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THEMA: Das elektromagnetische Spektrum für Laien

Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 11:25 #2825

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Hallo,

Herr Arth spricht in dem tollen Video über Galaxienhaufen einen Punkt an, er sagt umgangssprachlich "Radio ist auch Licht", der meiner Meinung nach in der Schulbildung etwas untergeht. Vielleicht könnten Sie ein kurzes Video dem elektromagnetischem Spektrum widmen? Ich würde mich sehr freuen.

Ich habe mal in der Schule gelernt, dass es elektromagnetische Wellen, Strahlung und Licht gibt. Licht besitzt seltsame Eigenschaften von Strahlung und Welle, später wurde dies durch die Lichtquanten/Photonen und deren Unbestimmtheit erklärt. Aber alles liegt auf einem Spektrum. Ich fragte dann, ob Radiowellen oder Gammastrahlung nicht auch aus Photonen bestünden. Nein, Radio ist eine EM-Welle, Gammastrahlung ist ionisierte Teilchenstrahlung lautete stets die Antwort.

Irgenwie muss sich doch dann aber dieser Welle-Teilchen-Dualismus auf dem Spektrum verschieben und zwar in Zusammenhang mit der Frequenz bzw. der Wellenlänge also auch der Energie, da für das Photon E=h*f gilt. Ist dieser Dualismus bei "optischem Licht", was ja sich annährend in der Mitte des Spektrums befindet, dann halbwegs ausgeglichen? Können durch Frequenzerhöhung, also Energiezufuhr, aus einer elektromagnetischen Welle Teilchen entstehen? Verändern Photonen unterschiedlicher Frequenz ihr Energie-Masse-Profil und damit ihre Eigenschaften?

Ich könnte ja bei der Energie des Photons mit E=h*f, die Energie durch E=m*c² beschreiben und dann nach der Masse umstellen. Meine Einheitenbetrachtung haut hin: kg. Also hätte ich mit m=(h*f)/c² die relativistische Masse eines Photons einer bestimmter Frequenz berechnet? Da h und c konstant sind bleibt nur die Abhängigkeit von Masse zu Frequenz variabel (in einem extrem krassen Verhältnis natürlich).

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 17:33 #2831

die Frequenz kann man auch schreiben: f = c / Lamda. Lamda ist die Wellenlänge der Strahlung. Also folgt E = h x c / Lamda. Jetzt sieht man schön, daß man immer höhere Energien erhält, wenn man die Wellenlängen immer kleiner werden läßt. Wenn wir im Radiobereich anfangen, kommt als nächstes der Infrarotbereich, also die Wärmestrahlung, dann der optische Bereich, von rot bis violett und darauf das ultraviolett, dann kommen wir in den Röntgenbereich, erst die weiche, dann die harte Röntgenstrahlung und bei sehr kurzen Wellenlängen erreichen wir den Gammabereich, hochenergetische elektromagnetische Strahlung. Das war jetzt das reine Wellenbild.
Wechseln wir ins Teilchenbild, dann spricht man hier von Photonen, also Teilchen. Es sieht aber eher danach aus, daß Licht immer sowohl Welleneigenschaften, als auch Teilcheneigenschaften hat und je nachdem welches Experiment man macht, kommen einmal die Welleneigenschaften zum tragen , ein anderes mal eher die Teilcheneigenschaften (Doppelspaltexperimente).
Grüße
Thomas

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 17:49 #2832

λ
wollte nur mal sehen, ob es hier angezeigt wird, dieser schöne buchstabe ;>

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 18:34 #2833

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Hallo Thomas und vielen Dank!

Ich kann mir das mit der Frequenz irgendwie besser vorstellen, aber die Formel mit Lambda (f=c/λ) ist aussagekräftiger, danke! (Ich müsste mal in einer ruhigen Minute, aber nicht jetzt, gucken wie es sich dann mit m=(h*f)/c² verhält.)

