Elektromagnetisches Spektrum und sichtbares Licht
Wie sich die Strahlungsarten von Radiowellen bis Gammastrahlung nach Wellenlänge, Frequenz und Photonenenergie ordnen und wo im Spektrum das sichtbare Licht mit seinen Farben liegt.
Das Wichtigste in Kürze
- Das elektromagnetische Spektrum ordnet alle elektromagnetischen Wellen nach ihrer Wellenlänge in Spektralbereiche von Radiowellen bis Gammastrahlung.
- Die Wellenlänge nimmt ab von Radiowellen über Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, UV und Röntgen bis Gammastrahlung; Frequenz und Photonenenergie nehmen in derselben Richtung zu.
- Wärmestrahlung ist Infrarot und damit elektromagnetisch, Ultraschall ist eine mechanische Welle und gehört nicht zum Spektrum.
- Ionisierende Strahlung sind Gamma-, Röntgen- und UV-Strahlung, weil die Energie des einzelnen Photons ausreicht, Elektronen herauszuschlagen.
- Sichtbares Licht reicht von etwa 400 nm (violett) bis 750 nm (rot), also 0,40 bis 0,75 µm, bei Frequenzen um \(10^{14}\) Hz.
- Die Spektralfarben folgen nach steigender Frequenz und Energie der Reihe rot < gelb < grün < blau < violett.
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Worum es geht
Radiowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind dieselbe Art Welle. Sie unterscheiden sich nur in der Wellenlänge. Wer die Reihenfolge kennt, vergleicht Frequenz und Photonenenergie jeder Strahlung auf einen Blick und kann etwa die UV-Lampe bei 254 nm in der Dünnschichtchromatographie oder ein IR-Spektrum einordnen.
Bereiche des Spektrums
Elektromagnetische Wellen sind gekoppelte elektrische und magnetische Felder, die schwingen. Sie brauchen kein Medium und laufen im Vakuum alle mit der Lichtgeschwindigkeit \(c\). Ordnet man sie nach der Wellenlänge, entsteht das elektromagnetische Spektrum. Ein Spektralbereich ist ein Abschnitt davon, in dem sich die Strahlung ähnlich erzeugen lässt und ähnlich wirkt. Die Grenzen zwischen den Bereichen sind fließend.
Zum Spektrum gehören Radiowellen (einschließlich Ultrakurzwellen, UKW), Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett (UV), Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Die Wärmestrahlung warmer Körper ist Infrarot und damit elektromagnetisch. Auch ultraharte Röntgenstrahlung bleibt elektromagnetische Strahlung. Das Spektrum reicht also weit über die Radiofrequenzen hinaus. Dass Wärmestrahlung als Infrarot zum Spektrum zählt und Ultraschall nicht, wird im Examen gerne gefragt.
Ultraschall ist eine mechanische Druckwelle, die Teilchen eines Mediums anstößt. Er gehört deshalb nicht zum elektromagnetischen Spektrum und breitet sich im Vakuum gar nicht aus (mehr unter Ultraschall).
Reihenfolge nach Wellenlänge
Von links nach rechts schrumpft die Wellenlänge um viele Zehnerpotenzen. Die Werte in der Tabelle sind Größenordnungen, keine scharfen Grenzen.
| Bereich | Wellenlänge (Größenordnung) | Frequenz (Größenordnung) |
|---|---|---|
| Radiowellen, UKW | über etwa 1 m | unter etwa 300 MHz |
| Mikrowellen | 1 mm bis 1 m | 300 MHz bis 300 GHz |
| Infrarot | 750 nm bis 1 mm | bis \(4 \cdot 10^{14}\) Hz |
| sichtbares Licht | 400 bis 750 nm | \(4\) bis \(7{,}5 \cdot 10^{14}\) Hz |
| Ultraviolett | etwa 10 bis 400 nm | bis etwa \(10^{16}\) Hz |
| Röntgenstrahlung | etwa 10 pm bis 10 nm | etwa \(10^{16}\) bis \(10^{19}\) Hz |
| Gammastrahlung | unter etwa 10 pm | über etwa \(10^{19}\) Hz |
Röntgen- und Gammastrahlung überlappen. Man unterscheidet sie nach ihrer Herkunft aus Atomhülle oder Atomkern (Gammastrahlung). Innerhalb des Sichtbaren gilt dieselbe Logik: Rot ist langwelliger als Gelb, Grün und Blau.
Reihenfolge nach Frequenz und Photonenenergie
Alle Bereiche gehorchen derselben Grundgleichung \(c = \lambda \cdot f\). Da \(c\) fest ist, steigt die Frequenz \(f\), wenn die Wellenlänge \(\lambda\) sinkt. Die Photonenenergie \(E = h \cdot f\) wächst proportional zur Frequenz. Frequenz und Quantenenergie laufen also genau entgegengesetzt zur Wellenlänge.
\[\text{Radio} < \text{Mikrowellen} < \text{IR} < \text{rot} < \text{grün} < \text{blau} < \text{UV} < \text{Röntgen} < \gamma\]
Diese Reihe gilt für Frequenz und Energie. Für die Wellenlänge liest man sie von rechts nach links. Weiche Röntgenstrahlung ist energieärmer als harte, und harte Gammastrahlung steht ganz am energiereichen Ende.
