Physik · Klasse 9–12 · aktualisiert
Elektromagnetisches Spektrum einfach erklärt
Ordne Radio, Infrarot, Licht, UV, Röntgen- und Gammastrahlung nach Wellenlänge, Frequenz und Energie ein.
0 von 11 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Das elektromagnetische Spektrum ordnet alle elektromagnetischen Wellen nach Wellenlänge oder Frequenz. Es reicht von langwelligen Radiowellen bis zu kurzwelliger Gammastrahlung. Sichtbares Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt; eine Wärmebildkamera erfasst dagegen Infrarotstrahlung.
Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle elektromagnetischen Wellen: von langwelligen Radiowellen bis zu kurzwelliger Gammastrahlung. Sichtbares Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt davon.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Eine elektromagnetische Welle besteht aus sich verändernden elektrischen und magnetischen Feldern. Im Vakuum breitet sie sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Näherungsweise gilt:
c\approx3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s}
Radio, Infrarot, sichtbares Licht und Röntgenstrahlung wirken verschieden. Physikalisch gehören sie zur gleichen Wellenart. Sie unterscheiden sich vor allem durch die Wellenlänge \lambda, die Frequenz f und die Energie einzelner Photonen, also Energieportionen elektromagnetischer Strahlung.
Definition
Wellenlänge
Die Wellenlänge \lambda ist der räumliche Abstand zwischen zwei Punkten einer Welle mit gleicher Schwingungsphase, zum Beispiel zwischen zwei Wellenbergen. Sie wird in Metern angegeben.
Definition
Frequenz
Die Frequenz f gibt an, wie viele vollständige Schwingungen pro Sekunde stattfinden. Ihre Einheit ist Hertz: 1\,\mathrm{Hz}=1\,\mathrm{s^{-1}}.
Teste dich
Im Vakuum gilt:
c=\lambda\cdot f
Daraus folgen die Umstellungen:
f=\frac{c}{\lambda}
\lambda=\frac{c}{f}
Weil c konstant ist, verhalten sich Wellenlänge und Frequenz umgekehrt: Wird die Wellenlänge größer, wird die Frequenz kleiner. Wird die Wellenlänge kleiner, wird die Frequenz größer. Mit steigender Frequenz steigt auch die Energie eines Photons.
Merke: Umgekehrter Zusammenhang: Eine lange Wellenlänge gehört zu einer niedrigen Frequenz. Eine kurze Wellenlänge gehört zu einer hohen Frequenz.
Beispiel
- 1Eine elektromagnetische Welle hat im Vakuum \lambda=0{,}75\,\mathrm{m}. Gesucht ist ihre Frequenz.
- 2Mit c=\lambda\cdot f folgt f=c/\lambda. Der gerundete Wert der Lichtgeschwindigkeit ist c\approx3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s}.
- 3f=\frac{3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s}}{0{,}75\,\mathrm{m}}
- 4f\approx4{,}0\cdot10^8\,\mathrm{Hz}
- 5Die Meter kürzen sich. Das sind näherungsweise 400 MHz; diese Welle liegt im Mikrowellenbereich.
Teste dich
Von langer Wellenlänge und niedriger Frequenz zu kurzer Wellenlänge und hoher Frequenz ordnest du die Bereiche wie in der Tabelle. Die Grenzen sind keine scharfen Naturgrenzen. Sie sind nützliche, je nach Fachgebiet etwas unterschiedlich gesetzte Einteilungen.
Besonders Röntgen- und Gammastrahlung lassen sich nicht allein über die Wellenlänge trennen: Ihre Energiebereiche können sich überlappen, und häufig wird zusätzlich ihre Entstehung betrachtet. Auch die Farben des sichtbaren Lichts gehen fließend ineinander über. Von großer zu kleiner Wellenlänge lautet ihre Reihenfolge: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett.
| Bereich | Ungefährer Wellenlängenbereich | Typische Anwendung oder Quelle |
|---|---|---|
| Radiowellen | größer als 1\,\mathrm{m} | Lang-, Kurz- und UKW-Radio |
| Mikrowellen | 1\,\mathrm{m} bis 1\,\mathrm{mm} | Radar, WLAN, Mikrowellenherd; auch Mobilfunk und terrestrisches Fernsehen |
| Infrarot | 1\,\mathrm{mm} bis etwa 780\,\mathrm{nm} | Fernbedienung, Wärmebildkamera |
| Sichtbares Licht | etwa 780\,\mathrm{nm} bis 380\,\mathrm{nm} | Sehen, Beleuchtung, Fotografie |
| Ultraviolett | etwa 380\,\mathrm{nm} bis 10\,\mathrm{nm} | Desinfektion, Geldscheinprüfung |
| Röntgenstrahlung | etwa 10\,\mathrm{nm} bis 10\,\mathrm{pm} | medizinische Bildgebung |
| Gammastrahlung | häufig kürzer als 10\,\mathrm{pm} | Strahlentherapie, radioaktive Prozesse |
Beispiel: So gehst du vor
- 1Ordne von großer zu kleiner Wellenlänge: Zuerst kommen Radiowellen, dann Mikrowellen.
