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Das elektromagnetische (EM) Spektrum ist der Bereich aller Arten von EM-Strahlung. Strahlung ist Energie, die sich fortbewegt und ausbreitet. Das sichtbare Licht, das von einer Lampe in Ihrem Haus kommt, und die Radiowellen, die von einem Radiosender kommen, sind zwei Arten von elektromagnetischer Strahlung. Die anderen Arten von EM-Strahlung, die das elektromagnetische Spektrum ausmachen, sind Mikrowellen, infrarotes Licht, ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.
Sie wissen mehr über das elektromagnetische Spektrum, als Sie vielleicht denken. Die folgende Abbildung zeigt, wo Sie jedem Teil des EM-Spektrums in Ihrem täglichen Leben begegnen könnten.
Das elektromagnetische Spektrum von der niedrigsten Energie/längsten Wellenlänge (oben) bis zur höchsten Energie/kürzesten Wellenlänge (unten). (Credit: NASA’s Imagine the Universe)
Radio: Ihr Radio fängt Radiowellen ein, die von Radiosendern ausgestrahlt werden, und bringt Ihre Lieblingsmusik. Radiowellen werden auch von Sternen und Gasen im Weltraum ausgestrahlt.
Mikrowelle: Mikrowellenstrahlung kocht Ihr Popcorn in wenigen Minuten, wird aber auch von Astronomen genutzt, um etwas über die Struktur von nahen Galaxien zu erfahren.
Infrarot: Nachtsichtbrillen nehmen das Infrarotlicht auf, das von unserer Haut und von Gegenständen mit Wärme abgegeben wird. Im Weltraum hilft uns das Infrarotlicht, den Staub zwischen den Sternen zu kartieren.
Sichtbar: Unser Auge nimmt sichtbares Licht wahr. Glühwürmchen, Glühbirnen und Sterne strahlen alle sichtbares Licht aus.
Ultraviolett: Ultraviolette Strahlung wird von der Sonne ausgestrahlt und ist der Grund für Hautbräune und Verbrennungen. „Heiße“ Objekte im Weltraum emittieren ebenfalls UV-Strahlung.
Röntgenstrahlen: Ein Zahnarzt verwendet Röntgenstrahlen, um Ihre Zähne abzubilden, und die Flughafensicherheit verwendet sie, um durch Ihre Tasche zu sehen. Heiße Gase im Universum senden ebenfalls Röntgenstrahlen aus.
Gammastrahlen: Ärzte nutzen Gammastrahlen, um in Ihren Körper zu sehen. Der größte Gammastrahlengenerator von allen ist das Universum.
Ist eine Radiowelle dasselbe wie ein Gammastrahl?
Sind Radiowellen völlig andere physikalische Objekte als Gammastrahlen? Sie werden in unterschiedlichen Prozessen erzeugt und werden auf unterschiedliche Weise detektiert, aber sie sind nicht grundsätzlich verschieden. Radiowellen, Gammastrahlen, sichtbares Licht und alle anderen Teile des elektromagnetischen Spektrums sind elektromagnetische Strahlung.
Elektromagnetische Strahlung kann als ein Strom masseloser Teilchen, Photonen genannt, beschrieben werden, die sich wellenförmig mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Jedes Photon enthält eine bestimmte Menge an Energie. Die verschiedenen Arten von Strahlung werden durch die Menge an Energie definiert, die in den Photonen enthalten ist. Radiowellen haben Photonen mit geringer Energie, Mikrowellen-Photonen haben etwas mehr Energie als Radiowellen, Infrarot-Photonen haben noch mehr, dann sichtbare, ultraviolette, Röntgenstrahlen und, die energiereichste von allen, Gammastrahlen.
Messung elektromagnetischer Strahlung
Elektromagnetische Strahlung kann in Form von Energie, Wellenlänge oder Frequenz ausgedrückt werden. Die Frequenz wird in Zyklen pro Sekunde, oder Hertz, gemessen. Die Wellenlänge wird in Metern gemessen. Die Energie wird in Elektronenvolt gemessen. Jede dieser drei Größen zur Beschreibung von EM-Strahlung steht in einer präzisen mathematischen Beziehung zueinander. Aber warum gibt es drei Arten, Dinge zu beschreiben, jede mit einem anderen Satz von physikalischen Einheiten?
