Fragen und Antworten zum Elektromagnetischen Spektrum

Was sind Radiowellen?

Der Heinrich-Hertz-Turm
in Hamburg

Langwellig, nicht langweilig
Radiowellen entstehen dort, wo Ladungen in elektrischen Leitern zum Schwingen gebracht werden, wie beispielsweise in einer Sendeantenne.
1880 erzeugte Heinrich Hertz erstmals Radiowellen, was die Theorie des Physikers James Clerk Maxwell bestätigte, die besagt, dass elektrische und magnetische Felder sich im Raum als Wellen ausbreiten können.
Radiowellen bilden den Teil des elektromagnetischen Spektrums mit den kleinsten Frequenzen (größten Wellenlängen). Beginnend bei den so genannten elektrischen Wellen mit nur einigen zehn Hertz reichen sie bis zu Mittel- und Kurz- und Ultrakurzwellen, mit denen Radioprogramme gesendet werden.

 

Wie kommt die Stimme ins Radio?


Die Trägerwelle kann Information
auf zwei Weisen transportieren.
Die Welle trägt den Schall
Radiowellen werden benutzt, um Töne drahtlos zu übertragen. Am Radio stellen Sie die Frequenz der elektromagnetischen Welle ein, die empfangen werden soll. Sie ist die Trägerwelle für die neuesten Musikhits oder die Verkehrsnachrichten. Diese Töne sind als Veränderungen der Trägerwelle in dieser enthalten. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten, die auf jedem Radiogerät mit AM und FM abgekürzt werden: Bei der "Amplitudenmodulation" (AM) stecken die Informationen über den Schall in der sich ständig ändernden Amplitude der elektromagnetischen Welle. Bei der "Frequenzmodulation" (FM) dagegen schwankt die Frequenz der Trägerwelle um den am Radio eingestellten Wert. Amplituden- und Frequenzschwankungen sind also die eigentliche Information, die im Radio wieder in Schall übertragen werden.

 

Wieso kann man überall Radio hören?

Atmosphärischer Spiegel
Selbst in der Wüste oder auf dem Ozean können wir Radio hören, obwohl weit und breit kein Sender in Sicht ist. Die Ionosphäre macht's möglich. Das ist eine Schicht unserer Atmosphäre, die in 100 Kilometern Höhe beginnt und rund 300 Kilometer dick ist. Dort sorgt Strahlung aus dem Weltall dafür, dass Elektronen aus Atomen gelöst werden, welche so zu positiven Ionen werden. Zusammen mit den negativen Elektronen sind sie in der Lage, die den Kurzwellenbereich der Radiowellen zu reflektieren. Ein Radioprogramm des Deutschlandfunks, auf Kurzwelle gesendet, kann mehrfach zwischen Erde und Ionosphäre hin- und hergeworfen und schließlich von einem Kofferradio in der Sahara empfangen werden.

 

Welche Sender empfangen Radioteleskope?


Radioteleskope:
Außerdirdischem auf der Spur
Sterne oder ET?
Auf jeden Fall außerirdisch.

Für elektromagnetische Wellen mit Frequenzen oberhalb 40 Megahertz ist unsere Atmosphäre durchlässig. Kosmische Radiowellen können so auf die Erde gelangen und von Radioteleskopen aufgefangen werden. Galaktische Radiosender wie die Überreste riesiger Sternenexplosionen in der Milchstraße geben sich so zu erkennen. Auch die Sonne strahlt Radiowellen ab, ebenso außergalaktische Nebel und so genannte Radiogalaxien. Aus den Beobachtungen der Radioastronomie gewannen die Wissenschaftler wichtige Erkenntnisse über die spiralförmigen Gestalt der Milchstraße. Für Science-Fiction-Fans und UFO-Anhänger ist dagegen der Gedanke am reizvollsten, außerirdische Intelligenzen könnten uns Botschaften mit Radiowellen schicken, die von den Teleskopen empfangen werden können.

 

Was sind Mikrowellen


In Klystrons wie diesem werden Mikrowellen erzeugt.

Früh entdeckt, spät verwendet
Bereits im Jahre 1886 erzeugte Heinrich Hertz Mikrowellen, aber ihre Anwendung ließ länger auf sich warten, als das bei Radiowellen der Fall gewesen war. Mikrowellen entstehen wie Radiowellen durch Schwingungen von Elektronen in Metallen. Es gab damals noch keine leistungsstarken Quellen für diese Art der Strahlung, deren Wellenlänge zwischen rund 30 Zentimetern und 1 Millimeter liegen kann. Heute werden Mikrowellen in so genannten Klystrons oder Magnetrons erzeugt. Die Anwendungen für Mikrowellen sind vielfältig. Sie reichen vom Satellitenfernsehen über das Radar bis zum Aufwärmen von Fertiggerichten.