- 2Darauf folgen Infrarotstrahlung, sichtbares Licht und Ultraviolettstrahlung.
- 3Noch kürzere Wellenlängen haben Röntgenstrahlung und häufig Gammastrahlung. Die Bereiche überlappen teilweise.
Teste dich
Warme Körper senden elektromagnetische Wärmestrahlung aus. Bei alltäglichen Temperaturen liegt ein großer Teil davon im Infrarotbereich. Menschen können diese Strahlung nicht mit den Augen sehen. Eine Wärmebildkamera besitzt einen Sensor, der Infrarotstrahlung nachweist. Das Gerät ordnet den Messwerten sichtbare Farben oder Helligkeiten zu. Das Bild zeigt also die gemessene Strahlung in sichtbarer Form.
Andere Sensoren erschließen weitere unsichtbare Bereiche: Radioteleskope empfangen Radiowellen aus dem Weltall. Infrarotteleskope können Objekte hinter Staub untersuchen. Röntgengeräte erfassen Röntgenstrahlung für medizinische Aufnahmen.
Ein Radiosender überträgt Informationen mit elektromagnetischen Wellen. Erst das Empfangsgerät und der Lautsprecher erzeugen daraus hörbaren Schall. „Strahlung“ ist ein Oberbegriff: Bei Teilchenstrahlung breiten sich Teilchen aus. Für die Einordnung fragst du deshalb, was sich ausbreitet.
Beispiel
- 1Eine Person steht vor einer kühleren Wand.
- 2Beide senden Wärmestrahlung aus, aber nicht gleich stark.
- 3Der Sensor der Kamera misst den Unterschied.
- 4Die Anzeige stellt die Bereiche unterscheidbar dar, sodass die Person im Wärmebild erkennbar wird.
| Erscheinung | Was breitet sich aus? | Braucht ein stoffliches Medium? |
|---|---|---|
| Elektromagnetische Welle | elektrische und magnetische Felder | nein; sie breitet sich auch im Vakuum aus |
| Schallwelle | eine mechanische Schwingung in einem Stoff | ja |
| Teilchenstrahlung | bewegte Teilchen | nein, sie ist aber keine elektromagnetische Welle |
Teste dich
Alles auf einen Blick
Elektromagnetisches Spektrum
Gemeinsamkeit
alle Spektralbereiche sind elektromagnetische Wellen
Ordnung
von Radio bis Gamma sinkt die Wellenlänge
Frequenz
bei kürzerer Wellenlänge steigt sie im Vakuum
Photonen
höhere Frequenz bedeutet höhere Energie pro Photon
Sichtbarkeit
nur der sichtbare Ausschnitt ist mit dem Auge wahrnehmbar
Nachweis
passende Sensoren erfassen unsichtbare Bereiche
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Eine Farbe im Spektrum einordnen
- 1Eine Welle im Vakuum hat \lambda=600\,\mathrm{nm}=600\cdot10^{-9}\,\mathrm{m}. Gesucht ist ihre Frequenz und ihr Bereich.
- 2Mit c\approx3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s} gilt f=c/\lambda.
- 3f=\frac{3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s}}{600\cdot10^{-9}\,\mathrm{m}}
- 4f\approx5{,}00\cdot10^{14}\,\mathrm{Hz}
- 5Die Wellenlänge liegt zwischen etwa 380\,\mathrm{nm} und 780\,\mathrm{nm}. Sie gehört zum sichtbaren Licht.
Fehler finden
Spektralbereich und Frequenz prüfen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Bei größerer Wellenlänge sinkt die Frequenz. Mit c\approx3{,}00\cdot10^8\,\mathrm{m/s} und \lambda=1{,}5\,\mathrm{m} gilt f=c/\lambda. Daraus folgt f\approx2{,}0\cdot10^8\,\mathrm{Hz}.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Von Radiowellen zu Gammastrahlung wird die Wellenlänge . Bei gleicher Vakuumgeschwindigkeit steigt dabei die . Eine Wärmebildkamera misst und zeigt die Messwerte in sichtbaren Farben.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback