Wirkung von elektromagnetischer Strahlung auf Materie
Die Optik ist als Teilbereich der Physik seit Hunderten von Jahren bekannt. Lange Zeit hatte man noch keine Ahnung von den Prozessen wie z.B. Licht entsteht und wie es absorbiert wird.
Das Verständnis darüber konnte erst wachsen, als die Wissenschaft der Atomphysik vor etwa 100 Jahren entstand. Die Atomphysik – genaugenommen die Quantenphysik – hat die Mechanismen zutage gefördert, die aufzeigen, wie elektromagnetische Strahlung (z.B. sichtbares Licht) von Materie erzeugt und aufgenommen werden kann.
Mit dem Verstehen der Quanten können wir die sogenannten Resonanzphänomene nachvollziehen (wie z.B. die Kernspinresonanz, die bei der Kernspintomographie eingesetzt wird). Durch die Quantenphysik können wir auch viel besser sehen, wieso minimale Strahlungsmengen eine große Wirkung haben können.
Was ist elektromagnetische Strahlung?
Die Phänomene des Magnetismus und der Elektrizität wurden unabhängig voneinander entdeckt und erforscht. Erst später fand man heraus, dass diese beiden Bereiche miteinander verknüpft sind. Heute gibt es sogenannte Elektromagnete die durch elektrischen Strom ein magnetisches Feld erzeugen. Und es gibt Dynamos, mit denen das umgekehrte Prinzip zur Wirkung kommt; mit drehenden Magneten wird ein elektrischer Strom erzeugt.
Ähnlich sieht es bei der elektromagnetischen Strahlung aus. Anfänglich kannte man nur die mehr oder weniger statischen (unveränderlichen) magnetischen Felder und elektrischen Felder. Beispiele sind das magnetische Feld eines Stabmagneten und das elektrische Feld einer Batterie.
Spätere Forschungen ergaben, dass, wenn die Felder anfangen zu schwingen, sie zusätzlich ein Feld der anderen Kategorie erzeugen. Das heißt, ein schwingendes elektrisches Feld erzeugt ein (genau so schnell) schwingendes magnetisches Feld und umgekehrt. Darum spricht man bei dieser Art von schwingenden Feldern von elektromagnetischen Feldern.
Wenn Felder schnell schwingen, tritt ein weiteres interessantes Phänomen auf. Sie lösen sich von ihrer Ursprungsquelle ab und machen sich quasi selbstständig. Wie kann das sein? Elektrische und magnetische Felder breiten sich im Prinzip unendlich weit im Raum aus. Man sollte sich in den obigen Bildern weitere Feldlinien vorstellen, die sich unendlich weit im Raum ausdehnen. Wenn statt der Batterie nun ein elektrischer Oszillator eingesetzt wird, wechselt das elektrische Feld viele Male pro Sekunde die Richtung. Wenn die Schwingungsfrequenz immer weiter erhöht wird, wird das weit entfernte Feld anfangen immer mehr hinterher zu hinken. Es ist erst bei null, wenn an der Quelle schon wieder die volle Stärke erreicht ist, usw. Bei einer bestimmten Frequenz löst es sich ab und ist ab da selbständig als elektromagnetisches Feld oder elektromagnetische Welle (Strahlung) unterwegs. Das Bild unten zeigt, wie man sich diesen Ablösungsvorgang bildlich vorstellen kann.
Wenn die Strahlung einmal als elektromagnetische Welle unterwegs ist, sind die beiden Anteile gleichwertig ausgeprägt und auf charakteristische Weise mit einander verknüpft. Dies ist in folgendem Bild dargestellt:
In der Welle schwingen die elektrischen und magnetischen Felder senkrecht zueinander (also im rechten Winkel) und auch senkrecht zur Bewegungsrichtung der Welle.
Alle Arten von elektromagnetischer Strahlung unterscheiden sich nur in der Frequenz, ansonsten haben sie die gleichen Eigenschaften. Der Bereich der elektromagnetischen Strahlung ist riesig, wie Sie im nächsten Bild sehen können. Es gibt Strahlung mit Frequenzen weniger als 1 Hz bis Strahlung mit Frequenzen über 1021 Hz. Die letzte ist die sogenannte Gamma-Strahlung. Weitere Bezeichnungen finden Sie im Bild. Wie Sie sehen ist auch das sichtbare Licht Teil der elektromagnetischen Strahlung. Weiterhin ist aus den angegebenen Zahlen leicht zu sehen, dass Wellenlänge und Frequenz in fester Beziehung miteinander stehen. Wenn Sie beide Größen (Wellenlänge und Frequenz) miteinander multiplizieren, kommt immer die gleiche Zahl heraus: nämlich die Lichtgeschwindigkeit von 3 x 108 Meter pro Sekunde. Da die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, kann bei bekannter Wellenlänge oder bekannter Frequenz die andere Größe immer errechnet werden.
Quanten und Photonen
Die elektromagnetische Strahlung zeigt noch ein weiteres interessantes Phänomen: die sogenannte Quantisierung. Vergleichbar mit dem Regen, der aus Tropfen oder dem Schnee, der aus Flocken besteht, ist auch die elektromagnetische Strahlung in kleinste Einheiten unterteilt. (Beim Regen, ein Tropfen ist da oder nicht und beim Schnee, eine Flocke ist da oder nicht.) Diese kleinsten Einheiten werden allgemein Quanten genannt. Die Quanten sind charakteristisch für die Art der Strahlung, d.h. die Frequenz der Strahlung. (Bei einer Frequenz f hat jedes Quant einen Energieinhalt von E = h x f, wobei h die Plancksche Konstante darstellt.) Über die Quantisierung von Energie wird später noch gesprochen.
Wenn wir von Licht sprechen, werden Quanten auch Photonen genannt (Griechisch phos = Licht). Ursprünglich war der Begriff nur für Quanten im Bereich des sichtbaren Lichts gedacht. Heutzutage wird der Begriff „Photon“ häufig auch für alle anderen elektromagnetischen Quanten verwendet, wie z.B. die Mikrowellenstrahlung. Durch die Photonen können die Teilchenaspekte des Lichts (und der restlichen elektromagnetischen Strahlung) erklärt werden. Diese braucht man u.a. bei der Erklärung des photoelektrischen Effekts. Anderseits sind auch die Wellenaspekte, wie Biegung und Brechung, des Lichts (und der restlichen elektromagnetischen Strahlung) nicht zu leugnen.
Es ist schwierig, sich vorzustellen, wie Licht sowohl die Charakteristika von Teilchen als auch von Wellen haben kann. Das ist aber unsere Schwierigkeit als Betrachter, weil wir die Natur nun mal gerne in bekannte Kategorien einteilen wollen. Eine bildliche Vorstellung, welche beide Aspekte einigermaßen wiedergibt, ist die eines Wellenpakets. Das Photon wird als eine Welle dargestellt, die aber räumlich begrenzt ist.
Absorption und Emission von Strahlung
In den vorigen beiden Abschnitten haben wir die Grundeigenschaften der elektromagnetischen Strahlung kennengelernt, die bei der Wechselwirkung mit Materie von Bedeutung sind. Der wichtigste ist, dass jede Art von elektromagnetischer Strahlung nur in ganzen Energiepaketchen (Quanten) abgestrahlt oder absorbiert werden kann. Dabei können einerseits nur einzelne Elektronen oder einzelne Atomkerne involviert sein, aber auch sehr komplexe Molekülsysteme oder Festkörperstrukturen.
Einfach formuliert passiert dabei folgendes: Wenn A ein Strahlungsquant emittiert, verliert es die Energiemenge, die vom Strahlungsquant mitgenommen wird. Wenn das Strahlungsquant nachher von B absorbiert wird, bekommt B diese Energiemenge dazu. Das Strahlungsquant fungiert somit als ein Energieübertragungsmittel. Auf diese Weise bekommt die Erde auch ihre Energie von der Sonne. Immense Mengen von Strahlungsquanten werden jede Sekunde von der Sonne ausgesandt. Nur ein sehr kleiner Teil davon wird von der Erde aufgefangen. Dieser reicht aber aus, um die Erdtemperatur in einem Bereich zu halten, in dem Leben möglich ist.
