13.8 Das elektromagnetische Spektrum

Quelle: ➕ Themenpool · knüpft an §13.1 (Maxwell) und §13.6 (Welle–Teilchen) an

Das sichtbare Licht ist nur ein winziger Ausschnitt aus einer viel größeren Familie: Vom kilometerlangen Radiowellen bis zur extrem kurzwelligen Gammastrahlung handelt es sich um ein und dasselbe physikalische Phänomen — elektromagnetische Wellen. Sie unterscheiden sich nur durch ihre Wellenlänge $\lambda$ bzw. Frequenz $f$; im Vakuum breiten sich alle mit derselben Lichtgeschwindigkeit $c_0\approx 3\cdot {10}^8$ m/s aus.

Damit gilt durch das ganze Spektrum die Wellenbeziehung aus §13.3 und die Photonenbeziehung aus §13.6:

$$\boxed{{\displaystyle c_0=\lambda \cdot f}},\boxed{{\displaystyle E=hf=\frac{h{c}_0}{\lambda }}}$$

Symbol	Bedeutung
$c_0$	Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ($\approx 3\cdot {10}^8$ m/s) — für alle EM-Wellen gleich
$\lambda$	Wellenlänge
$f$	Frequenz
$E$	Energie eines Photons
$h$	Planck-Konstante ($6,63\cdot {10}^{-34}$ Js)

✎ Eine einzige „Achse", drei gekoppelte Größen. Weil $c_0$ fest ist, legt eine Größe die beiden anderen fest: Geht man im Spektrum nach kurzen Wellenlängen, so steigt die Frequenz ($f=c_0/\lambda$) und damit auch die Photonenenergie ($E=hf$). Kurzwellig = hochfrequent = energiereich. Deshalb ist Gammastrahlung „durchdringend" und ionisierend, während Radiowellen harmlos durch Wände gehen.

Das Spektrum von langwellig (links) zu kurzwellig (rechts):

Bereich	Wellenlänge $\lambda$ (grob)	typische Quelle / Anwendung
Radiowellen	$\sim$ km – m	Rundfunk, Fernsehen, Mobilfunk (vgl. UKW-Beispiel §13.3)
Mikrowellen	$\sim$ m – mm	Mikrowellenherd, Radar, WLAN/Handy; Hertz (1888) erzeugte genau diese
Infrarot (IR)	$\sim$ 1 mm – 750 nm	Wärmestrahlung, Fernbedienung, Wärmebildkamera
sichtbares Licht	750 nm (rot) – 400 nm (violett)	das Auge; Spektralfarben (vgl. Gitter §13.5)
Ultraviolett (UV)	$\sim$ 400 nm – 10 nm	Sonnenbrand, Schwarzlicht; löst den Photoeffekt (§13.2)
Röntgenstrahlung	$\sim$ 10 nm – 10 pm	medizinische Durchleuchtung, Materialprüfung
Gammastrahlung	$\lesssim$ 10 pm	Kernzerfall, kosmische Strahlung; hochenergetisch, ionisierend

✎ Wo liegt das sichtbare Licht? Mitten im Spektrum, aber als extrem schmales Band: nur etwa von 400 nm (violett) bis 750 nm (rot) — weniger als eine Oktave in der Frequenz. Das gesamte EM-Spektrum überstreicht dagegen viele Zehnerpotenzen. Anders gesagt: Alles, was wir mit den Augen „sehen", ist ein verschwindend kleiner Ausschnitt aller EM-Wellen. Innerhalb dieses Bandes ist Rot langwellig/niederfrequent, Violett kurzwellig/hochfrequent (passt zu den Gitter-Messwerten in §13.5).

✎ Anschluss an die Höhen-/kosmische Strahlung (Thema 6). Die hochenergetischen Photonen in der kosmischen Strahlung bzw. der Höhenstrahlung gehören zum Gamma-Bereich — dem energiereichsten Ende des Spektrums ($E=hf$ sehr groß). Sie sind genau deshalb so durchdringend und für die Teilchenschauer in der Atmosphäre mitverantwortlich (siehe Thema 6).