Messung der Lichtgeschwindigkeit


Bezug zum Kerncurriculum:
Ich kann ein Experiment zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in Luft erläutern und meine Kenntnisse über Interferenz auf die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in einem Medium anwenden.


Experiment 1: Ole Rømer

Wenn man Licht in einem Raum einschaltet, ist der gesamte Raum sofort überall hell. Wenn man eine Taschenlampe auf ein entferntes Objekt richtet und einschaltet, sieht man sofort das entfernte Objekt. Lange Zeit gab es keine Möglichkeit zu entscheiden, ob Licht sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit fortbewegt oder ob das Licht ohne Zeitverzögerung überall ist, nachdem die Lichtquelle (z.B. ein Feuer) entfacht wurde. Für die damaligen messtechnischen Möglichkeiten ist Licht einfach zu schnell.

Der erste, dem es gelang zu zeigen, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, war Ole Rømer, der im 17. Jahrhundert in Kopenhagen geforscht hatte. Im 17. Jahrhundert wurden die Teleskope so leistungsfähig, dass man die Jupitermonde beobachten und deren Umlaufzeit genau vermessen konnte. Bei jedem Umlauf verschwand der Jupitermond Io hinter dem Jupiter und tauchte nach einer bestimmten Zeit wieder auf. Der Zeitabstand zwischen zwei Zeitpunkten, in denen Io den Schatten verlässt, beträgt 42 Stunden und 27 Minuten. Io benötigt also für einen vollständigen Umlauf um Jupiter 42 h, 27 min.

Die Überlegungen von Rømer, aus denen er schloss, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, werden im folgenden vorgestellt:

Hypothese 1: Licht bewegt sich mit einer unendlich hohen Geschwindigkeit fort.

Folgerung aus der Hypothese: Wenn sich Licht ohne Zeitverzögerung ausbreitet, dann fällt das Licht der Sonne im gleichen Moment auf Io, in dem es von der Sonne ausgesendet wurde. Das Licht, das Io reflektiert, fällt im gleichen Moment in das Teleskop, in dem Io es reflektiert hat. Man beobachtet also astronomische Ereignisse genau in dem Zeitpunkt in dem sie stattfinden.

Erwartung für die Messergebnisse: Für einen Umlauf um Jupiter benötigt Io 42 h und 27 Minuten. Wenn man mit dem Teleskop einen Schattenaustritt von Io beobachtet, kann man diesen Zeitpunkt aufschreiben. Wenn man zu diesem Zeitpunkt immer 42 h, 27 min addiert, kann man den Fahrplan eines Jahres für Io berechnen. Legt man den Io-Fahrplan neben ein Teleskop, dann wird man immer zu einem berechneten Zeitpunkt mit dem Teleskop beobachten, wie Io den Schatten des Jupiter verlässt.

Hypothese 2: Licht bewegt sich mit einer endlichen Geschwindigkeit fort.

Folgerung aus der Hypothese: Wenn Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, dann benötigt das Licht eine gewisse Zeit, um die riesigen Entfernungen zwischen Sonne, Io und Erde zurückzulegen. Das Licht, das von Io reflektiert wird, braucht eine bestimmte Zeit, bis es die Erde erreicht hat. Man beobachtet astronomische Ereignisse zu einem späteren Zeitpunkt, als der Zeitpunkt in dem sie stattfinden.

Erwartung für die Messergebnisse: Wenn die Erde auf der Seite der Sonne ist, die dem Jupiter zugewandt ist, benötigt das reflektierte Licht von Io eine kürzere Zeit zur Erde, als wenn die Erde auf der anderen Seite der Sonne ist. Wenn man den mit der unendlichen Lichtgeschwindigkeit berechneten Io-Fahrplan neben ein Teleskop legt, dann beobachtet man, dass Io verspätet aus dem Schatten austritt. Dabei gilt:

  • je weiter die Erde von Io entfernt ist, desto größer ist die Verspätung,
  • je näher die Erde bei Io ist, desto geringer ist die Verspätung.

Wenn die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, weicht die Beobachtung des Schattenaustritts von Io im Laufe eines Jahres von dem berechneten Flugplan aus Hypothese 1 ab.

