Elektromagnetische Energie ist den meisten Menschen als Licht und Wärme bekannt, kann aber auch viele andere Formen annehmen, beispielsweise Radiowellen und Röntgenstrahlen. Dies sind alle Arten von Strahlung, die von der elektromagnetischen Kraft herrühren, die für alle elektrischen und magnetischen Phänomene verantwortlich ist. Die Strahlung breitet sich wellenartig mit Lichtgeschwindigkeit aus.
Im Gegensatz zu Schallwellen benötigen elektromagnetische Wellen kein Medium, durch das sie sich bewegen können, und können sich durch den leeren Raum ausbreiten. Die Länge der Welle kann von Hunderten von Yards (Metern) bis zu subatomaren Skalen variieren. Der gesamte Wellenlängenbereich wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet, von dem sichtbares Licht nur einen kleinen Teil ausmacht. Trotz des beobachteten wellenartigen Charakters der elektromagnetischen Strahlung (EMR) kann sie sich auch so verhalten, als ob sie aus winzigen Teilchen, den sogenannten Photonen, zusammengesetzt wäre.
Licht, Elektrizität und Magnetismus
Der Zusammenhang zwischen Licht und Elektromagnetismus wurde im 19. Jahrhundert durch die Arbeit des Physikers James Clerk Maxwell über elektrische und magnetische Felder aufgedeckt. Mithilfe von Gleichungen, die er entwickelte, fand er heraus, dass die Geschwindigkeit, mit der sich die Felder durch den Raum bewegen, genau der Lichtgeschwindigkeit entsprach, und schloss daraus, dass Licht eine Störung dieser Felder war, die sich in Form von Wellen ausbreitete. Seine Gleichungen zeigten auch, dass andere Formen von EMR mit längeren und kürzeren Wellenlängen möglich waren; diese wurden später identifiziert. Die Erkenntnisse von Maxwell führten zum Studium der Elektrodynamik, wonach EMR aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern im rechten Winkel zueinander und zur Bewegungsrichtung besteht. Dies erklärte die wellenartige Natur des Lichts, wie sie in vielen Experimenten beobachtet wurde.
Wellenlänge, Frequenz und Energie
Elektromagnetische Strahlung lässt sich durch ihre Wellenlänge – den Abstand zwischen den Wellenbergen – oder ihre Frequenz – die Anzahl der Wellenberge, die während eines festen Zeitintervalls an einem festen Punkt passieren – beschreiben. Bei der Bewegung durch ein Vakuum bewegt sich EMR immer mit Lichtgeschwindigkeit; Daher variiert die Geschwindigkeit, mit der sich die Wellenberge fortbewegen, nicht und die Frequenz hängt nur von der Länge der Welle ab. Eine kürzere Wellenlänge zeigt eine höhere Frequenz und eine höhere Energie an. Dies bedeutet, dass sich hochenergetische Gammastrahlen nicht schneller ausbreiten als niederenergetische Radiowellen; stattdessen haben sie viel kürzere Wellenlängen und viel höhere Frequenzen.
Die Welle-Teilchen-Dualität
Die Elektrodynamik war sehr erfolgreich bei der Beschreibung elektromagnetischer Energie in Form von Feldern und Wellen, aber Anfang des 20. Jahrhunderts warf Albert Einsteins Untersuchung des photoelektrischen Effekts, bei dem Licht Elektronen von einer Metalloberfläche löst, ein Problem auf. Er fand heraus, dass die Energie der Elektronen vollständig von der Frequenz und nicht von der Intensität des Lichts abhängt. Eine Erhöhung der Frequenz erzeugte energiereichere Elektronen, aber eine Erhöhung der Helligkeit machte keinen Unterschied. Die Ergebnisse ließen sich nur erklären, wenn das Licht aus diskreten Teilchen – später Photonen genannt – bestand, die ihre Energie auf die Elektronen übertrugen. Daraus entstand ein Rätsel: Auf großen Skalen beobachtet, verhält sich EMR wie Wellen, aber seine Wechselwirkungen mit Materie auf kleinsten Skalen können nur mit Teilchen erklärt werden.
Dies wird als Welle-Teilchen-Dualität bezeichnet. Es entstand während der Entwicklung der Quantentheorie und gilt für alles auf der subatomaren Skala; Elektronen können sich zum Beispiel sowohl als Wellen als auch als Teilchen verhalten. Unter Wissenschaftlern besteht kein allgemeiner Konsens darüber, was diese Dualität tatsächlich über die Natur elektromagnetischer Energie bedeutet.
