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Chemie · Mikrokosmos
Licht als elektromagnetische Welle: Spektrum und Ionisation, Photonenenergie E = h·f, Entstehung der Strahlung, Linienspektren und der Photoeffekt.
Alle elektromagnetischen Wellen sind dasselbe: schwingende Felder, die mit c durchs Vakuum laufen. Sie unterscheiden sich nur in Wellenlänge, Frequenz und Photonenenergie.
Elektromagnetische Strahlung ist eine Transversalwelle: Das elektrische und das magnetische Feld stehen senkrecht aufeinander und zur Ausbreitungsrichtung. Anders als Schall braucht sie kein Medium.
Die Wellenlänge λ ist der Abstand zweier Wellenberge, die Frequenz f zählt die Schwingungen pro Sekunde (Hz = 1/s).
c = f · λim Vakuum c ≈ 3 · 10⁸ m/s, für alle Frequenzen gleich
In einem Stoff ist die Welle langsamer (v = c / n, n ist der Brechungsindex), die Frequenz bleibt gleich, die Wellenlänge wird kürzer. → Ausführlich in: Wellenoptik
| Bereich | Wellenlänge | Merkmal |
|---|---|---|
| unter 10 pm |
| aus dem Kern, ionisierend |
| Röntgen | 10 pm bis 10 nm | Diagnostik, ionisierend |
| UV | 10 bis 380 nm | kurzwellig ionisierend |
| Licht | 380 bis 780 nm | das Auge sieht es |
| Infrarot | 780 nm bis 1 mm | Wärmestrahlung |
| Mikrowellen | 1 mm bis 1 m | Radar, Mikrowellenherd |
| Radiowellen | über 1 m | Rundfunk, MRT |
Die Grenzen sind fließend; oft rundet man das Licht auf 400 bis 700 nm. Gamma und Röntgen überlappen: Man unterscheidet sie nach der Herkunft, Gamma aus dem Atomkern, Röntgen aus der Hülle oder durch Abbremsen von Elektronen.
Strahlung wird in Portionen aufgenommen und abgegeben, den Photonen. Sie haben keine Ruhemasse und keine Ladung, im Vakuum bewegen sie sich immer mit c.
E = h · f = h · c / λh = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s, die Planck-Konstante
Kürzere Wellenlänge heißt höhere Frequenz und mehr Energie pro Photon. Blaues Licht ist energiereicher als rotes.
Zum Rechnen in Elektronenvolt: E ≈ 1240 eV · nm / λ. Grünes Licht (500 nm) hat etwa 2,5 eV, Röntgenstrahlung mit 0,1 nm etwa 12 keV, eine Radiowelle von 1 m nur etwa 1 µeV.
Ab etwa 10 eV (λ unter etwa 124 nm) reicht ein Photon, um Atome und Moleküle zu ionisieren. Das gilt für Gamma, Röntgen und kurzwelliges UV; Tumoren bestrahlt man meist mit ultraharter Röntgenstrahlung aus Linearbeschleunigern. → Ausführlich in: Ionisierende Strahlung
Ein Photon trägt auch Impuls, obwohl es keine Masse hat:
p = h / λ500 nm: 6,626 · 10⁻³⁴ / 5 · 10⁻⁷ ≈ 1,3 · 10⁻²⁷ kg·m/s
Ein Atom strahlt nur Photonen ab, deren Energie genau einem Niveauabstand entspricht (ΔE = h · f). Das gibt scharfe Emissionslinien, bei jedem Element ein eigenes Muster.
Ein Photon mit passender Energie kann auch absorbiert werden und hebt das Elektron hoch: Im Spektrum fehlt dann eine Absorptionslinie. → Ausführlich in: Elektronenhülle
Trifft UV-Licht auf eine Metallplatte, schlägt es Elektronen heraus. Mit einer Welle lässt sich das nicht erklären, mit Photonen schon: Ein Photon gibt seine Energie an ein Elektron ab.
Ekin = h · f − WAWA: Austrittsarbeit, die Mindestenergie des Metalls
Beispiel mit WA = 2,3 eV: Rotes Licht (700 nm) hat 1240 / 700 ≈ 1,8 eV und löst nichts aus, auch nicht mit Scheinwerfer-Helligkeit. Grünes Licht (500 nm) hat 2,5 eV, die Elektronen bekommen Ekin ≈ 0,2 eV.
Einstein erklärte das 1905 und bekam dafür 1921 den Nobelpreis, nicht für die Relativitätstheorie. Der Photoeffekt zeigt den Teilchencharakter, Interferenz den Wellencharakter. → Ausführlich in: Teilchen-Welle-Dualismus
Auch einzeln geschickte Photonen und Elektronen bauen am Doppelspalt Streifen auf, eine Welcher-Weg-Messung löscht sie. Ort und Impuls sind dabei nie zugleich beliebig scharf. → Ausführlich in: Unschärferelation
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Deine AufgabeDecke die Bereiche des Spektrums einzeln auf und ordne sie von der Gammastrahlung bis zu den Radiowellen: Welche Bereiche sind ionisierend, und wo liegen Röntgendiagnostik und Strahlentherapie?
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Deine AufgabeVergleiche die drei Schirmbilder: Was zeigt, dass Licht als Teilchen ankommt, und was, dass es sich als Welle ausbreitet? Warum stimmen die Streifen nach 1500 Photonen mit dem Wellenbild überein?
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