Auf atomarem Niveau ist gut darstellbar, wie Absorption und Emission im Detail stattfinden. Atome bestehen aus einem Kern mit Elektronen, die sich um den Kern drehen und dadurch eine Art Elektronenwolke bilden. Die Elektronen befinden sich in Bahnen (auch Schalen genannt), die eine bestimmte Energie besitzen. Dabei kann jede Bahn nur eine festgelegte Zahl von Elektronen enthalten. Atome können Energie aufnehmen (nennt man in der Physik: angeregt werden), indem ein Elektron von einer Bahn in eine höhere (d.h. entferntere, energiereichere) Bahn angehoben wird. Die Elektronenbahnen unterschiedlicher Atomsorten haben unterschiedliche Energieinhalte mit unterschiedlichen Energiesprüngen zwischen den Bahnen. Wenn die Energie des auftreffenden Strahlungsquants gerade zur Energiedifferenz zwischen zwei Elektronenbahnen passt, kann es aufgenommen werden, wobei ein Elektron in eine höhere Bahn angehoben wird. Der Vorgang ist in der untenstehenden Bildfolge dargestellt.
In allen Stoffen (gasförmig, flüssig oder fest) sind solche Vorgänge beobachtbar, weil sie alle auf der Existenz unterschiedlicher Energiezustände beruhen, wobei die beteiligen Elektronen in flüssigen und festen Stoffen sehr komplexe Bahnen einnehmen können.
Resonanz
Verglichen mit einzelnen Atomen verfügen Moleküle oder ganze Gegenstände über sehr viele Möglichkeiten Energie zu speichern. So können benachbarte Atome gegenseitige Schwingungen aufbauen. Es können auch ganze Moleküle in Bezug zueinander schwingen oder der gesamte Gegenstand, z.B. ein Glas, kann in einen bestimmten Schwingungszustand versetzt werden. Alle diese Schwingungszustände sind gleichzeitig Energiespeicher. Moleküle können zusätzlich Rotationen durchführen, wodurch ebenfalls Energie gespeichert werden kann.
Wenn ein derartiger Schwingungs-, Rotations-, oder anderer Energiezustand mittels elektromagnetischer Strahlung angeregt wird, spricht man generell von einem Quantensprung, der durch Resonanz ausgelöst wurde. In einem solchen Fall liefert das auftreffende Strahlungsquant gerade die passende Energie, um den energiereichen Zustand erreichen zu können. Ebenfalls spricht man von einem Quantensprung, wenn das System von einem höheren in einen niedrigeren Zustand (unter Aussendung elektromagnetischer Strahlung) übergeht.
Unter Resonanz versteht man das Mitschwingen eines Körpers in der Schwingung, die von einem anderen Körper ausgeht. Dabei ändern sich zwei oder mehr sich periodisch verhaltende Vorgänge im gleichen Rhythmus und tauschen Energie aus.
Ein Beispiel für Resonanz außerhalb des Bereichs der elektromagnetischen Strahlung ist die Bewegung einer Schaukel, die von einer Person angestoßen wird, sodass eine immer stärkere Schaukelbewegung entsteht. Resonieren bedeutet "Mitschwingen". Das optimale Mitschwingen wird beim Schaukeln von der anstoßenden Person verursacht, sofern sie darauf achtet, dass die Schaukel nur in den Zeitabschnitten angestoßen wird, in denen die bereits vorhandene Eigenschwingung der Schaukel verstärkt wird.
Resonante Absorption von elektromagnetischer Strahlung findet zum Beispiel bei der Anregung von Atomen und Molekülen durch elektromagnetische Strahlung statt. Man spricht von resonanter Absorption, da die Energie des Photons (und damit auch die Frequenz) bei der Anregung eines Atoms genau der notwendigen Energiemenge entsprechen muss, um ein Elektron von einem Energiezustand in den nächsten zu befördern.
Kernmagnetische Resonanz, Elektronenspin Resonanz, Zyklotronresonanz
Die hier genannten Resonanzmöglichkeiten entstehen, wenn Stoffe sich in einem Magnetfeld befinden. In starken Magnetfeldern sind sie sehr ausgeprägt vorhanden und finden technische und wissenschaftliche Anwendung. Die kernmagnetische Resonanz (NMR) ist u.a. die Basis einer bekannten medizinischen Diagnosetechnik, welche als Magnetresonanztomographie (MRT) oder als Kernspintomographie bekannt ist.
Die Bausteine der Atome (Protonen, Neutronen und Elektronen) verhalten sich wie kleine Magnete: sie haben magnetische Nordpole und Südpole. Dies gilt deshalb auch für manche ganze Atomkerne und manche ganze Atome. Es gilt nicht für alle, weil die magnetischen Nordpole und Südpole der beteiligten Bausteine sich in vielen Fällen zu null kompensieren.
