Was ist eine elektromagnetische Welle?
Der Begriff elektromagnetische Welle beschreibt die Art und Weise, wie sich elektromagnetische Strahlung (EMR) durch den Raum bewegt. Verschiedene Formen von EMR unterscheiden sich durch ihre Wellenlängen, die von mehreren Metern bis zu einer Entfernung variieren, die kleiner als der Durchmesser eines Atomkerns ist. Der gesamte Bereich, in abnehmender Reihenfolge der Wellenlänge, reicht von Radiowellen über Mikrowellen, sichtbares Licht, Ultraviolett- und Röntgenstrahlen bis hin zu Gammastrahlen und wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet. Elektromagnetische Wellen haben viele Anwendungen, sowohl in der Wissenschaft als auch im täglichen Leben.
Lichtwellen
In vielerlei Hinsicht verhält sich eine elektromagnetische Welle ähnlich wie Wellen auf dem Wasser oder wie Schall, der sich durch ein Medium wie Luft bewegt. Wenn zum Beispiel ein Licht durch eine Barriere mit zwei schmalen Schlitzen auf einen Bildschirm gestrahlt wird, sieht man ein Muster aus hellen und dunklen Streifen. Dies wird als Interferenzmuster bezeichnet: Wenn die Wellenkämme eines Schlitzes mit denen des anderen Schlitzes zusammentreffen, verstärken sie sich gegenseitig und bilden einen hellen Streifen. Wenn jedoch ein Kamm auf eine Mulde trifft, heben sie sich auf und hinterlassen einen dunklen Streifen. Licht kann sich auch um ein Hindernis biegen, wie Ozeanbrecher um eine Hafenmauer: Dies wird als Beugung bezeichnet. Diese Phänomene belegen die wellenartige Natur des Lichts.
Es wurde lange angenommen, dass Licht wie Ton durch eine Art Medium wandern muss. Diesem wurde der Name „Äther“ gegeben, manchmal „Äther“ geschrieben, und es wurde angenommen, dass es sich um ein unsichtbares Material handelt, das den Raum füllt, durch das feste Objekte jedoch ungehindert hindurchtreten können. Experimente, die darauf abzielten, den Äther durch seine Wirkung auf die Lichtgeschwindigkeit in verschiedene Richtungen zu erfassen, konnten keine Beweise dafür finden, und die Idee wurde schließlich abgelehnt. Es war offensichtlich, dass Licht und andere Formen der elektromagnetischen Strahlung kein Medium benötigten und sich durch den leeren Raum bewegen konnten.
Wellenlänge und Frequenz
Genau wie eine Ozeanwelle hat eine elektromagnetische Welle Spitzen und Täler. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei identischen Punkten der Welle von Zyklus zu Zyklus, beispielsweise der Abstand zwischen einem Peak oder Crest und dem nächsten. EMR kann auch anhand seiner Häufigkeit definiert werden, dh der Anzahl der Scheitelpunkte, die in einem bestimmten Zeitintervall vorbeiziehen. Alle Formen der elektromagnetischen Strahlung bewegen sich mit derselben Geschwindigkeit: der Lichtgeschwindigkeit. Daher hängt die Frequenz vollständig von der Wellenlänge ab: Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz.
Energie
Bei kürzeren Wellenlängen oder höheren Frequenzen überträgt die EMR mehr Energie als bei längeren Wellenlängen oder niedrigeren Frequenzen. Die von einer elektromagnetischen Welle getragene Energie bestimmt, wie sie die Materie beeinflusst. Niedrigfrequente Radiowellen stören Atome und Moleküle leicht, während sie sich durch Mikrowellen stärker bewegen: Das Material erwärmt sich. Röntgen- und Gammastrahlen sind sehr viel schlagkräftiger: Sie können chemische Bindungen aufbrechen und Elektronen aus Atomen herausschlagen und Ionen bilden. Aus diesem Grund werden sie als ionisierende Strahlung bezeichnet.
Der Ursprung elektromagnetischer Wellen
Die Beziehung zwischen Licht und Elektromagnetismus wurde im 19. Jahrhundert von dem Physiker James Clerk Maxwell hergestellt. Dies führte zur Untersuchung der Elektrodynamik, bei der elektromagnetische Wellen wie Licht als Störungen oder "Welligkeiten" in einem elektromagnetischen Feld angesehen werden, die durch die Bewegung elektrisch geladener Teilchen erzeugt werden. Im Gegensatz zum nicht existierenden Äther ist das elektromagnetische Feld einfach die Einflusssphäre eines geladenen Teilchens und kein greifbares materielles Ding.
Spätere Arbeiten im frühen 20. Jahrhundert zeigten, dass EMR auch partikelähnliche Eigenschaften hatte. Die Teilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht, werden Photonen genannt . Obwohl dies widersprüchlich erscheint, kann sich die EMR je nach Art des durchgeführten Experiments als Wellen oder als Partikel verhalten. Dies ist als Welle-Teilchen-Dualität bekannt. Dies gilt auch für subatomare Partikel, ganze Atome und sogar ziemlich große Moleküle, die sich manchmal alle wie Wellen verhalten können.
Die Welle-Teilchen-Dualität entstand, als die Quantentheorie entwickelt wurde. Nach dieser Theorie repräsentiert die „Welle“ die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen wie ein Photon an einem bestimmten Ort zu finden. Die wellenartige Natur von Partikeln und die partikelartige Natur von Wellen haben zu zahlreichen wissenschaftlichen Debatten und verblüffenden Ideen geführt, aber es besteht kein allgemeiner Konsens darüber, was dies tatsächlich bedeutet.
In der Quantentheorie wird elektromagnetische Strahlung erzeugt, wenn subatomare Teilchen Energie abgeben. Zum Beispiel kann ein Elektron in einem Atom Energie absorbieren, muss aber irgendwann auf ein niedrigeres Energieniveau abfallen und die Energie als EMR abgeben. Diese Strahlung kann je nach Beobachtung als Partikel oder als elektromagnetische Welle auftreten.
Verwendet
Viele moderne Technologien hängen von elektromagnetischen Wellen ab. Radio, Fernsehen, Mobiltelefone und das Internet sind auf die Übertragung von Hochfrequenz-EMR über Luft-, Weltraum- oder Glasfaserkabel angewiesen. Die Laser zum Aufnehmen und Wiedergeben von DVDs und Audio-CDs verwenden Lichtwellen zum Beschreiben und Lesen der Discs. Röntgengeräte sind ein wesentliches Werkzeug in der Medizin und in der Flughafensicherheit. In der Wissenschaft beruht unser Wissen über das Universum hauptsächlich auf der Analyse von Licht, Radiowellen und Röntgenstrahlen entfernter Sterne und Galaxien.
Gefahren
Es wird nicht angenommen, dass energiearme elektromagnetische Wellen wie Funkwellen schädlich sind. Bei höheren Energien birgt die EMR jedoch Risiken. Ionisierende Strahlung wie Röntgen- und Gammastrahlen können lebende Zellen töten oder schädigen. Sie können auch DNA verändern, was zu Krebs führen kann. Das Risiko für Patienten durch medizinische Röntgenstrahlen wird als vernachlässigbar angesehen. Radiographen, die ihnen regelmäßig ausgesetzt sind, tragen jedoch Bleischürzen, in die Röntgenstrahlen nicht eindringen können, um sich zu schützen. Ultraviolettes Licht, das im Sonnenlicht vorhanden ist, kann Sonnenbrand und bei übermäßiger Exposition auch Hautkrebs verursachen.