 

Wie machen Mikrowellen das Essen warm?


Die bekannteste Anwendung von Mikrowellen

Innere Wärme
Die bekannteste Anwendung der Mikrowellen ist - die Mikrowelle. Genauer gesagt: der Mikrowellenherd, der mit Hilfe der elektromagnetischen Strahlung Speisen auftaut, erhitzt oder gart. Dazu werden die Lebensmittel mit Mikrowellen von etwa 12 Zentimetern Länge bestrahlt. Wasser- und Fettmoleküle im Essen nehmen die Strahlung auf und fangen zu schwingen an. So wandeln sie die elektromagnetische Energie der Wellen in Wärme um. Auf diese Weise können die Speisen sofort von innen erhitzt werden, anstatt dass wie beim normalen Kochen die Wärme erst von außen nach innen geleitet werden muss. Intensive Mikrowellen, wie sie zum Kochen verwendet werden, können natürlich auch menschlichem Gewebe schaden und sind besonders für die Augen sehr gefährlich. Deshalb sind Mikrowellenherde immer mit einem Metallgitter abgeschirmt, durch das keine Strahlung entweichen kann.

 

Was haben Mikrowellen mit Satelliten zu tun?

Mikrowellenspiegel
.Radiowellen reichen zwar aus, um Töne zu übertragen, aber nicht für Fernsehprogramme. Denn je komplexer die Informationen sind, desto höher muss die Frequenz der Wellen sein, die sie übermitteln. Deshalb werden in der modernen Nachrichtenübertragung Mikrowellen verwendet.
Um sie um den Erdball zu senden werden Satelliten benutzt. In einer Höhe von 36.000 Kilometern drehen sie sich genauso schnell um die Erdachse wie die Erde selbst und scheinen daher ständig an der selben Stelle im All zu hängen. So können sie quasi als Mikrowellenspiegel verwendet werden.
Satelliten sind ein Ersatz für die Ionosphäre. Diese Atmosphärenschicht reflektiert Radiowellen rund um den Globus. Mikrowellen werden dagegen nicht zurückgeworfen. Deshalb werden die Satelliten benötigt.

 

Wie funktioniert Radar?


Radaranlage am
Hamburger Hafen

Punkte in Flensburg durch Mikrowellen
Im zweiten Weltkrieg, in der Luftschlacht um England, wussten die Briten schon von bevorstehenden Angriffen der Deutschen, bevor deren Bomber am Himmel zu sehen waren. Die Technik dazu war erst in den dreißiger Jahren entwickelt worden. Heute lässt sie Autofahrer auf der ganzen Welt auf die Bremse treten: Radar ("Radio Detection and Ranging").
Radarstrahlen bestehen aus kurzen Pulsen von Mikrowellen (ursprünglich Radiowellen). Sie werden von Gegenständen, beispielsweise von Autos, reflektiert. Die zurückgeworfenen Pulse werden empfangen, und aus der Zeit, die zwischen Aussenden und wieder Empfangen liegt, kann die Entfernung berechnet werden. Der Abstand zwischen den Pulsen ändert sich, je nachdem ob das Auto sich nähert oder davon fährt. Diese Veränderungen lassen auf die Geschwindigkeit schließen. Das ist das Prinzip der gefürchteten Radarkontrollen.

 

Was ist infrarote Strahlung ?


Wärme kann sich über infrarote Strahlung ausbreiten.

Warm
Im Jahr 1800 untersuchte der Hobbyastronom Wilhelm Herschel das Spektrum des Sonnenlichts mit einem Thermometer. Er zerlegte es mit seinem Prisma das Licht in seine Farben und stellte fest, dass es sich auch jenseits des roten Endes noch erwärmte. Herschel folgerte, dass die Sonne nicht nur sichtbares Licht ausstrahlt, sondern auch noch Strahlung jenseits des Roten. Dieser Bereich trägt die Bezeichnung "Infrarot".
Infrarote Strahlung umfasst Wellenlängen zwischen 1 Millimeter und 750 Nanometern (750 Millionstel Millimeter). Wir können sie nicht sehen, wohl aber als Wärme spüren.
Infrarotes Licht wird abgegeben, wenn ineinem Gegenstand die Atome und Moleküle schwingen. Wärme kann sich über infrarote Strahlung ausbreiten.

