Die Sonne, sie bringt Leben und kann es zerstören: Unterschied zwischen den Versionen
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+ | Scissoring.gif|Scher-/Deformations-<br />schwingung | ||
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Version vom 20. Juni 2016, 16:54 Uhr
Strahlungsarten und ihre Wirkung
Arten von Elektromagnetischer Strahlung
Als elektromagnetische Welle bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Beispiele für elektromagnetische Wellen sind Radiowellen, Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Anders als zum Beispiel Schallwellen benötigen elektromagnetische Wellen kein Medium, um sich auszubreiten. Sie bewegen sich im Vakuum unabhängig von ihrer Frequenz mit Lichtgeschwindigkeit fort.
Elektromagnetische Wellen sind im elektromagnetischen Spektrum nach der Wellenlänge eingeteilt. Der am besten bekannte und am meisten studierte Frequenzbereich elektromagnetischer Wellen ist das sichtbare Licht. Es stellt nur einen winzigen Teil des gesamten Spektrums dar und ist, mit Ausnahme der Infrarotstrahlung (Wärme), der einzige Bereich, der von Menschen ohne technische Hilfsmittel wahrgenommen werden kann.
Die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Materie hängt von ihrer Frequenz ab, die über viele Größenordnungen variieren kann.
Bei niedrigeren Frequenzen ist die Energie der Photonen zu gering, um chemische Prozesse auslösen zu können. Bei höheren Frequenzen hingegen beginnt der Bereich der ionisierenden Strahlung (Radioaktivität), bei der ein einziges Photon Moleküle zerstören kann. Dieser Effekt tritt bereits bei Ultraviolett-Strahlung auf und ist für die Bildung von Hautkrebs bei übermäßiger Sonnenexposition verantwortlich.
Bei der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit biologischer Materie muss grundsätzlich zwischen ionisierender Strahlung (größer 5 eV) und nicht-ionisierender Strahlung unterschieden werden. Bei der ionisierenden Strahlung reicht die Energie aus, um Atome oder Moleküle zu ionisieren, d. h. Elektronen herauszuschlagen. Dadurch werden freie Radikale erzeugt, die biologisch schädliche Reaktionen hervorrufen. Erreicht oder übersteigt die Energie von Photonen die Bindungsenergie eines Moleküls, kann jedes Photon ein Molekül zerstören und es können biologische Wirkungen wie beispielsweise eine beschleunigte Alterung der Haut oder Hautkrebs auftreten. Chemische Bindungsenergien stabiler Moleküle liegen oberhalb von etwa 3 eV pro Bindung. Soll es zu Moleküländerungen kommen, müssen Photonen mindestens diese Energie besitzen, was violettem Licht oder höherfrequenter Strahlung entspricht.
Bei der Wechselwirkung von nicht-ionisierender Strahlung unterscheidet man zwischen thermischen Effekten (Strahlung wirkt erwärmend, weil sie durch das Gewebe absorbiert wird), direkte Feldeffekte (induzierte Dipolmomente, Änderung Membran-Potentialen), Quanten-Effekte und Resonanzeffekte (Synchronisation mit Schwingung der Zellstruktur). Darüber hinaus werden mehrere weitergehende indirekte Effekte diskutiert.
Wirkung auf Materie
In anorganischen und organischen Verbindungen treten bei Absorption von Strahlung aus dem infraroten Bereich mechanische Schwingungen auf. Man unterscheidet zwei verschiedene Arten:
- Valenzschwingungen (Streckschwingungen): Schwingungen entlang der Bindungsachse zweier Atome oder Molekülteile durch eine Dehnung oder Stauchung der Bindung
- Deformationsschwingungen: Schwingungen unter der Deformation des Bindungswinkels
Da Molekülschwingungen bestimmter Atomgruppen im Bereich von Wellenlängen von 4000–1500 cm−1 besonders charakteristisch sind, eignet sich die IR-Spektroskopie zur Bestimmung der funktionellen Gruppen in organischen Molekülen. Die folgende Tabelle zeigt ein paar Beispiele:
Wellenzahl in cm−1 | Molekülgruppe | Beispielmaterialien | Intensität für die Beispielmaterialien |
---|---|---|---|
3200…3750 | –O–H | bei Alkoholen, Wasser | stark, breit |
3300 | ≡C–H | Alkine | stark |
2800…3000 | –C–H | Kohlenwasserstoffe, –CH3, –CH2 | stark |
2500…3000 | –O–H | bei Carbonsäuren | stark |
2150…2260 | –C≡C | Alkine | variierend |
1670…1800 | –C=O | Carbonyl-Verbindungen (Ketone, …) | stark |
1640…1680 | –C=C | Alkene | mittel |
1100 | –C–O–C– | Ether | stark |
1000…1150 | –C–O | Alkohole | stark |
1000…1400 | –C–F | Fluoralkane | stark |
600…800 | –C–Cl | Chloralkane | stark |
500…600 | –C–Br | Bromalkane | stark |
500 | –C–I | Iodalkane | stark |