Wechselwirkung von EM-Strahlung mit Materie

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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 links 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 10Meter pro Sekunde. Da die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, kann bei bekannter Wellenlänge oder bekannter Frequenz die andere Größe immer errechnet werden. 

Elektromagnetische Strahlung verschiedener Frequenzen im Überblick


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Referenzen

Bücher

[Kiontke 2006] Kiontke, S.K.
Physik biologischer Systeme
Eigenverlag München, 2006