 

Was ist der Treibhauseffekt?


Im Treibhaus wird infrarote Wärmestrahlung gefangen.

Infrarot-Einbahnstraße
In einem Gewächshaus ist es so warm, weil kurzwelliges infrarotes Sonnenlicht zwar hineingelangt, aber langwellige Infrarotstrahlung nicht mehr hinaus. Dadurch steigt die Temperatur im Glashaus an. Dieser Treibhauseffekt findet auch in unserer Atmosphäre statt. Diese wirkt nämlich wie eine Glasscheibe, läßt Sonnenwärme rein, aber die vom Boden kommende Wärmestrahlung nicht mehr raus. Verantwortlich dafür sind Gase in unserer Atmosphäre, die die infrarote Strahlung wieder zurückwerfen. Das wichtigste dieser "Treibhausgase" ist Kohlendioxid (CO2), das auf der Erde bei Verbrennungen entsteht. Im Zuge der Industrialisierung gelangte in den vergangenen 100 Jahren immer mehr CO2 in die Atmosphäre. Die Folge: Eine globale Erwärmung, da immer mehr Infrarotstrahlung zurückgehalten wird.

 

Was ist das sichtbare Licht?


Ein Prisma zerlegt weißes Licht
in seine Farben.

Kunterbuntes Weiß
Im siebzehnten Jahrhundert ließ der englische Physiker Isaac Newton Sonnenlicht auf ein Prisma fallen. Auf einem Schirm konnte er die Farben des Regenbogens sehen. Seine Folgerung: Das weiße Licht ist aus allen Farben zusammengesetzt. Rotes Licht hat eine Wellenlänge von etwa 750 Nanometern (750 Millionstel Millimeter); Violett entspricht etwa 400 Nanometern. Sichtbares Licht wird von Atomen abgegeben, wenn die äußersten Elektronen ihre Bahn um den Kern ändern und dabei Energie verlieren.

 

Warum sehen wir gerade Licht?


Unsere Augen sind sehr gut an das Sonnenlicht angepasst.

Kein Zufall. Oder doch?
Unsere Atmosphäre sorgt dafür, daß die meiste Strahlung von der Sonne gar nicht bis zum Erdboden gelangt. Nur zwei Ausschnitte des elektromagnetischen Spektrums werden nicht herausgefiltert: Ein kleiner Anteil der Radiowellen und - viel wichtiger - der Bereich ums sichtbare Licht. Gerade in jenem Auschnitt des Spektrums, den wir sehen können, strahlt die Sonne auch fast die Hälfte ihrer Energie ab. Dieses "Lichtfenster" in der Atmosphäre scheint der Grund zu sein, warum wir das Licht sehen können. Unsere Augen haben sich im Laufe von Millionen Jahren so entwickelt, die Strahlung zu sehen, die am meisten vorhanden ist: das Licht. Doch nicht nur die Atmosphäre, auch das Wasser ist zufälligerweise gerade für sichtbares Licht durchsichtig. Nur deshalb können Lichtstrahlen durch unsere Augäpfel, deren Hauptbestandteil Wasser ist, zur Netzhaut gelangen.

 

Wie entsteht ein Regenbogen?


Jeder einzelne Regentropfen zerlegt das Licht in sein Farben.

Lichtbrecher
Regentropfen An der Grenze zwischen zwei lichtdurchlässigen Materialien wie Luft und Wasser werden Lichtstrahlen gebrochen. Wie stark das Licht dabei seine Richtung ändert, hängt nun von seiner Farbe ab. Rote Strahlen werden nicht so sehr abgelenkt wie blaue. Wenn es regnet und gleichzeitig die Sonne scheint, dann fällt Licht auf die Regentropfen. Lichtstrahlen treten in die Tropfen ein, werden an der Innenseite gespiegelt und treten wieder aus. Weil nun die Farben, die im weißen Sonnenlicht enthalten sind, beim Ein- und Austritt in den Tropfen unterschiedlich stark gebrochen werden, kommt es zum farbigen Regenbogen.

 

Was ist ultraviolette Strahlung?

Schwarzlichtlampen leuchten violett.