Dennoch ändert es leider nichts an meinem Verständnisproblem aus Schultagen. Das Doppelspaltexperiment ist mir bekannt, praktisch aber eben nur mit Licht, nicht mit Radiowellen oder Gammastrahlung, das nur theoretisch - Zum Glück wahrscheinlich ;)

Muss man denn zwischen beiden Modellen wechseln, gibt es keines das alles erklärt? Wo ist der Übergang zwischen den Modellen, beim Licht (IR-UV)? Hat Radio nicht auch versteckte Teilcheneigenschaften und Teilchenstrahlung nicht Welleneigenschaften? Kurz: Besteht Radio auch aus Photonen bzw. lässt es sich über dieses Modell beschreiben?

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 18:56 #2834

Das Photon ist Überträgerteilchen jedweder elektromagnetischen Strahlung. Die Wellen schwingen nur auf einer anderen Frequenz. Je höher die Frequenz, desto hochenergetischer die Strahlung. Das gilt auch für das sichtbare Licht. Es war lange Zeit problematisch hochfrequentes Licht zu erzeugen, darum haben sowohl der blaue Laser, als auch die blaue LED (für Pflanzen wichtig) lange auf sich warten lassen, da mehr Energie nötig ist. Der Welle-Teilchen Dualismus gilt im übrigen für alle Materie gleichsam.

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 19:28 #2835

ck.Pinhead schrieb: Dennoch ändert es leider nichts an meinem Verständnisproblem aus Schultagen. Das Doppelspaltexperiment ist mir bekannt, praktisch aber eben nur mit Licht, nicht mit Radiowellen oder Gammastrahlung, das nur theoretisch - Zum Glück wahrscheinlich ;)

Muss man denn zwischen beiden Modellen wechseln, gibt es keines das alles erklärt? Wo ist der Übergang zwischen den Modellen, beim Licht (IR-UV)? Hat Radio nicht auch versteckte Teilcheneigenschaften und Teilchenstrahlung nicht Welleneigenschaften? Kurz: Besteht Radio auch aus Photonen bzw. lässt es sich über dieses Modell beschreiben?


Der Erfolg des Doppelspaltexperiments setzt voraus, dass die Wellenläge in der selben Größenordnung ist wie der Abstand der Spalte.

Ich würde daher in einer Doppelspalt-Apparatur für Lichtwellen folgendes erwarten:
Schickt man Gammastrahlung durch, ist ihre Wellenlänge so klein, dass es keine Interferenzen zwischen den beiden Spalten gibt.
Schickt man Radiowellen durch, ist ihre Wellenlänge so groß, dass es zu keinen Interferenzmustern auf dem Schirm gibt.

Zu den Teilcheneigenschaften sollte man sich den photoelektrischen Effekt ansehen, also das Experiment, für das Einstein seinen Nobelpreis bekommen hat. Alle Lichtwellen sind auch Photonen. Nur wenn sie energiereich genug sind, können sie beispielsweise Moleküle ionisieren oder anregen. Bei Radiowellen ist die Energie hierzu in der Regel zu niedrig.

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 20:55 #2837

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Ebenfalls danke, Skandhas und ClausS!

Jetzt verwirren mich die Begrifflichkeiten "(Überträger-)Teilchen" und "elektromagnetische Wellen" bzw. "Strahlung" etwas, wenn man das eine mit dem anderen erklärt und umgekehrt.

Der (äußere) photoelektrische Effekte ist mir auch noch aus der Schule bekannt, dabei geht die Energie der Photonen auf Elektronen über, die sich dann frei bewegen können, was messbar ist.

Wikipedia hat mir da geholfen:
"Das Photon (von griechisch φῶς phōs, Genitiv φωτός phōtos ‚Licht‘) ist das Elementarteilchen (Quant) des elektromagnetischen Feldes. Anschaulich gesprochen sind Photonen das, woraus elektromagnetische Strahlung besteht. Daher wird gelegentlich auch die Bezeichnung Lichtquant oder Lichtteilchen verwendet. In der Quantenelektrodynamik gehört das Photon als Vermittler der elektromagnetischen Wechselwirkung zu den Eichbosonen."

