⭐ Strahlung – 11 wichtige Eigenschaften einfach erklärt!

Was genau ist eigentlich Strahlung? Kann Strahlung gefährlich werden und warum kann die Mikrowelle das Essen erwärmen? Diese und weiter Fragen klären wir in folgendem Artikel – und zwar so einfach, dass es auch nicht-Physiker verstehen!

Ich warne dich auch gleich vor, es wird wissenschaftlich.
Aber keine Sorge, nicht zu wissenschaftlich.

Mein Motto lautet – Besser die 11 Minuten Gehirnschmalz investieren, als ahnungslos zu sterben!
Aber deine Entscheidung.

Lesezeit: ~11 Min

Vorwort

In letzter Zeit ist das Thema Strahlung wie Handystrahlung, Funkstrahlung und WLAN wieder vermehrt aufgekommen.

Nicht jeder von uns hat tagtäglich mit Technik oder Physik zu tun.

Deshalb kann man auch nicht von jedem erwarten, dass er weiß, was es mit Elektromagnetischen Wellen (Strahlung) auf sich hat und was das eigentlich bedeutet.

Alles, was du hier lesen wirst, basiert auf den aktuellsten wissenschaftlichen Erkenntnissen und am Ende des Artikels findest du alle Referenzen zu diesem Thema.

Außerdem werde ich in diesem Artikel mit Metaphern, die recht komplexe Thematik verständlicher für dich aufbereiten.

Also legen wir los, frei nach dem Motto – Wissenschaft macht Spaß! 🙂

Was bedeutet Frequenz?

Wenn man von Strahlung spricht, dann immer auch von Frequenz. Aber was bedeutet Frequenz?

In der Technik und der Physik beschreibt die Frequenz, wie schnell sich etwas in regelmäßigen Abständen wiederholt.

Du warst bestimmt schon mal am Meer und hast die Wellen darin beobachtet.
Es beruhigt einen förmlich dem Meeresrauschen zuzuhören, nicht wahr?

Das kommt daher, dass die Wellen in regelmäßigen Abständen ankommen und aufbrechen.
Diese Wellen haben eine gewisse Frequenz.

Für eine einheitliche Messung hat man sich bei der Frequenz auf Hertz (nicht zu verwechseln mit dem Pumporgan Herz) als Einheit geeinigt.

Hertz gibt die Anzahl an Wiederholungen pro Sekunde an.

Sagen wir, die Wellen brechen jede Sekunde 3-mal an der Küste auf, dann wäre die Frequenz der Meeres-Wellen 3 Hertz oder 3 Hz.

Wenn die Welle nur 1-mal jede Sekunde ankommen würde, dann wäre die Frequenz 1 Hz.

Frequenz in Hertz ist eine Form der Messung – wie oft sich etwas in einer Sekunde wiederholt.

Zum Vergleich: Wenn dein WLAN-Router auf 5 GHz (das G steht für Giga = Milliarde) eingestellt ist, dann kommen die Elektromagnetischen Wellen deines WLANs 5 Milliarden Mal in der Sekunde bei deinem Computer oder Smartphone an.

Was ist Strahlung? Die Elektromagnetische Wellen erklärt

Kurz gesagt: Eine Elektromagentische-Welle besteht aus elektrischen und magnetischen Feldern, daher der Name.

Sie kann Energie übertragen und benötigt dafür kein Medium.

Man nennt sie auch Elektromagentische Strahlung oder einfach nur Strahlung.

Das bedeutet, Strahlung ist eine Bezeichnung für Elektromagnetische Wellen.

Wir Otto Normalverbraucher verwenden sie hauptsächlich zur Datenübertragung (WLAN, 5G, Radio, etc) oder um unser Essen aufzuwärmen (Mikrowelle). Sie kommt aber auch zum Einsatz, um dein Innenleben zu fotografieren oder bei verschiedensten wissenschaftlichen Experimenten.

Doch braucht diese Welle etwas um sich auszubreiten?

1. Medium

Ein Medium ist ein Träger. Etwas, das eine mechanische Welle – wie die Welle im Meer – benötigt, um sich zu bewegen, also um von A nach B zu kommen.

Das Medium für die Welle im Meer ist Wasser.

Schallwellen benötigen auch ein Medium, das ist normalerweise Luft, sie können sich aber auch durch das Wasser bewegen.

Das Coole an Elektromagnetischen Wellen ist, dass sie kein Medium benötigen, also einen Träger; sie können sich durch die Luft bewegen, genauso wie durch ein Vakuum, wie das leere Weltall. Im Vakuum sogar mit Lichtgeschwindigkeit.

Elektromagnetische Wellen können auch durch Materie wie Luft, Wasser, Beton, Metall, Haut, Glas, etc… fliegen, aber auch durch genau diese Materie verlangsamt, gestoppt oder reflektiert werden.

