Den Kosmos enthüllen: Die Physik des elektromagnetischen Spektrums

Licht ist das Phänomen, das uns das Sehen ermöglicht. Das menschliche Auge kann jedoch nicht den gesamten Wellenlängen- oder Frequenzbereich wahrnehmen, aus dem elektromagnetische Strahlung besteht – zusammenfassend als „elektromagnetisches Spektrum“ bezeichnet und von dem sichtbares Licht nur einen kleinen Teil ausmacht.

Strahlung ist Energie, die sich fortbewegt und sich ausbreitet – das sichtbare Licht, das von einer Lampe in Ihrem Haus kommt und die Radio Wellen, die von einem Radiosender kommen, sind zwei Arten elektromagnetischer Strahlung. Die anderen Arten von EM-Strahlung, aus denen das elektromagnetische Spektrum besteht, sind Mikrowellen, Infrarotlicht, ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen, und Gammastrahlen.

Die elektromagnetischen Wellen werden anhand ihrer jeweiligen unterschieden.Energie E, Frequenzen f und Wellenlängen λ. FHäufigkeitbeschreibt, wie viele Wellenmuster oder Zyklen in einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Punkt passieren. Die Frequenz wird oft in Hertz Hz gemessen, wobei eine Welle mit einer Frequenz von 1 Hz mit 1 Zyklus pro Sekunde passiert.

Wellenlänge ist definiert als der Gesamtabstand zwischen dem Spitzenwert einer Welle und dem Spitzenwert der nächsten. Wellenlänge und Frequenz hängen umgekehrt zusammen. Je größer die Frequenz, desto kleiner die Wellenlänge – und umgekehrt. Frequenz, Wellenlänge undEnergie bestimmen die Position verschiedener Energiearten im elektromagnetischen Spektrum.

Wie funktioniert das elektromagnetische Spektrum?

Wenn elektromagnetische Energie durch den Weltraum reist, breitet sie sich aus, um ein breites Lichtspektrum zu bilden, das all die verschiedenen Frequenzen umfasst, die zwischen den kurzreichweitigen Gammastrahlen und den langreichweitigen Radiowellen existieren. Jede Welle mit einer anderen Frequenz alsdie anderen bilden innerhalb des Spektrums ihr eigenes separates Frequenzband, und diese verschiedenen Bänder bilden zusammen das elektromagnetische Spektrum.

Frequenzbänder zeigen nicht nur die Unterschiede zwischen den Eigenschaften verschiedener elektromagnetischer Wellen, sondern beeinflussen auch die Art und Weise, wie diese Wellen mit Materie interagieren. Der Frequenzwert im elektromagnetischen Spektrum reicht von unter einem Hz bis darüber10²⁵Hertz, und die Wellenlängen können von der Größe eines Atomkerns bis zu Tausenden von variierenkilometer.

Die meisten elektromagnetischen Wellen sind für das menschliche Auge nicht sichtbar, da das menschliche Auge nur Lichtwellen mit Wellenlängen zwischen etwa 740 Nanometer nm oder 2,9 × 10 wahrnehmen kann⁻⁵ Zoll und 380 nm 1,5 × 10⁻⁵ Zoll.Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums heißt der Spektrum des sichtbaren Lichts.

Ordnung der elektromagnetischen Wellen

Elektromagnetische Strahlung kann auch als ein Strom masseloser Teilchen, genannt Photonen, definiert werden, die sich in einem wellenförmigen Muster mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Jedes Photon enthält eine bestimmte Energiemenge. Die verschiedenen Strahlungsarten werden durch die in den Photonen enthaltene Energiemenge definiert. Radiowellen haben Photonen mit niedriger Energie, Mikrowellenphotonen haben etwas mehr Energie als Radiowellen, InfrarotPhotonen haben noch mehr, dann sichtbare, ultraviolette, Röntgenstrahlen und, die energiereichsten von allen, Gammastrahlen.

Th Energie, Wellenlänge und Frequenz verschiedener Teile des elektromagnetischen EM Spektrums sind gegeben als:

Es besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen Frequenz und Wellenlänge, aber die Energie einer EM-Welle wird durch ihre Frequenz und Amplitude positiv beeinflusst, daher haben Lichtstrahlen mit höherer Frequenz und kürzeren Wellenlängen größere Energiemengen. Llängere Wellenlängen und niedrigere Frequenzen führen zu geringerer Energie.

EM-Wellen mit den höchsten Frequenzen wie Gamma, Röntgen und Ultraviolett UV haben die niedrigsten Wellenlängen, während die Langstreckenwellen, die in den Radio-, Mikrowellen- und Infrarotbereich des Spektrums fallen, die niedrigsten habenEnergie- und Frequenzwerte.

Unter allen Lichtstrahlen haben Gammastrahlen die maximale Frequenz und Durchdringungskraft. Diese werden in der Strahlentherapie und Radioonkologie verwendet. Funkwellen haben die höchste Wellenlänge und eignen sich daher am besten für weitreichende Kommunikationsgeräte und -geräte wie Navigationssysteme, Sendeeinrichtung, Radio, drahtlose Technologie usw..

Wer hat das elektromagnetische Spektrum entdeckt?

Die Geschichte der Aufklärung des elektromagnetischen Spektrums kann man sagen, dass sie in begonnen hat 1800. In diesem Jahr veröffentlichte der Astronom William Herschel eine Reihe von Artikeln, in denen Experimente beschrieben wurden, die ihn zur Identifizierung dessen führten, was heute als Infrarotstrahlung bekannt ist. Herschel hatte Teleskope verwendet, um die Sonne zu beobachten und sein Sehvermögen mit dunklen Glasfiltern zu schützen. Er bemerkte, dass einige Filter mehr Licht durchließen, während andere mehr Strahlung durchließen, die die Dinge erwärmte.

Als Ergebnis dieser Beobachtungen stellte Herschel ein Experiment auf, bei dem Sonnenlicht durch einen Spalt und dann durch ein Prisma geleitet wurde, um ein Spektrum auf seinem Tisch zu bilden. Mit Thermometern maß er die Temperatur an verschiedenen Punkten des Spektrums.

Er fand heraus, dass die höchste Temperatur tatsächlich im leeren Bereich des Spektrums jenseits von rotem Licht auftrat.Herschel kam zu dem Schlussdas 'Wärme' und Licht sind Teil desselben Spektrums.

Der deutsche Chemiker Johann W. Ritter war von Herschels Erkenntnissen fasziniert. Im Jahr 1801 bemerkte er, dass unsichtbares Licht außerhalb des optischen Bereichs des elektromagnetischen Spektrums Silberchlorid verdunkelte. Er benutzte ein Prisma, um das Sonnenlicht zu spalten und maß dann die relative Verdunkelung derSilberchlorid als Funktion der Wellenlänge. Er fand heraus, dass der Bereich direkt hinter Violett die stärkste Verdunkelung erzeugte, und so wurde dieser Bereich schließlich „Ultraviolett“ getauft.

Gleichzeitig berichtete der Physiker Alessandro Volta über die Erfindung einer Batterie, die es den Experimentatoren ermöglichte, mit kontinuierlichem Gleichstrom zu arbeiten. Etwa 20 Jahre späterHans Christian Ørsted demonstrierte eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus, als er zeigte, dass sich eine Kompassnadel bewegen würde, wenn sie in die Nähe eines stromdurchflossenen Drahtes gebracht wird. In den frühen 1830er Jahren demonstrierte Michael Faraday, dass das Ziehen eines Magneten durch eine Drahtschleife Strom erzeugen kann.

Faraday schlug vor, dass es einen unsichtbaren „elektrotonischen Zustand“ oder ein Feld um den Magneten gab. Er schlug vor, dass Veränderungen in diesem elektrotonischen Zustand elektromagnetische Phänomene verursachen, und vermutete, dass Licht selbst eine elektromagnetische Welle sei. Es war eindeutig ein System am Werk, aberes war noch nicht klar verstanden.

