Strahlung
In der Physik versteht man unter Strahlung die Emission oder Übertragung von Energie in Form von Wellen oder Teilchen durch den Raum oder ein materielles Medium. Dazu gehören:
- elektromagnetische Strahlung, wie Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gammastrahlung (γ)
- Teilchenstrahlung, wie Alphastrahlung (α), Betastrahlung (β), Protonenstrahlung und Neutronenstrahlung (Teilchen mit einer Ruheenergie ungleich Null)
- akustische Strahlung, wie z. B. Ultraschall, Schall und seismische Wellen (abhängig von einem physikalischen Übertragungsmedium)
- Gravitationsstrahlung, die sich in Form von Gravitationswellen oder Wellen in der Krümmung der Raumzeit äußert ⓘ
Je nach der Energie der ausgestrahlten Teilchen wird die Strahlung häufig als ionisierend oder nicht ionisierend eingestuft. Ionisierende Strahlung hat eine Energie von mehr als 10 eV, was ausreicht, um Atome und Moleküle zu ionisieren und chemische Bindungen aufzubrechen. Diese Unterscheidung ist wichtig, da sie für lebende Organismen sehr unterschiedlich schädlich sein kann. Eine häufige Quelle ionisierender Strahlung sind radioaktive Stoffe, die α-, β- oder γ-Strahlung aussenden, die aus Heliumkernen, Elektronen oder Positronen bzw. Photonen besteht. Andere Quellen sind Röntgenstrahlen aus medizinischen Röntgenuntersuchungen sowie Myonen, Mesonen, Positronen, Neutronen und andere Teilchen, die die sekundäre kosmische Strahlung bilden, die nach der Wechselwirkung der primären kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre entsteht. ⓘ
Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und der höhere Energiebereich des ultravioletten Lichts bilden den ionisierenden Teil des elektromagnetischen Spektrums. Das Wort "ionisieren" bezieht sich auf das Herausbrechen eines oder mehrerer Elektronen aus einem Atom, ein Vorgang, der die relativ hohen Energien erfordert, die diese elektromagnetischen Wellen liefern. Weiter unten im Spektrum können die nicht-ionisierenden niedrigeren Energien des unteren ultravioletten Spektrums keine Atome ionisieren, aber die interatomaren Bindungen, die Moleküle bilden, aufbrechen und damit eher Moleküle als Atome zerstören; ein gutes Beispiel dafür ist der Sonnenbrand, der durch langwelliges Sonnenultraviolett verursacht wird. Die Wellen längerer Wellenlänge als UV im sichtbaren Licht, im Infrarot und im Mikrowellenbereich können keine Bindungen aufbrechen, aber sie können Schwingungen in den Bindungen verursachen, die als Wärme wahrgenommen werden. Radiowellenlängen und darunter werden im Allgemeinen nicht als schädlich für biologische Systeme angesehen. Dies sind keine scharfen Abgrenzungen der Energien; die Wirkungen bestimmter Frequenzen überschneiden sich teilweise. ⓘ
Der Begriff "Strahlung" leitet sich von dem Phänomen ab, dass Wellen von einer Quelle ausstrahlen (d. h. sich in alle Richtungen ausbreiten). Dieser Aspekt führt zu einem System von Messungen und physikalischen Einheiten, das auf alle Arten von Strahlung anwendbar ist. Da sich diese Strahlung auf ihrem Weg durch den Raum ausdehnt und ihre Energie (im Vakuum) erhalten bleibt, folgt die Intensität aller Arten von Strahlung von einer Punktquelle aus dem Gesetz des umgekehrten Quadrats in Bezug auf die Entfernung von ihrer Quelle. Wie jedes ideale Gesetz nähert sich das quadratische Umkehrgesetz einer gemessenen Strahlungsintensität in dem Maße an, wie sich die Quelle einem geometrischen Punkt nähert. ⓘ
Der Begriff Strahlung bezeichnet die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen. Im ersten Fall spricht man von Teilchenstrahlung oder Korpuskularstrahlung, im zweiten von Wellenstrahlung. ⓘ
Ionisierende Strahlung
Strahlung mit ausreichend hoher Energie kann Atome ionisieren, d. h. sie kann Elektronen aus Atomen herausschlagen, wodurch Ionen entstehen. Eine Ionisierung findet statt, wenn ein Elektron aus einer Elektronenhülle des Atoms gestrippt (oder "herausgeschlagen") wird, wodurch das Atom mit einer positiven Nettoladung zurückbleibt. Da lebende Zellen und vor allem die DNA in diesen Zellen durch diese Ionisierung geschädigt werden können, gilt die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung als erhöhtes Krebsrisiko. Daher wird die "ionisierende Strahlung" etwas künstlich von der Teilchenstrahlung und der elektromagnetischen Strahlung abgegrenzt, einfach aufgrund ihres großen Potenzials für biologische Schäden. Eine einzelne Zelle besteht zwar aus Billionen von Atomen, aber nur ein kleiner Teil davon wird bei geringer bis mittlerer Strahlungsstärke ionisiert. Die Wahrscheinlichkeit, dass ionisierende Strahlung Krebs verursacht, hängt von der absorbierten Dosis der Strahlung ab und ist eine Funktion der schädlichen Tendenz der Strahlungsart (Äquivalentdosis) und der Empfindlichkeit des bestrahlten Organismus oder Gewebes (effektive Dosis). ⓘ
Handelt es sich bei der Quelle der ionisierenden Strahlung um ein radioaktives Material oder einen nuklearen Prozess wie Kernspaltung oder Kernfusion, so ist die Teilchenstrahlung zu berücksichtigen. Bei Teilchenstrahlung handelt es sich um subatomare Teilchen, die durch Kernreaktionen auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Aufgrund ihres Impulses sind sie durchaus in der Lage, Elektronen herauszuschlagen und Materialien zu ionisieren, aber da die meisten von ihnen eine elektrische Ladung besitzen, haben sie nicht die Durchschlagskraft ionisierender Strahlung. Eine Ausnahme bilden die Neutronenteilchen, siehe unten. Es gibt verschiedene Arten dieser Teilchen, aber die meisten sind Alpha-Teilchen, Beta-Teilchen, Neutronen und Protonen. Grob gesagt sind Photonen und Teilchen mit einer Energie von mehr als 10 Elektronenvolt (eV) ionisierend (einige Behörden verwenden 33 eV, die Ionisierungsenergie von Wasser). Teilchenstrahlung aus radioaktivem Material oder kosmischer Strahlung hat fast immer genug Energie, um ionisierend zu sein. ⓘ
Der größte Teil der ionisierenden Strahlung stammt aus radioaktivem Material und dem Weltraum (kosmische Strahlung) und ist als solche in der Umwelt natürlich vorhanden, da die meisten Gesteine und Böden geringe Konzentrationen radioaktiver Stoffe enthalten. Da diese Strahlung unsichtbar ist und von den menschlichen Sinnen nicht direkt wahrgenommen werden kann, sind in der Regel Instrumente wie Geigerzähler erforderlich, um ihre Anwesenheit festzustellen. In einigen Fällen kann sie bei der Wechselwirkung mit Materie zu einer sekundären Emission von sichtbarem Licht führen, wie im Fall der Cherenkov-Strahlung und der Radiolumineszenz. ⓘ
Ionisierende Strahlung hat viele praktische Anwendungen in Medizin, Forschung und Bauwesen, stellt aber bei unsachgemäßer Anwendung ein Gesundheitsrisiko dar. Die Strahlenbelastung schädigt lebendes Gewebe; hohe Dosen führen zum akuten Strahlensyndrom (ARS) mit Hautverbrennungen, Haarausfall, Versagen innerer Organe und Tod, während jede Dosis das Risiko von Krebs und genetischen Schäden erhöhen kann; eine besondere Form von Krebs, Schilddrüsenkrebs, tritt häufig auf, wenn Kernwaffen und Reaktoren die Strahlungsquelle sind, da das radioaktive Jodspaltprodukt Jod-131 biologisch sehr anfällig ist. Die Berechnung des genauen Risikos und der Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Krebs in den Zellen durch ionisierende Strahlung ist jedoch noch immer nicht genau bekannt, und derzeit werden Schätzungen grob anhand von bevölkerungsbezogenen Daten aus den Atombombenabwürfen auf Hiroshima und Nagasaki und aus der Nachbereitung von Reaktorunfällen wie der Katastrophe von Tschernobyl ermittelt. Die Internationale Strahlenschutzkommission erklärt: "Die Kommission ist sich der Unsicherheiten und der mangelnden Präzision der Modelle und Parameterwerte bewusst", "die kollektive effektive Dosis ist nicht als Instrument für die epidemiologische Risikobewertung gedacht, und es ist unangemessen, sie für Risikoprojektionen zu verwenden" und "insbesondere sollte die Berechnung der Zahl der Krebstoten auf der Grundlage kollektiver effektiver Dosen aus trivialen individuellen Dosen vermieden werden". ⓘ
Ultraviolette Strahlung
Ultraviolette Strahlung mit einer Wellenlänge von 10 nm bis 125 nm ionisiert Luftmoleküle, wodurch sie von der Luft und insbesondere von Ozon (O3) stark absorbiert wird. Ionisierendes UV dringt daher nicht in nennenswertem Umfang in die Erdatmosphäre ein und wird manchmal auch als Vakuum-Ultraviolett bezeichnet. Obwohl dieser Teil des UVA-Spektrums im Weltraum vorhanden ist, ist er nicht von biologischer Bedeutung, da er die lebenden Organismen auf der Erde nicht erreicht. ⓘ
In der Atmosphäre gibt es einen Bereich, in dem Ozon etwa 98 % der nicht ionisierenden, aber gefährlichen UV-C- und UV-B-Strahlen absorbiert. Diese so genannte Ozonschicht beginnt in einer Höhe von etwa 32 km (20 Meilen) und erstreckt sich nach oben. Ein Teil des ultravioletten Spektrums, das den Boden erreicht, ist zwar nicht ionisierend, aber dennoch biologisch gefährlich, da einzelne Photonen dieser Energie biologische Moleküle elektronisch anregen und sie so durch unerwünschte Reaktionen schädigen können. Ein Beispiel ist die Bildung von Pyrimidindimeren in der DNS, die bei Wellenlängen unter 365 nm (3,4 eV) beginnt, also weit unterhalb der Ionisierungsenergie. Diese Eigenschaft verleiht dem ultravioletten Spektrum einige der Gefahren ionisierender Strahlung in biologischen Systemen, ohne dass es zu einer tatsächlichen Ionisierung kommt. Im Gegensatz dazu bestehen sichtbares Licht und längerwellige elektromagnetische Strahlung wie Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen aus Photonen mit zu geringer Energie, um eine schädliche molekulare Anregung zu bewirken, und daher ist diese Strahlung pro Energieeinheit weit weniger gefährlich. ⓘ
Röntgenstrahlen
Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von weniger als 10-9 m (größer als 3x1017 Hz und 1.240 eV). Eine kleinere Wellenlänge entspricht einer höheren Energie gemäß der Gleichung E=h c/λ. ("E" ist Energie; "h" ist die Plancksche Konstante; "c" ist die Lichtgeschwindigkeit; "λ" ist die Wellenlänge). Wenn ein Röntgenphoton mit einem Atom zusammenstößt, kann das Atom die Energie des Photons absorbieren und ein Elektron auf ein höheres Orbitalniveau anheben, oder wenn das Photon extrem energiereich ist, kann es ein Elektron ganz aus dem Atom herausschlagen, wodurch das Atom ionisiert. Im Allgemeinen absorbieren größere Atome eher ein Röntgenphoton, da sie größere Energieunterschiede zwischen den Elektronen in ihren Bahnen haben. Das weiche Gewebe im menschlichen Körper besteht aus kleineren Atomen als die Kalziumatome, aus denen die Knochen bestehen, so dass ein Kontrast in der Absorption von Röntgenstrahlen besteht. Röntgengeräte sind speziell dafür ausgelegt, den Absorptionsunterschied zwischen Knochen und Weichteilgewebe auszunutzen, so dass Ärzte die Strukturen im menschlichen Körper untersuchen können. ⓘ
Röntgenstrahlen werden auch durch die Dicke der Erdatmosphäre vollständig absorbiert, was dazu führt, dass die Röntgenstrahlung der Sonne, die zwar weniger stark ist als die UV-Strahlung, aber dennoch stark ist, die Erdoberfläche nicht erreicht. ⓘ
Gammastrahlung
Gammastrahlung (γ) besteht aus Photonen mit einer Wellenlänge von weniger als 3x10-11 Metern (größer als 1019 Hz und 41,4 keV). Die Emission von Gammastrahlung ist ein nuklearer Prozess, der nach den meisten Kernreaktionen stattfindet, um die überschüssige Energie eines instabilen Kerns loszuwerden. Sowohl Alpha- als auch Betateilchen haben eine elektrische Ladung und Masse, so dass sie mit großer Wahrscheinlichkeit mit anderen Atomen auf ihrem Weg in Wechselwirkung treten können. Gammastrahlung hingegen besteht aus Photonen, die weder Masse noch elektrische Ladung haben und daher viel weiter in Materie eindringen als Alpha- oder Betastrahlung. ⓘ
Gammastrahlung kann durch eine ausreichend dicke oder dichte Materialschicht aufgehalten werden, wobei das Aufhaltevermögen des Materials pro gegebener Fläche hauptsächlich (aber nicht ausschließlich) von der Gesamtmasse entlang des Strahlengangs abhängt, unabhängig davon, ob das Material eine hohe oder niedrige Dichte aufweist. Wie bei der Röntgenstrahlung tragen jedoch Materialien mit einer hohen Atomzahl wie Blei oder abgereichertes Uran zu einer bescheidenen (typischerweise 20 % bis 30 %) Erhöhung des Bremsvermögens gegenüber der gleichen Masse von Materialien mit geringerer Dichte und geringerem Atomgewicht (wie Wasser oder Beton) bei. Die Atmosphäre absorbiert alle Gammastrahlen, die aus dem Weltraum auf die Erde treffen. Sogar Luft ist in der Lage, Gammastrahlen zu absorbieren, wobei die Energie dieser Wellen beim Durchgang durch durchschnittlich 150 m (500 ft) halbiert wird. ⓘ
Alphastrahlung
Alphateilchen sind Helium-4-Kerne (zwei Protonen und zwei Neutronen). Aufgrund ihrer Ladungen und ihrer kombinierten Masse gehen sie eine starke Wechselwirkung mit der Materie ein und durchdringen bei ihrer üblichen Geschwindigkeit nur einige Zentimeter Luft oder einige Millimeter Material mit geringer Dichte (wie das dünne Glimmermaterial, das speziell in einige Geigerzählerröhren eingebracht wird, um Alphateilchen durchzulassen). Das bedeutet, dass Alphateilchen aus dem gewöhnlichen Alphazerfall die äußeren Schichten der toten Hautzellen nicht durchdringen und dem darunter liegenden lebenden Gewebe keinen Schaden zufügen. Einige sehr energiereiche Alphateilchen, die etwa 10 % der kosmischen Strahlung ausmachen, sind in der Lage, den Körper und sogar dünne Metallplatten zu durchdringen. Sie sind jedoch nur für Astronauten gefährlich, da sie durch das Magnetfeld der Erde abgelenkt und dann von der Erdatmosphäre aufgehalten werden. ⓘ
Alphastrahlung ist gefährlich, wenn alphastrahlende Radioisotope eingenommen oder eingeatmet (geschluckt oder geatmet) werden. Dadurch kommt das Radioisotop nahe genug an empfindliches lebendes Gewebe heran, so dass die Alphastrahlung die Zellen schädigen kann. Pro Energieeinheit sind Alphateilchen bei der Zellschädigung mindestens 20-mal wirksamer als Gammastrahlen und Röntgenstrahlen. Siehe relative biologische Wirksamkeit für eine Erörterung dieses Sachverhalts. Beispiele für hochgiftige Alphastrahler sind alle Radium-, Radon- und Polonium-Isotope, da diese Stoffe eine kurze Halbwertszeit haben und sehr häufig zerfallen. ⓘ
Betastrahlung
Beta-minus (β-) Strahlung besteht aus einem energiereichen Elektron. Sie ist durchdringender als Alphastrahlung, aber schwächer als Gammastrahlung. Betastrahlung aus radioaktivem Zerfall kann mit einigen Zentimetern Kunststoff oder einigen Millimetern Metall aufgehalten werden. Sie entsteht, wenn ein Neutron in einem Atomkern in ein Proton zerfällt und dabei das Betateilchen und ein Antineutrino freisetzt. Die Betastrahlung aus Linac-Beschleunigern ist viel energiereicher und durchdringender als die natürliche Betastrahlung. Sie wird manchmal therapeutisch in der Strahlentherapie eingesetzt, um oberflächliche Tumore zu behandeln. ⓘ
Beta-Plus-Strahlung (β+) ist die Emission von Positronen, die die Antimaterieform von Elektronen sind. Wenn sich ein Positron auf eine Geschwindigkeit verlangsamt, die mit der von Elektronen im Material vergleichbar ist, wird das Positron ein Elektron annihilieren und dabei zwei Gammaphotonen von 511 keV freisetzen. Diese beiden Gammaphotonen bewegen sich in (ungefähr) entgegengesetzter Richtung. Die Gammastrahlung der Positronenannihilation besteht aus hochenergetischen Photonen und ist ebenfalls ionisierend. ⓘ
Neutronenstrahlung
Neutronen werden nach ihrer Geschwindigkeit/Energie eingeteilt. Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen. Diese Neutronen können entweder bei der spontanen oder der induzierten Kernspaltung freigesetzt werden. Neutronen sind seltene Strahlungsteilchen; sie werden nur dann in großer Zahl erzeugt, wenn Kettenreaktionsspaltungen oder Fusionsreaktionen aktiv sind; dies geschieht für etwa 10 Mikrosekunden bei einer thermonuklearen Explosion oder kontinuierlich in einem in Betrieb befindlichen Kernreaktor; die Neutronenproduktion im Reaktor hört fast sofort auf, wenn er unkritisch wird. ⓘ
Neutronen können andere Objekte oder Materialien radioaktiv machen. Dieser Prozess, die so genannte Neutronenaktivierung, ist die wichtigste Methode zur Herstellung radioaktiver Quellen für medizinische, akademische und industrielle Anwendungen. Selbst thermische Neutronen mit vergleichsweise geringer Geschwindigkeit bewirken eine Neutronenaktivierung (und das sogar noch effizienter). Neutronen ionisieren Atome nicht auf die gleiche Weise wie geladene Teilchen wie Protonen und Elektronen (durch die Anregung eines Elektrons), da Neutronen keine Ladung haben. Sie bewirken eine Ionisierung, indem sie von Kernen absorbiert werden, die dann instabil werden. Daher sagt man, dass Neutronen "indirekt ionisierend" sind. Auch Neutronen ohne nennenswerte kinetische Energie sind indirekt ionisierend und stellen somit eine erhebliche Strahlungsgefahr dar. Nicht alle Materialien sind zur Neutronenaktivierung fähig; in Wasser zum Beispiel fangen die häufigsten Isotope der beiden vorhandenen Atomarten (Wasserstoff und Sauerstoff) Neutronen ein und werden schwerer, bleiben aber stabile Formen dieser Atome. Nur die Absorption von mehr als einem Neutron, ein statistisch seltenes Ereignis, kann ein Wasserstoffatom aktivieren, während Sauerstoff zwei zusätzliche Absorptionen benötigt. Wasser ist also nur sehr schwach aktivierbar. Das Natrium im Salz (wie im Meerwasser) muss dagegen nur ein einziges Neutron absorbieren, um zu Na-24 zu werden, einer sehr intensiven Quelle des Betazerfalls mit einer Halbwertszeit von 15 Stunden. ⓘ
Darüber hinaus können hochenergetische (schnelle) Neutronen Atome direkt ionisieren. Ein Mechanismus, mit dem hochenergetische Neutronen Atome ionisieren, besteht darin, dass sie auf den Kern eines Atoms treffen und das Atom aus einem Molekül herausschlagen, wobei ein oder mehrere Elektronen zurückbleiben, da die chemische Bindung gebrochen wird. Dies führt zur Bildung chemischer freier Radikale. Darüber hinaus können sehr energiereiche Neutronen ionisierende Strahlung durch "Neutronenspallation" oder "Knockout" verursachen, wobei Neutronen beim Aufprall hochenergetische Protonen aus Atomkernen (insbesondere Wasserstoffkernen) emittieren. Beim letztgenannten Prozess wird die meiste Energie des Neutrons auf das Proton übertragen, ähnlich wie eine Billardkugel auf eine andere trifft. Die geladenen Protonen und andere Produkte aus solchen Reaktionen sind direkt ionisierend. ⓘ
Hochenergetische Neutronen sind sehr durchdringend und können in der Luft große Entfernungen (Hunderte oder sogar Tausende von Metern) und in gewöhnlichen Festkörpern mittlere Entfernungen (einige Meter) zurücklegen. Sie benötigen in der Regel eine wasserstoffreiche Abschirmung, z. B. Beton oder Wasser, um sie in Entfernungen von weniger als einem Meter abzublocken. Eine häufige Quelle von Neutronenstrahlung ist das Innere eines Kernreaktors, wo eine meterdicke Wasserschicht als wirksame Abschirmung verwendet wird. ⓘ
Kosmische Strahlung
Es gibt zwei Quellen für hochenergetische Teilchen, die aus dem Weltraum in die Erdatmosphäre eindringen: die Sonne und der tiefe Weltraum. Die Sonne sendet kontinuierlich Teilchen, vor allem freie Protonen, im Sonnenwind aus und verstärkt den Strom gelegentlich enorm durch koronale Massenauswürfe (CME). ⓘ
Die Teilchen aus dem tiefen Weltraum (inter- und extragalaktisch) sind viel seltener, aber von viel höherer Energie. Auch bei diesen Teilchen handelt es sich größtenteils um Protonen, der Rest besteht zum großen Teil aus Helionen (Alphateilchen). Einige wenige vollständig ionisierte Kerne schwererer Elemente sind vorhanden. Der Ursprung dieser galaktischen kosmischen Strahlung ist noch nicht ganz geklärt, aber es scheint sich um Überreste von Supernovae und insbesondere von Gammastrahlenausbrüchen (GRB) zu handeln, die Magnetfelder aufweisen, die zu den enormen Beschleunigungen fähig sind, die von diesen Teilchen gemessen werden. Sie können auch von Quasaren erzeugt werden, bei denen es sich um galaxienweite Jet-Phänomene handelt, die GRBs ähneln, aber für ihre viel größere Größe bekannt sind, und die offenbar ein gewaltiger Teil der frühen Geschichte des Universums sind. ⓘ
Nicht-ionisierende Strahlung
Die kinetische Energie der Teilchen nicht-ionisierender Strahlung ist zu gering, um beim Durchgang durch Materie geladene Ionen zu erzeugen. Bei nicht-ionisierender elektromagnetischer Strahlung (siehe Arten weiter unten) haben die zugehörigen Teilchen (Photonen) nur so viel Energie, dass sie die Rotations-, Vibrations- oder elektronische Valenzkonfiguration von Molekülen und Atomen verändern. Die Wirkung nicht-ionisierender Strahlung auf lebendes Gewebe wurde erst kürzlich untersucht. Dennoch werden für verschiedene Arten nichtionisierender Strahlung unterschiedliche biologische Wirkungen beobachtet. ⓘ