Das hängt von der Beschaffenheit der Materie und von der Wellenlänge der Elektromagnetischen Welle ab.

2. Wellenlänge

Die Wellenlänge ist der Abstand von der Spitze einer Welle zu der anderen.

Und die Länge der Welle ist abhängig von der Frequenz. Je niedriger die Frequenz ist, desto länger ist die Welle.

Im Umkehrschluss: Je höher die Frequenz, desto kürzer die Welle.

Sie werden gewissermaßen zusammengedrückt, wenn sie beschleunigt werden und auseinandergezogen, wenn sie verlangsamt werden.

Hast du schon mal ein langes Seil, das an eine Wand fest gemacht wurde, am anderen Ende auf und ab geschwungen?

Wenn ja, ist dir bestimmt aufgefallen, dass sich Wellen bilden und je fester du auf und ab schwingst, desto kürzer und schneller werden diese Wellen am Ende – stimmt, oder? So ähnlich ist das mit Elektromagnetischen Wellen.

Stell dir wieder Meeres-Wellen vor, die mit 1 Hz (eine Welle in der Sekunde) an der Küste ankommen und jede Welle ist 1 Meter lang.

Wenn der Wind jetzt stärker wird, und sich die Frequenz auf 2 Hz erhöht, dann werden die Wellen zusammengedrückt und sind nur noch 0,5 Meter lang.

Beispielsweise hat die bekannte Langwelle des Radios eine Wellenlänge von 1 Kilometer bis 10 Kilometer.

10 km = 30 kHz (30.000Hz)

1 km = 300 kHz (300.000Hz)

Daher: Wellenlänge und Frequenz sind abhängig voneinander.

Höhere Frequenz = Kürzere Wellen

ACHTUNG: Das kann am Anfang immer etwas verwirren, deshalb noch mal:

Das bedeutet, dass eine 1 kilometerlange Welle, 300.000 Mal in der Sekunde ankommt und eine 10 kilometerlange Welle nur 30.000 Mal.

Je höher die Frequenz, desto kürzer die Welle.

Hier findest du eine Übersicht über alle Wellenlängen

3. Spektrum

Du kannst diese Wellen sogar sehen, genauer gesagt eine Art von diesen.

Das Licht ist eines von ihnen. Es ist genauso eine Elektromagnetische-Welle wie die, die dein Essen in der Mikrowelle warm macht oder beim Röntgen dein Inneres abbildet.

Aber warum kannst du das Licht deiner Taschenlampe sehen, jedoch keine Wellen in deiner Mikrowelle?

Licht, das wir wahrnehmen können, bewegt sich im Nanometer Bereich. Die Wellen sind daher sehr kurz und haben eine hohe Frequenz von 384 THz bis 789 THz (T = Terra = Trillionen)

Wie bereits erwähnt, eine Langwelle beim Radio kann mehrere Kilometer lang sein und hat eine niedrige Frequenz von 30 KHz – 300 KHz.

Das menschliche Auge kann nur bestimmte Längenbereiche (Spektrum) wahrnehmen, da unsere Augen genau auf diese Wellen abgestimmt sind.

Bienen sehen beispielsweise Ultraviolettstrahlung und Schlangen Infrarotstrahlung, da ihre Augen auf diese Wellenlängen abgestimmt sind.

Das sichtbare Spektrum (Licht) ist das einzige Spektrum, das wir ohne technische Mittel wahrnehmen können.

Mit Ausnahme der Wärme von Infrarotstrahlung. (Dazu später mehr.)

Die Wellenlängen von WLAN und 5G sind zu lang, als dass wir diese wahrnehmen könnten. Deshalb sehen wir das WLAN oder 5G Signal nicht, wenn es an uns vorbeifliegt.

Wir können diese Wellen nur mithilfe von technischen Hilfsmitteln wie Sensoren wahrnehmen.

4. Strahlungsenergie – Photonen

Photonen oder Strahlungsenergie ist das, was die Elektromagnetische Welle überträgt, genauer gesagt, aus was sie besteht.

Das Photon hat Energie und ist sozusagen der “Vermittler” der Elektromagentischen-Wechselwirkung.

“Der Surfer der Welle”

Was bedeutet Wechselwirkung?

Durch die Einwirkung einer Kraft, wenn du zum Beispiel einen Tisch mit bloßen Händen verschiebst, ist das Ergebnis – der verschobene Tisch – die Wechselwirkung, die entstanden ist.

Die Elektromagnetische-Wechselwirkung ist das Ergebnis der verrichteten Arbeit der elektrischen Energie.

Wie das Licht, das die Lampe erzeugt, wenn du den Lichtschalter betätigst oder die Stimme, die dein Handy erzeugt, wenn du telefonierst.

Sie gehört zu den 4 Grundkräften im Universum, wie Gravitation. Alles, was du im Alltag mit Elektronik und Strom wahrnimmst, ist die Elektromagnetische-Wechselwirkung.

Was bedeutet Energie?

Nochmal das Beispiel mit dem Tisch:

Damit du den Tisch verschieben kannst, also die Arbeit verrichten kannst, benötigst du gespeicherte Kraft, auch bekannt als Energie.

Je mehr Energie du hast, desto weiter kannst du den Tisch schieben oder desto schwerer kann der Tisch sein.

Oder: Je mehr Energie, desto länger oder heller kann eine Lampe leuchten.

Diese gespeicherte Kraft, also Energie, wird in Joule angegeben oder in der Welt der extrem kleinen Teilchen, der Teilchenphysik, in Elektronenvolt. Es ist aber ein und dasselbe.

Elektronenvolt wird in der Teilchenphysik verwendet, da die Grundeinheit viel kleiner ist.

Du kennst Energie vielleicht auch als Kilowattstunde (KWh) oder PS (veraltet) und um eine Verwechslung vorzubeugen:

Was bedeutet Leistung?

Ich kenne das, man verwechselt schnell mal Leistung mit Energie.

Die Definition der Leistung: Leistung (in Watt = W) ist umgesetzte Arbeit (Energie = J/eV) in einer gewissen Zeit.

Leistung ist aufgewendete Energie (Arbeit) dividiert durch Zeit.

Energie ist die Leistung mal Zeit.

Ich merke es mir immer so: Man erbringt Leistung mit der Energie, die man hat und durch die erbrachte Leistung wird Energie übertragen.

5. Elektronenvolt

Energie bei Strahlung wird in Joule = J oder Elektronenvolt = Ev angegeben.

Das Elektronenvolt gibt an, wie viel gespeicherte Kraft ein Surfer (Photon) hat, der auf einer Welle reitet.

Je größer die gespeicherte Kraft (eV), desto mehr Arbeit kann ein Surfer verrichten, wenn er an der Küste ankommt. Genauer gesagt, desto stärker ist der Surfer.

Aus der Realität:

Die Niederfrequenz ELF hat eine Energie von >12 feV bei 3 Hz und 100 Millionen Meter Länge.

f steht für femto, 1feV = 0.000 000 000 000 000 1eV – eine extrem niedrige Energie. (Dieser Surfer könnte gerade noch ein Sandkorn hochheben.)

Gammastrahlen haben eine Energie von >120keV bei 30 EHz und 10 pm Länge.

120 keV sind 120.000 eV – eine extrem hohe Energie. (Dieser Surfer könnte die ganze Küste umgraben und würde dabei nicht mal ins Schwitzen kommen.)

30 EHz (E = exa) sind 30.000.000.000.000.000.000 Wiederholungen in der Sekunde!

10 pm (p steht für Pikto) sind 0.000 000 000 001 Meter

Wie stark die Photonen (Surfer) sind, hängt von der Frequenz der Wellen ab.

Das bedeutet je höher die Frequenz, desto größer die Energie eines einzelnen Photons (Surfer).

6. Strahlungsleistung

Die Strahlungsleistung gibt an, wie viel Strahlungsenergie (Elektronenvolt) in einer bestimmten Zeit übertragen wurde.

Wenn wir bei der Surfer Metapher bleiben:

Die Strahlungsleistung ist die Summe der gespeicherten Kraft (Elektronenvolt) aller Surfer (Photonen) die an der Küste in einer bestimmten Zeit ankommen.

Ein wichtiger Unterschied zur Strahlungsenergie, diese gibt die Energie eines einzelnen Photons an.

Die Strahlungsleistung, die gesamte Energie, die in einer bestimmten Zeit ankommt.

7. Leistung der Strahlungsquellen

Wie wir jetzt wissen, bedeutet eine höhere Frequenz (Hz) auch eine höhere Strahlungsenergie (in Elektronenvolt).

Und die mögliche übertragene Frequenz/Strahlungsenergie und Reichweite der Wellen hängt von der Leistung (Watt) ab, die eine Strahlungsquelle erbringen kann.

OK, um die Leistung der Strahlungsquelle besser zu beschreiben, wechseln wir nun vom Surfen zu Schnee.

Es wäre etwas komisch, folgendes mit Surfern zu beschreiben.

Die Leistung der Quelle kannst du in etwa mit der Wurfkraft vergleichen, die du beim Werfen von Schneebällen hast.

Wenn du einen kleinen Schneeball (geringe Strahlungsenergie) sagen wir, 10 Meter weit werfen willst, musst du eine bestimmte Leistung erbringen, das bedeutet Energie investieren, damit du den Schneeball so weit werfen kannst.

Wenn du jetzt einen größeren Schneeball (größere Strahlungsenergie) ebenso 10 Meter weit werfen möchtest, musst du mehr Leistung erbringen.