Die Reihe Radio, Mikrowellen, IR, sichtbar (rot vor grün vor blau), UV, Röntgen, Gamma solltest du in beide Richtungen sicher können. Achte darauf, ob nach zu- oder abnehmender Wellenlänge oder nach Frequenz gefragt ist, denn Frequenz und Energie laufen umgekehrt zur Wellenlänge.
Photonenenergie und Ionisation
Mit der Reihenfolge lassen sich Photonenenergien direkt vergleichen. Ein UV-Photon trägt mehr Energie als ein Infrarot-Photon. Röntgenquanten sind energiereicher als Quanten des sichtbaren Lichts. Selbst innerhalb des Sichtbaren gibt es Unterschiede: Rote Photonen sind energieärmer als grüne.
Für Zahlen hilft die Faustformel \(E \approx 1240\ \mathrm{eV\,nm}/\lambda\), die aus \(E = h \cdot c/\lambda\) folgt. Dabei ist \(E\) die Photonenenergie in eV und \(\lambda\) die Wellenlänge in nm.
| Strahlung | Wellenlänge | Photonenenergie |
|---|---|---|
| Mikrowellenherd | etwa 12 cm | etwa \(10^{-5}\) eV |
| rotes Licht | 700 nm | etwa 1,8 eV |
| grünes Licht | 530 nm | etwa 2,3 eV |
| UV-Lampe | 254 nm | etwa 4,9 eV |
| Röntgenstrahlung | 0,1 nm | etwa 12 keV |
Ionisierende Strahlung hat Photonen, deren Energie ausreicht, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen herauszuschlagen. Dabei entstehen Ionen und Radikale, die zum Beispiel die DNA schädigen können.
Ionisieren können Gammastrahlung, Röntgenstrahlung und ultraviolette Strahlung. Beim UV gilt das vor allem für den kurzwelligen Teil. Entscheidend ist die Energie des einzelnen Photons, nicht die Intensität. Infrarot und Mikrowellen ionisieren daher auch bei hoher Leistung nicht. Sie regen Molekülschwingungen und Rotationen an und erwärmen so die Materie. Das Prinzip, dass nur die Energie pro Photon zählt, begegnet dir wieder beim Photoeffekt. Wie man sich vor ionisierender Strahlung schützt, steht unter Abschirmung.
Sichtbarer Bereich
Das menschliche Auge sieht nur einen schmalen Ausschnitt des Spektrums. Er reicht von etwa 400 nm (violett) bis etwa 750 nm (rot). Manche Lehrbücher setzen die Obergrenze schon bei 700 nm, weil die Empfindlichkeit des Auges dort stark abfällt. Unterhalb von 400 nm beginnt das unsichtbare UV, oberhalb von etwa 750 nm das ebenfalls unsichtbare Infrarot.
In anderen Einheiten sieht derselbe Bereich so aus:
- in Nanometern: 400 bis 750 nm, mit \(1\ \mathrm{nm} = 10^{-9}\) m
- in Mikrometern: 0,40 bis 0,75 µm, also knapp unterhalb von \(10^{-6}\) m
- in Millimetern: \(4 \cdot 10^{-4}\) bis \(7{,}5 \cdot 10^{-4}\) mm
- in Metern: \(4 \cdot 10^{-7}\) bis \(7{,}5 \cdot 10^{-7}\) m
Zwischen mm und nm liegt der Faktor \(10^6\). Wellenlängen von 400 bis 700 mm sind 0,4 bis 0,7 m lang und gehören zu den Radiowellen, Wellenlängen von 40 bis 70 nm liegen tief im UV.
Frequenz des sichtbaren Lichts
Mit \(f = c/\lambda\) und \(c \approx 3 \cdot 10^8\) m/s folgt für 750 nm eine Frequenz von \(4 \cdot 10^{14}\) Hz und für 400 nm etwa \(7{,}5 \cdot 10^{14}\) Hz. Sichtbares Licht liegt also in der Größenordnung \(10^{14}\) Hz. Rotes Licht um 700 nm hat etwa \(4{,}3 \cdot 10^{14}\) Hz. Obere und untere Grenze trennt weniger als ein Faktor zwei, denn \(750/400 \approx 1{,}9\). Man kann sich das Sichtbare wie eine einzige Oktave auf einer Klaviatur von vielen Dutzend Oktaven vorstellen.
Eine Frequenz von 1 bis 10 GHz gehört dagegen zu Wellenlängen von 30 bis 3 cm. Das sind Mikrowellen, wie sie Mobilfunk und WLAN nutzen. So ordnest du eine beliebige Frequenz zu, hier am Beispiel \(f = 1{,}5 \cdot 10^{15}\) Hz:
- Umrechnen: \(\lambda = c/f = (3 \cdot 10^8\ \mathrm{m/s})/(1{,}5 \cdot 10^{15}\ \mathrm{Hz}) = 2 \cdot 10^{-7}\) m.
- Einheit wählen: \(2 \cdot 10^{-7}\) m sind 200 nm.
- Vergleichen: 200 nm liegt unter der Grenze von 400 nm.
- Zuordnen: Die Strahlung ist UV und für das Auge unsichtbar.
Spektralfarben
Zerlegt ein Prisma weißes Licht, erscheint ein Farbband. Seine Farben heißen Spektralfarben. Jede gehört zu einem engen Wellenlängenbereich und ist damit nahezu monochromatisch. Mischfarben wie Purpur oder Weiß kommen in diesem Band nicht vor.
Nach abnehmender Wellenlänge folgen rot, gelb, grün, blau-grün, blau, violett aufeinander. Die Bereiche sind Richtwerte:
| Farbe | Wellenlänge (etwa) |
|---|---|
| rot | 650 bis 750 nm, 700 nm ist rot |
| orange | 590 bis 650 nm, 600 nm ist orange |
| gelb | 560 bis 590 nm |
| grün | 500 bis 560 nm |
| blau-grün | 490 bis 500 nm |
| blau bis violett | 400 bis 490 nm, 400 nm ist violett |
Frequenz und Photonenenergie steigen in umgekehrter Richtung: rot < gelb < grün < blau < violett. Rot liegt am niederfrequenten, langwelligen Ende des Sichtbaren und hat die niedrigste Frequenz. Violett hat die höchste sichtbare Frequenz und die kürzeste Wellenlänge. Gelbes Licht ist energiereicher als rotes, grünes energiereicher als gelbes. Blaues Licht hat eine größere Frequenz als orangefarbenes Licht von 600 nm.
Rot ist ruhig: lange Welle, kleine Frequenz, wenig Energie. Violett ist heftig: kurze Welle, große Frequenz, viel Energie. Jenseits von Violett folgt UV, jenseits von Rot folgt Infrarot.
Farbeindruck aus einem Emissionsspektrum
Eine Lampe sendet oft auch Strahlung aus, die das Auge nicht wahrnimmt. Für den Farbeindruck zählt nur der Anteil zwischen 400 und 750 nm. Am Beispiel der Quecksilberdampflampe geht man so vor:
- Fenster markieren: Auf der Wellenlängenachse den Bereich 400 bis 750 nm abgrenzen.
- Unsichtbares streichen: Die Linien bei 254 nm und 365 nm liegen im UV. Sie fallen weg, auch die besonders intensive Linie bei 254 nm.
- Farben zuordnen: 405 nm ist violett, 436 nm blau, 546 nm grün, 578 nm gelb.
- Farbeindruck ableiten: Die Mischung dieser Linien wirkt bläulich-weiß, weil die kurzwelligen Linien viel Gewicht haben.
Die Spektren selbst und wie sie entstehen, behandelt die Einheit zu Linien- und Kontinuumspektren.
Quiz
Aussage 1
Die Wärmestrahlung eines Heizkörpers ist elektromagnetische Strahlung aus dem Infrarotbereich.
Wärmestrahlung ist Infrarot und gehört damit zum elektromagnetischen Spektrum.
Aussage 2
Die intensive Linie einer Quecksilberdampflampe bei 254 nm trägt nicht zum Farbeindruck der Lampe bei.
254 nm liegt im UV unterhalb von 400 nm und ist für das Auge unsichtbar. Den Farbeindruck bestimmen nur die Linien bei 405, 436, 546 und 578 nm.
Aussage 3
Der sichtbare Bereich lässt sich in Mikrometern als etwa 0,40 bis 0,75 µm angeben.
400 bis 750 nm entsprechen 0,40 bis 0,75 µm, also knapp unterhalb von \(10^{-6}\) m.
Aussage 4
Mikrowellen sind kurzwelliger als Infrarotstrahlung.
Mikrowellen (1 mm bis 1 m) sind langwelliger als Infrarot (750 nm bis 1 mm).
Aussage 5
Röntgenstrahlung hat eine höhere Frequenz als UV-Strahlung, harte Gammastrahlung eine noch höhere.
Die Frequenz steigt in der Reihe UV, Röntgen, Gamma.
Aussage 6
Ultraschall liegt im elektromagnetischen Spektrum oberhalb der Frequenzen der Radiowellen.
Ultraschall ist eine mechanische Druckwelle in einem Medium und gehört gar nicht zum elektromagnetischen Spektrum.
Aussage 7
Elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 5 GHz gehört zum sichtbaren Licht.
5 GHz entspricht einer Wellenlänge von 6 cm und liegt im Mikrowellenbereich. Sichtbares Licht hat Frequenzen um \(10^{14}\) Hz.
Aussage 8
Mikrowellenstrahlung kann Moleküle ionisieren, wenn ihre Intensität nur hoch genug ist.
Für die Ionisation zählt die Energie des einzelnen Photons. Mikrowellenphotonen haben nur etwa \(10^{-5}\) eV und erwärmen die Materie lediglich. Ionisieren können Gamma-, Röntgen- und UV-Strahlung.
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