Elektromagnetisches Spektrum

Grundidee und Einteilung

Das elektromagnetische Spektrum (EM-Spektrum, elektromagnetisches Wellenspektrum) ist die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. Das Lichtspektrum oder Farbspektrum ist nur der für Menschen sichtbare Teil davon.

Die Bereiche des Spektrums sind willkürlich abgegrenzt. Im niederenergetischen Bereich richtet sich die Einteilung historisch meist nach der Wellenlänge; Bereiche über mehrere Größenordnungen mit ähnlichen Eigenschaften werden etwa als Radiowellen oder Licht zusammengefasst. Möglich ist auch eine Einteilung nach Frequenz oder nach der Energie eines einzelnen Photons. Bei sehr kurzen Wellenlängen und entsprechend hoher Quantenenergie ist die Einteilung nach Energie üblich.

Wellenlänge λ und Frequenz f hängen über f = c/λ zusammen; c ist die Lichtgeschwindigkeit. Deshalb bedeutet eine kleinere Wellenlänge eine höhere Frequenz und höhere Energie. In der Reihenfolge abnehmender Frequenz und zunehmender Wellenlänge reichen die Bereiche von energiereichen Gammastrahlen mit Wellenlängen bis zu atomaren Größenordnungen bis zu Längstwellen mit vielen Kilometern Wellenlänge.

Niederfrequenz, Radiowellen und Mikrowellen

Niederfrequenz umfasst Extremely Low Frequency (ELF) mit 10⁴–10⁵ km und 3–30 Hz, Super Low Frequency (SLF) mit 10³–10⁴ km und 30–300 Hz sowie Ultra Low Frequency (ULF) mit 100–1000 km und 300–3000 Hz. ELF kann mit Bodendipolen, Antennenanlagen oder Magnetantennen erzeugt werden. SLF wurde ehemals für U-Boot-Kommunikation verwendet.

Zu den langen Radiowellen zählen Very Low Frequency (VLF, Myriameterwelle oder Längstwelle) mit 10–100 km und 3–30 kHz, Langwelle mit 1–10 km und 30–300 kHz, Mittelwelle mit 100–1000 m und 300–3000 kHz, Kurzwelle mit 10–100 m und 3–30 MHz sowie Ultrakurzwelle mit 1–10 m und 30–300 MHz. Beispiele für Anwendungen sind U-Boot-Kommunikation, Funknavigation und Pulsuhren bei VLF, Langwellenrundfunk, DCF77 und Induktionskochfelder bei Langwelle, Mittel- und Kurzwellenrundfunk, CB-Funk und NFC bei Kurzwelle sowie Hörfunk, Fernsehen, Radar und Magnetresonanztomografie bei UKW.

Mikrowellen gliedern sich in Dezimeterwellen (1 dm–1 m; 300–3000 MHz), Zentimeterwellen (1 cm–1 dm; 3–30 GHz), Millimeterwellen (1 mm–1 cm; 30–300 GHz) und Terahertzstrahlung (30 µm–3 mm; 0,1–10 THz). Dezimeterwellen können durch Magnetron, Klystron oder Maser erzeugt werden; sie regen unter anderem Kernspinresonanz, Elektronenspinresonanz und Molekülrotationen an. Mikrowellen werden beispielsweise für Radar, Mobilfunk, Fernsehen, Mikrowellenherde, WLAN, Bluetooth, GPS sowie 2G, 3G, 4G und 5G eingesetzt. Terahertzstrahlung wird unter anderem mit Synchrotrons, Freie-Elektronen-Lasern und elektronischen Quellen erzeugt und für Radioastronomie, Spektroskopie sowie Abbildungsverfahren wie Körperscanner genutzt.

