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Elektromagnetisches Spektrum – HiSoUR Kunst Kultur Ausstellung

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elektromagnetische Wellen

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Spektrum

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Wellen ✓ Spektrums ✓ Mikrowellen ✓ Eigenschaften ✓ Bezug ✓ Licht ✓ Ultraviolett ✓ Teil ✓ Wellenlängen ✓ Frequenzen ✓ Hertz ✓ Bereich ✓ Wellenlänge ✓ Astronomie ✓ Infrarot

Zusammenfassung:    

Im Jahr eintausendneunhundert untersuchte Paul Villard die radioaktiven Emissionen von Radium, als er eine neue Art von Strahlung entdeckte, von der er zuerst glaubte, dass sie aus Teilchen bestand, die bekannten Alpha- und Betateilchen ähnelten, aber mit der Fähigkeit, viel durchdringender zu sein. In Analogie zu elektronischen Übergängen sollen Myonenatome auch Röntgenstrahlen erzeugen, obwohl ihre Energie sechs Megaelektronenvolt (0,96 pJ) übersteigen kann, während viele (77 bekanntermaßen weniger als zehn keV (1,6 fJ)) niedrig sind -Energie-Kernübergänge (z. B. der 7,6 eV (1,22 aJ) Kernübergang von Thorium-229), und obwohl sie eine Million Mal weniger energiereich sind als einige Myon-Röntgenstrahlen, werden die emittierten Photonen aufgrund ihrer Ionen immer noch als Gammastrahlen bezeichnet nuklearer Herkunft.

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Im Jahr eintausendneunhundert untersuchte Paul Villard die radioaktiven Emissionen von Radium, als er eine neue Art von Strahlung entdeckte, von der er zuerst glaubte, dass sie aus Teilchen bestand, die bekannten Alpha- und Betateilchen ähnelten, aber mit der Fähigkeit, viel durchdringender zu sein. Im Jahr 1910 zeigte der britische Physiker William Henry Bragg jedoch, dass Gammastrahlen elektromagnetische Strahlung sind, keine Teilchen, und 1914 Ernest Rutherford (der sie 1903 Gammastrahlen nannte, als er erkannte, dass sie sich grundlegend von geladenen Alpha- und Betateilchen unterschieden ) und Edward Andrade maßen ihre Wellenlängen und fanden heraus, dass Gammastrahlen ähnlich waren wie Röntgenstrahlen, aber mit kürzeren Wellenlängen und höheren Frequenzen. Reichweite des Spektrums Elektromagnetische Wellen werden typischerweise durch irgendeine der folgenden drei physikalischen Eigenschaften beschrieben: die Frequenz f, die Wellenlänge λ oder die Photonenenergie E. Die in der Astronomie beobachteten Frequenzen reichen von 2,4 · eintausenddreiundzwanzig Hz (1 GeV Gammastrahlen) bis zur lokalen Plasmafrequenz der ionisiertes interstellares Medium (~ eins kHz). Die Wellenlänge ist umgekehrt proportional zur Wellenfrequenz, so dass Gammastrahlen sehr kurze Wellenlängen haben, die Bruchteile der Größe von Atomen sind, während Wellenlängen am entgegengesetzten Ende des Spektrums so lang wie das Universum sein können. Photonenenergie ist direkt proportional zur Wellenfrequenz, so haben Gammastrahlphotonen die höchste Energie (etwa eine Milliarde Elektronenvolt), während Radiowellenphotonen eine sehr geringe Energie (um ein Femtoelektronenvolt) haben. Diese Beziehungen werden durch die folgenden Gleichungen veranschaulicht: woher: c = zweihundertneunundneunzig millionen siebenhundertzweiundneunzigtausendvierhundertachtundfünfzig m / s ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum h = 6,62606896 (33) × 10-34 J · s = 4,13566733 (10) × 10-15 eV · s ist die Plancksche Konstante. Wann immer elektromagnetische Wellen in einem Medium mit Materie existieren, ist ihre Wellenlänge verringert. Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung, egal welches Medium sie durchlaufen, werden üblicherweise in Bezug auf die Vakuumwellenlänge angegeben, obwohl dies nicht immer explizit angegeben wird. Im Allgemeinen wird elektromagnetische Strahlung durch die Wellenlänge in Radiowellen, Mikrowellen, Terahertz (oder Submillimeter) -Strahlung, Infrarot, den sichtbaren Bereich, der als Licht wahrgenommen wird, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen klassifiziert. Das Verhalten von EM-Strahlung hängt von ihrer Wellenlänge ab. Wenn EM-Strahlung mit einzelnen Atomen und Molekülen wechselwirkt, hängt ihr Verhalten auch von der Menge an Energie pro Quant (Photon) ab, die es trägt. Die Spektroskopie kann einen viel breiteren Bereich des EM-Spektrums als den sichtbaren Bereich von vierhundert nm bis siebenhundert nm detektieren. Ein übliches Laborspektroskop kann Wellenlängen von zwei nm bis zweitausendfünfhundert nm detektieren. Detaillierte Informationen über die physikalischen Eigenschaften von Objekten, Gasen oder sogar Sternen können von dieser Art von Gerät erhalten werden. Spektroskope sind in der Astrophysik weit verbreitet. Zum Beispiel emittieren viele Wasserstoffatome ein Radiowellenphoton mit einer Wellenlänge von 21,12 cm. Auch Frequenzen von 30 Hz und darunter können von bestimmten Sternnebeln erzeugt werden und sind wichtig, und Frequenzen von 2,9 × 1027 Hz wurden aus astrophysikalischen Quellen nachgewiesen. Begründung für regionale Frequenznamen Elektromagnetische Strahlung interagiert auf unterschiedliche Weise mit Materie im gesamten Spektrum. Diese Arten der Wechselwirkung sind so unterschiedlich, dass historisch unterschiedliche Namen auf verschiedene Teile des Spektrums angewendet wurden, als ob es sich dabei um unterschiedliche Arten von Strahlung handeln würde. Obwohl diese “verschiedenen Arten” elektromagnetischer Strahlung ein quantitativ kontinuierliches Spektrum von Frequenzen und Wellenlängen bilden, bleibt das Spektrum aus praktischen Gründen, die mit diesen qualitativen Wechselwirkungsunterschieden in Beziehung stehen, geteilt. Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie Region des Spektrums Hauptwechselwirkungen mit der Materie Radio Kollektive Schwingung von Ladungsträgern im Schüttgut (Plasmaoszillation). Ein Beispiel wären die oszillierenden Bewegungen der Elektronen in einer Antenne. Mikrowelle durch fernes Infrarot Plasmaoszillation, molekulare Rotation Nah-Infrarot Molekulare Schwingung, Plasmaoszillation (nur in Metallen) Sichtbar Molekulare Elektronenanregung (einschließlich Pigmentmolekülen in der menschlichen Netzhaut), Plasmaoszillationen (nur in Metallen) Ultraviolett Anregung von Molekular- und Atomvalenzelektronen, einschließlich Elektronenausstoß (photoelektrischer Effekt) Röntgenstrahlen Anregung und Ausstoß von Kernatomelektronen, Compton Streuung (für niedrige Ordnungszahlen) Gamma Strahlen Energetischer Ausstoß von Kernelektronen in schweren Elementen, Compton Streuung (für alle Ordnungszahlen), Anregung von Atomkernen, einschließlich Dissoziation von Kernen Hochenergetische Gammastrahlen Bildung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren. Bei sehr hohen Energien kann ein einzelnes Photon bei Wechselwirkung mit Materie einen Schauer hochenergetischer Teilchen und Antiteilchen erzeugen. Arten von Strahlung Grenzen Eine Diskussion der Regionen (oder Bänder oder Typen) des elektromagnetischen Spektrums ist nachstehend angegeben. Beachten Sie, dass es keine genau definierten Grenzen zwischen den Bändern des elektromagnetischen Spektrums gibt; Vielmehr verblassen sie wie die Bänder in einem Regenbogen (das ist das Teilspektrum des sichtbaren Lichts). Die Strahlung jeder Frequenz und Wellenlänge (oder in jedem Band) weist eine Mischung von Eigenschaften der zwei Bereiche des Spektrums auf, die sie begrenzen. Zum Beispiel ähnelt rotes Licht der Infrarotstrahlung, indem es einige chemische Bindungen anregen und mit Energie versorgen kann, und zwar tatsächlich, um die chemischen Mechanismen anzutreiben, die für die Photosynthese und das Funktionieren des visuellen Systems verantwortlich sind. Regionen des Spektrums Die Arten der elektromagnetischen Strahlung werden grob in die folgenden Klassen