Als Rømer die vorausberechneten Zeitpunkte des Io-Schattenaustritts mit den tatsächlich beobachteten Zeitpunkten verglich, stellte er fest, dass Io im Laufe eines Jahres bis zu 22 Minuten verspätet beobachtet wurde. Heute misst man mit besseren Zeitmessgeräten und besseren Teleskopen eine maximale Verspätung von etwa 17 Minuten.

Rømer bestätigte erstmals mit seinen Messungen die Hypothese 2: Licht hat eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die Überlegungen von Rømer können Sie in der folgenden Simulation nachvollziehen.

Nachweis, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist

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Experiment 2: Foucault und Michelson

Erstmals gelang es im Jahr 1851 Léon Foucault mit der Drehspiegelmethode die Lichtgeschwindigkeit mit einem Wert von \(298.000 \, \rm\frac{km}{s}\) relativ genau zu messen. 1879-83 verbesserte Albert Michelson die Drehspiegelmethode weiter und konnte einen Wert von \(299.853 \, \rm\frac{km}{s}\) bestimmen.

Im folgenden wird eine Variante der Drehspiegelmethode vorgestellt. Für den Aufbau muss man die Linsengleichung verstehen. Wenn ein Gegenstand im Abstand \(g\) von einer Linse aufgestellt wird, die eine Brennweite \(f\) hat, dann wird ein Punkt des Gegenstands genau dann scharf auf einen Punkt auf dem Schirm abgebildet, wenn der Schirm die Strecke \(b\) von der Linse entfernt ist.

Wenn der Schirm näher als \(b\) oder weiter entfernt als \(b\) positioniert wird, dann wird das Bild des Punktes auf eine größere Fläche verteilt und das Bild auf dem Schirm wird unscharf.

Es gibt nur eine ganz bestimmte Entfernung \(b\), bei der ein Gegenstand mit einer bestimmten Linse scharf auf einen Schirm abgebildet wird.

Die Linsengleichung können Sie in der folgenden Simulation nachvollziehen.

Für eine Kombination aus Gegenstand, Linse und Schirm gibt es nur eine einzige bestimmte Positionierung, in welcher auf dem Schirm ein scharfes Bild des Gegenstands abgebildet wird.

In einer modernen Variante des Drehspiegelexperiments wird als Lichtquelle ein Laser verwendet. Das Licht des Lasers wird auf einen drehbaren Spiegel gesendet und mit Hilfe einer Linse auf einem zweiten Spiegel geworfen. Der Spiegel, die Linse und der Laser sind so aufgestellt, dass das reflektierte Licht des Lasers wieder scharf auf die Öffnung des Lasers abgebildet wird.

Vor den Laser wird ein Strahlteiler aufgestellt, der das reflektierte Licht auf einen Schirm umlenkt. Der Schirm wird im gleichen Abstand zum Strahlteiler aufgestellt, wie der Laser. Auf den Schirm trifft der reflektierte Laserstrahl in einem Punkt.

Für diese Situation gilt mit den Beschriftungen der folgenden Simulation:

  • Die Gegenstandsweite \(b\) ist der Abstand zwischen dem festen Spiegel und der Linse
  • Die Brennweite \(w\) ist der Abstand zwischen der Linse und dem Drehspiegel. Der Drehspiegel steht also im Brennpunkt der Linse.
  • Die Bildweite \(c\) ist die Summe aus der Brennweite \(w\) und dem Abstand \(a\) zwischen Laser und Drehspiegel

Bei einer bestimmten Linse mit der Brennweite \(w\), müssen b und a so gewählt werden, dass die Linsengleichung erfüllt ist:

\[ \frac{1}{w} = \frac{1}{b} + \frac{1}{w + a}\]

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird das Laserlicht in einem Punkt auf den Schirm abgebildet und man kann eine sinnvolle Messung durchführen.

Für den Zusammenhang zwischen der Änderung des Drehwinkels um \(\alpha\) und der Änderung der Position des reflektierten Laserstrahls auf dem Schirm um \(\Delta x\) gilt: \(\tan(2 \cdot \alpha) = \frac{\text{Gegenkathete}}{\text{Ankathete}} = \frac{\Delta x}{a}\) und damit:

\[ \Delta x = a \cdot \tan(2 \cdot \alpha)\]

Für sehr kleine Winkel \(\alpha\) gilt in guter Näherung: \(\tan(2 \cdot \alpha) \approx 2 \cdot \alpha\) und damit:

\[ \Delta x = a \cdot \tan(2 \cdot \alpha) \approx a \cdot 2 \cdot \alpha = 2 \cdot a \cdot \alpha\]

Zur Durchführung des Experiments lässt man den Drehspiegel mit der Frequenz \(f\) gegen den Uhrzeigersinn rotieren. Wir betrachten jetzt einen Laser-Wellenzug, der vom Drehspiegel in Richtung Linse ausgesendet wird:

  • In der Zeit \(\Delta t\), in welcher der Laser-Wellenzug vom Drehspiegel zum festen Spiegel und zurück zum Drehspiegel unterwegs ist (Länge der Strecke ist \(\Delta s = w + b + b + w = 2 \cdot (w + b)\)), hat sich der Drehspiegel gegen den Uhrzeigersinn um den Winkel \(\alpha\) weitergedreht.
  • Wenn der Spiegel mit der Frequenz \(f\) rotiert, dann hat sich der Spiegel in der Zeit \(\Delta t\) um den Winkel \(\alpha = 2 \cdot \pi \cdot f \cdot \Delta t\) gedreht.

Setzt man das in die Formel für die Verschiebung \(\Delta x\) ein, so folgt:

\[ \Delta x = 2 \cdot a \cdot \alpha = 2 \cdot a \cdot 2 \cdot \pi \cdot f \cdot \Delta t = 4 \cdot a \cdot \pi \cdot f \cdot \Delta t\]

Löst man diese Gleichung nach \(\Delta t\) auf, folgt für die Zeit, die der Laserwellenzug vom Drehspiegel zum festen Spiegel und zurück benötigt:

\[ \Delta t = \frac{\Delta x}{4 \cdot a \cdot \pi \cdot f}\]

Für die Lichtgeschwindigkeit \(c\) mit \(c = \frac{\Delta s}{\Delta t}\) und \(\Delta s = 2 \cdot (w + b)\) gilt:

\[ \begin{align} c &= \frac{\Delta s}{\Delta t} \\ c &= \frac{2 \cdot (w + b)}{\frac{\Delta x}{4 \cdot a \cdot \pi \cdot f}} \\ c &= \frac{4 \cdot a \cdot \pi \cdot f \cdot 2 \cdot (w + b)}{\Delta x} \\ c &= \frac{8 \pi \cdot a \cdot f \cdot (w + b)}{\Delta x} \\ \end{align}\]

Damit hat man eine Formel, welche nur noch makroskopische Messgrößen enthält, die man mit geeigneten Meßgeräten bestimmen kann. Aus den Messgrößen kann man dann einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit abschätzen.


Experiment 3: Mikrowelle

Mit Hilfe einer Mikrowelle und einer Tafel Schokolade kann die Lichtgeschwindigkeit abgeschätzt werden. In der Mikrowelle werden elektromagnetische Wellen, die sich mit der Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, ausgesendet. Die Mikrowellen werden von den Metallwänden reflektiert und es bilden sich stehende Wellen.

Die Frequenz der Mikrowellen beträgt in handelsüblichen Geräten \(2,540 \, \text{GHz} = 2,540 \cdot 10^{9} \, \text{Hz}\). Für den Versuch entfernt man den Drehteller aus der Mikrowelle. Wenn man jetzt eine Tafel Schokolade in die Mikrowelle legt, einschaltet und nach einigen Sekunden die Mikrowelle öffnet, beobachtet man, dass an zwei Stellen die Schokolade mehr geschmolzen ist, als auf dem Rest der Schokoladentafel:

Das sind die Maxima der stehenden Welle, die sich in der Mikrowelle gebildet haben. Mit einem Abstand von \(6,4 \, \text{cm}\) zwischen den Maxima, folgt für die Wellenlänge der Mikrowelle ein Wert von \(\lambda = 2 \cdot 6,4 \, \text{cm} = 12,8 \, \text{cm}\).

Für den Zusammenhang zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit \(c\), der Frequenz \(f\) und der Wellenlänge \(\lambda\) einer Welle gilt: \(c = \lambda \cdot f\). Damit kann die Lichgeschwindigkeit berechnet werden:

\[ c = \lambda \cdot f = 12,8 \cdot 10^{-2} \, \text{cm} \cdot 2,540 \cdot 10^{9} \, \tfrac{\text{1}}{\text{s}} = 325.120.000 \, \tfrac{\text{m}}{\text{s}}\]

Mit einer Mikrowelle, einer Tafel Schokolade und einem Lineal kann man also den Wert der Lichtgeschwindigkeit abschätzen.


Experiment 4: Messung der Lichtgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit

Man stellt einen Laserentfernungsmesser (z.B. Bosch, Welotec,...) vor einen Glasbehälter. Auf der anderen Seite des Glasbehälters ist ein Spiegel.

  • Schritt 1: Man misst die Entfernung \(s_\text{Luft}\) zwischen Spiegel und Laserentfernungsmesser ohne Flüssigkeit im Glasbehälter.
  • Schritt 2: Man misst die Entfernung \(s_\text{Flüssigkeit}\) zwischen Spiegel und Laserentfernungsmesser mit der eingefüllten Flüssigkeit im Glasbehälter.

Die Glaswände des Behälters müssen in der Rechnung nicht berücksichtigt werden, da sie aus der Rechnung herausfallen. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist angenähert: \(c_\text{Luft} = 2,997055 \cdot 10^{8} \, \tfrac{\text{m}}{\text{s}}\)

Beispiel-Experiment:

Für die Entfernung ohne Flüssigkeit wird eine Lichtstrecke von hin- und zurück \(s = 60,2831 \, \text{cm}\) gemessen. Das Licht war also

\[ t_\text{Luft} = \frac{s}{c_\text{Luft}} = \frac{0,602831 \, \text{m}}{2,997055 \cdot 10^{8} \, \tfrac{\text{m}}{\text{s}}} = 2,011411 \cdot 10^{-9} \, \text{s}\]

unterwegs. Für die Entfernung mit der Flüssigkeit wird eine Lichtstrecke von hin- und zurück \(60,2832 \, \text{cm}\) gemessen. Also war das Licht

\[ t_\text{Flüssigkeit} = \frac{s}{c_\text{Luft}} = \frac{0,602832 \, \text{m}}{2,997055 \cdot 10^{8} \, \tfrac{\text{m}}{\text{s}}} = 2,011415 \cdot 10^{-9} \, \text{s}\]

unterwegs. Also gilt für die Geschwindigkeit von Licht in der Flüssigkeit:

\[ c_\text{Flüssigkeit} = \frac{s}{t_\text{Flüssigkeit}} = \frac{0,602831 \, \text{m}}{2,011415 \cdot 10^{-9} \, \text{s}} = 2,997049 \cdot 10^{8} \, \tfrac{\text{m}}{\text{s}}\]


Das elektromagnetische Spektrum

Elektromagnetische Wellen können extrem unterschiedliche Frequenzen und danit Wellenlängen haben. Abhängig von möglichen Anwendungen werden die elektromagnetischen Wellen unterschiedlich bezeichnet.

Radiowellen

unsichtbar, energieärmer als sichtbares Licht
Wellenlänge \(\lambda\): \(10^7\) m bis \(1\) m
Frequenz \(f\): \(3\) Hz bis \(300\) MHz = \(300 \cdot 10^6\) Hz

Radiowellen entstehen, wenn Elektronen in Leitern zum Schwingen gebracht werden. Eine Sende-Antenne ist an einen elektromagnetischen Schwingkreis angeschlossen, so dass die Elektronen in der Antenne mit einer bestimmten Frequenz (30 KHz bis 300 MHz) hin und herschwingen. Dadurch löst sich eine elektromagnetische Welle von der Antenne, die in anderen Antennen wieder Elektronen zu Schwingungen anregen. Dadurch kann ein Radio- oder Funksignal übertragen werden. Beim Radio kann man die Frequenz der elektromagnetischen Welle einstellen, die empfangen werden soll. Auf diese Grundfrequenz sind Informationen wie Musik oder Nachrichten mit zwei grundlegend unterschiedliche Arten aufgeprägt worden:

  • Amplitudenmodulation (AM): Die Amplitude der ankommenden elektromagnetischen Welle ändert sich ständig.
  • Frequenzmodulation (FM): Die Frequenz der Trägerwelle schwankt um den am Radio eingestellten Wert.

Die Amplituden- und Frequenzschwankungen sind die eigentliche übertragene Information. Früher waren diese Informationen analog, man übertrug die Schwankungen direkt auf einen Lautsprecher, der die Schwankungen in entsprechenden Schall umwandelte. Heute wird die Information zumeist digital übertragen, so dass auf die Grundfrequenz durch Amplituden- oder Frequenzmodulation ein Muster an Bits (1 und 0) übertragen wird. Die Elektronik im Radio/Funkgerät/Handy berechnet aus dem Bitmuster die ankommenden Informationen stellt diese akustische (Lautsprecher) oder optisch (Display) dar.

Selbst in der Wüste oder auf dem Ozean kann man Radio hören, obwohl kein Sendemast in der Nähe ist. In der Ionosphäre, die in ca. 100 Kilometern Höhe beginnt und rund 300 Kilometer dick ist, werden Atome von der ankommenden kosmischen Strahlung ionisiert (die äußeren Elektronen lösen sich aus den Atomen). Die freien Elektronen und Ionen werden von den Radiowellen zu Schwingungen angereget und senden die Radiowellen mit der gleichen Frequenz wieder in alle Raumrichtungen aus so dass diese auch wieder Richtung Erde reflektiert werden.

Die Atmosphäre ist für elektromagnetische Radiowellen mit Frequenzen größer als 40 Megahertz durchlässig. Deswegen können Radiowellen aus anderen Bereichen des Universums auf die Erde gelangen und von Radioteleskopen aufgefangen werden. Diese kosmischen Radiosender sind z.B. Überreste von Sternenexplosionen, unsere Sonne, galaktische Nebel und fremde Galaxien.

Mikrowellen

unsichtbar, energieärmer als sichtbares Licht
Wellenlänge \(\lambda\): \(1\) m bis \(1\) mm
Frequenz \(f\): \(300\) MHz bis \(300\) GHz = \(300 \cdot 10^9\) Hz

Heinrich Hertz erzeugte im Jahre 1886 erstmals Mikrowellen. Mikrowellen entstehen wie Radiowellen durch Schwingungen von Elektronen in Metallen, wobei die Frequenz der Elektronenschwingungen deutlich höher ist als bei Radiowellen. Mikrowellen werden heute für Satellitenfernsehen, für Radaranwendungen und für das Aufwärmen von Speisen genutzt.

Die bekannteste Anwendung der Mikrowellen ist der Mikrowellenherd, der Speisen mit einer elektromagnetischen Wellen bei einer Wellenlänge von ca. 12 cm Länge (Frequenz \(f\) = 2,5 GHz) bestrahlt. Wasser- und Fettmoleküle in den Speisen schwingen bei dieser Frequenz in Resonanz und wandeln effektiv die elektromagnetische Energie der Wellen in Wärme um. Da die Mikrowellenstrahlen in die Speisen eindringen können, werden diese von Innen erwärmt. Diese Mikrowellen können das menschliche Gewebe schaden und sind besonders für die Augen sehr gefährlich, da die Resonanzschwingungen so viel Energie ins Gewebe transportieren, dass Zellen geschädigt werden. Daher werden Mikrowellenherde mit einem Metallgitter abgeschirmt, so dass die freien Elektronen im Metall die Mikrowellen absorbieren und keine Strahlung entweichen kann.

Mit Radiowellen kann man Hörsignale (Radio, Telefon) übertragen, aber keine Videos. Die Anzahl an Daten, die bei Videos pro Sekunde übertragen werden müssen, damit das Video flüssig wirkt (ca 23 Bilder pro Sekunde) ist so groß, dass die Frequenz der Radiowellen dafür zu gering ist. Da Mikrowellen nich von der Ionosphäre reflektiert werden, hat man Fernsehsatelliten im All positioniert, die geostationär in einer Höhe von ca. 36.000 Kilometern die Erde umrunden. Diese reflektieren die Mikrowellen, welche mit einer Satellitenschüssel empfangen werden können.

Mit Hilfe von Radar ("Radio Detection and Ranging") wird heute die Geschwindigkeit von Autos bei Geschwindigkeitskontrollen gemessen oder die Position von Flugzeugen oder Schiffen bestimmt. Dazu werden Radarwellen auf das zu messende Objekt gesendet und aus den reflektierten Wellen die Position und die Geschwindigkeit der Objekte berechnet.

Infrarot-Strahlung

unsichtbar, energieärmer als sichtbares Licht
Wellenlänge \(\lambda\): \(1\) mm bis \(780\) nm
Frequenz \(f\): \(300\) GHz bis \(380\) THz = \(380 \cdot 10^{12}\) Hz

Im Jahr 1800 stellte der Astronom Wilhelm Herschel ein Thermometer ins Sonnenlichts, das er mit einem Prisma zerlegte. Er stellte fest, dass das Thermometer sich auch jenseits des roten Endes noch erwärmte. Herschel folgerte, dass die Sonne nicht nur sichtbares Licht ausstrahlt, sondern auch Strahlung jenseits des roten Lichts. Dieses Licht wird Infrarotlicht oder Wärmestrahlung genannt.

Die Wärmestrahlung wird von schwingenden Atomen oder Molekülen ausgesendet. Jeder Körper, der eine Temperatur hat, sendet fortlaufend Infrarotstrahlung aus. Das Kohlendioxid in der Atmosphäre reflektiert einen Teil dieser Infrarotstrahlung, so dass diese Energie nicht ans Weltall verloren geht. Ohne diesen Effekt wäre unsere Erde ein Eisplanet. Wenn zuviel Kohlendioxid in der Atmosphäre ist, besteht die Gefahr eines Klimawandels in Richtung einer Heißzeit.

Sichtbares Licht

Wellenlänge \(\lambda\): \(780\) nm bis \(380\) nm
Frequenz \(f\): \(390\) THz bis \(790\) THz = \(790 \cdot 10^{12}\) Hz

Gebundene Elektronen in der Atomhülle von Atomen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist, senden sichtbares Licht aus. Warum bestimmte Körper nur bestimmte Lichtarten (Farben) aussenden, kann die klassische Phsik mit elektromagnetischen Wellen nicht erklären. Die Quantentheorie bietet ein Modell an, das man auch nicht versteht, mit dem man aber dieses Verhalten modellieren kann.

Das Spektrum des sichtbaren Lichts kann man mit Hilfe eines Prismas oder eines Gitters sichtbar machen.

Simulation in einem neuen Fenster starten: Lichtspektrum

Ultraviolette Strahlung

unsichtbar, energiereicher als sichtbares Licht Wellenlänge \(\lambda\): \(380\) nm bis \(1\) nm
Frequenz \(f\): \(790\) THz bis \(3 \cdot 10^{17}\) Hz

Kurz nach der Entdeckung der Infrarotstrahlung vermutete im Jahr 1800 der Physiker Johann Ritter, dass es energiereicheres Licht als das sichtbare Licht jenseits der Farbe violett gibt. Bei Versuchen mit Fotoplatten fand er unsichtbare Strahlen, welche die Photoplatten stärker schwärzen als das sichtbare Licht. Ultraviolette Strahlung (UV-Licht) wird wie das sichtbare Licht von den Elektronen in der Atomhülle von Atomen ausgesendet.

Es gibt Materialien die anfangen zu leuchten, wenn sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Solche Stoffe nehmen das UV-Licht auf und wandeln das UV-Licht in sichtbares Licht um. Dieser Vorgang heißt Fluoreszenz.

