Elektromagnetisches Spektrum

Optik

Elektromagnetisches Spektrum

  • Was haben Infrarotstrahlung …
  • … Mikro- und Radiowellen …
  • … und Licht gemeinsam?

Lichtentstehung

Das Spektrum
Elektromagnetische Strahlung umfaßt die Bereiche des Radiobereichs (Rundfunk/UKW/Fernsehen/Radar), Lichts (Infrarot/ sichtbares Licht/ Ultraviolett), Röntgenstrahlungsbereich und Gammastrahlungsbereich.

Energie und Information
Durch elektromagnetische Strahlung wird einerseits Energie und andererseits Information transportiert.
Die elektromagnetische Strahlung von der Sonne (und den Sternen) ist die wesentliche Informationsquelle, die uns über deren Aufbau, Entfernung und Bewegung Hinweise gibt.

Welle und Teilchen
Aus der Wellenlehre erfuhr man den Zusammenhang f · λ = c zwischen der Frequenz f, der Wellenlängeλ und der Lichtgeschwindigkeit c = 3,0·108 m/s, da Licht bei seiner Ausbreitung der Wellentheorie gehorcht, wodurch man die Wellenlänge bestimmen kann (Doppelspaltversuch – Gitter).

Bei der Entstehung und Wechselwirkung mit Materie kommt die Teilcheneigenschaft des Lichtes zum tragen, es entsteht und vernichtet sich in Portionen, den Lichtquanten oder Photonen, dabei ist die Energie eines Photons E = h · f zur Frequenz direkt proportional. Die Frequenz ist ein Energiemaß des Photons bezüglich des Beobachters und das Photon hat einen Impuls: p = h/λ mit dem Planckschen Wirkungsquantum h = 6,63·10-34 Js
Entstehung

Licht entsteht prinzipiell auf zwei Arten:

a) Durch Energiesprünge eines Atoms (oder Atomkerns) von einem höheren Energiezustand (angeregter Zustand) auf einen niedrigeren Energiezustand (bis zum Grundzustand).
Beispiele sind Elektronensprünge von einem höheren Energiezustand auf einen niedrigeren in der Atomhülle. Es entsteht Licht, in dem nur Photonen mit diskreten Energien vorkommen.
b) Durch Abbremsungsprozesse von Atomen, Molekülen oder geladenen Teilchen bei der Wärmebewegung

Sonnenlicht entsteht in der unteren Fotosphäre als Wärmestrahlung (kontinuierliches Spektrum) und wird durch die obere Fotosphäre sowie die Atmosphäre der Erde „gefiltert“. „Filterung“ bedeutet Absorption an Atomen und Molekülen, die ihrerseits in spontaner Emission in alle Raumrichtungen abstrahlen.

Im Licht der Sonne (oder eines Sterns oder einer Gaswolke) kann man also einerseits erkennen, welche Strahlung an der Oberfläche emitiert wurde und andererseits, welche Teile der Strahlung auf dem Weg zu uns durch die dazwischen liegenden Schichten absorbiert wurden.

 

Temperaturstrahlung und Strahlungsgesetze

Heiße Körper senden Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung aus, der Temperaturstrahlung.
Ihr Emissionsvermögen ε (Energie, die pro Zeit und Oberflächeneinheit in den Raum abgestrahlt wird) hängt ab von:

1) dem Absorptionsvermögen α (dem Verhältnis aus absorbierter Leistung durch eingestrahlte Leistung ) des Körpers (Schwarze Körper nehmen mehr auf, geben aber auch mehr ab als weiße oder blanke Körper!)
2) der Temperatur T des Körpers.

Die University of Colorado bietet eine deutschsprachige Flash-Animation an, welche die oben dargestellten Sachverhalte in dynamischer Form zeigt.

Das Emissionsvermögen eines schwarzen Körpers (α = 1!) gehorcht den beiden folgenden Gesetzen:

Gesetz von Stefan und Boltzmann:

Gesamte Strahlungsleistung: L (vergleichbar mit der Fläche unter der Kurve in obiger Skizze)

L = σ·A·T4·

A: Oberfläche
σ = 5,67·10-8 Wm-2·K-4

von K. Schönbauer (page (image)) [Public domain oder Public domain], via Wikimedia Commons

von Unbekannt [Public domain], via Wikimedia Commons

Wiensches Verschiebungsgesetz:

Für die Wellenlänge λm des Strahlungsmaximums gilt:

λm·T = 2,898·10-3 m·K


Vergleichbar mit der Kurve durch die Maxima

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