eingeteilt: Radiowellen Diese Klassifizierung erfolgt in der Reihenfolge der Wellenlänge, die für die Art der Strahlung charakteristisch ist. Während das Klassifizierungsschema im Allgemeinen genau ist, gibt es in der Realität häufig Überschneidungen zwischen benachbarten Arten elektromagnetischer Energie. Zum Beispiel können SLF-Radiowellen bei 60 Hz von Astronomen empfangen und studiert werden, oder sie können entlang von Drähten als elektrische Energie geleitet werden, obwohl die letztere im strengen Sinne überhaupt keine elektromagnetische Strahlung ist (siehe Nah- und Fernfeld). Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlung beruht zum Teil auf Quellen: Die Photonen, die durch Kernzerfall oder andere Kern- und Unterkern- / Teilchenprozesse entstehen, werden immer als Gammastrahlen bezeichnet, während Röntgenstrahlen durch elektronische Übergänge mit hochenergetischen inneren Atomen erzeugt werden Elektronen. Im Allgemeinen sind Kernübergänge viel energiereicher als elektronische Übergänge, so dass Gammastrahlen energiereicher sind als Röntgenstrahlen, aber Ausnahmen existieren. In Analogie zu elektronischen Übergängen sollen Myonenatome auch Röntgenstrahlen erzeugen, obwohl ihre Energie sechs Megaelektronenvolt (0,96 pJ) übersteigen kann, während viele (77 bekanntermaßen weniger als zehn keV (1,6 fJ)) niedrig sind -Energie-Kernübergänge (z. B. der 7,6 eV (1,22 aJ) Kernübergang von Thorium-229), und obwohl sie eine Million Mal weniger energiereich sind als einige Myon-Röntgenstrahlen, werden die emittierten Photonen aufgrund ihrer Ionen immer noch als Gammastrahlen bezeichnet nuklearer Herkunft. Die Konvention, dass EM-Strahlung, von der bekannt ist, dass sie aus dem Kern kommt, wird immer “ Gammastrahl ” -Strahlung genannt, ist jedoch die einzige Konvention, die allgemein respektiert wird. Von vielen astronomischen Gammastrahlenquellen (wie Gammastrahlenausbrüchen) ist bekannt, dass sie (sowohl hinsichtlich der Intensität als auch der Wellenlänge) zu energetisch sind, um nuklearen Ursprungs zu sein. Sehr oft werden in der Hochenergiephysik und in der medizinischen Strahlentherapie sehr energiereiche EMR (in der> 10 MeV-Region) – die eine höhere Energie als jeder nukleare Gammastrahl haben – nicht Röntgen- oder Gammastrahlen genannt, sondern stattdessen der Oberbegriff von “Hochenergiephotonen”. Der Bereich des Spektrums, in dem eine bestimmte beobachtete elektromagnetische Strahlung fällt, ist (aufgrund der Dopplerverschiebung für Licht) referenzbildabhängig, so dass eine EM-Strahlung, die ein Beobachter sagen würde, in einem Bereich des Spektrums einem sich bewegenden Beobachter erscheint ein wesentlicher Teil der Lichtgeschwindigkeit in Bezug auf die erste in einem anderen Teil des Spektrums. Betrachten Sie zum Beispiel den kosmischen Mikrowellenhintergrund. Es wurde bei der Entkopplung von Materie und Strahlung durch die Abregung von Wasserstoffatomen in den Grundzustand erzeugt. Diese Photonen stammten von Übergängen der Lyman-Reihe, die sie in den ultravioletten (UV) Teil des elektromagnetischen Spektrums brachten. Nun hat diese Strahlung genügend kosmologische Rotverschiebung erfahren, um sie für Beobachter, die sich langsam (gegenüber der Lichtgeschwindigkeit) in Bezug auf den Kosmos bewegen, in den Mikrowellenbereich des Spektrums zu bringen. Radiofrequenz Funkwellen werden von Antennen ausgesendet und empfangen, die aus Leitern wie Metallstabresonatoren bestehen. Bei der künstlichen Erzeugung von Radiowellen erzeugt ein elektronisches Gerät, das Sender genannt wird, einen elektrischen Wechselstrom, der an eine Antenne angelegt wird. Die oszillierenden Elektronen in der Antenne erzeugen oszillierende elektrische und magnetische Felder, die als Radiowellen von der Antenne wegstrahlen. Beim Empfang von Radiowellen koppeln die oszillierenden elektrischen und magnetischen Felder einer Radiowelle