Das elektromagnetische Spektrum
Ein Mikrowellenherd arbeitet mit 2.45 GHz. Seine Wellen sind daher etwa 12 cm lang; rotes Laserlicht hat 633 nm, ist also etwa 190 000-mal kürzer.
Licht ist eine Art elektromagnetischer Welle
In den 1860er-Jahren berechnete James Clerk Maxwell, dass sich verändernde elektrische und magnetische Felder als Wellen ausbreiten müssten, und bestimmte deren Geschwindigkeit. Sie entsprach der gemessenen Lichtgeschwindigkeit. Daraus schloss er, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist, deren Wellenlängen das Auge wahrnehmen kann. Seine Theorie ließ auch andere Wellenlängen zu. OpenStax beschreibt, wie Heinrich Hertz ab 1887 solche Wellen im Labor mit funkenerzeugenden Schaltungen herstellte und nachwies. Er bestimmte ihre Wellenlänge anhand von Interferenzmustern und zeigte, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Radiowellen standen schon im Laborprotokoll, bevor jemand eine Verwendung dafür hatte.
Alle elektromagnetischen Wellen breiten sich im Vakuum mit derselben Geschwindigkeit aus: c = 299 792 458 m/s. NIST gibt diesen Wert als exakt an, denn seit 1983 ist der Meter darüber definiert. Für diese Wellen wird die Wellengleichung zu c = fλ. OpenStax zieht daraus die entscheidende Folgerung: Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge. Nach Wellenlänge geordnet, von langen Radiowellen bis zu sehr kurzwelliger Gammastrahlung, bilden sie das elektromagnetische Spektrum.
Von Radiowellen bis Gammastrahlung
Radiowellen haben die längsten Wellenlängen, von etwa einem Meter bis zu Kilometern. OpenStax nennt die Rundfunkbereiche: AM-Radio bei 540 bis 1600 kHz mit Wellenlängen von Hunderten Metern, die um Hügel und Gebäude gebeugt werden, und UKW-Radio bei 88 bis 108 MHz mit etwa 3 m langen Wellen. Es folgen Mikrowellen, von etwa einem Millimeter bis zu einigen zehn Zentimetern. Sie übertragen Mobilfunk- und Satellitensignale. Im Mikrowellenherd werden Wellen mit 2.45 GHz vom Wasser in Lebensmitteln absorbiert. Alles Warme gibt Infrarotstrahlung ab, die Wärmebildkameras sichtbar machen.
Sichtbares Licht bildet einen schmalen Bereich. NASA gibt etwa 380 bis 700 Nanometer an, von Violett bis Rot; OpenStax verwendet 400 bis 750 nm. Die Grenzen hängen vom Menschen ab. Ultraviolett reicht von 400 nm bis etwa 10 nm. OpenStax teilt die solare UV-Strahlung in UV-A (320 bis 400 nm), UV-B (290 bis 320 nm) und UV-C (220 bis 290 nm) ein. Ozon hoch in der Atmosphäre absorbiert den größten Teil von UV-B und die gesamte UV-C-Strahlung. Deshalb sind etwa 99% der solaren UV-Strahlung, die den Boden erreicht, UV-A. Röntgenstrahlen sind noch kurzwelliger, bis unter 0.01 nm. Sie entstehen, wenn schnelle Elektronen auf ein Ziel treffen. Gammastrahlung stammt aus Kernzerfällen.
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Drei Faustregeln
OpenStax fasst das Spektrum in drei Faustregeln zusammen, zu denen es jeweils Ausnahmen gibt. Eine höhere Frequenz bedeutet mehr Energie pro Photon, doch die Durchdringung hängt vom Material und der Wellenlänge ab. Röntgenstrahlen können weiches Gewebe durchdringen; von der Haut absorbierte UV-Strahlung kann sie schädigen. Hochfrequente Wellen können mehr Information pro Sekunde übertragen. Daher transportieren Glasfasern weit mehr Daten als Kupferdrähte. Und je kürzer die Wellenlänge, mit der man etwas untersucht, desto feinere Einzelheiten werden erkennbar. Deshalb kann Röntgenbeugung die Anordnung von Atomen in einem Kristall zeigen. Eine weitere Tatsache ist überall wichtig: Die Atmosphäre lässt manche Bereiche durch, etwa sichtbares Licht und viele Radiowellen, und blockiert andere. Röntgen- und Gammateleskope müssen deshalb im Weltraum arbeiten, wie NASA erklärt.
| Spektralbereich | Ungefähre Wellenlänge | Anwendungen |
|---|---|---|
| Radiowellen | über 1 m | Rundfunk, MRT |
| Mikrowellen | 1 mm bis 1 m | Mobiltelefone, Radar, Mikrowellenherde |
| Infrarot | 750 nm bis 1 mm | Wärmebilder, Heizung |
| Sichtbar | etwa 400 bis 750 nm | Sehen, Fotosynthese |
| Ultraviolett | 10 bis 400 nm | Entkeimung; Vitamin D in der Haut |
| Röntgenstrahlung | 0.01 bis 10 nm | Medizinische Bilder, Sicherheitskontrollen |
| Gammastrahlung | unter 0.01 nm | Nuklearmedizin |
- Welche Wellenlänge hat eine UKW-Radiowelle mit 100 MHz? Verwende c = 3.00 × 10⁸ m/s.
- Ein Mikrowellenherd arbeitet mit 2.45 GHz. Wie groß ist die Wellenlänge in Zentimetern? Eine Nachkommastelle, c = 3.00 × 10⁸ m/s.
- Grünes Licht hat eine Wellenlänge von 500 nm. Wie groß ist seine Frequenz in Einheiten von 10¹⁴ Hz? Verwende c = 3.00 × 10⁸ m/s.
- Was hat die höchste Frequenz?
- Gammastrahlung
- Sichtbares Licht
- Mikrowellen
- Radiowellen
- Wie verhält sich im Vakuum die Geschwindigkeit eines Röntgenstrahls zu der einer Radiowelle?
- Sie ist gleich
- Viel schneller
- Viel langsamer
- Das hängt von der Frequenz ab
- Wer erzeugte und detektierte ab 1887 erstmals elektromagnetische Wellen in einem Labor?
- Heinrich Hertz
- James Clerk Maxwell
- Thomas Young
- Isaac Newton
- Etwa 99% der solaren UV-Strahlung, die den Boden erreicht, sind …
- UV-A
- UV-B
- UV-C
- Gammastrahlung
- Welche Faustregel erklärt, warum Glasfasern mehr Daten übertragen können als Funkverbindungen?
- Höhere Frequenzen können mehr Information pro Sekunde übertragen
- Längere Wellenlängen machen feinere Einzelheiten sichtbar
- Niedrige Frequenzen dringen stärker durch Materie
- Licht ist langsamer als Radiowellen
- Warum müssen Röntgenteleskope im Weltraum arbeiten?
- Die Atmosphäre absorbiert Röntgenstrahlung
- Röntgenstrahlen sind zu langsam
- Röntgenstrahlen gibt es nur im Weltraum
- Teleskope lassen sich nicht am Boden bauen
- Das UKW-Band reicht bis 108 MHz. Wie groß ist die kürzeste UKW-Wellenlänge? Zwei Nachkommastellen, c = 3.00 × 10⁸ m/s.
- Licht ist eine elektromagnetische Welle (Maxwell); Hertz erzeugte ab 1887 Radiowellen.
- Im Vakuum bewegt sich jede elektromagnetische Welle mit c = 299 792 458 m/s, und c = fλ.
- Nach Wellenlänge geordnet: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung.
- Eine höhere Frequenz bedeutet mehr Energie pro Photon; die Durchdringung hängt vom Material und der Wellenlänge ab. Höhere Frequenzen können mehr Informationen übertragen und feinere Einzelheiten zeigen.
Quellen zu diesem Kurs (11)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 16.9 Waves (disturbance that propagates, gull example λ 10.0 m, T 5.00 s, v = 2.00 m/s, transverse and longitudinal, amplitude independent of speed)
- 16.10 Superposition and Interference (constructive, destructive, standing waves, f1 = v/2L, beats fB = |f1 − f2|, 256 Hz fork with 2 beats -> 254 or 258 Hz)
- 17.2 Speed of Sound (Table 17.1: air 331 m/s at 0 °C, helium 965, fresh water 1480, sea water 1540, steel 5960, vulcanized rubber 54; v = 331 m/s × √(T/273 K); 343 m/s at 20 °C; audible range 20 to 20 000 Hz; P-waves 4 to 7 km/s, S-waves 2 to 5 km/s; Oldham and Lehmann)
- 17.3 Sound Intensity (I0 = 10⁻¹² W/m², Table 17.2, factor 10 = 10 dB, factor 2 = 3 dB, 85 dB for 8 h footnote, bel named for Bell)
- 17.5 Sound Interference and Resonance (noise-cancelling headphones 30 dB or more, closed tube λ = 4L and f_n = n v/4L with n odd, open tube f_n = n v/2L, 128 Hz tube at 22 °C = 0.672 m, ninth harmonic 1.15 kHz, trumpet vs clarinet overtones)
- 24.1 (Maxwell; Hertz from 1887)
- 24.3 The Electromagnetic Spectrum (c = fλ, Table 24.1, three rules of thumb, AM 540 to 1600 kHz, FM 88 to 108 MHz, microwave oven 2.45 GHz, visible 400 to 750 nm, UV 400 to about 10 nm, UV-A 320 to 400, UV-B 290 to 320, UV-C 220 to 290 nm, 99% of surface UV is UV-A, X-rays below 0.01 nm)
- 27.3 Young's Double Slit (1801, d sin θ = mλ, 0.0100 mm and 633 nm example)
- NASA science.nasa.gov/ems (Introduction, Visible Light: 380 to 700 nm; atmospheric windows)
- NIST, c = 299 792 458 m/s exact (nist.gov/si-redefinition/meter)
- ISO 16:1975 (A = 440 Hz, iso.org/standard/3601.html).
Abgerufen: 2026-10-17