Wenn sich nun Atomkerne oder Elektronen mit (nicht-kompensierten) magnetischen Nordpolen und Südpolen in einem Magnetfeld befinden, haben sie die Neigung sich in diesem Feld auszurichten, wie eine Kompassnadel im Erdmagnetfeld.
Das Maß der jeweiligen Ausrichtung kann auch in Energie ausgedrückt werden. Bei Ausrichtung in Feldrichtung wird der tiefste Energiezustand erreicht, bei Ausrichtung entgegen Feldrichtung der höchste Energiezustand. Teilchen dieser Abmessungen sind den Gesetzen der Quantenphysik unterworfen, d.h. in diesem Falle dass die Zahl der möglichen Energiezustände begrenzt ist. Oft sind es nur zwei oder einige mehr. Gerade dieser Umstand erzeugt nun die Möglichkeit zu Resonanzphänomene. Atomkerne oder Elektronen können im Magnetfeldfeld ihre Orientierung ändern durch: von einem bestimmten Energiezustand in einen anderen überzuwechseln. Dabei nehmen sie Energie auf oder geben Energie ab, je nachdem ob der letzte Zustand höher oder tiefer liegt. Diese Energie kann in Form von elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt oder freigesetzt werden.
Auf der Erde leben alle biologischen Systeme im Erdmagnetfeld – ein ganz schwaches, von Ort zu Ort leicht variierendes, Magnetfeld mit einer Größe von etwa 0,5 Gauss. Dies bedeutet, dass die genannten Resonanzarten auch in unseren Körpern auftreten werden. Die dabei passende elektromagnetische Strahlung liegt im Frequenzbereich von weniger als 1 Hz bis ca. 1 kHz bei der Zyklotronresonanz, von einigen Hz bis einigen kHz bei der kernmagnetische Resonanz und von einigen kHz bis wenigen MHz bei der Elektronenspin Resonanz. Die Resonanzen können somit durch die natürliche Umgebungsstrahlung angeregt werden, weil die genannten Frequenzbereiche durch den "Atmospherics"-Teil der natürlichen Umgebungsstrahlung abgedeckt werden.
Schon 1978 berichteten Dr. Susan Bawin und Dr. Ross Adey, dass die Bestrahlung von Kulturen lebender Nervenzellen mit 16-Hz-Feldern zu einer messbaren Zunahme der aus den Zellen austretenden Kalzium-Ionen (Ca2+) führte. Später stellte sich heraus, dass diese Zunahme abhängig von der Stärke des Erdmagnetfeldes war und damit abhängig von der eingestrahlten Frequenz. Bei anderen Erdmagnetfeldstärken mussten andere – nicht 16-Hz-Felder – verwendet werden.
Erklärbar wird dieser Effekt durch die so genannte Zyklotronresonanz. Wenn ein geladenes Teilchen (z.B. ein Ion) einem stationären Magnetfeld, wie z. B. dem Erdmagnetfeld, ausgesetzt wird, gerät es im rechten Winkel zu diesem Magnetfeld in eine kreisende Bewegung. Wird ein schwingendes elektrischen Feldes im rechten Winkel zum Magnetfeld oder ein schwingendes magnetisches Feld parallel zum stationären Magnetfeld eingestrahlt, wird Energie auf das geladene Teilchen übertragen – es verändert seine Geschwindigkeit. Zyklotronresonanz tritt auf, wenn die Frequenz des kreisenden Teilchens mit der Frequenz des schwingenden Feldes übereinstimmt. Weicht der Winkel ab, kommt es zu einer Spiralbahn des geladenen Teilchens. Um Zyklotronresonanz zu erhalten, müssen also immer beide Teile vorhanden sein: ein quasi stationäres Magnetfeld und ein zeitlich veränderliches, passendes elektrisches oder magnetisches Feld. In diesem Fall wird, wie auch bei NMR und ESR, Energie auf das Teilchen ertragen. Diese Energie wird dann wieder abgestrahlt, u. U. auch in kleineren Portionen und nicht die ganze aufgenommene Energie auf einmal, und man erhält dadurch einen weiteren Anteil des für einen Stoff so charakteristischen Schwingungsmusters, wenn das elektrisch geladene Teilchen seine Bewegungsrichtung ändert. Die folgende Grafik zeigt Zyklotronresonanzfrequenzen bei einem statischen Magnetfeld von 0,5 Gauss für einige biologisch bedeutsame elektrisch geladene Teilchen.