UV-Licht, das von der Sonne kommt, kann unsere Haut schädigen. Das energieärmere UV-A-Licht lässt die Haut braun werden, um vor vermehrter Sonneneinstrahlung zu schützen. Das UV-B-Licht ist energiereicher und führt zu Hautschäden und Sonnenbrand. Sonnenschutzmittel filtern dieses gefährliche UV-B-Licht zum großen Teil heraus und schützen damit die Haut. Das meiste von der Sonne auf die Erde geschickte UV-Licht wird in der Ozon-Schicht in einer Höhe von 10 bis 50 Kilometern absorbiert. Die Ozonmoleküle (\(O_3\)) nehmen das UV-Licht auf und werden dabei in Sauerstoff-Moleküle (\(O_2\)) und Sauerstoff-Ione (\(O^+\)) zerlegt. Ohne die Ozonschicht wäre Leben auf der Erde nur schwer möglich.

Röntgenstrahlung

unsichtbar, energiereicher als sichtbares Licht
Wellenlänge \(\lambda\): \(1\) nm bis \(10^{-12}\) m
Frequenz \(f\): \(3 \cdot 10^{17}\) Hz bis \(3 \cdot 10^{19}\) Hz

Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte im Jahr 1895 zufällig eine neue Art von Strahlen, die er X-Strahlen nannte. Die X-Strahlen konnten Körper durchdringen so dass fotografische Aufnahmen z.B. von Knochen in einem Körper möglich wurden. Im deutschen Sprachraum werden die X-Strahlen nach ihrem Entdecker Röntgenstrahlen genannt. 1912 konnte Max von Laue nachweisen, dass Röntgenstrahlen elektromagnetische Wellen sind. Röntgenstrahlen werden von Elektronen ausgesendet, die sehr schnell sind und plötzlich abgebremst werden oder von inneren Elektronen die zu der Atomhülle eines Atoms gehören.

Röntgenstrahlen sind so energiereich, dass sie menschlichen Körperzellen schaden können. Zum einen können Zellen bschädigt werden, die vom Körper ersetzt werden. Ist die Bestrahlungsdauer kurz sollten die Schäden vom Körper leicht repariert werden können. Die andere Gefährdung ist kritischer, denn Röntgenstrahlen können das Erbgut einer Zelle (DNS) beschädigen. Die Zelle mutiert vermehrt sich. Wenn das Erbgut ungünstig verändert wurde, können Krebsturmore entstehen. Wenn Eizellen oder Spermien beschädigt wurden, kann das zu Schädigungen an den später heranwachsenden Embryonen führen. Daher sollte nur der Körperbereich den Röntgenstrahlen ausgesetzt werden, der untersucht werden soll.

Gammastrahlung

unsichtbar, energiereicher als sichtbares Licht
Wellenlänge \(\lambda\): > \(10^{-12}\) m
Frequenz \(f\): > \(3 \cdot 10^{19}\) Hz

Der britische Physiker Ernest Rutherford fand im Jahr 1902 drei Arten von radioaktiver Strahlung, wenn Atomkerne zerfallen. Er nannte sie Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung. Gammastrahlung besteht aus den energiereichsten elektromagnetischen Wellen, die man kennt. Bei einer Atombombenexplosion töten die Gammastrahlen alles Leben in der Umgebung der Explosion, noch bevor die Druckwelle sich ausgebreitet hat. Auch radioaktiver Abfall sendet tausende von Jahren diese gefährliche Strahlung aus, so dass bis heute die endgültige Lagerung der Abfälle aus den Kernkraftwerken nach wie vor nicht geklärt ist.

Jeden Tag registriert man auf der Erde mit speziellen Teleskopen einige Gammastrahlen-Blitze, von denen jeder etwa eine Sekunde lang ist. Die Herkunft dieser Gammstrahlen ist noch immer ein Rätsel. Aus der Energie der ankommenden Gammastrahlung kann man berechnen, dass die Vorgänge, bei denen diese freigesetzt wurden gewaltig gewesen sein mussten.