2.2.9 Elektromagnetisches Spektrum; Erzeugung, Nachweis un technische Anwenung elektromagnetischer Strahlung; Bragg-Beziehung Überblick über as elektromagnetische Spektrum Die Lichtwellen sin nur ein kleiner Ausschnitt aus em viel umfasseneren Gebiet er elektromagnetischen Wellen, über ie ie nachfolgene Aufstellung eine Übersicht gibt: Frequenz in Hz Länge in m Bezeichnung Erzeugung Nachweis, Verwenung Auftreten, Verwenung 3 10 1 10 7 Wechselstrom Wechselströme Generator Messgerät 3 10 2 3 10 3 10 5 10 4 tonfrequente Wechselströme elektrische Schwingkreise Lautsprecher Übertragung von Musik 3 10 4 3 10 5 3 10 6 3 10 7 3 10 8 3 10 9 3 10 10 3 10 11 3 10 12 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 LMKU-Wellen, Mikrowellen Runfunk, Fernsehen, Raar, Satellitensignale Röhrengenerator, Klystron abgestimmte Empfänger 3 10 13 3 10 14 3 10 15 3 10 16 10-5 10-6 10-7 10-8 Infrarot, sichtbares Licht, UV-Strahlung Übergänge in äußeren Atomschalen Thermosäule, Auge, Fotozellen Wärme, Lampen, Quarzlampen 3 10 17 3 10 18 3 10 19 3 10 20 3 10 21 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 Übergänge in inneren Atomschalen (Röntgenröhren) Röntgenstrahlung Fotoplatten, Ionisation Röntgengeräte 3 10 22 3 10 23 3 10 24 10-14 10-15 10-16 γ-strahlung, Höhenstrahlung Kernprozesse Fotoplatten, Ionisation raioaktiver Zerfall Elektromagnetische Wellen entstehen, wenn elektrische Laungen beschleunigt weren. Dies kann auf unterschieliche Weise geschehen; entsprechen teilt man ie elektromagnetische Strahlung ein. Sie unterscheien sich Seite 2-2-9-1
neben er Art er Entstehung un es Nachweises leiglich urch ie Frequenz un amit auch urch ihre Vakuumwellenlänge. Infrarot Es ist nicht anzunehmen, ass alle Lichtquellen nur elektromagnetische Wellen aussenen, ie genau in em für en Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen etwa 400 nm un 800 nm liegen. Mit en folgenen Versuchen sollen ie Nachbarbereiche es sichtbaren Spektrums untersucht weren. Versuch 1: Linse Thermosäule rot Lampe Spalt Prisma blau Das Licht einer Kohlebogenlampe, ie ein koninuierliches Spektrum liefert, wir mit einem Gerasichtprisma spektral zerlegt. Die entstehene Strahlung wir mit einer Thermosäule untersucht. Ergebnis: Die Thermosäule zeigt bei er Bewegung von blau nach rot eine zunehmene Thermospannung. Diese steigt sogar zunächst noch weiter, wenn ie Säule über en roten Ran hinaus bewegt wir (Infrarot), un fällt ann rasch ab. Anmerkungen: 1. Beim Gitterspektrum wir rotes Licht am stärksten, blaues am wenigsten abgelenkt. Beim Prismenspektrum ist ies genau umgekehrt; mögliche Überlagerungen er Spektren verschieener Ornungen stören hier also nicht! 2. Die Thermosäule besteht aus hintereinaner geschalteten Thermoelementen, eren Thermospannung bei verschieenen Kontaktstellentemperaturen noch verstärkt wir. 3. Der größte Teil er von einer Glühlampe ausgesanten Energie fällt in as infrarote Gebiet. Ultraviolett Auch über as kurzwellige, violette Ene es Spektrums hinaus lässt sich zu noch kürzeren Wellenlängen hin Strahlung nachweisen: Seite 2-2-9-2