mit den Elektronen in einer Antenne, schieben sie hin und her und erzeugen oszillierende Ströme, die an einen Radioempfänger angelegt werden. Die Atmosphäre der Erde ist hauptsächlich für Radiowellen durchlässig, abgesehen von Schichten geladener Teilchen in der Ionosphäre, die bestimmte Frequenzen reflektieren können. Funkwellen werden extrem weit verbreitet verwendet, um Informationen über Entfernungen in Funkkommunikationssystemen zu übertragen, wie z. B. Rundfunk, Fernsehen, Funkgeräte, Mobiltelefone, Kommunikationssatelliten und drahtlose Netzwerke. In einem Funkkommunikationssystem wird ein Hochfrequenzstrom mit einem informationstragenden Signal in einem Sender moduliert, indem entweder die Amplitude, die Frequenz oder die Phase variiert und an eine Antenne angelegt wird. Die Radiowellen übertragen die Information über den Raum zu einem Empfänger, wo sie von einer Antenne empfangen werden und die Information durch Demodulation im Empfänger extrahiert wird. Funkwellen werden auch zur Navigation in Systemen wie dem Global Positioning System (GPS) und Navigationsbaken und zum Lokalisieren entfernter Objekte in Funkortung und Radar verwendet. Sie werden auch für die Fernsteuerung und für industrielle Heizung verwendet. Die Nutzung des Funkfrequenzspektrums wird von den Regierungen streng reguliert, koordiniert von einer Einrichtung, die als “International Telecommunications Union” (ITU) bezeichnet wird und Frequenzen verschiedenen Nutzern für verschiedene Zwecke zuweist. Mikrowellen Mikrowellen sind Radiowellen kurzer Wellenlänge von etwa zehn cm bis eins mm in den SHF- und EHF-Frequenzbändern. Mikrowellenenergie wird mit Klystron- und Magnetronröhren und mit Festkörpervorrichtungen wie Gunn- und IMPATT-Dioden erzeugt. Obwohl sie von kurzen Antennen emittiert und absorbiert werden, werden sie auch von polaren Molekülen absorbiert, wobei sie an Schwingungs- und Rotationsmoden koppeln, was zu einer Massenerwärmung führt. Im Gegensatz zu höherfrequenten Wellen wie Infrarot und Licht, die hauptsächlich an Oberflächen absorbiert werden, können Mikrowellen in Materialien eindringen und ihre Energie unter der Oberfläche ablagern. Dieser Effekt wird zum Erhitzen von Lebensmitteln in Mikrowellenherden und für industrielle Heiz- und medizinische Diathermie verwendet. Mikrowellen sind die Hauptwellenlängen, die im Radar verwendet werden, und sie werden für die Satellitenkommunikation und drahtlose Netzwerktechnologien wie Wifi verwendet, obwohl dies auf Intensitätsniveaus nicht in der Lage ist, eine thermische Erwärmung zu verursachen. Die Kupferkabel (Übertragungsleitungen), die verwendet werden, um Radiowellen mit niedrigerer Frequenz zu Antennen zu führen, haben übermßige Leistungsverluste bei Mikrowellenfrequenzen, und Metallrohre, Wellenleiter genannt, werden verwendet, um sie zu tragen. Obwohl am unteren Ende der Bande die Atmosphäre hauptsächlich durchsichtig ist, begrenzt am oberen Ende des Bandes die Absorption von Mikrowellen durch atmosphärische Gase praktische Ausbreitungsentfernungen auf wenige Kilometer. Terahertz-Strahlung Terahertz-Strahlung ist eine Region des Spektrums zwischen fernem Infrarot und Mikrowellen. Bis vor kurzem wurde der Bereich nur selten untersucht und es gab wenige Quellen für Mikrowellenenergie am oberen Ende des Bandes (Submillimeterwellen oder so genannte Terahertz-Wellen), aber Anwendungen wie Bildgebung und Kommunikation tauchen jetzt auf. Wissenschaftler wollen auch die Terahertz-Technologie in den Streitkräften einsetzen, wo hochfrequente Wellen auf feindliche Truppen gerichtet sein könnten, um ihre elektronische Ausrüstung außer Gefecht zu setzen. Terahertz-Strahlung wird von atmosphärischen Gasen stark absorbiert, wodurch dieser Frequenzbereich für die Fernkommunikation nutzlos wird. Infrarotstrahlung Der infrarote Teil des elektromagnetischen Spektrums umfasst den Bereich