Das elektromagnetische
Spektrum

Spektrum

Das Spektrum © Anatolii Vasilev/Shutterstock.com

Was wir üblicherweise als Licht bezeichnen, ist derjenige kleine Ausschnitt aus dem Spektrum der elektromagnetischen Wellen, den unsere Augen in optische Sinneseindrücke umwandeln. Die Wellenlänge von sichtbarem Licht umfasst den Bereich von etwa 400 bis 700 Nanometern, welcher dabei von violetten über blaue, grüne, gelbe und rote Lichtwellen reicht – dieses Phänomen lässt sich an einem Regenbogen oder mit durch ein Prisma gebrochenem Licht zeigen.

Das elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum © Peter Hermes Furian/Shutterstock.com

Wellenlänge und Frequenz

Das elektromagnetische Spektrum umfasst allerdings einen wesentlich größeren Bereich, der beispielsweise Röntgenstrahlung, ultraviolettes Licht, infrarotes Licht, Mikrowellen und Radiowellen mit einschließt. Die verschiedenen Bereiche unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre Wellenlänge und Frequenz, wobei gilt: Je langwelliger das Signal, desto niedriger ist die in Hertz gemessene Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde).

Langwellige Radiowellen haben eine Wellenlänge von etwa 10³ Metern, womit sie über einen Kilometer lang sein können. Die sog. niederfrequenten Wechselströme können sogar viele tausend Kilometer lang sein. Am anderen Ende der Skala, der Höhenstrahlung, haben die elektromagnetischen Wellen eine Länge von lediglich einem Femtometer, sind also kürzer als ein Atomkern; die Frequenz hingegen ist umso höher, je kürzer die Wellenlänge ist.

Licht als elektromagnetische Welle

Die bahnbrechenden Forschungen von James Clark Maxwell, Heinrich Hertz und weiteren Physikern des 19. und frühen 20. Jahrhunderts haben die Grundlagen für unser modernes Verständnis des Phänomens Licht gelegt. Als eine der vier heute bekannten physikalischen Grundkräfte ist der Elektromagnetismus ein Phänomen, das unsere Welt grundlegend konstituiert; bei den anderen dreien handelt es sich um die Gravitation sowie die nur auf (sub-)atomarer Größenordnung auftretenden schwachen und starken Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen.

Wenn man mit Einstein die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als oberste Geschwindigkeitsgrenze für bewegte Massen annimmt, gilt dies ebenso auch für alle anderen Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums. Fantastischerweise können elektromagnetische Wellen sich unter bestimmten Bedingungen auch wie Teilchen verhalten, bzw. nehmen erst durch eine Messung eine konkrete Form an (Welle-Teilchen -Dualismus), was erstmals mit dem berühmten Doppelspalt-Experiment veranschaulicht worden ist.

Elektromagnetische Wellen ändern periodisch ihre Feldstärke, wobei die Ausrichtung des Feldes senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht (Transversalwellen).

Zwar können wir nur einen kleinen Ausschnitt aus der elektromagnetischen Strahlung sehen, aber viele weitere Bereiche gezielt nutzen. Mit der Röntgenstrahlung können wir Details unseres Skeletts visualisieren und damit genaue medizinische Diagnosen stellen. Die Ultraviolett-Strahlung (UV-Licht) sorgt dafür, dass unsere Haut in der Sonne bzw. im Sonnenstudio braun wird. Infrarotes Licht wird beispielsweise eingesetzt, damit ein Bewegungsmelder automatisch Lampen ein- und ausschaltet. Mikrowellen erwärmen in wenig Zeit unser Essen und werden als Radar genutzt, um weit entfernte Objekte ausfindig zu machen und zu verfolgen. ‚Rundfunkwellen‘ übertragen Musik und Fernsehbilder durch die Atmosphäre.

Warum sehen wir nur einen Teilbereich des Spektrums?

Unser Leben richtet sich in erster Linie nach dem Licht der Sonne aus, welche in der Mitte der Wellenlänge von sichtbarem Licht die größte Intensität elektromagnetischer Strahlung aufweist; hieran haben sich unsere Augen angepasst. Manche Tiere, die sich anders orientieren, beispielsweise indem sie nachtaktiv sind oder primär ihrem Geruchssinn folgen, sehen stattdessen infrarotes oder ultraviolettes Licht.

Bei der Analyse elektromagnetischer Strahlung konkreter Objekte unterscheidet man Emissionsspektren einer Strahlungsquelle und Absorptionsspektren einer Substanz, die kontinuierlich elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist und dabei bestimmte Frequenzen absorbiert. Mit optischen Teleskopen kann man nahezu den gesamten Bereich der auf der Erde eintreffenden elektromagnetischen Wellen daraufhin überprüfen – hierdurch, anhand der sog. Spektrallinien, können beispielsweise sehr genaue Aussagen über die materielle Zusammensetzung externer Himmelskörper gemacht werden.