Elektromagnetische Welle (em-welle): Ausbreitung von periodischen elektrischen und magnetischen Feldern

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Hertha Gerhardt
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3 Elektromagnetische Welle (em-welle): Ausbreitung von periodischen elektrischen und magnetischen Feldern Beispiele: Radiowellen, sichtbares Licht, WLAN, Röntgenstrahlen

Ausbreitungsgeschwindigkeit jeder em-welle im Vakuum: c = 3 10 9 m/s (Lichtgeschwindigkeit) Verschiedene em-wellen unterscheiden sich in Frequenz/Wellenlänge und Amplitude (Leistung bzw.

4 Ausbreitungsgeschwindigkeit jeder em-welle im Vakuum: c = m/s (Lichtgeschwindigkeit) Verschiedene em-wellen unterscheiden sich in Frequenz/Wellenlänge und Amplitude (Leistung bzw. Intensität) Transportierte Energie bei fester Amplitude E = h f oder E = hc λ (je höher die Frequenz, desto größer die Energie!) Jede em-welle kann auch als Strom von Teilchen (Photonen) betrachtet werden. Je nach Anwendung ist die Betrachtung als Welle oder Teilchen sinnvoller. Interferenz, Beugung: Welle Photoeffekt, Compton-Effekt: Teilchen

5 Man bezeichnet den kompletten Frequenzbereich der elektromagnetischen Wellen als deren Spektrum. Dieses wird je nach Nutzung bzw. Erzeugung in verschiedene Bereiche eingeteilt. Em-Wellen werden meistens durch Schwingungen geladener Teilchen (z.b. Elektronen in Antennen) oder durch atomare Übergänge (angeregte Gase in Dampflampen) erzeugt.

6 Werden z.b. Protonen oder Elektronen stark beschleunigt und gebündelt, spricht man von Teilchenstrahlung. Die Energie der Strahlung hängt dann von der Bewegungsenergie der einzelnen Teilchen und deren Anzahl ab.

8 Das Ankommen einer em-welle bedeutet, dass an einer Stelle ein wechselndes elektrisches und magnetisches Feld entsteht. Dieses hat Einfluss auf jede Art von geladenen Teilchen und Elementarmagnete. + - Die übertragene Energie kann außerdem chemische Bindungen beeinflussen.

9 1. Freie Ladungsträger (in elektr. Leitern) bewegen sich durch die Schwingung innerhalb des Leiters mit Empfangs-Antenne auch ungewollte Effekte wie radio-empfangende Heizkörper 2. Polare Moleküle (z.b. Wasser) beginnen mitzuschwingen Mikrowellenherd erwärmt Wasser durch Reibungswärme der schwingenden Moleküle Infrarotstrahlung ist Wärmestrahlung, da diese der natürlichen Schwingfrequenz der Atome und Moleküle (Wärmebewegung) entspricht und diese daher verstärkt

10 3. Im Teilchenmodell können die Photonen mit sehr hoher Energie Elektronen aus Atomen herausschlagen oder Moleküle zertrennen (Ionisation). Ionisation: jeder Vorgang, bei dem aus einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen entfernt werden, so dass das Atom oder Molekül als positiv geladenes Ion (Kation) zurückbleibt

12 Für biologische Organismen spielen die physikalischen Effekte mehr oder weniger große Rollen: Elektrische Ströme in Nervenzellen (Bewegung von Ionen) werden durch die Felder im Radio- und Mikrowellenbereich leicht beeinflusst (gering) Durch Mikrowellenstrahlung (Handy, WLAN ) wird das Wasser im Körper leicht erwärmt (gering) Strahlung im UV-Bereich und Alpha- und Betastrahlung dringt in die oberen Hautschichten ein und zerstört wichtige Moleküle oder Hautzellen durch Ionisation Gamma- und Röntgenstrahlung durchdringt das komplette Gewebe und kann im gesamten Körper Schäden durch Ionisation verursachen Nicht ionisierend ionisierend

13 ionisierend

Strahlung ab einer gewissen Energie (>3eV bzw. > 10 16 Hz) kann (mehrfach) ionisierend wirken ( Ionisierende Strahlung ).

