Naturwissenschaften
Was ist das elektromagnetische Spektrum, und in welcher Reihenfolge?
Kurze Antwort
Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle elektromagnetischen Wellen: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlung. Alle sind lichtschnell.
In einem Satz
Das elektromagnetische Spektrum ist die ganze Bandbreite elektromagnetischer Wellen, von langen, niederfrequenten Radiowellen bis zu sehr kurzer, hochfrequenter Gammastrahlung, mit dem sichtbaren Licht als schmalem Streifen in der Mitte.
Erklärt
Licht ist eine Welle, aber nur ein Mitglied einer viel größeren Familie. Alle Mitglieder sind elektromagnetische Wellen: Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder, die Energie transportieren. Es sind Transversalwellen, sie brauchen keinen Stoff zur Ausbreitung, und im Vakuum sind sie alle gleich schnell, nämlich lichtschnell: etwa 3,0 · 10⁸ m/s (300 000 km pro Sekunde). So gelangen Licht und Wärme der Sonne durch den leeren Weltraum zu uns.
Sonne
Handy
Regenbogen
Die Wellen unterscheiden sich in ihrer Wellenlänge λ (Abstand von Wellenberg zu Wellenberg) und ihrer Frequenz f (wie viele Wellen pro Sekunde an einem Punkt vorbeikommen, in Hertz, Hz). Entlang des Spektrums wird die Wellenlänge kürzer, die Frequenz größer, und jedes Energiepaket (Photon) trägt mehr Energie. Nach steigender Frequenz geordnet:
Radiowellen → Mikrowellen → Infrarot → sichtbares Licht → Ultraviolett (UV) → Röntgenstrahlung → Gammastrahlung
Eine Merkhilfe: „Rote Möwen im Licht über Rügens Gärten“ (Radio, Mikrowellen, Infrarot, Licht, UV, Röntgen, Gamma). Im sichtbaren Bereich hat Rot die größte und Violett die kleinste Wellenlänge (Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Violett).
Geschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge hängen über die Wellengleichung zusammen:
Ausbreitungsgeschwindigkeit = Wellenlänge · Frequenz, c = λ · f
Weil c fest ist, bedeutet eine höhere Frequenz immer eine kürzere Wellenlänge. Die Zahlen sind riesig oder winzig, deshalb schreibt man sie in wissenschaftlicher Schreibweise und mit Vorsätzen: kHz = 10³ Hz, MHz = 10⁶ Hz, GHz = 10⁹ Hz und nm = 10⁻⁹ m.
Ist das gefährlich? Es kommt auf die Frequenz an. Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot und sichtbares Licht sind nicht ionisierend: Sie können keine Elektronen aus Atomen herausschlagen. Die wichtigste bekannte Wirkung starker Mikrowellen oder Infrarotstrahlung ist Erwärmung, und Handys und WLAN senden mit geringer Leistung. UV-Strahlung kann Hautzellen und Augen schädigen, deshalb gibt es Sonnencreme. Ihr hochfrequenter Teil ist sogar schwach ionisierend. Röntgen- und Gammastrahlung sind ionisierend: Sie können die DNA schädigen, darum hält man die Dosis so klein wie möglich und schützt das Personal.
Das Spektrum wurde in etwa einem Jahrhundert entdeckt. Wilhelm Herschel fand 1800 das Infrarot mit einem Thermometer jenseits des roten Endes eines Spektrums; Johann Wilhelm Ritter 1801 das Ultraviolett; James Clerk Maxwell sagte in den 1860er-Jahren elektromagnetische Wellen voraus; Heinrich Hertz erzeugte 1887 Radiowellen; Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte 1895 in Würzburg die nach ihm benannte Strahlung; und Paul Villard wies 1900 die Gammastrahlung nach, die bei der Radioaktivität entsteht.