Selbst "nicht-ionisierende" Strahlung kann eine thermische Ionisierung verursachen, wenn sie genügend Wärme abgibt, um die Temperaturen auf Ionisierungsenergien zu erhöhen. Diese Reaktionen finden bei weitaus höheren Energien statt als bei der Ionisationsstrahlung, bei der nur einzelne Teilchen für die Ionisation erforderlich sind. Ein bekanntes Beispiel für thermische Ionisation ist die Flammenionisation eines gewöhnlichen Feuers und die Bräunungsreaktionen in gewöhnlichen Lebensmitteln, die durch Infrarotstrahlung beim Braten ausgelöst werden. ⓘ
Das elektromagnetische Spektrum ist der Bereich aller möglichen Frequenzen elektromagnetischer Strahlung. Das elektromagnetische Spektrum (gewöhnlich nur Spektrum) eines Objekts ist die charakteristische Verteilung der elektromagnetischen Strahlung, die von diesem bestimmten Objekt ausgesendet oder absorbiert wird. ⓘ
Der nicht-ionisierende Teil der elektromagnetischen Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen, die (als einzelne Quanten oder Teilchen, siehe Photon) nicht energiereich genug sind, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen herauszulösen und damit deren Ionisierung zu verursachen. Dazu gehören Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot und (manchmal) sichtbares Licht. Die niedrigeren Frequenzen des ultravioletten Lichts können chemische Veränderungen und molekulare Schäden verursachen, die einer Ionisierung ähneln, sind aber technisch gesehen nicht ionisierend. Die höchsten Frequenzen von ultraviolettem Licht sowie alle Röntgen- und Gammastrahlen sind ionisierend. ⓘ
Das Auftreten einer Ionisierung hängt von der Energie der einzelnen Teilchen oder Wellen ab, nicht von ihrer Anzahl. Eine intensive Flut von Teilchen oder Wellen verursacht keine Ionisierung, wenn diese Teilchen oder Wellen nicht genug Energie haben, um ionisierend zu sein, es sei denn, sie erhöhen die Temperatur eines Körpers auf einen Punkt, der hoch genug ist, um kleine Fraktionen von Atomen oder Molekülen durch den Prozess der thermischen Ionisierung zu ionisieren (dies erfordert jedoch relativ extreme Strahlungsintensitäten). ⓘ
Ultraviolettes Licht
Wie bereits erwähnt, ist der untere Teil des ultravioletten Spektrums, das so genannte weiche UV, von 3 eV bis etwa 10 eV, nicht ionisierend. Die Auswirkungen von nicht ionisierendem Ultraviolett auf die Chemie und die Schädigung biologischer Systeme, die ihm ausgesetzt sind (einschließlich Oxidation, Mutation und Krebs), sind jedoch so stark, dass selbst dieser Teil des Ultraviolettbereichs oft mit ionisierender Strahlung verglichen wird. ⓘ
Sichtbares Licht
Licht oder sichtbares Licht ist ein sehr schmaler Bereich elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge, die für das menschliche Auge sichtbar ist, d. h. 380-750 nm, was einem Frequenzbereich von 790 bis 400 THz entspricht. Im weiteren Sinne verwenden Physiker den Begriff "Licht" für elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen, ob sichtbar oder nicht. ⓘ
Infrarot
Infrarotlicht (IR) ist elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 0,7 und 300 Mikrometern, was einem Frequenzbereich zwischen 430 und 1 THz entspricht. IR-Wellenlängen sind länger als die des sichtbaren Lichts, aber kürzer als die von Mikrowellen. Infrarot kann in einiger Entfernung von den strahlenden Objekten durch "Fühlen" erkannt werden. Schlangen, die Infrarot wahrnehmen, können Infrarot mit Hilfe einer Lochlinse in ihrem Kopf, der so genannten "Grube", erkennen und fokussieren. Helles Sonnenlicht liefert eine Bestrahlungsstärke von etwas mehr als 1 Kilowatt pro Quadratmeter auf Meereshöhe. Von dieser Energie sind 53 % Infrarotstrahlung, 44 % sichtbares Licht und 3 % ultraviolette Strahlung. ⓘ
Mikrowellen
Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen von einem Millimeter bis zu einem Meter, was einem Frequenzbereich von 300 MHz bis 300 GHz entspricht. Diese weit gefasste Definition schließt sowohl UHF als auch EHF (Millimeterwellen) ein, aber verschiedene Quellen verwenden andere Grenzwerte. In jedem Fall umfassen Mikrowellen mindestens das gesamte Superhochfrequenzband (3 bis 30 GHz oder 10 bis 1 cm), wobei die HF-Technik die untere Grenze oft bei 1 GHz (30 cm) und die obere bei 100 GHz (3 mm) ansetzt. ⓘ
Funkwellen
Radiowellen sind eine Art von elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum, die länger sind als Infrarotlicht. Wie alle anderen elektromagnetischen Wellen breiten sie sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Natürlich vorkommende Radiowellen werden durch Blitze oder bestimmte astronomische Objekte erzeugt. Künstlich erzeugte Radiowellen werden für den festen und mobilen Funkverkehr, den Rundfunk, Radar- und andere Navigationssysteme, die Satellitenkommunikation, Computernetzwerke und unzählige andere Anwendungen genutzt. Darüber hinaus strahlt fast jeder Draht, der Wechselstrom führt, einen Teil der Energie als Radiowellen ab; diese werden meist als Interferenzen bezeichnet. Unterschiedliche Frequenzen von Funkwellen haben unterschiedliche Ausbreitungseigenschaften in der Erdatmosphäre; lange Wellen können sich entsprechend der Erdkrümmung krümmen und einen Teil der Erde sehr gleichmäßig abdecken, kürzere Wellen wandern durch mehrfache Reflexionen an der Ionosphäre und der Erde um die Welt. Sehr viel kürzere Wellenlängen werden nur wenig gekrümmt oder reflektiert und bewegen sich entlang der Sichtlinie. ⓘ
Sehr niedrige Frequenz
Sehr niedrige Frequenzen (VLF) beziehen sich auf einen Frequenzbereich von 30 Hz bis 3 kHz, was Wellenlängen von 100.000 bis 10.000 Metern entspricht. Da es in diesem Bereich des Funkspektrums nur eine geringe Bandbreite gibt, können nur die einfachsten Signale übertragen werden, z. B. für die Funknavigation. Er wird auch als Myriameterband oder Myriameterwelle bezeichnet, da die Wellenlängen zwischen zehn und einem Myriameter (eine veraltete metrische Einheit, die 10 Kilometern entspricht) liegen. ⓘ
Äußerst niedrige Frequenz
Extrem niedrige Frequenzen (ELF) sind Strahlungsfrequenzen von 3 bis 30 Hz (bzw. 108 bis 107 Meter). In der Atmosphärenforschung wird in der Regel eine andere Definition verwendet, die von 3 Hz bis 3 kHz reicht. In der verwandten Magnetosphärenforschung werden die niederfrequenten elektromagnetischen Schwingungen (Pulsationen, die unterhalb von ~3 Hz auftreten) dem ULF-Bereich zugerechnet, der somit auch anders definiert ist als die ITU-Funkbänder. Eine riesige militärische ELF-Antenne in Michigan strahlt sehr langsame Nachrichten an sonst nicht erreichbare Empfänger, wie z. B. getauchte U-Boote, aus. ⓘ
Thermische Strahlung (Wärme)
Wärmestrahlung ist ein gängiges Synonym für Infrarotstrahlung, die von Objekten bei den auf der Erde häufig anzutreffenden Temperaturen ausgesandt wird. Der Begriff Wärmestrahlung bezieht sich nicht nur auf die Strahlung selbst, sondern auch auf den Prozess, bei dem die Oberfläche eines Objekts ihre Wärmeenergie in Form von Schwarzkörperstrahlung abstrahlt. Die infrarote oder rote Strahlung eines gewöhnlichen Haushaltsheizkörpers oder einer elektrischen Heizung ist ein Beispiel für Wärmestrahlung, ebenso wie die Wärme, die eine eingeschaltete Glühbirne abgibt. Wärmestrahlung entsteht, wenn Energie aus der Bewegung geladener Teilchen in Atomen in elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird. ⓘ
Wie bereits erwähnt, kann selbst niederfrequente Wärmestrahlung eine Temperatur-Ionisierung verursachen, wenn sie genügend Wärmeenergie abgibt, um die Temperatur auf ein ausreichend hohes Niveau anzuheben. Gängige Beispiele hierfür sind die Ionisierung (Plasma), die man in gewöhnlichen Flammen beobachten kann, und die molekularen Veränderungen, die durch das "Bräunen" beim Kochen von Lebensmitteln verursacht werden, ein chemischer Prozess, der mit einer großen Ionisierungskomponente beginnt. ⓘ
Schwarzer-Körper-Strahlung
Die Schwarzkörperstrahlung ist ein idealisiertes Spektrum der Strahlung, die von einem Körper mit gleichmäßiger Temperatur ausgeht. Die Form des Spektrums und die Gesamtenergiemenge, die von dem Körper abgestrahlt wird, ist eine Funktion der absoluten Temperatur dieses Körpers. Die emittierte Strahlung deckt das gesamte elektromagnetische Spektrum ab, und die Intensität der Strahlung (Leistung/Flächeneinheit) bei einer bestimmten Frequenz wird durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben. Bei einer bestimmten Temperatur eines schwarzen Körpers gibt es eine bestimmte Frequenz, bei der die Strahlung ihre maximale Intensität erreicht. Diese maximale Strahlungsfrequenz verschiebt sich mit zunehmender Temperatur des Körpers zu höheren Frequenzen. Die Frequenz, bei der die Strahlung des schwarzen Körpers ihr Maximum erreicht, wird durch das Wiensche Verschiebungsgesetz bestimmt und ist eine Funktion der absoluten Temperatur des Körpers. Ein schwarzer Körper ist ein Körper, der bei jeder Temperatur die größtmögliche Menge an Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge aussendet. Ein schwarzer Körper absorbiert auch die maximal mögliche einfallende Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge. Ein schwarzer Körper mit einer Temperatur bei oder unter Raumtemperatur würde also absolut schwarz erscheinen, da er weder einfallendes Licht reflektiert noch genügend Strahlung bei sichtbaren Wellenlängen aussendet, die unser Auge wahrnehmen könnte. Theoretisch sendet ein schwarzer Körper elektromagnetische Strahlung über das gesamte Spektrum von sehr niederfrequenten Radiowellen bis hin zu Röntgenstrahlen aus, wodurch ein Strahlungskontinuum entsteht. ⓘ
Die Farbe eines strahlenden schwarzen Körpers gibt Aufschluss über die Temperatur seiner strahlenden Oberfläche. Sie ist für die Farbe der Sterne verantwortlich, die von Infrarot über Rot (2.500 K), Gelb (5.800 K) und Weiß bis hin zu Blau-Weiß (15.000 K) variiert, wenn die Strahlungsspitze diese Punkte im sichtbaren Spektrum durchläuft. Liegt der Spitzenwert unterhalb des sichtbaren Spektrums, ist der Körper schwarz, liegt er darüber, ist er blau-weiß, da alle sichtbaren Farben von Blau absteigend bis Rot vertreten sind. ⓘ
Entdeckung
Elektromagnetische Strahlung mit anderen Wellenlängen als dem sichtbaren Licht wurde im frühen 19. Die Entdeckung der Infrarotstrahlung wird dem Astronomen William Herschel zugeschrieben. Herschel veröffentlichte seine Ergebnisse im Jahr 1800 vor der Royal Society of London. Herschel benutzte wie Ritter ein Prisma, um das Licht der Sonne zu brechen, und entdeckte die Infrarotstrahlung (jenseits des roten Teils des Spektrums) durch einen Temperaturanstieg, der von einem Thermometer aufgezeichnet wurde. ⓘ
Im Jahr 1801 entdeckte der deutsche Physiker Johann Wilhelm Ritter das Ultraviolett, indem er feststellte, dass die Strahlen eines Prismas Silberchloridpräparate schneller dunkel färbten als violettes Licht. Ritters Experimente waren ein früher Vorläufer dessen, was später zur Fotografie wurde. Ritter stellte fest, dass die UV-Strahlen in der Lage waren, chemische Reaktionen auszulösen. ⓘ
Die ersten entdeckten Radiowellen stammten nicht aus einer natürlichen Quelle, sondern wurden von dem deutschen Wissenschaftler Heinrich Hertz 1887 absichtlich und künstlich erzeugt, indem er elektrische Schaltkreise verwendete, die so berechnet wurden, dass sie Schwingungen im Radiofrequenzbereich erzeugten, und zwar nach Formeln, die von den Gleichungen von James Clerk Maxwell vorgeschlagen wurden. ⓘ
Wilhelm Röntgen entdeckte und benannte die Röntgenstrahlen. Als er am 8. November 1895 mit hohen Spannungen an einer evakuierten Röhre experimentierte, bemerkte er eine Fluoreszenz auf einer nahe gelegenen beschichteten Glasplatte. Innerhalb eines Monats entdeckte er die wichtigsten Eigenschaften der Röntgenstrahlen, die wir bis heute kennen. ⓘ
1896 stellte Henri Becquerel fest, dass die von bestimmten Mineralien ausgehenden Strahlen schwarzes Papier durchdrangen und eine unbelichtete fotografische Platte beschlugen. Seine Doktorandin Marie Curie entdeckte, dass nur bestimmte chemische Elemente diese Energiestrahlen abgaben. Sie nannte dieses Verhalten Radioaktivität. ⓘ
Alphastrahlen (Alphateilchen) und Betastrahlen (Betateilchen) wurden 1899 von Ernest Rutherford durch einfache Experimente unterschieden. Rutherford verwendete eine gewöhnliche Pechblende als radioaktive Quelle und stellte fest, dass die von der Quelle erzeugten Strahlen unterschiedlich tief in Materialien eindrangen. Eine Art hatte eine kurze Durchdringungszeit (sie wurde von Papier aufgehalten) und eine positive Ladung, die Rutherford Alphastrahlen nannte. Die andere war stärker durchdringend (sie konnte einen Film durch Papier hindurch belichten, nicht aber Metall) und hatte eine negative Ladung; diese Art nannte Rutherford Beta. Es handelte sich um die Strahlung, die Becquerel als erster aus Uransalzen entdeckt hatte. Im Jahr 1900 entdeckte der französische Wissenschaftler Paul Villard eine dritte, neutral geladene und besonders durchdringende Strahlungsart aus Radium, und nachdem er sie beschrieben hatte, erkannte Rutherford, dass es sich um eine weitere dritte Strahlungsart handeln musste, die Rutherford 1903 Gammastrahlen nannte. ⓘ
Henri Becquerel selbst wies nach, dass es sich bei Betastrahlen um schnelle Elektronen handelt, während Rutherford und Thomas Royds 1909 nachwiesen, dass es sich bei Alphateilchen um ionisiertes Helium handelt. Rutherford und Edward Andrade wiesen 1914 nach, dass es sich bei Gammastrahlen um Röntgenstrahlen handelt, allerdings mit kürzeren Wellenlängen. ⓘ
Die kosmische Strahlung, die aus dem Weltraum auf die Erde trifft, wurde schließlich 1912 endgültig erkannt und nachgewiesen, als der Wissenschaftler Victor Hess ein Elektrometer in einem Freiballon in verschiedene Höhen trug. Die Natur dieser Strahlungen wurde erst in späteren Jahren allmählich verstanden. ⓘ
Das Neutron und die Neutronenstrahlung wurden 1932 von James Chadwick entdeckt. Eine Reihe anderer hochenergetischer Teilchenstrahlen wie Positronen, Myonen und Pionen wurden kurz darauf durch Nebelkammeruntersuchungen von Reaktionen der kosmischen Strahlung entdeckt, und andere Arten von Teilchenstrahlung wurden in der letzten Hälfte des 20. Jahrhunderts künstlich in Teilchenbeschleunigern erzeugt. ⓘ
Anwendungen
Medizin
Strahlung und radioaktive Stoffe werden zur Diagnose, Behandlung und Forschung eingesetzt. Röntgenstrahlen durchdringen beispielsweise Muskeln und anderes weiches Gewebe, werden aber von dichten Materialien aufgehalten. Diese Eigenschaft von Röntgenstrahlen ermöglicht es Ärzten, Knochenbrüche zu erkennen und Krebserkrankungen zu lokalisieren, die im Körper wachsen könnten. Bestimmte Krankheiten lassen sich auch feststellen, indem eine radioaktive Substanz injiziert und die Strahlung beobachtet wird, die bei der Bewegung der Substanz durch den Körper freigesetzt wird. Strahlung, die zur Krebsbehandlung eingesetzt wird, wird als ionisierende Strahlung bezeichnet, weil sie in den Zellen des Gewebes, das sie durchdringt, Ionen bildet, wenn sie Elektronen aus den Atomen herauslöst. Dies kann Zellen abtöten oder Gene verändern, so dass die Zellen nicht mehr wachsen können. Andere Formen von Strahlung wie Radiowellen, Mikrowellen und Lichtwellen werden als nicht-ionisierend bezeichnet. Sie haben nicht so viel Energie und sind daher nicht in der Lage, Zellen zu ionisieren. ⓘ
Kommunikation
Alle modernen Kommunikationssysteme nutzen Formen elektromagnetischer Strahlung. Schwankungen in der Intensität der Strahlung stellen Veränderungen im Ton, im Bild oder in anderen Informationen dar, die übertragen werden. So kann zum Beispiel die menschliche Stimme als Radiowelle oder Mikrowelle übertragen werden, indem man die Welle entsprechend den Veränderungen in der Stimme variiert. Musiker haben auch mit der Sonifikation von Gammastrahlen oder der Verwendung von Kernstrahlung experimentiert, um Klang und Musik zu erzeugen. ⓘ
