Der Begriff elektromagnetische Welle beschreibt die Art und Weise, wie sich elektromagnetische Strahlung (EMR) durch den Raum bewegt. Verschiedene Formen von EMR unterscheiden sich durch ihre Wellenlängen, die von vielen Yards (Metern) bis zu einer Entfernung kleiner als der Durchmesser eines Atomkerns variieren können. Der gesamte Bereich, in abnehmender Reihenfolge der Wellenlänge, reicht von Radiowellen über Mikrowellen, sichtbares Licht, Ultraviolett- und Röntgenstrahlen bis hin zu Gammastrahlen und wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet. Elektromagnetische Wellen haben viele Anwendungen, sowohl in der Wissenschaft als auch im Alltag.
Lichtwellen
In vielerlei Hinsicht verhält sich eine elektromagnetische Welle ähnlich wie Wellen auf Wasser oder Schall, der sich durch ein Medium wie Luft ausbreitet. Wenn beispielsweise Licht durch eine Barriere mit zwei schmalen Schlitzen auf einen Bildschirm gestrahlt wird, sieht man ein Muster aus hellen und dunklen Streifen. Dies wird als Interferenzmuster bezeichnet: Wo die Wellenberge eines Spaltes auf die des anderen treffen, verstärken sie sich gegenseitig und bilden einen hellen Streifen, aber wo ein Wellenberg auf ein Tal trifft, heben sie sich auf und hinterlassen einen dunklen Streifen. Licht kann sich auch um ein Hindernis herum biegen, wie etwa Meeresbrecher um eine Hafenmauer: Dies wird als Beugung bezeichnet. Diese Phänomene belegen die wellenförmige Natur des Lichts.
Es wurde lange angenommen, dass Licht wie Schall durch ein Medium wandern muss. Dies erhielt den Namen „Äther“, manchmal auch „Äther“ geschrieben und galt als unsichtbares Material, das den Raum ausfüllte, aber durch das feste Objekte ungehindert hindurchgehen konnten. Experimente, die darauf abzielten, den Äther anhand seiner Wirkung auf die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Richtungen zu entdecken, fanden keine Beweise dafür, und die Idee wurde schließlich verworfen. Es war offensichtlich, dass Licht und andere Formen von EMR kein Medium benötigen und durch den leeren Raum reisen können.
Wellenlänge und Frequenz
Genau wie eine Meereswelle hat eine elektromagnetische Welle Spitzen und Täler. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei identischen Punkten der Welle von Zyklus zu Zyklus, zum Beispiel der Abstand zwischen einem Gipfel oder einem Gipfel und dem nächsten. EMR kann auch in Bezug auf seine Häufigkeit definiert werden, d. h. die Anzahl der Wellenberge, die in einem bestimmten Zeitintervall vorbeiziehen. Alle Formen von EMR bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit: der Lichtgeschwindigkeit. Daher hängt die Frequenz vollständig von der Wellenlänge ab: Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz.
Energie & Erneuerbare Energien
EMR mit kürzerer Wellenlänge oder höherer Frequenz trägt mehr Energie als längere Wellenlängen oder niedrigere Frequenzen. Die von einer elektromagnetischen Welle getragene Energie bestimmt, wie sie Materie beeinflusst. Niedrigfrequente Radiowellen stören Atome und Moleküle leicht, während Mikrowellen sie stärker in Bewegung setzen: Das Material erwärmt sich. Röntgen- und Gammastrahlen haben viel mehr Kraft: Sie können chemische Bindungen aufbrechen und Elektronen aus Atomen schlagen, wodurch Ionen gebildet werden. Aus diesem Grund werden sie als ionisierende Strahlung bezeichnet.
Der Ursprung elektromagnetischer Wellen
Die Beziehung zwischen Licht und Elektromagnetismus wurde im 19. Jahrhundert durch die Arbeit des Physikers James Clerk Maxwell begründet. Dies führte zum Studium der Elektrodynamik, bei der elektromagnetische Wellen wie Licht als Störungen oder „Wellen“ in einem elektromagnetischen Feld betrachtet werden, die durch die Bewegung elektrisch geladener Teilchen erzeugt werden. Im Gegensatz zum nicht existierenden Äther ist das elektromagnetische Feld lediglich der Einflussbereich eines geladenen Teilchens und kein greifbares, materielles Ding.
Spätere Arbeiten im frühen 20. Jahrhundert zeigten, dass EMR auch teilchenähnliche Eigenschaften hatte. Die Teilchen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht, werden Photonen genannt. Obwohl es widersprüchlich erscheint, kann sich EMR je nach Art des durchgeführten Experiments als Wellen oder als Teilchen verhalten. Dies wird als Welle-Teilchen-Dualität bezeichnet. Es gilt auch für subatomare Teilchen, ganze Atome und sogar ziemlich große Moleküle, die sich alle manchmal wie Wellen verhalten können.
Die Welle-Teilchen-Dualität entstand während der Entwicklung der Quantentheorie. Nach dieser Theorie stellt die „Welle“ die Wahrscheinlichkeit dar, ein Teilchen, beispielsweise ein Photon, an einem bestimmten Ort zu finden. Die wellenartige Natur von Partikeln und die partikelartige Natur von Wellen haben zu vielen wissenschaftlichen Debatten und einigen verblüffenden Ideen geführt, aber keinen allgemeinen Konsens darüber, was sie tatsächlich bedeuten.
In der Quantentheorie wird elektromagnetische Strahlung erzeugt, wenn subatomare Teilchen Energie freisetzen. Zum Beispiel kann ein Elektron in einem Atom Energie absorbieren, aber es muss schließlich auf ein niedrigeres Energieniveau absinken und die Energie als EMR abgeben. Je nach Beobachtung kann diese Strahlung als Teilchen oder als elektromagnetische Welle erscheinen.
Verwendung
Ein Großteil der modernen Technologie hängt von elektromagnetischen Wellen ab. Radio, Fernsehen, Mobiltelefone und das Internet sind auf die Übertragung von Hochfrequenz-EMR über Luft-, Weltraum- oder Glasfaserkabel angewiesen. Die Laser, die zum Aufzeichnen und Abspielen von DVDs und Audio-CDs verwendet werden, verwenden Lichtwellen, um auf die Discs zu schreiben und von ihnen zu lesen. Röntgengeräte sind ein unverzichtbares Werkzeug in der Medizin und der Flughafensicherheit. In der Wissenschaft stammt unser Wissen über das Universum größtenteils aus der Analyse von Licht, Radiowellen und Röntgenstrahlen von fernen Sternen und Galaxien.
Gefahren
Es wird nicht angenommen, dass elektromagnetische Wellen mit niedriger Energie, wie z. B. Radiowellen, schädlich sind. Bei höheren Energien birgt EMR jedoch Risiken. Ionisierende Strahlung wie Röntgen- und Gammastrahlen können lebende Zellen abtöten oder schädigen. Sie können auch die DNA verändern, was zu Krebs führen kann. Das Risiko für Patienten durch medizinische Röntgenstrahlen wird als vernachlässigbar angesehen, aber Röntgenographen, die ihnen regelmäßig ausgesetzt sind, tragen Bleischürzen, die Röntgenstrahlen nicht durchdringen können, um sich zu schützen. Ultraviolettes Licht, das im Sonnenlicht vorhanden ist, kann Sonnenbrand verursachen und bei übermäßiger Exposition auch Hautkrebs verursachen.