In den 1850er Jahren, James Clerk Maxwell, ein englischer Wissenschaftler, machte sich daran, Faradays Beobachtungen mathematisch zu erklären. In einer Reihe von Arbeiten im nächsten Jahrzehnt entwickelte er eine wissenschaftliche Theorie zur Erklärung elektromagnetischer Wellen. Mit Schwerpunkt auf Mathematik beschrieb er, wie Elektrizität und Magnetismus miteinander verbunden sind und wie sie sich zusammen bewegen, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen.

Maxwells Arbeit vereinte die folgenden Gesetze:

Gauss'sches Gesetz: Nach dem Gaußschen Gesetz ist die netto nach außen normaler elektrischer Fluss für jede geschlossene Oberfläche ist direkt proportional zum gesamten elektrischen Feld innerhalb dieser geschlossenen Oberfläche.

Gauss'sches Gesetz für Magnetismus: Der magnetische Fluss für eine geschlossene Oberfläche ist null, da der Wert des einwärts gerichteten Flusses am Südpol gleich dem Wert des Flusses nach außen am Nordpol ist.

Faradaysches Gesetz: Es besagt, dass eine elektromotorische Kraft EMF durch eine Änderung des magnetischen Flusses induziert, hängt von der Änderung des Flusses zum Zeitpunkt t und von der Anzahl der Spulenwindungen ab.

Amperegesetz: Diesbezieht das Nettomagnetfeld entlang einer geschlossenen Schleife zum elektrischen Strom, der durch die Schleife fließt. Es besagt, dass das geschlossene Linienintegral des Magnetfelds um aaktuell-der tragende Leiter ist gleich der absoluten Permeabilität mal der Gesamtmengeaktuell durch den Dirigenten.

Maxwells Gleichungen beschreiben das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern und deren Einfluss auf andere Objekte. In seiner Analyse kam Maxwell auch zu dem Schluss, dass sich EM-Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten müssen, und schließlich das Licht war eine elektromagnetische Welle. Durch seine Gleichungen beschrieb Maxwell auch die Möglichkeit zahlreicher EM-Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen und sagte daher mathematisch das Vorhandensein des elektromagnetischen Spektrums voraus.

Allerdings gab es keine experimentellen Beweise für Maxwells Theorien.Nach Maxwells Tod arbeiteten die Physiker George Francis FitzGerald und Oliver Lodge daran, die Verbindung zum Licht zu stärken, aber es war der deutsche Forscher Heinrich Hertz, der 1888 eine Arbeit veröffentlichte, die den ersten Nachweis von Hochfrequenzwellen demonstrierte. Er ging auchan, um zu überprüfen, dass elektromagnetische Wellen lichtähnliches Verhalten von Reflexion, Brechung, Beugung und Polarisation aufweisen. Hertz konnte auch die Geschwindigkeit dieser unsichtbaren Wellen berechnen, die der Geschwindigkeit, die heute für sichtbares Licht bekannt ist, ziemlich nahe kommt.

Seine Arbeit führte schließlich zur Innovation des Funks, der Mobilfunknetze, der Flugsicherungssysteme und vieler anderer wichtiger Erfindungen.

In den folgenden Jahren entdeckte Wilhelm Roentgen Röntgenstrahlen auch Röntgenstrahlen genannt und Paul Villard entdeckte das, was später Gammastrahlen genannt wurde. Die Physiker Ernest Rutherford und Edward Andrade untersuchten auch Gammastrahlen und enthüllten wichtige Details über ihre Wellenlängeund andere Eigenschaften. Während des Studiums radioaktivZerfall, Rutherford Distinguished Gammastrahlen von Alpha- und Betastrahlen aufgrund ihres höheren Durchdringungsgrades durch Materie.

Interessante Fakten über das elektromagnetische Spektrum

Sowohl der sichtbare als auch der unsichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums haben eine unbestrittene Bedeutung, da Lichtstrahlen nicht nur den Menschen beeinflussen, sondern auch verschiedene biologische und chemische Veränderungen mit sich bringen, die in der Natur vorkommen.