Beispiele
| Welle | Typische Wellenlänge | Anwendungen | Hinweis |
|---|---|---|---|
| Radiowellen | 1 m bis viele km | Radio, Fernsehen | größte Wellenlänge |
| Mikrowellen | 1 mm bis 1 m | Handy, WLAN, Satelliten, Mikrowellenherd | erwärmen Wasser im Essen |
| Infrarot | 700 nm bis 1 mm | Fernbedienung, Wärmebildkamera, Grill, Glasfaser | als Wärme spürbar |
| Sichtbares Licht | 400 nm (violett) bis 700 nm (rot) | Sehen, Fotografie | der einzige Teil, den unsere Augen sehen |
| Ultraviolett | 10 nm bis 400 nm | Sicherheitsmerkmale auf Geldscheinen, Wasserentkeimung, Leuchtstofflampen | verursacht Sonnenbrand |
| Röntgenstrahlung | 0,01 nm bis 10 nm | Röntgenbilder, Gepäckkontrolle am Flughafen | ionisierend |
| Gammastrahlung | unter etwa 0,01 nm | Strahlentherapie, Sterilisieren von Medizinprodukten | ionisierend, aus Atomkernen |
Rechenbeispiel: Ein UKW-Sender sendet auf 100 MHz. λ = c : f = (3,0 · 10⁸ m/s) : (1,0 · 10⁸ Hz) = 3,0 m.
Häufige Fehler
- Vorsätze nicht umrechnen. 100 MHz sind 1,0 · 10⁸ Hz und 500 nm sind 5,0 · 10⁻⁷ m. Erst in Hz und Meter umrechnen, dann c = λ · f benutzen.
- „Wellen mit höherer Frequenz sind schneller.“ Im Vakuum sind alle gleich schnell; höhere Frequenz heißt nur kürzere Wellenlänge.
- „Schall gehört zum Spektrum.“ Schall ist eine mechanische Welle und braucht einen Stoff. In Luft ist er etwa 340 m/s schnell, im Weltraum breitet er sich gar nicht aus.
- „Jede Strahlung ist radioaktiv und schädlich.“ Radiowellen, Mikrowellen und Licht sind auch Strahlung, aber nicht ionisierend. Nur das hochfrequente Ende ist ionisierend.
Schritt für Schritt
Schritt für Schritt
- Formel aufschreibenC = λ · f. Bei Bedarf umstellen: f = c : λ oder λ = c : f.
- Einheiten umrechnenFrequenz in Hz, Wellenlänge in m: MHz · 10⁶, GHz · 10⁹, nm · 10⁻⁹.
- Lichtgeschwindigkeit einsetzenFür elektromagnetische Wellen in Luft oder Vakuum gilt c = 3,0 · 10⁸ m/s.
- In Zehnerpotenzen rechnenZahlen teilen, Exponenten subtrahieren: 10⁸ : 10⁹ = 10⁻¹.
- Ergebnis prüfenRadiowellen liegen im Meterbereich, sichtbares Licht bei einigen hundert Nanometern, Röntgenstrahlung weit darunter.
Übungsaufgaben
Das elektromagnetische Spektrum und c = λ · f
Löse jede Aufgabe und prüfe dann deine Antwort.
- Ordne nach steigender Frequenz: Röntgenstrahlung, Radiowellen, sichtbares Licht, Mikrowellen.
Lösung zeigen
Radiowellen, Mikrowellen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung - Was hat die größere Wellenlänge, Infrarot oder Ultraviolett?
Lösung zeigen
Infrarot - Wie schnell sind alle elektromagnetischen Wellen im Vakuum?
Lösung zeigen
Etwa 3,0 · 10⁸ m/s - Schreibe 2,4 GHz in Hertz, in Zehnerpotenzschreibweise.
Lösung zeigen
2,4 · 10⁹ Hz - Berechne die Wellenlänge eines WLAN-Signals mit 2,4 GHz.