Photo-Anschwärzer
Der deutsche Physiker Johann Ritter vermutete im Jahre 1800, kurz nach der Entdeckung der infraroten Strahlung, dass das Spektrum auch jenseits des violetten Lichts fortgesetzt werden kann. Ein Jahr später fand er heraus, dass es unsichtbare Strahlen gibt, die Photoplatten stärker schwärzen als sichtbares Licht.
Die ultraviolette (UV) Strahlung war entdeckt. Sie umfasst Wellenlängen zwischen 400 und 10 Nanometern (4 Millionstel Millimeter). Wie sichtbares Licht entsteht auch ultraviolette Strahlung, wenn in Atomen die äußersten Elektronen ihre Bahn um den Kern ändern und dabei Energie verlieren.

 

Warum leuchten weiße T-Shirts in der Disco?

Tennissocken und Schuppen:
UV-Licht deckt sie auf.

Wiederleuchter
Es gibt Materialien, die anfangen, selbst zu leuchten, wenn sie von UV-Licht beschienen werden. Geldscheine offenbaren versteckte, bunte Muster, Zähne scheinen meist gelb-grün, und weiße T-Shirts leuchten in hellem Violett. Die Stoffe nehmen die UV-Strahlung auf, und geben die Energie in kleineren Portionen wieder ab, nämlich als sichtbares Licht. Diesen Vorgang nennt man Floureszenz. Die Floureszenz-Farbe eines Gegenstandes hängt von seiner Beschaffenheit ab, und ist typisch für die Zusammensetzung des Materials. Eine antike Marmor-Skulptur leuchtet im UV-Licht eher gelb-grün, eine frisch gehauene dagegen violett. Mit ultravioletter Strahlung lassen sich deshalb Kunstfälscher überführen. Viele Waschmittel enthalten extra "Weißmacher", die weiße Hemden im UV-Licht der Sonne besonders hell strahlen lassen.

 

Was macht UV-Strahlung mit der Haut?

Sonnencreme schützt
vor UV-Strahlung.

Für die Eiligen: Bräunung...
... und für die Langsamen: Sonnenbrand. Doch werden wir ausführlicher. UV-Licht ist nicht gleich UV-Licht. Um die Wirkung auf die Haut zu unterschieden, teilt man es in zwei Gruppen ein. Direkt an das sichtbare Licht schließt sich die UV-A Strahlung an. Wenn dieses Licht auf die Haut scheint, bilden sich schwarz-braune Farbkörper aus Melanin, die die Haut vor noch tieferem Eindringen von Strahlung schützen. Gefährlicher als UV-A ist das energiereichere UV-B. Es sorgt für Hautschäden und den Sonnenbrand. Und es ist gerade die UV-B-Strahlung, die von Sonnencremes herausgefiltert wird.

 

Warum müssen wir die Ozonschicht retten?

NASA-Daten zeigen, wie das Ozonloch
über dem Südpol wächst.

Die Sonnencreme für die Erde
UV-Strahlen haben eine höhere Energie als sichtbares Licht. Sie daher sind in der Lage Elektronen aus Atomen zu schlagen. So können sie organisches Gewebe beschädigen. Bei Menschen gelangen die Strahlen zwar nicht viel tiefer als in die Haut, aber auch dort können sie beträchtlichen Schaden anrichten, vom Sonnenbrand bis zu Hautkrebs. Glücklicherweise schützt uns eine Schicht in der Atmosphäre vor besonders energiereicher UV-Strahlung: die Ozon-Schicht in 10 bis 50 Kilometern Höhe. Die Ozonmoleküle (O3) fangen die UV-Strahlung ab und werden dabei in Sauerstoffgas (O2) und einzelne Sauerstoff Atome (O+) zerlegt. Ohne die Ozonschicht wäre Leben auf der Erde unmöglich. In den letzten Jahrzehnten wurde sie aber von FCKW-Gasen, z.B. aus Sprühdosen, in bedrohlichem Maße zersetzt, besonders über Nord- und Südpol.

 

Was sind Röntgenstrahlen?

Wilhelm Conrad Röntgen
1845 - 1923

Durchdringende Strahlen
Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte im Jahr 1895 zufällig eine neue Art von Strahlen. Er wusste nicht, welcher Natur sie waren und nannte sie X-Strahlen. Das besondere an ihnen war, dass sie Materie durchdringen konnten. So war es möglich Bilder vom Innern des Körpers zu machen. Im deutschen Sprachraum heißen diese Strahlen dem Entdecker zu Ehren Röntgenstrahlen. Erst 1912 bewies Max von Laue, dass es sich um elektromagnetische Wellen ähnlich denen des Lichts handelt. Röntgenstrahlen haben Wellenlängen zwischen 10 Nanometern (10 Millionstel Millimetern) 0,01 Nanometern. Sie entstehen, wenn in einem Atom die inneren Elektronen ihre Bahn um den Kern ändern und dabei Energie abgeben, oder wenn schnelle Elektronen abrupt gebremst werden.