von etwa dreihundert GHz bis vierhundert THz (1 mm – siebenhundertfünfzig nm). Es kann in drei Teile unterteilt werden: Ferninfrarot von dreihundert GHz bis dreißig THz (1 mm – zehn μm) . Der untere Teil dieses Bereichs kann auch als Mikrowellen oder Terahertz-Wellen bezeichnet werden. Diese Strahlung wird typischerweise von sogenannten Rotationsmoden in Gasphasenmolekülen, von Molekülbewegungen in Flüssigkeiten und von Phononen in Festkörpern absorbiert. Das Wasser in der Erdatmosphäre absorbiert in diesem Bereich so stark, dass es die Atmosphäre undurchsichtig macht. Es gibt jedoch bestimmte Wellenlängenbereiche (“Fenster”) innerhalb des opaken Bereichs, die eine teilweise Übertragung ermöglichen und für die Astronomie verwendet werden können. Der Wellenlängenbereich von ca. 200 μm bis zu einigen mm wird in der Astronomie oft als “Submillimeter” bezeichnet, wobei für Wellenlängen unter 200 μm Ferninfrarot reserviert wird. Mittleres Infrarot von dreißig bis einhundertzwanzig THz (10-2,5 μm) . Heiße Objekte (Schwarzkörperstrahler) können in diesem Bereich stark strahlen, und menschliche Haut bei normaler Körpertemperatur strahlt am unteren Ende dieses Bereichs stark aus. Diese Strahlung wird durch Molekülschwingungen absorbiert, wobei die verschiedenen Atome in einem Molekül um ihre Gleichgewichtspositionen schwingen. Dieser Bereich wird manchmal als Fingerabdruckregion bezeichnet, da das Absorptionsspektrum im mittleren Infrarotbereich einer Verbindung für diese Verbindung sehr spezifisch ist. Nahes Infrarot von einhundertzwanzig bis vierhundert THz (2.500-750 nm). Physikalische Prozesse, die für diesen Bereich relevant sind, ähneln denen für sichtbares Licht. Die höchsten Frequenzen in diesem Bereich können direkt von einigen Arten von photographischem Film und von vielen Arten von Festkörper-Bildsensoren für Infrarotfotografie und -videografie erfaßt werden. Sichtbare Strahlung (Licht) Über Infrarot in der Frequenz kommt sichtbares Licht. Die Sonne emittiert ihre Spitzenleistung im sichtbaren Bereich, obwohl die Integration des gesamten Emissionsleistungsspektrums über alle Wellenlängen zeigt, dass die Sonne etwas mehr Infrarot als sichtbares Licht emittiert. Definitionsgemäß ist sichtbares Licht der Teil des EM-Spektrums, auf den das menschliche Auge am empfindlichsten reagiert. Sichtbares Licht (und Nahinfrarotlicht) wird typischerweise von Elektronen in Molekülen und Atomen absorbiert und emittiert, die sich von einem Energieniveau zu einem anderen bewegen. Diese Aktion ermöglicht die chemischen Mechanismen, die dem menschlichen Sehen und der Photosynthese zugrunde liegen. Das Licht, das das menschliche Sehsystem anregt, ist ein sehr kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums. Ein Regenbogen zeigt den optischen (sichtbaren) Teil des elektromagnetischen Spektrums; Infrarot (wenn man es sehen könnte) würde direkt hinter der roten Seite des Regenbogens liegen, wobei Ultraviolett kurz hinter dem violetten Ende erscheint. Elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen dreihundertachtzig nm und siebenhundertsechzig nm (400-790 Terahertz) wird vom menschlichen Auge erfasst und als sichtbares Licht wahrgenommen. Andere Wellenlängen, insbesondere nahes Infrarot (länger als siebenhundertsechzig nm) und ultraviolett (kürzer als dreihundertachtzig nm) werden manchmal auch als Licht bezeichnet, insbesondere wenn die Sichtbarkeit für den Menschen nicht relevant ist. Weißes Licht ist eine Kombination von Licht unterschiedlicher Wellenlängen im sichtbaren Spektrum. Passiert man weißes Licht durch ein Prisma, teilt es sich in die verschiedenen Lichtfarben auf, die im sichtbaren Spektrum zwischen 400 nm und 780 nm beobachtet werden.
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Elektromagnetisches Spektrum – HiSoUR Kunst Kultur Ausstellung
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