Lösung zeigen
λ = (3,0 · 10⁸) : (2,4 · 10⁹) = 0,125 m (12,5 cm) - Ein Mikrowellenherd arbeitet mit 2,45 GHz. Berechne die Wellenlänge.
Lösung zeigen
λ = (3,0 · 10⁸) : (2,45 · 10⁹) ≈ 0,12 m (etwa 12 cm) - Rotes Licht hat eine Wellenlänge von 700 nm. Berechne seine Frequenz.
Lösung zeigen
700 nm = 7,0 · 10⁻⁷ m; f = (3,0 · 10⁸) : (7,0 · 10⁻⁷) ≈ 4,3 · 10¹⁴ Hz - Violettes Licht hat eine Wellenlänge von 400 nm. Berechne seine Frequenz.
Lösung zeigen
f = (3,0 · 10⁸) : (4,0 · 10⁻⁷) = 7,5 · 10¹⁴ Hz - Eine Welle hat f = 5,0 · 10¹⁴ Hz und λ = 6,0 · 10⁻⁷ m. Berechne ihre Geschwindigkeit.
Lösung zeigen
c = 6,0 · 10⁻⁷ · 5,0 · 10¹⁴ = 30 · 10⁷ = 3,0 · 10⁸ m/s - Röntgenstrahlung hat eine Wellenlänge von 1,0 · 10⁻¹⁰ m. Berechne die Frequenz.
Lösung zeigen
f = (3,0 · 10⁸) : (1,0 · 10⁻¹⁰) = 3,0 · 10¹⁸ Hz - Gammastrahlung hat eine Frequenz von 3,0 · 10²⁰ Hz. Berechne die Wellenlänge.
Lösung zeigen
λ = (3,0 · 10⁸) : (3,0 · 10²⁰) = 1,0 · 10⁻¹² m - Ein Langwellensender hat eine Wellenlänge von 1500 m. Berechne die Frequenz in kHz.
Lösung zeigen
f = (3,0 · 10⁸) : 1500 = 2,0 · 10⁵ Hz = 200 kHz - Sonnenlicht legt bis zur Erde 1,5 · 10¹¹ m zurück. Wie lange braucht es?
Lösung zeigen
t = (1,5 · 10¹¹) : (3,0 · 10⁸) = 500 s (etwa 8 Minuten und 20 Sekunden) - Nenne die drei ionisierenden Bereiche des Spektrums.
Lösung zeigen
Ultraviolett (sein hochfrequenter Teil), Röntgenstrahlung und Gammastrahlung
Sachaufgaben
Elektromagnetische Wellen im Alltag
Löse jede Aufgabe und prüfe dann deine Antwort.
- Ein Handysignal hat eine Frequenz von 900 MHz. Wie groß ist die Wellenlänge?
Lösung zeigen
λ = (3,0 · 10⁸) : (9,0 · 10⁸) ≈ 0,33 m (etwa 33 cm) - Ein Satellit befindet sich 36 000 km über der Erde. Wie lange braucht ein Signal bis zu ihm?
Lösung zeigen
36 000 km = 3,6 · 10⁷ m; t = (3,6 · 10⁷) : (3,0 · 10⁸) = 0,12 s - Ein Blitz schlägt 3 km entfernt ein. Warum siehst du ihn etwa 9 Sekunden, bevor du den Donner hörst?
Lösung zeigen
Licht braucht 3000 : (3,0 · 10⁸) = 0,00001 s, Schall mit etwa 340 m/s aber 3000 : 340 ≈ 8,8 s. - Ein Rettungsteam findet Menschen im Dunkeln mit einer besonderen Kamera. Welche Strahlung erkennt sie, und warum klappt das?
Lösung zeigen
Infrarot: Warme Körper senden mehr Infrarotstrahlung aus als die kühlere Umgebung. - Warum schützt Sonnencreme die Haut, und welche Strahlung hält sie ab?