Vergleich von Wellenlänge, Frequenz und Energie für das elektromagnetische Spektrum. (Credit: NASA’s Imagine the Universe)
Die kurze Antwort ist, dass Wissenschaftler es nicht mögen, Zahlen zu verwenden, die größer oder kleiner sind als sie es müssen. Es ist viel einfacher, „zwei Kilometer“ zu sagen oder zu schreiben als „zweitausend Meter“. Im Allgemeinen verwenden Wissenschaftler die Einheiten, die für die Art der EM-Strahlung, mit der sie arbeiten, am einfachsten sind.
Astronomen, die Radiowellen untersuchen, neigen dazu, Wellenlängen oder Frequenzen zu verwenden. Der größte Teil des Radioteils des EM-Spektrums fällt in den Bereich von etwa 1 cm bis 1 km, was 30 Gigahertz (GHz) bis 300 Kilohertz (kHz) an Frequenzen entspricht. Das Radio ist ein sehr breiter Teil des EM-Spektrums.
Infrarot- und optische Astronomen verwenden im Allgemeinen die Wellenlänge. Infrarot-Astronomen verwenden Mikrometer (Millionstel Meter) für die Wellenlänge, so dass ihr Teil des EM-Spektrums in den Bereich von 1 bis 100 Mikrometer fällt. Optische Astronomen verwenden sowohl Angström (0,00000001 cm, oder 10-8 cm) als auch Nanometer (0,0000001 cm, oder 10-7 cm). Bei Verwendung von Nanometern haben violettes, blaues, grünes, gelbes, oranges und rotes Licht Wellenlängen zwischen 400 und 700 Nanometern. (Dieser Bereich ist nur ein winziger Teil des gesamten EM-Spektrums, so dass das Licht, das unsere Augen sehen können, nur einen kleinen Bruchteil der gesamten EM-Strahlung um uns herum ausmacht)
Die Wellenlängen der ultravioletten, Röntgen- und Gammastrahlenbereiche des EM-Spektrums sind sehr klein. Anstatt Wellenlängen zu verwenden, beziehen sich Astronomen, die diese Teile des EM-Spektrums untersuchen, gewöhnlich auf diese Photonen durch ihre Energien, gemessen in Elektronenvolt (eV). Ultraviolette Strahlung fällt in den Bereich von ein paar Elektronenvolt bis etwa 100 eV. Röntgenphotonen haben Energien im Bereich von 100 eV bis 100.000 eV (oder 100 keV). Gammastrahlen sind dann alle Photonen mit Energien größer als 100 keV.
Zeige mir ein Diagramm der Wellenlängen-, Frequenz- und Energiebereiche des Spektrums
Warum stellen wir Teleskope in die Umlaufbahn?
Die Erdatmosphäre hält die meisten Arten von elektromagnetischer Strahlung aus dem Weltraum davon ab, die Erdoberfläche zu erreichen. Diese Abbildung zeigt, wie weit verschiedene Teile des EM-Spektrums in die Atmosphäre eindringen können, bevor sie absorbiert werden. Nur Teile des Radios und des sichtbaren Lichts erreichen die Oberfläche. (Credit: STScI/JHU/NASA)
Die meiste elektromagnetische Strahlung aus dem Weltraum kann die Erdoberfläche nicht erreichen. Radiofrequenzen, sichtbares Licht und etwas ultraviolettes Licht schaffen es bis auf Meereshöhe. Astronomen können einige infrarote Wellenlängen beobachten, indem sie Teleskope auf Berggipfeln aufstellen. Ballonexperimente können bis zu 35 km über die Oberfläche reichen und monatelang betrieben werden. Raketenflüge können Instrumente ganz über die Erdatmosphäre bringen, aber nur für ein paar Minuten, bevor sie wieder zur Erde fallen.
Für Langzeitbeobachtungen ist es jedoch am besten, seinen Detektor auf einem Satelliten in der Umlaufbahn zu haben und über allem zu stehen!
Aktualisiert: März 2013