Strahlung

Wesen und physikalische Grundlagen

Strahlung bezeichnet die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen. Bei der Ausbreitung von Teilchen spricht man von Teilchenstrahlung oder Korpuskularstrahlung, bei der Ausbreitung von Wellen von Wellenstrahlung. Bei elektromagnetischer Wellenstrahlung sind die Austauschteilchen Photonen. Strahlung kann durch viele verschiedene physikalische Phänomene entstehen.

Die Einteilung in Teilchen- und Wellenstrahlung ist anschaulich weiterhin nützlich. Nach heutiger Kenntnis besitzt jedoch jede Strahlung sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften. Dieser Zusammenhang wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Die theoretische Beschreibung erfolgt unter anderem in der Atomphysik, Kernphysik, Optik, Quantentheorie und letztlich in der Quantenelektrodynamik (QED).

Trifft Strahlung auf ein Hindernis, kann sie absorbiert, also aufgenommen und umgewandelt, transmittiert, also hindurchgelassen, gebeugt, gebrochen, gestreut oder reflektiert, also zurückgeworfen, werden. Ein Lichtstrahl besteht nach der Quantenphysik aus Photonen. Ihr Aufenthaltsort wird in der Quantenmechanik durch eine Wahrscheinlichkeitswelle beschrieben. Solche Wahrscheinlichkeitswellen können interferieren, wie der Doppelspaltversuch zeigt. Nach Louis de Broglies Theorie der Materiewellen besitzt jedes Teilchen eine zugeordnete Wellenlänge. Deshalb können beispielsweise auch Elektronenstrahlen Interferenzphänomene zeigen.

Einteilung nach den Bestandteilen

Elektromagnetische Wellen bestehen aus Photonen. Bei kurzer Wellenlänge und damit hoher Photonenenergie wird meist der Ausdruck elektromagnetische Strahlung verwendet. Beispiele sind Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, Bremsstrahlung, UV-Strahlung, Wärmestrahlung und Infrarotstrahlung. Bei geringerer Photonenenergie spricht man eher von Wellen, zum Beispiel von Radiowellen.

Teilchenstrahlung oder Korpuskularstrahlung bezeichnet Strahlung, deren Bestandteile eine von Null verschiedene Masse haben. Man kann sie nach der Teilchensorte unterscheiden. Alphastrahlung besteht aus α-Teilchen, Betastrahlung aus Elektronen oder Positronen und Neutronenstrahlung aus Neutronen. Besteht die Strahlung aus Ionen, also geladenen Teilchen, wird gelegentlich der Begriff Ionenstrahlung verwendet. Außerdem gibt es Molekularstrahlung.

Einteilung nach der Herkunft

Strahlung kann nach ihrem Entstehungsmechanismus und ihrem Entstehungsort eingeteilt werden. Bei Strahlung aus dem Weltraum unterscheidet man beispielsweise Sonnenstrahlung, kosmische Strahlung, Hintergrundstrahlung und Hawking-Strahlung.

Strahlung, die von radioaktiven Stoffen ausgeht, wird häufig als „radioaktive Strahlung“ bezeichnet. Diese Bezeichnung ist eigentlich nicht korrekt, weil nicht die Strahlung radioaktiv ist, sondern der Stoff, der sie emittiert. Die Strahlung aufgrund der natürlichen Radioaktivität der Erde heißt terrestrische Strahlung.

Technisch erzeugte Strahlung kann eigene Bezeichnungen tragen. Beispiele sind Kathodenstrahlung, Synchrotronstrahlung und Tscherenkow-Strahlung.

Ionisierende sowie harte und weiche Strahlung

Ionisierende Strahlung ist Strahlung, deren Teilchen so viel Energie besitzen, dass sie aus Atomen oder Molekülen Elektronen entfernen können. Sie wird auch ionisierende Strahlung (englisch „ionizing radiation“) oder seltener nukleare Strahlung beziehungsweise Kernstrahlung genannt. Elektromagnetische Wellen in diesem Energiebereich geben häufig bereits beim ersten Stoß einen Großteil ihrer Energie ab. Geladene Teilchen mit hoher Energie geben ihre Energie beim Durchgang durch Materie dagegen in vielen kleinen Portionen ab. Die Energie- und Materialabhängigkeit wird bei elektromagnetischer Strahlung mit dem Massenschwächungskoeffizienten und bei geladenen Teilchen mit dem Bremsvermögen beschrieben.

Ionisierende Strahlung darf nicht mit Strahlung aus ionisierten Teilchen gleichgesetzt werden; Letztere wird auch Ionenstrahlung genannt.

Bei Röntgen-, Gamma- und Betastrahlung werden manchmal die Begriffe „hart“ und „weich“ verwendet. „Hart“ bedeutet dabei energiereicher und kurzwelliger, „weich“ energieärmer und langwelliger. Eine genaue Abgrenzung gibt es nicht. In der Röntgenoptik spricht man beispielsweise von harter Röntgenstrahlung, wenn die Wellenlänge ungefähr kürzer ist als der Abstand der Atome im Festkörper. Genannt wird dafür der Bereich von 0,01 bis ca. 0,5 nm.

Begriffliche Verwendung und Messung

Das Wort „Strahlen“ wird manchmal gleichbedeutend mit „Strahlung“ verwendet, etwa in „Alpha- oder Röntgenstrahlen“. Ein einzelner „Röntgenstrahl“ bezeichnet dagegen fast immer ein gerichtetes Strahlenbündel, das Energie und Impuls transportiert. Besteht dieses Bündel aus Teilchen mit Masse, Ladung oder anderen Eigenschaften, werden auch diese Eigenschaften transportiert. „Lichtstrahl“ kann sowohl einen idealisierten linienförmigen Strahl der geometrischen Optik als auch ein Strahlenbündel bezeichnen.

Schall und andere mechanische Wellen breiten sich nach ähnlichen Gesetzen wie elektromagnetische Strahlung aus, werden aber normalerweise nicht als Strahlung bezeichnet.

Die Messung optischer beziehungsweise elektromagnetischer Strahlung und die Messung ionisierender Strahlung gehören zur Radiometrie. Zu ihr zählen die Photometrie und die Kernstrahlungsmesstechnik.