Strahlung ist ein physikalischer Vorgang, dessen Ergebnis die Übertragung von Energie mittels elektromagnetischer Wellen ist. Den umgekehrten Prozess zur Strahlung nennt man Absorption. Lassen Sie uns dieses Thema genauer betrachten und auch Beispiele für Strahlung im Alltag und in der Natur geben.
Physik des Auftretens von Strahlung
Jeder Körper besteht aus Atomen, die wiederum aus positiv geladenen Kernen bestehen, und aus Elektronen, die Elektronenhüllen um die Kerne bilden und negativ geladen sind. Atome sind so angeordnet, dass sie sich in verschiedenen Energiezuständen befinden können, das heißt, sie können sowohl höhere als auch niedrigere Energie haben. Wenn ein Atom die niedrigste Energie hat, spricht man von seinem Grundzustand, jeder andere Energiezustand des Atoms wird als angeregt bezeichnet.
Die Existenz unterschiedlicher Energiezustände eines Atoms beruht darauf, dass sich seine Elektronen auf bestimmten Energieniveaus befinden können. Wenn sich ein Elektron von einer höheren Ebene auf eine niedrigere bewegt, verliert das Atom Energie, die es in Form eines Photons – eines Trägerteilchens – in den umgebenden Raum abstrahltElektromagnetische Wellen. Im Gegensatz dazu wird der Übergang eines Elektrons von einem niedrigeren in ein höheres Niveau von der Absorption eines Photons begleitet.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Elektron eines Atoms auf ein höheres Energieniveau zu bringen, was die Übertragung von Energie beinh altet. Dies kann sowohl die Einwirkung externer elektromagnetischer Strahlung auf das betrachtete Atom als auch die Übertragung von Energie auf mechanische oder elektrische Mittel sein. Außerdem können Atome durch chemische Reaktionen Energie aufnehmen und wieder abgeben.
Elektromagnetisches Spektrum
Bevor wir uns den Beispielen für Strahlung in der Physik zuwenden, sei darauf hingewiesen, dass jedes Atom bestimmte Energieanteile abgibt. Dies geschieht, weil die Zustände, in denen sich ein Elektron in einem Atom befinden kann, nicht beliebig, sondern streng definiert sind. Dementsprechend ist der Übergang zwischen diesen Zuständen mit der Abgabe einer bestimmten Energiemenge verbunden.
Aus der Atomphysik ist bekannt, dass Photonen, die durch elektronische Übergänge in einem Atom entstehen, eine Energie haben, die direkt proportional zu ihrer Schwingungsfrequenz und umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist (ein Photon ist eine elektromagnetische Welle, die charakterisiert ist nach Ausbreitungsgeschwindigkeit, -länge und -frequenz). Da ein Atom eines Stoffes nur einen bestimmten Satz an Energien aussenden kann, bedeutet dies, dass auch die Wellenlängen der emittierten Photonen spezifisch sind. Die Menge all dieser Längen nennt man das elektromagnetische Spektrum.
Wenn die Wellenlänge eines Photonsliegt zwischen 390 nm und 750 nm, dann spricht man von sichtbarem Licht, da eine Person es mit eigenen Augen wahrnehmen kann, wenn die Wellenlänge weniger als 390 nm beträgt, dann haben solche elektromagnetischen Wellen eine hohe Energie und werden ultraviolett, Röntgenstrahlung genannt oder Gammastrahlung. Für Längen über 750 nm ist eine kleine Photonenenergie charakteristisch, man spricht von Infrarot-, Mikro- oder Radiostrahlung.
Wärmestrahlung von Körpern
Jeder Körper, der eine andere Temperatur als den absoluten Nullpunkt hat, strahlt Energie ab, in diesem Fall spricht man von Wärme oder Wärmestrahlung. Die Temperatur bestimmt dabei sowohl das elektromagnetische Spektrum der Wärmestrahlung als auch die vom Körper abgegebene Energiemenge. Je höher die Temperatur, desto mehr Energie strahlt der Körper in den umgebenden Raum ab und desto mehr verschiebt sich sein elektromagnetisches Spektrum in den Hochfrequenzbereich. Die Prozesse der Wärmestrahlung werden durch die Gesetze von Stefan-Boltzmann, Planck und Wien beschrieben.
Strahlungsbeispiele im Alltag
Wie oben erwähnt, strahlt absolut jeder Körper Energie in Form von elektromagnetischen Wellen ab, jedoch ist dieser Vorgang nicht immer mit bloßem Auge zu sehen, da die Temperaturen der uns umgebenden Körper meist zu niedrig sind, also deren Spektrum liegt im niederfrequenten, für den Menschen unsichtbaren Bereich.
Ein markantes Beispiel für Strahlung im sichtbaren Bereich ist eine elektrische Glühlampe. Der spiralförmig verlaufende elektrische Strom erwärmt den Wolframfaden auf bis zu 3000 K. Eine so hohe Temperatur bewirkt, dass der Faden maximal elektromagnetische Wellen aussendetdie in den langwelligen Teil des sichtbaren Spektrums fallen.
Ein weiteres Beispiel für Strahlung im Haush alt ist der Mikrowellenherd, der Mikrowellen abgibt, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Diese Wellen werden von wasserh altigen Objekten absorbiert, wodurch ihre kinetische Energie und damit ihre Temperatur erhöht wird.
Schließlich ist ein Beispiel für Strahlung im Alltag im Infrarotbereich der Strahler eines Heizkörpers. Wir sehen seine Strahlung nicht, aber wir spüren seine Wärme.
Natürliche strahlende Objekte
Das vielleicht auffälligste Beispiel für Strahlung in der Natur ist unser Stern - die Sonne. Die Temperatur auf der Sonnenoberfläche beträgt etwa 6000 K, ihr Strahlungsmaximum liegt also bei einer Wellenlänge von 475 nm, also im sichtbaren Spektrum.
Die Sonne erwärmt die Planeten um sie herum und ihre Trabanten, die ebenfalls zu leuchten beginnen. Dabei ist zwischen reflektiertem Licht und Wärmestrahlung zu unterscheiden. Unsere Erde ist also gerade aufgrund des reflektierten Sonnenlichts vom Weltraum aus in Form einer blauen Kugel zu sehen. Wenn wir von der Wärmestrahlung des Planeten sprechen, dann findet sie auch statt, liegt aber im Bereich des Mikrowellenspektrums (ca. 10 Mikrometer).
Neben reflektiertem Licht ist es interessant, ein weiteres Beispiel für Strahlung in der Natur zu geben, die mit Grillen in Verbindung gebracht wird. Das von ihnen emittierte sichtbare Licht steht in keinem Zusammenhang mit Wärmestrahlung und ist das Ergebnis einer chemischen Reaktion zwischen Luftsauerstoff und Luciferin (einem in Insektenzellen enth altenen Stoff). Dieses Phänomen istder Name der Biolumineszenz.