Lösung zeigen
Sie absorbiert oder reflektiert UV-Strahlung, die Hautzellen schädigen und Sonnenbrand verursachen kann.
Häufige Fragen
Wie beschreibt man das elektromagnetische Spektrum im Überblick?
Man ordnet die Wellen nach Frequenz oder Wellenlänge: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, UV, Röntgen- und Gammastrahlung. Dazu nennt man, dass alle gleich schnell sind (c = λ · f), dass die Energie mit der Frequenz steigt und für jeden Bereich eine typische Anwendung.
Wo liegt das Licht im elektromagnetischen Spektrum?
Sichtbares Licht ist nur ein schmaler Bereich von etwa 400 nm (violett) bis 700 nm (rot). Links davon (längere Wellen) liegt Infrarot, rechts davon (kürzere Wellen) Ultraviolett. Ein Prisma zerlegt weißes Licht in die Regenbogenfarben.
Woraus besteht elektromagnetische Strahlung?
Aus gekoppelten Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder. Man kann sie auch als Strom winziger Energiepakete beschreiben, der Photonen.
Ist Handystrahlung gefährlich?
Handys und WLAN nutzen Radiowellen und Mikrowellen, also nicht ionisierende Strahlung, die Moleküle nicht wie Röntgenstrahlung zerbrechen kann. Ihre wichtigste bekannte Wirkung ist eine geringe Erwärmung; für Geräte gelten Grenzwerte.
Warum heißen X-Strahlen im Deutschen Röntgenstrahlen?
Wilhelm Conrad Röntgen nannte die neue Strahlung 1895 selbst „X-Strahlen“, weil sie unbekannt war. Im Deutschen setzte sich der Name des Entdeckers durch, im Englischen blieb „X-rays“.
Warum ist das elektromagnetische Spektrum wichtig?
Fast unsere ganze Kommunikation (Radio, Fernsehen, Handy, WLAN), große Teile der Medizin und die Astronomie beruhen darauf. Radio-, Infrarot- und Röntgenteleskope zeigen Teile des Weltalls, die unsere Augen nicht sehen.
Kurzes Quiz
Das elektromagnetische Spektrum
Teste dein Wissen mit 5 kurzen Fragen.
Frage 1 von 5
Welche Liste ist nach steigender Frequenz geordnet?
Üben
Probier es aus
Übe das elektromagnetische Spektrum mit unbegrenzten Aufgaben
Arbeitsblätter Physik
Schritt für Schritt üben im ganzen Kurs: Naturwissenschaften · Klasse 10
Für Erwachsene
Verwandte Themen
Licht
Licht ist eine Form von Energie, die sich sehr schnell in geraden Linien ausbreitet. Wir sehen Dinge, wenn ihr Licht in unsere Augen fällt, weil sie selbst leuchten oder Licht zurückwerfen.
Radioaktivität
Radioaktivität ist der Zerfall instabiler Atomkerne, die dabei Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung aussenden. Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Hälfte dieser Kerne zerfällt.
Die Sonne
Die Sonne ist ein Stern im Zentrum unseres Sonnensystems. Sie ist ein riesiger Ball aus heißem Gas, der uns Licht und Wärme gibt, und rund 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt.
Wissenschaftliche Schreibweise
In der wissenschaftlichen Schreibweise schreibt man sehr große oder sehr kleine Zahlen als Zahl von 1 bis 10 mal einer Zehnerpotenz. Zum Beispiel ist 3.500.000 gleich 3,5 · 10⁶.
Wellen
Eine Welle transportiert Energie von einem Ort zum anderen, aber keine Materie. Es gibt Quer- und Längswellen, und für die Ausbreitungsgeschwindigkeit gilt c = λ · f.
Beschleunigung
Die Beschleunigung gibt an, wie schnell sich die Geschwindigkeit ändert. a = Δv : Δt, Geschwindigkeitsänderung durch Zeit, gemessen in Metern pro Sekunde zum Quadrat (m/s²).