• Der menschliche Körper kann zwei Arten von EM-Wellenstrahlung erfahren, eine ist die nichtionisierende oder schwachwellige Strahlung, die durch die Verwendung von Mobiltelefonen, Bluetooth-Headsets entsteht.Mikrowellenherde usw. Zweitens ist die ionisierende Strahlung wie UV-Strahlen der Sonne, Gammastrahlen, Röntgenstrahlen usw. Kontinuierliche Exposition gegenüber hohen ionisierenden MengenStrahlung kannführt zu Krebs, Schlaflosigkeit, Hautverbrennungen, Blindheit und verschiedene andere Arten von neurologischen oder physiologischen Störungen.
• Wenn das menschliche Auge alle Strahlen des elektromagnetischen Spektrums wahrnehmen könnte, dann wären wir nicht in der Lage sehen Sie alles andere als ein überwältigendes Leuchten. Der Überschuss an Licht kann Dinge und Gegenstände für unsere Augen unklar machen, und in diesem Fall wäre es für unser Gehirn unmöglich, die Informationen, die durch unsere Augen kommen, zu verstehen.
• Es gibt verschiedene Tiere, die verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums sehen können, Bienen und Igel können Licht im UV-Teil des Spektrums sehen, verschiedene Insekten und Tiere wie Mücken, Schlangen und Ochsenfrösche verwenden Infrarotsicht, um ihren Wirt oder ihre Beute zu jagen. Fledermäuse verwenden hochfrequente > 20 KHz Ultraschallwellen, um das Vorhandensein von Hindernissen und Beute zu erkennen.
• Bisher glaubte man, dass Katzen und Hunde völlig farbenblind sind, aber das stimmt nicht. Katzen und Hunde haben nur blaue und grüne Zapfen in den Augen - ihnen fehlen rote Zapfen, die beim Menschen vorhanden sind. Das heißt, sie haben vielgedämpftere Wahrnehmung von Farben als Menschen. Da Katzen und Hunde nicht empfindlich auf rotes Licht reagieren, haben sie Schwierigkeiten, einige Farben zu unterscheiden. Zum Beispiel ist es wahrscheinlich, dass Hunde Rot von Blau unterscheiden können, aber oft Rot und Grün verwechseln. DOgs können auch verschiedene Blau- und Grüntöne wahrnehmen, und Katzenaugen sind gut gerüstet, Blau- und Gelbtöne zu sehen.
• Mikrowellen werden nicht durch Regen, Nebel, Rauch oder Wolken unterbrochen, und Gammastrahlen können den gesamten menschlichen Körper durchdringen. Das große Hubble-Teleskop, das von der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation verwendet wird, um ferne Sterne und Galaxien zu sehen,funktioniert durch Wechselwirkung mit UV-Strahlen.
• Im EM-Spektrum hat das rote Farblicht die niedrigste Frequenz und die längste Wellenlänge des sichtbaren Lichts, so dass es aus großer Entfernung von menschlichen Augen leicht wahrgenommen werden kann, und deshalb Warnsignale, Verkehrsstopplicht, TurmLichter usw. sind rot gefärbt.
• Das sichtbare Licht, das die Atmosphäre durchdringt, besteht aus allen Farben des Regenbogens. Ist der Himmel auch blau? Beim Eintritt in unsere Atmosphäre kollidieren die sichtbaren Lichtwellen mit Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen in der Atmosphäre und werden gestreut.Die Streuung hängt von der Wellenlänge des Lichts ab. Je kleiner die Wellenlänge des Lichts, desto stärker wird es gestreut. Blaues und violettes Licht hat die höchsten Wellenlängen und wird daher stärker gestreut. Da die Sonne eine höhere Konzentration an blauem Licht aussendetWellen und unsere Augen reagieren empfindlicher auf blaues Licht, der Himmel erscheint eher blau als violett.
• Ein aktueller Bericht legt nahe, dass die Bildung von Polarlichtern, wie das berühmte Aurora Borealis oder Nordlicht findet statt, wenn während eines geomagnetischen Sturms starke elektromagnetische Wellen durch ein Phänomen entstehen, das als Alfven-Wellen bekannt ist.

Von den Mikrowellenherden unserer Küche über die Sonne bis hin zu großen künstlichen Satelliten werden EM-Wellen in einer Vielzahl von Erfindungen verwendet.