 

Wie gefährlich ist das Röntgen beim Arzt?

Zuviel ist ungesund

Sparsam verwenden
Röntgenstrahlen sind so energiereich, dass sie menschlichen Körperzellen Schaden zufügen können. Das kann auf zwei Arten geschehen: Einerseits kann die Energie des Röntgenlichts die Zellen töten. Die kaputten Zellen werden in der Regel schnell ersetzt. Erst bei sehr intensiver Strahlung hinkt die Reparatur hinterher, und es kommt zu spürbaren Schäden. Diese Intensitäten werden jedoch beim Arzt nie erreicht. Nicht auszuschließen ist jedoch eine zweite Art der Zellschäden, denn für sie ist keine Mindestintensität vonnöten. Einzelne Röntgenstrahlen können nämlich auch nur das Erbgut einer Zelle beschädigen. Die mutierte Zelle lebt weiter und vermehrt sich. So können Krebsgeschwüre entstehen. Dieser Fall ist sehr unwahrscheinlich, aber dennoch möglich. Deshalb sollten Röntgenuntersuchungen nur sparsam eingesetzt werden.

 

Was sind Gammastrahlen?

Gammastrahlen entstehen bei radioaktiven Prozessen.

Produkt der Radioaktivität
Der britische Physiker Ernest Rutherford stellte im Jahr 1902 fest, dass es drei Arten von Strahlen gibt, wenn Atomkerne radioaktiv zerfallen. Er ordnete sie nach ihrer Fähigkeit, in Materie einzudringen, und nannte sie der Reihe nach Alpha, Beta und Gamma. Die ersten beiden sind Teilchenstrahlen, die dritte ist elektromagnetische Strahlung.
Gammastrahlen bilden das kurzwellige Ende des elektromagnetischen Spektrums. Sie haben die höchsten Frequenzen und die höchsten Energien. Gammastrahlen entstehen bei radioaktiven Vorgängen in Atomkernen und wenn Materie und Antimaterie sich zu reiner Energie vernichten.

 

Woher kommt die radioaktive Strahlung bei der Kernspaltung?

Die Gammastrahlung, die in Kernreaktoren entsteht, wird abgeschirmt.

Kernenergie
Es gibt Atomkerne, die sind so groß, dass sie fast auseinanderfallen, bei Uran zum Beispiel. Schießt man auch noch ein Neutron drauf, dann passiert's: der Kern zerbricht in zwei etwa gleich große Teile, die natürlich ihrerseits wieder neue Atomkerne sind. Bei dieser Kernspaltung bleiben auch noch zwei, drei Neutronen übrig, die ihrerseits wieder Kerne entzweien können. Die Folge ist eine Kettenreaktion.
Doch zurück zu den zwei neuen, kleineren Atomkernen. Sie sind noch ganz aufgeregt über das, was gerade geschah, die Physiker sagen "angeregt". Um sich zu beruhigen, physikalischer: um in einen stabilen Grundzustand zu gelangen, geben die Kerne Energie ab, und zwar als Gammastrahlen.
Unter anderem ist dies der Ursprung der tödlichen Radioaktivität bei Atombombenexplosionen.

 

Was hat es mit Gammastrahlen-Blitzen auf sich?

Auf dieser Karte des Himmels sind registrierte Blitze eingezeichnet.

Geheimnisvolles Gammaleuchten
Gammastrahlen-Blitze sind eines der großen Rätsel der modernen Astrophysik. Ihr Ursprung bleibt geheimnisumwittert. Doch eines ist klar: Er muss gewaltig sein. Täglich treffen bis zu zwei der Gammastrahlen-Ausbrüche auf die Erde. Sie sind völlig zufällig über alle Himmelsrichtungen verteilt, was ein Indiz dafür ist, dass ihr Ursprung sehr weit entfernt liegen muss: Milliarden von Lichtjahren entfernt.
Die Dauer der Gammastrahlen-Blitzen liegt im Bereich einer Sekunde und die beteiligten Energien sind enorm. Sie betragen bis zu mehreren Millionen Elektronenvolt. Das reicht aus, um gleich mehrere Paare aus Elektronen und Positronen zu bilden. Bei den stärksten Ausbrüchen werden somit Energien frei, die der vollständigen Umwandlung des Jupiters in Energie entsprechen.

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Webthema der Woche: Elektromagnetisches Spektrum