Infrarot und sichtbares Licht

Infrarotstrahlung wird auch Wärmestrahlung genannt. Fernes Infrarot umfasst 50 µm–1 mm bei 0,300–6 THz und steht unter anderem mit Molekülschwingungen in Verbindung. Mittleres Infrarot liegt bei 3–50 µm und 6–100 THz, nahes Infrarot bei 780 nm–3 µm und 100–384 THz. Wärmestrahler, Globar und Synchrotrons sind Quellen für fernes Infrarot; Kohlendioxidlaser und Quantenkaskadenlaser für mittleres Infrarot; Nd:YAG-Laser, Laserdioden und Leuchtdioden für nahes Infrarot. Anwendungen sind Infrarot- und Raman-Spektroskopie, Infrarotastronomie, Thermografie, Fernbedienungen, IRDA, CDs und Datenübertragung in Lichtwellenleitern.

Sichtbares Licht reicht von Rot mit 640–780 nm, 384–468 THz und 1,59–1,93 eV bis Violett mit 380–430 nm, 697–789 THz und 2,88–3,26 eV. Dazwischen liegen Orange (600–640 nm), Gelb (570–600 nm), Grün (490–570 nm) und Blau (430–490 nm). Seine Erzeugung kann etwa durch Wärmestrahler wie Glühlampen, Gasentladungen wie Neonröhren, Laser, Synchrotrons oder Leuchtdioden erfolgen; dabei werden Valenzelektronen angeregt. Genannt werden als Einsätze Beleuchtung, Colorimetrie, Fotometrie, Lichtzeichenanlagen, Laserpointer, Lasernivelliere, DVDs, Blu-ray Discs und Datenübertragung in Lichtwellenleitern.

Ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlung

UV-Strahlen beginnen oberhalb des sichtbaren Violetts. Nahes UV („Schwarzlicht“) hat 315–380 nm, 789–952 THz und 3,26–3,94 eV; mittleres UV („Dorno-Strahlung“) 280–315 nm und 952–1071 THz; fernes UV 200–280 nm und 1,07–1,5 PHz. Vakuum-UV liegt bei 100–200 nm und 1,5–3 PHz, EUV bei 10–121 nm und 2,48–30 PHz. Quellen sind Gasentladungen, Synchrotrons, Excimerlaser und Leuchtdioden. UV dient unter anderem Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Banknotenprüfung, Fotolithografie, Desinfektion und Spektroskopie; EUV wird für EUV-Lithografie, Röntgenmikroskopie und Nanoskopie eingesetzt.

Röntgenstrahlen haben in der Übersicht 10 pm–10 nm, 30 PHz–30 EHz und mehr als 120 eV. Sie entstehen durch Bremsstrahlung oder höherenergetische Übergänge in der Elektronenhülle; ab 100 eV spricht man von Röntgenstrahlung. Röntgenröhren und Synchrotrons sind genannte Quellen. Anwendungsbeispiele sind medizinische Diagnostik, Sicherheitstechnik, Röntgenstrukturanalyse, Röntgenbeugung, Photoelektronen- und Röntgenabsorptionsspektroskopie sowie Röntgenastronomie. Für die medizinische Diagnostik liegt der Energiebereich unter 100 keV, Röntgenstrahlung kann aber auch bis 25 MeV reichen.

Gammastrahlen haben Wellenlängen von höchstens 10 pm, Frequenzen von mindestens 30 EHz und Energien über 120 keV. Sie entstehen durch Kernprozesse oder Paarvernichtung, beispielsweise als Strahlung aus Technetium-99m; Anwendungen sind medizinische Strahlentherapie und Mößbauerspektroskopie. Kosmische Gammastrahlung reicht bis höchstens 1,2 · 10⁻¹⁷ m, mindestens 2,4 · 10²⁵ Hz und über 10¹¹ eV; die höchste bisher beobachtete Energie beträgt 16 TeV (2,6 µJ).

Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen nach Bereichen ist laut Hinweis inhaltlich falsch, weil sie eigentlich die Entstehungsweise bezeichnet. Gammastrahlen liegen meist über 125 keV, doch es gibt viele mit 20–125 keV; die niedrigste bekannte Linie beträgt 8,35 eV.