Transversal- und Longitudinalwellen, Polarisierbarkeit
Wie sich Transversal- und Longitudinalwellen in ihrer Schwingungsrichtung unterscheiden, welche Strahlungs- und Schallarten zu welchem Typ gehören und warum nur Transversalwellen polarisierbar sind.
Das Wichtigste in Kürze
- Transversal- und Longitudinalwellen unterscheiden sich darin, ob die Schwingungsgröße senkrecht zur oder in Ausbreitungsrichtung schwingt.
- Alle elektromagnetischen Wellen von γ-Strahlung bis Infrarot sind transversal: \(\vec{E}\) und \(\vec{B}\) schwingen senkrecht zur Laufrichtung.
- Schall und Ultraschall breiten sich in Luft als Longitudinalwellen aus, weil Gase keine Scherkräfte übertragen.
- Ultraschall ist eine mechanische Welle und gehört nicht zum elektromagnetischen Spektrum.
- Nur Transversalwellen sind polarisierbar: Infrarot auch unter Wasser, UV auch im Vakuum, Schall in Luft oder Wasser dagegen nie.
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Worum es geht
Wellen lassen sich danach einteilen, in welche Richtung sie schwingen, verglichen mit ihrer Laufrichtung. Daraus folgt direkt, ob eine Welle polarisiert werden kann. Das ist die Grundlage für jedes Polarimeter in der Arzneibuchanalytik und erklärt, warum Licht polarisierbar ist, Ultraschall aber nicht.
Schwingungsrichtung
Eine Welle transportiert eine Störung durch den Raum, ohne dass das Medium als Ganzes mitwandert. Wie man Ausbreitungsrichtung, Wellenlänge und Frequenz beschreibt, steht in Kenngrößen und Ausbreitung von Wellen. Für den Wellentyp zählt nur eine Frage: In welche Richtung schwingt es, verglichen mit der Richtung, in die die Welle läuft?
Die Schwingung erfolgt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Beispiel: Man bewegt ein Seilende auf und ab, die Welle läuft das Seil entlang.
Die Schwingung erfolgt in Ausbreitungsrichtung, also parallel zu ihr. Beispiel: Man stößt eine Schraubenfeder am Ende vor und zurück. Es laufen Verdichtungen und Verdünnungen durch die Feder.
Die Definition bezieht sich auf die Schwingungsgröße. Bei mechanischen Wellen ist das die Auslenkung der Teilchen des Mediums. Bei Licht schwingt dagegen kein Medium, sondern ein Feldvektor. Die Regel bleibt dieselbe: Quer zur Laufrichtung heißt transversal, längs heißt longitudinal.
Die Abbildung zeigt beide Fälle nebeneinander. Am Seil bewegen sich die Teilchen auf und ab, während die Welle nach rechts wandert. In der Feder pendeln die Windungen vor und zurück, in derselben Richtung wie die Welle.
Beispiele
Eine elektromagnetische Welle besteht aus einem elektrischen Feld \(\vec{E}\) und einem magnetischen Feld \(\vec{B}\). Beide stehen senkrecht aufeinander. Beide stehen außerdem senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Eine Feldkomponente in Laufrichtung gibt es bei der freien Welle nicht.
Daraus folgt: Elektromagnetische Wellen sind immer transversal und treten nie als Longitudinalwellen auf. Das gilt für das gesamte Spektrum, gleich welche Wellenlänge. Von der energiereichen γ-Strahlung bis zum langwelligen Infrarot ändert sich nur die Frequenz, nicht der Wellentyp. Licht schwingt also nie parallel zu seiner Laufrichtung.
Schall ist dagegen eine mechanische Welle. Eine Lautsprechermembran schiebt die Luftmoleküle vor und zurück. So entstehen Zonen höheren und niedrigeren Drucks, die sich in Schwingungsrichtung fortpflanzen. Schall in Luft ist deshalb longitudinal. Der Grund liegt im Medium: Gase und Flüssigkeiten übertragen keine Scherkräfte. Ein Molekül kann seinen Nachbarn nur anstoßen, nicht seitlich mitziehen. In Festkörpern können zusätzlich Transversalwellen auftreten.
