Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

101 18.4 Elektromagnetisches Spektrum Elektromagnetisches Spektrum (electromagnetic spectrum) Eine der großen Erkenntnisse des 19. Jahrhunderts war die Entdeckung der gemeinsamen Struktur (da- mals) verschiedener Wellen. Die Ergebnisse der theo- retischen Studien des Physikers Maxwell und der ex- perimentellen Untersuchungen des Physikers Hertz ergaben eine einheitliche Beschreibung von vielen elektromagnetischen Wellen, die durch verschiedene Entstehungsprozesse ausgesendet werden. Da die Ei- genschaften dieser elektromagnetischen Wellen vor allem von ihrer Frequenz f abhängen, liegt es nahe, sie durch ihre Frequenz zu beschreiben. Die Aus- breitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen stimmt (im Vakuum) immer mit der Lichtge- schwindigkeit c 0 überein. A1 Lies in Kap. 12 den Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz bei der Aussendung von Licht nach! 18.4 Abb. 101.1 ( Hinweis: Die Wellenlängen sind nicht maßstäblich gezeichnet!) Beispiel Bremsstrahlung (bremsstrahlung) Werden die Elektronen durch eine Spannung U beschleunigt, so erhalten sie eine Energie E , E = e · U. Werden Elektronen abgebremst, so werden elektromagnetische Wellen ausgesendet. Die Fre- quenz f der abgestrahlten Wellen kann höchstens den Wert f max annehmen: f h e U max $ = f max …maximale Frequenz e … Elementarladung U …Beschleunigungsspannung h …Planck´sches Wirkungsquantum Bremsstrahlung wird in Form von Röntgenstrahlung technisch und medizinisch verwendet. Abb. 101.2 Maximale Frequenz der Bremsstrahlung Spannung in kV U 0 0 25 50 75 100 1 2 3 Maximale Frequenz der Brems- strahlung in Abhängigkeit von der . Beschleunigungsspannung Beispiel Synchrotronstrahlung (cyclotron emission) Geladene Teilchen, die sich auf einer gekrümmten Bahn bewegen, müssen ständig beschleunigt wer­ den (Zentripetalbeschleunigung, vgl. Band 5). Dabei werden elektromagnetische Wellen ausgesendet. Zum Umlauf der geladenen Teilchen im Synchrot- ron muss die Geschwindigkeit der Teilchen nicht nur sehr genau berechnet werden sondern auch exakt eingehalten werden, weil sonst die Teilchen sehr bald mit den Wänden des evakuierten Speicher- ringrohres kollidieren würden. Die Querschnitts- fläche beträgt nur etwa 20 cm 2 . Aus der Wahl der Umlaufgeschwindigkeit ergibt sich die notwendige Zentripetalbeschleunigung, die durch Magnetfelder bewirkt wird (Lorentzkraft). Bei bekannter Beschleu- nigung a lässt sich die Frequenz f der Synchrotron- strahlung berechnen ( f ~ a 2 ). Mit einem Synchrotron lassen sich gezielt besonders kurzwellige elektro- magnetische Wellen erzeugen, die von der jeweili- gen Sollfrequenz nur wenig abweichen. Synchrotronstrahlung wird beispielsweise in der Medizin und in der Halbleitertechnik (Mikrolithogra- phie für Computerchips) eingesetzt. Abb. 101.3 Die Umfang des Large Hadron Collider (LHC; CERN, Genf) wurde möglichst groß gewählt, um unvermeidli- che Verluste durch Synchrotronstrahlung gering zu halten. Er beträgt rund 27 km. BW7/S5 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv