Strahlung

Strahlung – 1 - Einleitung

Unter Strahlung wird die von einer Quelle in Form von Wellen oder Teilchen ausgehende Energie verstanden. Jede Strahlung lässt sich als Wellen- oder Teilchen-Strahlung erklären (Welle-Teilchen-Dualismus). Im allgemeinen ist mit Strahlung die elektromagnetische Wellenstrahlung gemeint. Jeder Körper sendet elektromagnetische Strahlung aus, deren Stärke und spektrale Zusammensetzung von der Temperatur und der Beschaffenheit des Körpers abhängen. Bei dieser Strahlung breiten sich – von der Quelle kommend – elektrische und magnetische Felder mit periodisch wechselnder Feldstärke aus. Dabei ist die Zahl der an einem gegebenen Ort eintreffenden gleichen Wellenphasen die Frequenz. Der zu einem gegebenen Zeitpunkt gemessene von der Quelle aus gesehen radiale (lat. strahlenförmig, von einem Mittelpunkt ausgehend) Abstand von zwei Orten gleicher Phase ist die Wellenlänge. Die räumliche Verteilung der Feldstärke verschiebt sich mit Lichtgeschwindigkeit in der Ausbreitungsrichtung. Das Produkt aus Wellenlänge l und Frequenz n ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit c, die innerhalb eines Mediums konstant ist. Folglich sind Wellenlänge und Frequenz zueinander umgekehrt proportional.

Die Einheit der Frequenz ist 1 Hz = 1 s-1 = 1/s

Die Einheit der Wellenlänge ist 1 Meter.

So entspricht 1 nm = 10-9 m und 0,1 nm = 10-10 m = 1 Ångström.

 

Die Kreisfrequenz errechnet sich w = 2pf

Im Vakuum breitet sich elektromagnetische Strahlung mit der Geschwindigkeit n = c aus.

   c2 = (eo mo)-1

 eo = Epsilon Null = Elektrische Feldkonstante =

   8.8542 * 10-12 m-3 kg-1 s4 A2

   = AsV-1 m-1

   entspricht cirka 10-9/ (36p) As V-1m-1

 

 mo = My Null = Magnetische Feldkonstante =

   1.2566 * 10-6 m kg s-2 A-2

   = Vs A-1 m-1

   entspricht cirka   4 p * 10-7 Vs A-1m-1

 

 c= Lichtgeschwindigkeit = 2.998 * 108 m/s = m s-1

 

Kosmische Strahlung, die auf der Erde im sogenannten Radiofenster beobachtet werden kann, kommt von Elektronen deren Geschwindigkeit höchstens um ein Millionstel kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit.

Bei weiterer Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit nimmt die Wellenlänge weiter ab (die Frequenz steigt) und kann schließlich sogar im optischen Fenster beobachtbar sein. Diese optische Strahlung tritt in Teilchenbeschleunigern auf und ist die nicht thermische Synchrotronstrahlung.

Die Radiostrahlung aus begrenzten Gebieten starker Sonnenaktivität ist ein Resultat der starken Magnetfelder auf der Sonne, die einige tausend Male stärker als das Erdmagnetfeld sind. Bereits die langsamen Elektronen des heißen Gases in der Atmosphäre der Sonne senden in solchen Magnetfeldern Radiostrahlung aus, genannt: Zyklotronstrahlung.

 

1950 fand man, dass die Milchstraße nicht nur mit langsamen Teilchen des heißen Plasmas angefüllt ist, sondern auch mit Teilchen extrem hoher Geschwindigkeit – die kosmische Strahlung. Der Ursprung muss in sehr schnellen Materieströmen liegen, z. B. bei den Explosionen massereicher Sterne. Die Teilchen der kosmischen Strahlung werden durch großräumige Magnetfelder in der Milchstraße auf spiralförmige Bahnen gezwungen. Dabei werden sie nach den Gesetzen der Physik abgebremst und geben die verlorene Energie als elektromagnetische Strahlung ab.

Röntgenstrahlung entsteht überall dort, wo extreme Verhältnisse anzutreffen sind: Temperaturen von einigen Millionen Grad oder sehr energiereiche Elektronen, die auf starke Magnetfelder treffen.

Hochenergetische Gammastrahlung: Diese Gammaquanten (50 Kilo – 30 Giga eV) haben Wellenlängen, vergleichbar dem Durchmesser eines Protons oder kleiner. Folglich kann man sie eher als Teilchen denn als Lichtwelle auffassen. Im Teraelektronenvoltbereich (1012 eV) werden Sekundärteilchen untersucht. Tscherenkow-Energie: 100 Giga – 50 Tera eV.

Das Zentrum der Milchstraße ist eine Radioquelle. Eine Radiostrahlung bei einer Wellenlänge von 15 Metern wurde 1930 gefunden. Diese Strahlung liegt gerade noch am Rand des sog. Radiofensters, größere Wellenlängen werden von der Ionosphäre reflektiert. Um Radiostrahlung unter einigen Millimetern Wellenlänge empfangen zu können, muss das Teleskop auf einen hohen Berg stehen. Das Radiofenster umspannt Wellenlängen von einigen Zehntel Millimeter bis zu 20 Metern, das sind rund fünf Zehnerpotenzen. Zum Vergleich: das optische Fenster von 0,3 bis 0,8 Millionstel Metern Wellenlänge umfasst noch nicht einmal eine Zehnerpotenz.

Für die Nachrichtenverbindungen mit Satelliten griffen Wissenschaftler auf einen Teil des Radiofensters ( etwa 1 – 15 GHz, entsprechend Wellenlängen zwischen 30 cm und 2 cm) als optimalen Frequenzbereich zurück.

Besonders bei hohen Frequenzen wird Strahlung nicht als Welle, sondern als Strom von Photonen aufgefasst.

Dabei ist die Energie des Photons

   E = hn = ?w = (hc)/l

Und der Impuls des Photons ist

   r = (hn)/c = ? k

 h = Wirkungsquantum = 6.626 * 10-34 Js

 ? = h/2p = 1.0546 * 10-34 Js

(Siehe Planck)