
• Mittelinfrarot, von 30 bis 120 THz (10-2, 5 µm). Heiße Objekte (Schwarzkörperstrahler) können in diesem Bereich stark ausstrahlen, und die menschliche Haut strahlt bei normaler Körpertemperatur am unteren Ende dieser Region stark aus. Diese Strahlung wird durch molekulare Schwingungen absorbiert, bei denen die verschiedenen Atome in einem Molekül um ihre Gleichgewichtspositionen vibrieren. Dieser Bereich wird manchmal als Fingerabdruckbereich bezeichnet, da das mittlere Infrarotabsorptionsspektrum einer Verbindung für diese Verbindung sehr spezifisch ist.
• Nahinfrarot, von 120 bis 400 THz (2.500–750 nm)., Physikalische Prozesse, die für diesen Bereich relevant sind, ähneln denen für sichtbares Licht. Die höchsten Frequenzen in diesem Bereich können direkt von einigen Arten von fotografischen Filmen und von vielen Arten von Festkörperbildsensoren für Infrarotfotografie und Videografie erfasst werden.

Sichtbares Licht

Über Infrarot in Frequenz kommt sichtbares Licht., Die Sonne emittiert ihre Spitzenleistung im sichtbaren Bereich, obwohl die Integration des gesamten Emissionsleistungsspektrums durch alle Wellenlängen zeigt, dass die Sonne etwas mehr Infrarot als sichtbares Licht emittiert. Per Definition ist sichtbares Licht der Teil des EM-Spektrums, auf den das menschliche Auge am empfindlichsten reagiert. Sichtbares Licht (und Nahinfrarotlicht) wird typischerweise von Elektronen in Molekülen und Atomen absorbiert und emittiert, die sich von einem Energieniveau zum anderen bewegen. Diese Wirkung ermöglicht die chemischen Mechanismen, die dem menschlichen Sehen und der Photosynthese von Pflanzen zugrunde liegen., Das Licht, das das menschliche visuelle System anregt, ist ein sehr kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums. Ein Regenbogen zeigt den optischen (sichtbaren) Teil des elektromagnetischen Spektrums; Infrarot (wenn es gesehen werden könnte) würde sich direkt hinter der roten Seite des Regenbogens befinden, wobei Ultraviolett direkt hinter dem violetten Ende erscheint.

Elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 760 nm (400-790 Terahertz) wird vom menschlichen Auge erfasst und als sichtbares Licht wahrgenommen., Andere Wellenlängen, insbesondere Nahinfrarot (länger als 760 nm) und Ultraviolett (kürzer als 380 nm), werden manchmal auch als Licht bezeichnet, insbesondere wenn die Sichtbarkeit für den Menschen nicht relevant ist. Weißes Licht ist eine Kombination von Lichtern unterschiedlicher Wellenlängen im sichtbaren Spektrum. Das Passieren von weißem Licht durch ein Prisma spaltet es in die verschiedenen Lichtfarben auf, die im sichtbaren Spektrum zwischen 400 nm und 780 nm beobachtet werden.,

Wenn Strahlung mit einer Frequenz im sichtbaren Bereich des EM-Spektrums ein Objekt, beispielsweise eine Obstschale, reflektiert und dann auf die Augen trifft, führt dies zu einer visuellen Wahrnehmung der Szene. Das visuelle System des Gehirns verarbeitet die Vielzahl der reflektierten Frequenzen in verschiedenen Schattierungen und Farbtönen, und durch dieses ungenügend verstandene psychophysische Phänomen nehmen die meisten Menschen eine Obstschale wahr.

Bei den meisten Wellenlängen werden die durch elektromagnetische Strahlung übertragenen Informationen jedoch nicht direkt von den menschlichen Sinnen erfasst., Natürliche Quellen erzeugen EM-Strahlung über das gesamte Spektrum, und Technologie kann auch einen breiten Bereich von Wellenlängen manipulieren. Optische Faser überträgt Licht, das, obwohl nicht unbedingt im sichtbaren Teil des Spektrums (es ist normalerweise Infrarot), Informationen tragen kann. Die Modulation ähnelt der mit Radiowellen verwendeten.

Ultraviolette Strahlung

Als nächstes kommt Ultraviolett (UV)., Die Wellenlänge der UV-Strahlen ist kürzer als das violette Ende des sichtbaren Spektrums, aber länger als das Röntgenbild.