Quantenelektrodynamik
Eine neue Theorie, bekannt als Quantenelektrodynamik (QED), entstand schließlich, um das teilchenähnliche Verhalten der EMR zu erklären. Photonen sind laut QED die Teilchen, die die elektromagnetische Kraft tragen, und die Wechselwirkungen elektrisch geladener Objekte werden durch die Produktion und Absorption dieser Teilchen erklärt, die selbst keine Ladung tragen. QED gilt als eine der erfolgreichsten Theorien, die jemals entwickelt wurden.
Wie elektromagnetische Energie erzeugt wird
Die klassische Elektrodynamik beschrieb die Erzeugung von EMR in Bezug auf die Bewegung elektrischer Ladungen, aber eine modernere Erklärung – im Einklang mit der Quantentheorie – basiert auf der Idee, dass die subatomaren Teilchen, aus denen die Materie besteht, nur bestimmte feste Energieniveaus einnehmen können. Beim Wechsel von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand wird elektromagnetische Strahlung freigesetzt. Sich selbst überlassen wird die Materie immer versuchen, ihr niedrigstes Energieniveau zu erreichen.
EMR kann erzeugt werden, wenn Materie vorübergehend Energie absorbiert – zum Beispiel wenn sie erhitzt wird – und sie dann wieder abgibt, um auf ein niedrigeres Niveau zu fallen. Ein niedrigerer Energiezustand kann auch erreicht werden, wenn sich Atome oder Moleküle in einer chemischen Reaktion miteinander verbinden. Die Verbrennung ist ein bekanntes Beispiel: Typischerweise verbindet sich ein Molekül mit Sauerstoff aus der Luft und bildet Produkte, die zusammen weniger Energie haben als das ursprüngliche Molekül. Dabei wird elektromagnetische Energie in Form von Flammen freigesetzt.
Im Kern der Sonne verbinden sich vier Wasserstoffkerne in einer Reihe von Schritten zu einem Heliumkern mit etwas weniger Masse und damit weniger Energie. Dieser Vorgang wird als Kernfusion bezeichnet. Die überschüssige Energie wird als hochfrequente Gammastrahlung freigesetzt, die von weiter außen liegenden Materie absorbiert wird, die diese Energie dann meist in Form von sichtbarem Licht und Wärme abgibt.
Elektromagnetische Energie, Leben und Technologie
Energie von der Sonne ist entscheidend für das Leben auf der Erde. Sonnenlicht erwärmt die Erdoberfläche, was wiederum die Atmosphäre erwärmt, die Temperaturen für das Leben geeignet hält und die Wettersysteme des Planeten antreibt. Pflanzen nutzen die elektromagnetische Energie der Sonne für die Photosynthese, die Methode, mit der sie Nahrung produzieren. Sonnenenergie wird in chemische Energie umgewandelt, die die Prozesse antreibt, mit denen Pflanzen die Glukose herstellen können, die sie zum Überleben aus Kohlendioxid und Wasser benötigen. Das Nebenprodukt dieser Reaktion ist Sauerstoff, daher ist die Photosynthese für die Aufrechterhaltung des Sauerstoffgehalts des Planeten verantwortlich.
Die meisten Technologien beruhen weitgehend auf elektromagnetischer Energie. Die industrielle Revolution wurde durch Wärme angetrieben, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wurde, und in jüngerer Zeit wurde die Sonnenstrahlung direkt genutzt, um „sauberen“ und erneuerbaren Strom bereitzustellen. Moderne Kommunikation, Rundfunk und Internet hängen stark von Funkwellen und von Lichtwellenleitern ab. Die Lasertechnologie verwendet Licht zum Lesen und Beschreiben von CDs und DVDs. Das meiste, was Wissenschaftler über das Universum wissen, stammt aus der Analyse von EMR verschiedener Wellenlängen von fernen Sternen und Galaxien.
Auswirkungen auf die Gesundheit
Hochfrequenz-EMR, wie Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolettes Licht, tragen genug Energie, um chemische Veränderungen in biologischen Molekülen zu bewirken. Es kann chemische Bindungen brechen oder Elektronen aus Atomen entfernen und Ionen bilden. Dies kann Zellen schädigen und die DNA verändern, was das Krebsrisiko erhöht. Es wurden auch Bedenken hinsichtlich der gesundheitlichen Auswirkungen von EMR mit niedrigerer Frequenz geäußert, wie zum Beispiel Funkwellen und Mikrowellen, die von Mobiltelefonen und anderen Kommunikationsgeräten verwendet werden. Obwohl diese Strahlungsformen keinen direkten Einfluss auf die Chemie des Lebens zu haben scheinen, können sie bei längerer Exposition zu einer Erwärmung des Gewebes in bestimmten Bereichen führen. Es scheint bisher keine schlüssigen Beweise dafür zu geben, dass dies Menschen krank machen kann.