Ultraschall ist Schall oberhalb der Hörgrenze von etwa 20 kHz. Er bleibt eine mechanische Welle und breitet sich in Luft ebenfalls longitudinal aus. Mit dem elektromagnetischen Spektrum hat er nichts zu tun, auch wenn der Name an Ultraviolett erinnert. Er braucht ein Medium und kann sich im Vakuum nicht ausbreiten. Seine Anwendungen behandelt Ultraschall: Echolaufzeit und Doppler-Effekt.
| Welle | Art | Wellentyp | Was schwingt |
|---|---|---|---|
| γ-Strahlung, Röntgenstrahlung | elektromagnetisch | transversal | \(\vec{E}\) und \(\vec{B}\) |
| UV, sichtbares Licht, Infrarot | elektromagnetisch | transversal | \(\vec{E}\) und \(\vec{B}\) |
| Schall aus Lautsprecher oder Orgelpfeife in Luft | mechanisch | longitudinal | Druck, Teilchenauslenkung |
| Ultraschall in Luft | mechanisch | longitudinal | Druck, Teilchenauslenkung |
Polarisierbarkeit
Natürliches Licht ist ein Gemisch vieler Wellenzüge. Ihre Feldvektoren schwingen in allen Richtungen quer zur Laufrichtung. Man kann diese Vielfalt auf eine einzige Schwingungsebene einschränken.
Polarisation bedeutet, dass die Schwingungsrichtung einer Welle festgelegt ist. Bei linear polarisierter Strahlung schwingt der Feldvektor nur noch in einer Ebene.
Das setzt voraus, dass es überhaupt mehrere mögliche Schwingungsrichtungen gibt. Bei einer Transversalwelle ist das der Fall: Senkrecht zur Laufrichtung steht eine ganze Ebene an Richtungen zur Wahl. Eine Longitudinalwelle schwingt dagegen nur längs ihrer Laufrichtung. Es gibt nichts auszuwählen. Deshalb sind nur Transversalwellen polarisierbar, Longitudinalwellen nie.
Man kann sich einen Polarisationsfilter wie einen schmalen Lattenzaun vorstellen. Ein Seil, das in alle Richtungen schwingt, kommt durch den senkrechten Spalt nur noch mit senkrechter Schwingung hindurch. Eine Schraubenfeder läuft unverändert hindurch, denn ihre Längsschwingung passt in jeden Spalt.
Für die Zuordnung zählt allein der Wellentyp. Das Medium ändert daran nichts. Infrarot bleibt unter Wasser eine elektromagnetische Transversalwelle. UV-Strahlung bleibt es im Vakuum. Schall bleibt in Luft wie in Wasser longitudinal.
| Welle und Umgebung | Wellentyp | Polarisierbar |
|---|---|---|
| Infrarotstrahlung, auch unter Wasser | transversal | ja |
| UV-Strahlung, auch im Vakuum | transversal | ja |
| hörbarer Schall in Luft | longitudinal | nein |
| Ultraschall in Luft | longitudinal | nein |
| Infraschall in Wasser | longitudinal | nein |
Polarisierbar ist, was quer schwingt: jede elektromagnetische Strahlung ja, Schall in Luft und Wasser nie, gleich welche Frequenz.
Wie man polarisiertes Licht erzeugt, nachweist und zur Messung optisch aktiver Stoffe nutzt, zeigt Optische Aktivität und Einflussgrößen des Drehwinkels.
Quiz
Aussage 1
Infrarotstrahlung lässt sich auch unter Wasser polarisieren.
Infrarot bleibt auch in Wasser eine elektromagnetische Transversalwelle und ist damit polarisierbar. Das Medium ändert den Wellentyp nicht.
Aussage 2
Ultraschall ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der an das Ultraviolett anschließt.
Ultraschall ist Schall oberhalb von etwa 20 kHz, also eine mechanische Longitudinalwelle. Mit dem elektromagnetischen Spektrum hat er nichts zu tun.
Aussage 3
Infraschall lässt sich in Wasser polarisieren, weil Wasser dichter ist als Luft.
Infraschall ist auch in Wasser eine Longitudinalwelle. Longitudinalwellen sind nie polarisierbar, die Dichte des Mediums spielt dafür keine Rolle.
Aussage 4
Röntgenstrahlung ist eine Transversalwelle, deren Feldvektoren senkrecht zur Laufrichtung schwingen.
Röntgenstrahlung ist elektromagnetisch. Alle elektromagnetischen Wellen sind transversal, unabhängig von der Wellenlänge.
Aussage 5
Bei einer Longitudinalwelle schwingt die Schwingungsgröße senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
Bei einer Longitudinalwelle schwingt die Schwingungsgröße in Ausbreitungsrichtung. Senkrecht dazu schwingt sie bei der Transversalwelle.
Aussage 6
Der Ton einer Orgelpfeife breitet sich in Luft als Longitudinalwelle aus.
Schall in Luft ist eine Folge von Verdichtungen und Verdünnungen, die Luftteilchen schwingen in Ausbreitungsrichtung.
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