UV ist die Strahlung mit der längsten Wellenlänge, deren Photonen energetisch genug sind, um Atome zu ionisieren, Elektronen von ihnen zu trennen und so chemische Reaktionen zu verursachen. Kurzwelliges UV und die darüber liegende Strahlung mit kürzerer Wellenlänge (Röntgen-und Gammastrahlen) werden als ionisierende Strahlung bezeichnet, und die Exposition gegenüber ihnen kann lebendes Gewebe schädigen und sie zu einem Gesundheitsrisiko machen. UV kann auch dazu führen, dass viele Substanzen mit sichtbarem Licht leuchten; Dies wird Fluoreszenz genannt.,

Im mittleren UV-Bereich können UV-Strahlen nicht ionisieren, sondern chemische Bindungen brechen, wodurch Moleküle ungewöhnlich reaktiv werden. Sonnenbrand wird beispielsweise durch die störenden Auswirkungen der UV-Strahlung im mittleren Bereich auf Hautzellen verursacht, die die Hauptursache für Hautkrebs sind. UV-Strahlen im mittleren Bereich können die komplexen DNA-Moleküle in den Zellen, die Thymindimere produzieren, irreparabel schädigen, was sie zu einem sehr potenten Mutagen macht.,

Die Sonne emittiert signifikante UV-Strahlung (etwa 10% ihrer Gesamtleistung), einschließlich extrem kurzwelligem UV, das möglicherweise das meiste Leben an Land zerstören könnte (Meerwasser würde dort einen gewissen Schutz bieten). Die meisten schädlichen UV-Wellenlängen der Sonne werden jedoch von der Atmosphäre absorbiert, bevor sie die Oberfläche erreichen. Die höheren Energiebereiche (kürzeste Wellenlänge) von UV („Vakuum-UV“ genannt) werden von Stickstoff und bei längeren Wellenlängen von einfachem zweiatomigem Sauerstoff in der Luft absorbiert., Der größte Teil des UV im mittleren Energiebereich wird durch die Ozonschicht blockiert, die im wichtigen 200-315-nm-Bereich stark absorbiert, wobei der untere Energieteil zu lang ist, als dass gewöhnliches Dioxygen in Luft absorbiert werden könnte. Dies lässt weniger als 3% des Sonnenlichts auf Meereshöhe in UV, mit all diesem Rest bei den niedrigeren Energien. Der Rest ist UV-A, zusammen mit einigen UV-B. Der niedrigste Energiebereich von UV zwischen 315 nm und sichtbarem Licht (UV-A genannt) wird von der Atmosphäre nicht gut blockiert, verursacht jedoch keinen Sonnenbrand und verursacht weniger biologische Schäden., Es ist jedoch nicht harmlos und erzeugt Sauerstoffradikale, Mutationen und Hautschäden.

Röntgenstrahlen

Nach UV kommen Röntgenstrahlen, die wie die oberen UV-Bereiche ebenfalls ionisieren. Aufgrund ihrer höheren Energien können Röntgenstrahlen jedoch auch mittels des Compton-Effekts mit Materie interagieren. Harte Röntgenstrahlen haben kürzere Wellenlängen als weiche Röntgenstrahlen und da sie viele Substanzen mit geringer Absorption durchdringen können, können sie verwendet werden, um Objekte mit einer „Dicke“ von weniger als einigen Metern Wasser zu „durchschauen“., Eine bemerkenswerte Verwendung ist die diagnostische Röntgenbildgebung in der Medizin (ein Prozess, der als Radiographie bekannt ist). Röntgenstrahlen sind als Sonden in der Hochenergiephysik nützlich. In der Astronomie emittieren die Akkretionsscheiben um Neutronensterne und Schwarze Löcher Röntgenstrahlen, was Untersuchungen dieser Phänomene ermöglicht. Röntgenstrahlen werden auch von Sternkorona emittiert und werden von einigen Arten von Nebeln stark emittiert., Röntgenteleskope müssen jedoch außerhalb der Erdatmosphäre platziert werden, um astronomische Röntgenstrahlen zu sehen, da die große Tiefe der Erdatmosphäre für Röntgenstrahlen undurchsichtig ist (mit einer Flächendichte von 1000 g/cm2), was einer Wasserdicke von 10 Metern entspricht. Dies ist eine Menge, die ausreicht, um fast alle astronomischen Röntgenstrahlen (und auch astronomische Gammastrahlen-siehe unten) zu blockieren.

Gammastrahlen

Nach harten Röntgenstrahlen kommen Gammastrahlen, die 1900 von Paul Ulrich Villard entdeckt wurden., Dies sind die energetischsten Photonen, die keine definierte untere Grenze ihrer Wellenlänge haben. In der Astronomie sind sie wertvoll für die Untersuchung energiereicher Objekte oder Regionen, wie bei Röntgenstrahlen kann dies jedoch nur mit Teleskopen außerhalb der Erdatmosphäre erfolgen. Gammastrahlen werden von Physikern experimentell für ihre Durchdringungsfähigkeit verwendet und von einer Reihe von Radioisotopen produziert. Sie werden zur Bestrahlung von Lebensmitteln und Samen zur Sterilisation verwendet und in der Medizin gelegentlich in der Strahlenkrebstherapie eingesetzt., Häufiger werden Gammastrahlen für die diagnostische Bildgebung in der Nuklearmedizin verwendet, ein Beispiel sind PET-Scans. Die Wellenlänge der Gammastrahlen kann mit hoher Genauigkeit durch die Auswirkungen der Compton-Streuung gemessen werden.