Versuch: Linse fluoreszierener Schirm Lampe Spalt Gitter blau rot Das Licht einer Quecksilberampflampe wir mit einem Gitter spektral aufgefächert un mit einem fluoreszierenen Schirm aufgefangen. Ergebnis: Der Schirm leuchtet auch jenseits er violetten Linie auf, registriert also Strahlung (Ultraviolett). Anmerkungen: 1. Die fluoreszierene ZnS-Schicht wirkt als "Frequenzwanler"; as Licht mit kürzerer Wellenlänge als Violett wir in grünes Fluoreszenzlicht umgewanelt. Das langwelligere rote Licht ruft agegen keine Fluoreszenzen hervor. 2. Statt es ZnS-Schirms kann man auch frisch gewaschene Wäsche verwenen; ie "Weißmacher" in Waschmitteln rufen nämlich ebenfalls Fluoreszenzen hervor. 3. Im Versuch wir ein Gitterspektrometer verwenet, um as UV-Licht weniger abzulenken als en sichtbaren Bereich (vgl. Versuch 1!). Die Sonne strahlt neben sichtbarem Licht auch Infrarot un Ultraviolett auf ie Ere. Der langwellige Anteil er Infrarotstrahlung wir vom in er Luft enthaltenen Wasser unmittelbar absorbiert. Die UV-Strahlung bewirkt ie Pigmentierung er Haut, tötet Bakterien un förert ie Bilung es antirachitischen Vitamins D. Die UV-Strahlung wir von Staub u. ä. absorbiert; sie ist aher in größeren Höhen intensiver als im Flachlan. Zusammenfassung: Ultraviolette Strahlen zeigen an einem Gitter Beugung un Interferenz. Röntgenstrahlen Röntgenstrahlen entstehen, wenn schnell bewegte Elektronen auf ein Hinernis treffen. Sie wuren 1895 von W. C. Röntgen (1845-1923) enteckt. Versuch: In Glühkathoenröhren weren thermisch von er Kathoe abgelöste Elektronen urch hohe Spannung (bis 500 kv) zur Anoe hin stark beschleunigt, so ass sie ort mit großer kinetischer Energie auftreffen. Seite 2-2-9-3
Skizze einer Röntgenröhre: U e Uh Dabei kann es zu rei verschieenen Vorgängen kommen: 1. Die Elektronen verlieren ihre Energie beim Einringen in ie Anoe un bewirken eine Erwärmung er Anoe. Das gilt für etwa 99 % aller Elektronen. 2. Die Elektronen weren beim Durchgang urch einzelne Atome es Anoenmaterials ganz oer teilweise abgebremst un geben ihre Energie als Röntgenbremsstrahlung ab. 3. Die Elektronen bringen ie Atome es Anoenmaterials in einen angeregten Zustan. Die angeregten Atome gehen unter Aussenung einer für as Anoenmaterial charakteristischen Strahlung, ie zu einem Linienspektrum führt, wieer in en Grunzustan über. Der Nachweis er Röntgenstrahlung ergibt sich aus ihren Eigenschaften: 1. Röntgenstrahlen besitzen ein erhebliches Durchringungsvermögen für alle Materie. Daraus ergeben sich etwa ie bekannten Anwenung in er Meizin, er Materialprüftechnik u. ä. 2. Röntgenstrahlen vermögen viele Stoffe zu Fluoreszenz bzw. Phosphoreszenz anzuregen. 3. Röntgenstrahlen schwärzen fotografische Platten. 4. Röntgenstrahlen ionisieren Gase. 5. Röntgenstrahlen zeigen Interferenzen bei er Reflexion un beim Durchgang urch Kristalle. Setzt man Röntgenstrahlen elektrischen oer magnetischen Felern aus, so weren sie aurch nicht beeinflusst; Röntgenstrahlen sin also keine Ströme gelaener Teilchen. Die Kristallgitterinterferenzen waren er entscheiene Nachweis für en Wellencharakter er Röntgenstrahlen. Heute weiß man, ass ie Wellenlänge er Röntgenstrahlen viel zu klein ist, als ass man mit optischen Gittern Interferenzen eutlich beobachten könnte, wenngleich man urch extrem streifenen Einfall auf ein optisches Gitter (= stark verkleinerte wirksame Gitterkonstante!) ab 1925 urch Interferenz Wellenlängen um 1 nm un arunter mit großer Genauigkeit bestimmen konnte. Seite 2-2-9-4
