Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Strahlung, im Prinzip Wellen, die durch Schwingung oder Beschleunigung elektrischer Ladungen entstehen. Elektromagnetische Wellen haben, wie ihr Name ausdrückt, eine elektrische und eine magnetische Komponente. Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung erstreckt sich von Wellen mit extrem hoher Frequenz und entsprechend kleiner Wellenlänge bis zu extrem niedriger Frequenz und großer Wellenlänge. Das sichtbare Licht stellt nur einen sehr kleinen Teil aus dem elektromagnetischen Spektrum dar. Das gesamte elektromagnetische Spektrum besteht, nach abnehmender Frequenz geordnet, aus Gammastrahlung, harter und weicher Röntgenstrahlung, Ultraviolettstrahlung, sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung, Mikrowellen und Radiowellen.

Im Gegensatz zu Wasserwellen oder Schallwellen (siehe Schall) sind elektromagnetische Wellen bei ihrer Ausbreitung nicht auf Materie als Medium angewiesen. Daher können Licht-, Radio- und andere elektromagnetische Wellen auch den interplanetaren und den interstellaren Raum durchqueren und gelangen auf diesem Weg von den Sternen wie der Sonne zur Erde. Elektromagnetische Wellen sind aber ebenfalls in der Lage, sich durch Materie fortzupflanzen. So können sich diese Wellen nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten (z. B. in Abhängigkeit der Frequenz) beispielsweise auch entlang von Strom- oder Glasfaserkabeln (siehe Faseroptik) ausbreiten. Unabhängig von ihrer Frequenz bzw. Wellenlänge bewegen sich elektromagnetische Wellen im Vakuum stets mit der Geschwindigkeit von 299 792 Kilometern pro Sekunde fort. Jede elektromagnetische Strahlung weist die typischen Merkmale der Wellenausbreitung (siehe Welle; Schwingung) auf, also auch Beugung und Interferenz. Die Wellenlängen reichen von einigen milliardstel Zentimeter bis zu mehreren Kilometern. Abhängig von ihrer Wellenlänge bzw. Frequenz haben sie verschiedene Charakteristika, zu denen Durchdringungsvermögen, Wärmewirkung oder Sichtbarkeit gehören können.

Der englische Physiker James Clerk Maxwell veröffentlichte in den sechziger Jahren des 19. Jahrhunderts eine Theorie der elektromagnetischen Wellen. Auf den Überlegungen Faradays aufbauend beschrieb Maxwell mit Hilfe mathematischer Methoden die Theorie des elektromagnetischen Feldes. Er stellte fest, dass das sichtbare Licht ein elektromagnetisches Phänomen ist.

Schon seit Anfang des 19. Jahrhunderts wussten die Physiker, dass sich Licht als transversale Welle ausbreitet. Dabei verläuft die Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Die Forscher glaubten aber, die Lichtwelle benötige ein Medium (also Materie), um sich darin ausbreiten zu können. Als solches Medium postulierten sie eine extrem leichte und flüchtige Substanz, die sie Äther nannten und die nicht nachzuweisen sei. Maxwells Theorie machte nun eine solche Annahme überflüssig. 1888 brachte Heinrich Hertz den experimentellen Beleg für Maxwells Überlegungen. Doch war die Äther-Theorie damit nicht sofort aus der Welt geschafft, denn sie entsprach der Newton’schen Auffassung vom Universum als einem absoluten Raum-Zeit-System. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts führten der amerikanische Physiker Albert Abraham Michelson und ein Landsmann, der Chemiker Edward Williams Morley, ein berühmt gewordenes Experiment durch. Dieser Versuch widerlegte endgültig die Äther-Theorie und stellte gleichzeitig einen Meilenstein in der Entwicklung der Relativitätstheorie dar. Dem Experiment zufolge ist im Vakuum die Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Strahlung (also auch des Lichts) stets dieselbe, gleichgültig, in welcher Richtung und wie schnell sich die Strahlungsquelle und/oder der Beobachter bewegt.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannten die Physiker, dass die Wellentheorie nicht alle Eigenschaften der Strahlung erklären kann. Im Jahr 1900 bewies der deutsche Physiker Max Planck, dass die Emission und die Absorption von Strahlung immer nur in ganz bestimmten Portionen, den so genannten Quanten, geschehen können. Bald darauf, 1904, konnte Albert Einstein die zunächst ungewöhnlichen Ergebnisse erklären, die man bei Versuchen mit dem äußeren photoelektrischen Effekt erhalten hatte. Er postulierte dazu, dass sich die elektromagnetische Strahlung auch wie ein Teilchen verhalten kann – dieser Aspekt ging unter der Bezeichnung Welle-Teilchen-Dualismus in die Geschichte ein.

Andere Phänomene, die bei der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie auftreten, sind ebenfalls nur mit Hilfe der Quantentheorie zu deuten. Die Physiker müssen also anerkennen, dass die Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung zum einen die einer Welle und zum anderen die eines Teilchens sind. Das entsprechende Konzept, dass auch Materie sowohl teilchenähnliche als auch wellenähnliche Merkmale annehmen kann, wurde 1925 von dem französischen Physiker Louis de Broglie entwickelt.

Siehe auch Physik