Dort verwirrt mich wiederum der Begriff "Elementarteilchen". Nach meinem Verständnis ist ein Photon ein 'fluktuierendes Energiepaket' mit einer Frequenz f und dem Mindestenergiewert des planckschen Wirkungsquantum h, also selbst ein elektromagnetischen Feld in seiner, mit h, kleinsten Form(?). Photonen haben die Ruhmasse von 0 kg (oder keine Ruhemasse) und guck ich mir die Gleichung E=h*f an, hören sie quasi auf zu existieren wenn die Frequenz auf Null fällt. Mit m=(h*f)/c² verhält es sich ebenso, ist f=0 dann ist auch m=0. (Lustig wird es, wenn man die Geschwindigkeit c bremsen könnte, dann steigt die Masse gegen unendlich.) Würde ich nun die Frequenz immer weiter erhöhen, also dem Photon Energie übertragen können, würde dasselbe Photon dann eine Entwicklung durch das elektromagnetische Spektrum durchschreiten? ...also von Radiowellen zu Gammastrahlung (als Extrembeispiel)?


Interessant bei dieser Darstellung von Wikipedia, finde ich ganz rechts die Wechselströme, das habe ich zuvor noch nicht so gesehen.

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 21:46 #2838

ck.Pinhead schrieb: Würde ich nun die Frequenz immer weiter erhöhen, also dem Photon Energie übertragen können, würde dasselbe Photon dann eine Entwicklung durch das elektromagnetische Spektrum durchschreiten? ...also von Radiowellen zu Gammastrahlung (als Extrembeispiel)?


Wenn man die Energie eines Photons permanent erhöhen könnte, dann würde es von einer Radiowelle zu Gammastrahlung werden.

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 22:30 #2839

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ClausS schrieb: Wenn man die Energie eines Photons permanent erhöhen könnte, dann würde es von einer Radiowelle zu Gammastrahlung werden.

Passiert denn so etwas in der Natur? Nach meinem Verständnis eher nicht, da Photonen in dem einen oder anderen Zustand, also mit einer bestimmten Frequenz aus einem angeregten Atomkern (Ion) emittiert werden. Oder können sich Photonen durch Resonanz bspw. gegenseitig beeinflussen und derartig entwickeln? (Ähnlich der Resonanzabsorption eines Photons durch ein Elektron bei passenden Bedingungen (Energieniveaus).)

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 22:37 #2840

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ClausS schrieb: Der Erfolg des Doppelspaltexperiments setzt voraus, dass die Wellenläge in der selben Größenordnung ist wie der Abstand der Spalte.

Ich würde daher in einer Doppelspalt-Apparatur für Lichtwellen folgendes erwarten:
Schickt man Gammastrahlung durch, ist ihre Wellenlänge so klein, dass es keine Interferenzen zwischen den beiden Spalten gibt.
Schickt man Radiowellen durch, ist ihre Wellenlänge so groß, dass es zu keinen Interferenzmustern auf dem Schirm gibt.

Ich meine ja nicht unbedingt den Doppelspaltversuch, von mir aus ein anderes, mir unbekanntes, Experiment. Ganz allgemein: Ist ein Nachweis des Welle-Teilchen-Dualismus bei anderen elektromagnetischen Spektren, als denen des Lichtes (IR-UV) möglich? Wie verhält sich dieser Dualismus in Abhängigkeit von der Frequenz? Dominieren bspw. mit zunehmender Frequenz die Teilcheneigenschaften und mit abnehmender die Welleneigenschaften (wie die Gleichungen mich vermuten lassen)?

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 23:09 #2843

ck.Pinhead schrieb:

ClausS schrieb: Wenn man die Energie eines Photons permanent erhöhen könnte, dann würde es von einer Radiowelle zu Gammastrahlung werden.

Passiert denn so etwas in der Natur? Nach meinem Verständnis eher nicht, da Photonen in dem einen oder anderen Zustand, also mit einer bestimmten Frequenz aus einem angeregten Atomkern (Ion) emittiert werden. Oder können sich Photonen durch Resonanz bspw. gegenseitig beeinflussen und derartig entwickeln? (Ähnlich der Resonanzabsorption eines Photons durch ein Elektron bei passenden Bedingungen (Energieniveaus).)