Viel feinere Gitter hält ie Natur in en Kristallen bereit. Die einen Kristall aufbauenen Partikel bilen Raumgitter. Fällt Röntgenstrahlung auf ein solches Gitter, so treten Interferenzen auf, a ie Wellenstrahlung an en räumlich regelmäßig angeorneten Partikeln es Kristalls eine kohärente Streustrahlung auslöst. Merkliche Intensitäten er Streustrahlung treten nur in en Beobachtungsrichtungen auf, für ie alle gestreuten Wellen konstruktiv interferieren,. h. für ie Gangunterschiee ganzzahlige Vielfache er Wellenlänge sin. Liegen im einfachsten Fall alle streuenen Atome ungeornet in einer Ebene, so lässt sich Reflexion nach em Reflexionsgesetz bei beliebigen Einfallswinkeln beobachten. Diese lässt sich als Interferenz euten. Zusammenfassung: Eine einzelne mit Streuzentren besetzte Ebene wirkt bei jeem Einfallswinkel wie ein Spiegel. Die Interferenzerscheinung an einem mehrimensionalen Gitter unterscheiet sich von en Interferenzen am Strichgitter aurch, ass von einem Raumgitter nur eine ganz bestimmte Wellenlänge zu einem Intensitätsmaximum gebeugt wir, wenn ie Strahlung unter einem festen Winkel auf en Kristall trifft. Max von Laue (1879-1960) konnte ieses Ergebnis mit er Wellentheorie quantitativ euten. Eine anschauliche Darstellung esselben Sachverhalts gelang W. H. Bragg (1862-1942) un W. L. Bragg (1890-1971). Im einfachsten Fall sin ie Partikeln im Kristall in Netzebenen mit em Abstan zusammengefasst (vgl. Skizzen). Empfänger θ θ Netzebenen x Nach Bragg interpretiert man as Ergebnis er Streustrahlinterferenz als regelmäßige Reflexion er einfallenen Röntgenstrahlung an en Kristallpartikeln. Die an benachbarten Netzebenen "reflektierten" Strahlen interferieren miteinaner mit em Gangunterschie s = 2 x, wobei x im skizzierten rechtwinkligen Dreieck aus x = sin berechnet weren kann. Für s gilt ann s = 2 sin θ. Seite 2-2-9-5
Natürlich muss für konstruktive Interferenz er Gangunterschie ein ganzzahliges Vielfaches er Wellenlänge sein, so ass als Beingung für en sog. Glanzwinkel, unter em bei einer bestimmten Wellenlänge ein Interferenzmaximum erscheint, gilt: k λ = 2 sin θ. Zusammenfassung: Zwei oer mehr parallel streuene Ebenen im Abstan interferieren konstruktiv, wenn ie Bragg-Beingung gilt: k λ = 2 sin θ. Dabei ist θ er Winkel zwischen Einfallsrichtung un Netzebene. Mit er sog. Drehkristallmethoe lässt sich unter Zuhilfenahme er Braggschen Beziehung ie Wellenlänge λ einer Röntgenstrahlung berechnen. Versuch: Intensität U φ 2φ φ Zählrohr e φ Uh Ein ünner Röntgenstrahl fällt unter em variablen Winkel θ auf einen Einkristall. Die Intensität es reflektierte Strahls wir mit em Geiger-Müller-Zählrohr ermittelt, as gegenüber em einfallenen Röntgenstrahl en Winkel 2 θ hat. Ergebnis: Es zeigen sich ie erwarteten Maxima, aus enen nachobiger Gleichung bei bekanntem Netzebenenabstan ie Wellenlänge λ berechnen lässt. Die Bragg-Reflexion lässt sich im Moellversuch mit Mikrowellen un einem geeigneten zweiimensionalen Gitter urchführen: Versuch: Im analogen Moellversuch weren anstelle von Röntgenstrahlen Mikrowellen, anstelle eines Kristallgitters ein zweiimensionales Gitter aus Metallstäben verwenet. Ergebnis: Nur bei bestimmten Richtungen er einfallenen Strahlung finet man eutliche Reflexionsmaxima, un zwar jeweils nur ein Maximum. Dieses tritt in Richtung er regulären Reflexion auf. Seite 2-2-9-6