Wissenschaft
Forscher verwenden radioaktive Atome, um das Alter von Materialien zu bestimmen, die einst Teil eines lebenden Organismus waren. Das Alter solcher Materialien kann durch die Messung der Menge an radioaktivem Kohlenstoff, den sie enthalten, geschätzt werden (Radiokohlenstoffdatierung). In ähnlicher Weise kann mit Hilfe anderer radioaktiver Elemente das Alter von Gesteinen und anderen geologischen Merkmalen (sogar einiger vom Menschen geschaffener Objekte) bestimmt werden; dies wird als radiometrische Datierung bezeichnet. Umweltwissenschaftler verwenden radioaktive Atome, so genannte Tracer-Atome, um die Wege von Schadstoffen durch die Umwelt zu ermitteln. ⓘ
Mit Hilfe von Strahlung wird die Zusammensetzung von Materialien in einem Verfahren namens Neutronenaktivierungsanalyse bestimmt. Bei diesem Verfahren beschießen Wissenschaftler eine Probe eines Stoffes mit Teilchen, den so genannten Neutronen. Einige der Atome in der Probe absorbieren Neutronen und werden radioaktiv. Die Wissenschaftler können die Elemente in der Probe anhand der emittierten Strahlung identifizieren. ⓘ
Mögliche Schäden für Gesundheit und Umwelt durch bestimmte Arten von Strahlung
Ionisierende Strahlung kann unter bestimmten Bedingungen lebende Organismen schädigen und zu Krebs oder genetischen Schäden führen. ⓘ
Nicht-ionisierende Strahlung kann unter bestimmten Bedingungen ebenfalls Schäden an lebenden Organismen verursachen, z. B. Verbrennungen. Im Jahr 2011 veröffentlichte die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) der Weltgesundheitsorganisation (WHO) eine Erklärung, in der sie hochfrequente elektromagnetische Felder (einschließlich Mikrowellen- und Millimeterwellen) in ihre Liste der für den Menschen möglicherweise krebserregenden Stoffe aufnahm. ⓘ
Die Website EMF-Portal der RWTH Aachen bietet eine der größten Datenbanken über die Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung. Mit Stand vom 12. Juli 2019 enthält sie 28.547 Publikationen und 6.369 Zusammenfassungen einzelner wissenschaftlicher Studien zu den Wirkungen elektromagnetischer Felder. ⓘ
Verwendung des Wortes
Strahlen, die Mehrzahl zu Strahl, wird manchmal gleichbedeutend mit dem Begriff Strahlung verwendet, auch in Zusammensetzungen wie etwa Alpha- oder Röntgenstrahlen. Eine Einzahl wie etwa Röntgenstrahl bezeichnet dagegen fast immer ein Strahlenbündel, das gerichtet ist und dabei Energie und Impuls transportiert. Wenn der Strahl aus Teilchen mit Masse, Ladung oder anderen Eigenschaften besteht, werden auch diese transportiert. Lichtstrahl kann allerdings beides, den idealisierten linienförmigen Strahl (siehe geometrische Optik) oder ein Strahlenbündel, bedeuten. Die Mehrdeutigkeit des deutschen Wortes Strahl zeigt sich auch darin, dass in anderen Sprachen jeweils mehrere verschiedene Ausdrücke dafür existieren. Im Englischen bezeichnet zum Beispiel ray einen gedachten, idealisierten Strahl, beam ein Strahlenbündel und jet einen Strahl aus makroskopischer Materie. ⓘ
Die Ausbreitung von Schall und anderen mechanischen Wellen folgt ähnlichen Gesetzen wie die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung. Sie werden dennoch kaum als Strahlung bezeichnet. ⓘ
Grundlagen
Trifft die Strahlung auf ein Hindernis, wird sie entweder absorbiert (aufgenommen und umgewandelt), transmittiert (hindurchgelassen), gebeugt, gebrochen, gestreut oder reflektiert (zurückgeworfen). Die historische Debatte, ob Lichtstrahlen aus Teilchen oder Wellen bestehen, wurde durch die Quantenphysik beendet. Danach besteht ein Lichtstrahl aus Photonen, deren Aufenthaltsort im Rahmen der Quantenmechanik durch eine Wahrscheinlichkeitswelle beschrieben wird. Diese Wahrscheinlichkeitswellen können miteinander interferieren (siehe Doppelspaltversuch). Louis de Broglie hat in seiner Theorie der Materiewellen gezeigt, dass jedem Teilchen eine Wellenlänge zugeordnet werden kann. Dies erklärt, warum zum Beispiel ein Elektronenstrahl auch Interferenzphänomene zeigt (siehe auch Welle-Teilchen-Dualismus). ⓘ
Charakterisierung
Man unterscheidet Strahlung nach ihren Bestandteilen, nach ihrer Quelle oder nach ihrer Wirkung. ⓘ
Bestandteile
Teilchenstrahlung
Die Ausdrücke Teilchenstrahlung und Korpuskularstrahlung werden manchmal als Oberbegriffe für Strahlung verwendet, deren Bestandteile eine von Null verschiedene Masse haben. ⓘ
Teilchenstrahlung unterscheidet man nach der Sorte der Teilchen, aus denen sie besteht, beispielsweise Alphastrahlung (α-Teilchen), Betastrahlung (Elektronen oder Positronen) oder Neutronenstrahlung. Handelt es sich um Ionen, ist auch (gelegentlich) von Ionenstrahlung die Rede. ⓘ
Wirkung
„Harte“ und „weiche“ Strahlung
Bei verschiedenen Strahlenarten, zum Beispiel Röntgen-, Gamma- und auch Betastrahlung, wird manchmal von „harter“ (hier gleichbedeutend mit energiereicher, kurzwelliger) oder „weicher“ (energieärmerer, langwelligerer) Strahlung gesprochen. Genaue Abgrenzungen dieser Begriffe gibt es aber nicht. Von Harter Röntgenstrahlung wird beispielsweise in der Röntgenoptik gesprochen, wenn in etwa die Wellenlänge kürzer ist als der Abstand der Atome im Festkörper, also im Bereich 0,01 bis ca. 0,5 nm. ⓘ