Auf dieses Gedankenspiel habe ich bewusst mit Konjunktiv geantwortet. Mir ist nämlich auch kein Fall bekannt, wo dies passiere könnte.

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 17 Feb 2016 23:27 #2845

ck.Pinhead schrieb: Ganz allgemein: Ist ein Nachweis des Welle-Teilchen-Dualismus bei anderen elektromagnetischen Spektren, als denen des Lichtes (IR-UV) möglich?


Möglicherweise könnte die Raleigh-Strahlung ein Nachweis für die Teilcheneigenschaften auch bei niedrigen Frequenzen sein. Zwar ist da der Wirkungsquerschnitt sehr klein, aber sie tritt auch da auf.

ck.Pinhead schrieb: Dominieren bspw. mit zunehmender Frequenz die Teilcheneigenschaften und mit abnehmender die Welleneigenschaften (wie die Gleichungen mich vermuten lassen)?


Ja

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 18 Feb 2016 00:11 #2848

Ja, je härter die Strahlung, um so mehr Teilcheneigenschaften und umgekehrt.
Grüße
Thomas
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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 18 Feb 2016 00:45 #2849

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ClausS schrieb: Möglicherweise könnte die Raleigh-Strahlung ein Nachweis für die Teilcheneigenschaften auch bei niedrigen Frequenzen sein. Zwar ist da der Wirkungsquerschnitt sehr klein, aber sie tritt auch da auf.

Danke! Ich denke du meintest die Rayleigh-Streuung, nur der Correctness wegen :oops: Ich denke in der anderen Richtung sieht es ähnlich aus, Welleneigenschaften bei hohen Frequenzen nachzuweisen (?).

ClausS schrieb:

ck.Pinhead schrieb: Dominieren bspw. mit zunehmender Frequenz die Teilcheneigenschaften und mit abnehmender die Welleneigenschaften (wie die Gleichungen mich vermuten lassen)?

Ja

Gibt es eine maximal mögliche, eine Art Grenzfrequenz, bei der keine kausalen Abläufe mehr existieren? Eigentlich müsste doch die maximal mögliche Frequenz durch die Planck-Zeit bzw. die Planck-Länge begrenzt sein, oder?

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 19 Feb 2016 17:18 #2902

ck.Pinhead schrieb: Gibt es eine maximal mögliche, eine Art Grenzfrequenz, bei der keine kausalen Abläufe mehr existieren? Eigentlich müsste doch die maximal mögliche Frequenz durch die Planck-Zeit bzw. die Planck-Länge begrenzt sein, oder?


Sehr gute Frage. Mir ist kein Effekt bekannt, der die Maximalenergie eines Photons theoretisch begrenzt.

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Das elektromagnetische Spektrum für Laien 19 Feb 2016 17:43 #2907

Gibt es eine maximal mögliche, eine Art Grenzfrequenz, bei der keine kausalen Abläufe mehr existieren? Eigentlich müsste doch die maximal mögliche Frequenz durch die Planck-Zeit bzw. die Planck-Länge begrenzt sein, oder?


die kleinste kausale längeneinheit beschreibt das ende einer frequenz, so zumindest die string theorie.
diese theorie wird aber in den nächsten jahren sterben, so meine meinung(!).
die theoretische energie einer welle führt uns an den urknall und dessen temperaturbereich.
eine welle kann im prinzip so viel energie haben, wie sie nach dem urknall aufgetreten ist.
es geht sogar dahin, dass die welle (achtung string theorie, nicht repräsentativ!)kurz nach dem urknall schon in einer art unschärfe existiert hat.
man hat zwar als fiktiver beobachter wellenähnliche ausschnitte, jedoch ist die amplitude oder die frequenz nicht ersichtlich, man kennt also nur einen teil der welle.
das führte heisenberg zu seiner theorie der unschärfe, wonach immer mehr energie aufgebracht werden muss um immer kleinere teile detektieren oder beobachten zu können. die wällenlänge ist hierbei entscheident! wenn ich ein photon habe, mit einem bestimmten durchmesser, dann kann ich nur in dem durchmesser mein bild auflösen. wellen jenseits dieser längendimension sind für uns unsichtbar (blöder begriff).

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