Wechselwirkung von EM-Strahlung mit Materie

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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.

Beim Anlegen eines schwingenden elektrischen Feldes im rechten Winkel zum Magnetfeld und mit einer Frequenz, die der Umlaufgeschwindigkeit des Teilchens entspricht, wird Energie auf das Teilchen übertragen.

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.


Stofftypische Zyklotronresonanz Jeder Stoff besitzt seine für ihn typischen Resonanzfrequenzen bei einer bestimmten Magnetfeldstärke.


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Referenzen

Bücher

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