Die Sonne, sie bringt Leben und kann es zerstören
Inhaltsverzeichnis |
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
Hinweis: schaut euch die Vorlage:Wepde an, damit ihr wisst, um welche Größenordnungen es sich handelt.
Radiowellen
| Typ | Wellenlänge | Frequenz | Energieinhalt | Wirkung auf Materie | Sonstige Eigenschaften |
|---|---|---|---|---|---|
| z.B. Radiowellen | 10 m und mehr | 300 MHz bis 3 Hz | weniger als 2,0 × 10−26 J = 120 neV | keine | Wird sehr gut reflektiert |
Für die langweilligen Radiowellen, die recht wenig Energie enthalten, ist das meiste Material quasi unsichtbar. Sie passiert fast alle Arten von Materie, ohne diese zu beeinflussen. Deshalb kann man auch in geschlossenen Räumen Radio hören. Besonders lange Radiowellen werden vor allem für Signale verwendet, die eine besonders lange Reichweite haben. UKW-Radiowellen dagegen werden besonders gut an atmosphärischen Schichten reflektiert.
Die Begriffe Funkwellen und Rundfunk gehen übrigens darauf zurück, dass erste Übertragungsversuche mithilfe von Funkenentladung an Hochspannungserzeugern gemacht wurden.
Mikrowellen
| Typ | Wellenlänge | Frequenz | Energieinhalt | Wirkung auf Materie | Sonstige Eigenschaften |
|---|---|---|---|---|---|
| Mikrowellen | 1 m bis 1 mm | 300 MHz bis 300 GHz | zwischen zwischen 1,2 µeV und 130 µeV | Rotation der Moleküle | ... |
Mikrowellen kommen in der Radartechnik, im Mikrowellenherd, drahtlosen Kommunikationssystemen (Mobilfunk, Bluetooth, Satellitenrundfunk, WLAN, Amateurfunk) oder Sensorsystemen (zum Beispiel Radar oder das Mikrowellen-Resonatorverfahren) zum Einsatz. An einer Verwendung als Strahlenwaffe wird gearbeitet. Der Mikrowellenbereich ist eingeteilt in Frequenzbänder, die oft zweckgebunden für bestimmte Anwendungen reserviert sind. So befinden sich dort mehrere Amateurfunkbänder, unter anderem zwischen 1240 und 1300 MHz das 23-Zentimeter-Band, zwischen 2320 und 2450 MHz das 13-Zentimeter-Band und zwischen 10 und 10,5 GHz das 3-Zentimeter-Band.
Aufgrund ihrer Wellenlänge sind Mikrowellen besonders zum Anregen von Schwingungen von Molekülen geeignet. Besonders anschaulich ist dieser Effekt bei der Schwingungsanregung von Wassermolekülen im Mikrowellenherd. Die Erwärmung von Wasser beruht nicht auf der Absorption bei einer bestimmten Resonanzfrequenz, sondern die Wassermoleküle als Dipole versuchen sich laufend nach dem elektromagnetischen Wechselfeld auszurichten, wobei als Nebeneffekt Wärme entsteht.
Die Wechselwirkung mit Materie (außer mit metallischen Leitern) verursacht Rotation der Moleküle und somit Wärme, infolge der Bewegung der Moleküle.Elektrische Leiter absorbieren Mikrowellen und Strahlung niedriger Frequenzen, da elektrische Ströme (die das Material aufheizen) erzeugt werden. Die meisten Materialien, den menschlichen Körper eingeschlossen, sind größtenteils transparent für Mikrowellen.
Infrarostrahlung
| Typ | Wellenlänge | Frequenz | Energieinhalt | Wirkung auf Materie | Sonstige Eigenschaften |
|---|---|---|---|---|---|
| Infrarotstrahlung | 50 µm bis 3 µm | 300 GHz bis 385 THz | zwischen zwischen 1,2 meV und 500meV | bei Adsorption kommt es zu mechanischen Schwingungen im Molekül | ... |
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
Symmetrische Streckschwingung
Asymmetrische Streckschwingung
„Schaukelschwingung“
Scher-/Deformations-
schwingung
Drehschwingung
„Wippschwingung“
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 |
IR-Sepketroskopie
- Handbuch mit Tabellen und Anleitungen
- Beispiel-Spektren zum Üben:
- https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ethanol_IR_Spectrum.png
- https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spectre_IR_cyclohexane.png
- https://commons.wikimedia.org/wiki/File:IR_polystyrol_mrtz.png
- https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ATR_FTIR_of_Hexane.png
- https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dichloromethane_near_IR_spectrum.png