14 Strahlung ab einer gewissen Energie (>3eV bzw. > Hz) kann (mehrfach) ionisierend wirken ( Ionisierende Strahlung ). Ionisation führt im Körper zur Zerstörung wichtiger Proteine, Enzyme oder im schlimmsten Fall zur Schädigung der Erbsubstanz (DNS). Der Körper kann eine gewisse Menge an Schädigung durch Ionisation verarbeiten (natürliche Strahlung, Nulleffekt ). Ist die Intensität, und damit die Schädigungsrate zu hoch, versagen die Schutzmechanismen.

15 Die biologischen Strahlenwirkungen werden außerdem in zwei Kategorien unterteilt: Deterministische Strahlenwirkungen: Sofortige Schädigung des Organismus durch Zelltod vieler Zellen; ab einer bestimmten Strahlendosis (Menge an aufgenommener Strahlung) Stochastische Strahlenwirkungen: Durch Bestrahlung veränderte DNS wird weitervererbt, führt je nach Schweregrad mit bestimmter Wahrscheinlichkeit zu Folgeschäden, z.b. Tumor.

16 Die Strahlenschäden selbst werden in drei Kategorien unterteilt: Somatische Schäden, die beim bestrahlten Organismus selbst auftreten (nochmals unterteilt in Früh- und Spätschäden) Teratogene Schäden, die während der Schwangerschaft eine Schädigung des Embryos verursachen. Genetische Schäden, die erst bei den Nachkommen auftreten.

18 Die Energiemenge, die durch Strahlung insgesamt auf Materie übetragen wird (Energiedosis), wird in der Einheit 1 Gray (1Gr = 1 J/kg) gemessen. Beispiele: Letale Energiedosis (50% Letalität nach 30 Tagen) bei verschiedenen Lebewesen Mensch: 3 4,5 Gy Ratte: 6 Gy Goldfisch: 8,5 Gy Hamster: 9 11 Gy Forelle: 15 Gy Escherichia coli: 50 Gy Fledermaus: 150 Gy Schnecke: 200 Gy Wespe: Gy

19 Die Energiedosis berücksichtigt nicht, dass verschiedene Strahlungsarten unterschiedlich starke Wirkung entfalten: Nicht ionisierende Strahlung richtet keine unmittelbaren Schäden an Locker ionisierende Strahlung (Photonen jeder Energie, Beta- Strahlung) verteilt die Energie gleichmäßig auf das Gewebe (weniger gefährlich) Dicht ionisierende Strahlung (z.b. Alpha-Strahlung) ionisieren in einem eng begrenzten Bereich und damit mit höherer Wahrscheinlichkeit mehrmals pro Molekül (sehr gefährlich) Die Einheit Sievert (Äquivalentdosis, (1Sv = 1 J/kg) berücksichtigt zusätzlich die biologische Wirksamkeit.

20 Natürliche Strahlenbelastung ca. 1mSv pro Jahr auf Meereshöhe Künstliche Strahlenbelastung ca. 2mSv pro Jahr durch Medizin Kosmische Strahlung 8% Sonstige künstliche Strahlenbelastung 1% Kernkraftwerte und Atomwaffentests 1% Medizinische Anwendungen Einatmen von 41% Radon 27% Sonstige Strahlung der Erde 22% Tschernobyl-Unfall 0% Strahlenbelastung des Menschen Kosmische Strahlung 8 Einatmen von Radon 27,1 Sonstige Strahlung der Erde 22 Tschernobyl-Unfall 0,6 Kernkraftwerte und Atomwaffentests 0,6 Sonstige künstliche Strahlenbelastung 0,6 Medizinische Anwendungen 41,1

21 tz/biologischestrahlenwirkung/zellulaerestrahl eneffekteaufdengesamtorganismus.html

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