Elektromagnetische Welle

Alle bekannten und messbaren Energiestrahlen, außer den direkten Teilchenstrahlen (z. B. Elektronen oder Alpha-Strahlen), sind elektromagnetische Wellen. Die Verschiedenartigkeit der elektromagnetischen Wellen kommt dabei nur durch deren unterschiedliche Wellenlängen zustande. Zu den elektromagnetischen Wellen gehören unter anderem Radiowellen, Funk- und Fernsehwellen, Handystrahlung, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht mit seinen verschiedenen Farben, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.

Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen

Während Radiowellen und alle Wellen von Funk und Fernsehen eine Wellenlänge von weniger als ein bis zu vielen Metern haben können, ist die typische Wellenlänge der Handystrahlung im Bereich von etwa 10 cm angesiedelt, gefolgt von den noch kurzwelligeren mm und cm – Mikrowellen. Zwischen mm und µm nehmen wir die elektromagnetische Strahlung als Wärme auf der Haut wahr. Im Bereich unter 1 µm wird die Strahlung dann bei etwa 700 nm als rote Farbe sichtbar, um mit abnehmender Wellenlänge die Farben Gelb, Grün und Blau anzunehmen, bis Wellen unterhalb von 350 nm als ultraviolettes Licht wieder unsichtbar werden. Röntgenstrahlen sind dabei kürzer als 1 nm und gehen schließlich in die noch kurzwelligeren Gammastrahlen über.

Jede Welle wird neben der Wellenlänge noch über die Amplitude, also die Höhe der Wellenberge charakterisiert. Dabei ist das Quadrat der Wellenamplitude proportional zur Intensität der einfallenden Strahlung. Das bedeutet, dass die Amplitude der Lichtwellen auf das Zehnfache ansteigt, wenn die Intensität eines Lichtstrahls um den Faktor hundert vergrößert wird.

Elektromagnetische Wellen breiten sich im Vakuum und näherungsweise auch in Luft mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit c = 3•10⁸ m/s aus. Das bedeutet, dass elektromagnetische Strahlung in einer Sekunde 300 000 km zurücklegt, also eine Strecke, die etwa dem 7,5-Fachen des Erdumfangs am Äquator entspricht.

Bedeutung der Maxwellgleichungen

Elektromagnetische Wellen werden durch die Elektrodynamik mathematisch beschrieben. Mit Hilfe der Maxwellgleichungen wurde die Existenz der elektromagnetischen Wellen sogar prognostiziert und berechnet, bevor überhaupt der experimentelle Nachweis erfolgte, dass es elektromagnetische Wellen gibt (z. B. über den Nachweis der Abstrahlung von Energie aus einer Antenne, in der Elektronen hin und her schwingen).

Durch ein genaues Auswerten der Maxwellgleichungen kann gezeigt werden, dass elektromagnetische Wellen aus schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern bestehen, die senkrecht aufeinander stehen und sich gegenseitig erzeugen. Bei der Ausbreitung wird während einer Schwingung des elektrischen Feldes ein magnetisches Feld erzeugt, welches wieder ein elektrisches Feld bewirkt.

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

In der nachfolgend aufgeführten Abbildung sind elektrische und magnetische Wellen wie Seilschwingungen dargestellt, die sich in eine bestimmte Raumrichtung ausbreiten. Das ist ein sehr stark vereinfachtes Bild. Schließlich erfüllen elektromagnetische Schwingungen den gesamten dreidimensionalen Raum. Die in der Abbildung gezeigte Vorstellung ist demnach mehr wie die Stärke der elektrischen und magnetischen Felder entlang einer gedachten Linie zu verstehen.

Elektromagnetische Wellen in der Quantentheorie

In der Quantentheorie wurde gezeigt, dass elektromagnetische Wellen nur als Päckchen mit einer bestimmten Mindestenergie vorkommen. Das Bild von den elektromagnetischen Wellen wurde dabei durch ein Bild von elektromagnetischen Wellenpaketen ersetzt, die sich sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen verhalten können. Dabei ist die Energie eines Wellenpäckchens umso größer, je kürzer die Wellenlänge ist. Deshalb sind die Quanten der sehr kurzwelligen Röntgen- und Gammastrahlung (elektromagnetische radioaktive Strahlung) sehr energiereich und entsprechend zerstörerisch in ihrer Wirkung auf Materie.