Du kannst aber auch mit der gleichen Wurfkraft (Leistung), die du für einen großen Schneeball (große Strahlungsenergie) investierst, dafür verwenden, einen kleinen Schneeball (geringe Strahlungsenergie) weiter zu werfen.

Das bedeutet aber auch, dass du für eine bestimmte Schneeballgröße (Strahlungsenergie) eine gewisse Wurfkraft (Leistung) benötigst, um ihn überhaupt werfen zu können.

Außerdem nimmt die Schneeballgröße (Strahlungsenergie) während des Fluges durch die Luft ab.

(Ich meine, du kannst dir auch vorstellen Surfer zu werfen, aber das sieht bestimmt eigenartig aus.)

Das heißt je mehr Strahlungsleistung, desto größer kann die übertragene Energie und/oder Reichweite sein.

Zum Staunen:

Eine Hypernova (Spezielle Supernovä Explosionen) als Strahlungsquelle kann mit einer Strahlungsleistung jenseits mehrerer Zehnerpotenzen Watt, einen Gammablitz erzeugen (die stärksten Strahlen die wir kennen).

So ein Gammablitz hat dann zwischen 120 kEv und mehrerer hundert Milliarden Elektronenvolt!

Solche Gammablitze haben so viel Energie, dass sie alles zerstören, was sie treffen.

8. Strahlungsintensität

Die Strahlungsintensität gibt an, wie viel Leistung von der Strahlungsquelle auf eine bestimmte Fläche übertragen wird.

Ausschlaggebend dafür ist die Leistung (Watt) der Strahlungsquelle und die Konzentration der Energie (Strahlungsleistung) auf eine bestimmte Fläche.

In der Wissenschaft der Messung von Elektromagnetischer Strahlung, der Radiometrie, wird sie auch als Strahlstärke oder Strahlungsstärke bezeichnet.

Zur Verdeutlichung nehmen wir als Beispiel einen Wasserschlauch.

An einem Wasserschlauch (Strahlungsquelle) kannst du, wenn du vorne drehst, die Intensität des Wasserstrahls (Elektromagnetische Strahlung) verstellen, dabei wird die bewässerte Fläche entweder vergrößert oder verkleinert, bei gleichbleibendem Wasserdruck (Strahlungsleistung). Dadurch kannst du auch die Reichweite verändern.

Eine hohe Intensität bedeutet, dass mehr Strahlungsenergie auf eine bestimmte Fläche von der Strahlungsquelle übertragen wird.

Sprich: Die Strahlungsleistung auf dieser Fläche ist höher.

Um noch mal die Schneeball-Metapher zu verwenden.

Das bedeutet, dass du mehrere Schneebälle auf ein und denselben Fleck wirfst, anstatt sie einfach ziellos darauf loszuwerfen.

Damit keine bedenklichen Werte auf einer bestimmten Fläche, z. B.: dem Menschen, erreicht werden können, ist die Leistung bestimmter Strahlungsquellen gesetzlich begrenzt.

Langwellensender können mit 1000 W betrieben werden, da die übertragene Energie bei dieser Frequenz sehr gering ist, WLAN-Router (bei 2,4 GHz) gesetzlich mit maximal 100 mW (Milliwatt).

Eine Mikrowelle, die das Ziel hat, dein Essen aufzuwärmen, benötigt relativ viel Energie und Intensität, um das zu schaffen, weshalb Mikrowellen mit bis zu 1000 W Leistung bei ~2,4 GHz betrieben werden. Diese Strahlen werden aber mit einem speziellen Metallkäfig in der Mikrowelle gehalten.

Wir kommen gleich dazu, warum Mikrowellen überhaupt Essen aufwärmen können.

9. Durchdringung der Strahlung

Die Wellenlänge beeinflusst eine weitere Eigenschaft, und zwar die Reichweite und Durchdringung von Materie.

Warum genau das so ist, ist ein sehr komplexes Thema und noch nicht mal ganz erforscht. Aber vereinfacht kannst du es dir ungefähr so vorstellen, dass lange Wellen einfacher an “Kanten” vorbeikommen und deshalb leichter in Materie eindringen können und weniger Energie dafür benötigen.

Daher: Lange Wellen sind gewissermaßen mit ihrer geringen Energie “schmaler/kleiner” und können sich leichter an der Materie “vorbeischlängeln”.

Wie ein dünner Faden, den du versuchst durch ein Loch zu fädeln: Wenn der Faden dünn ist, ist es einfacher, wenn dieser Faden aber dicker wird, wird es schwieriger.

Durch Blei kommt Strahlung beispielsweise extrem schwer durch.

Deshalb verwendet man beim Röntgen auch einen Bleischutz.

Stichwort: Abschirmung

10. Dämpfung von Strahlung

Wie gut und weit Elektromagnetische Wellen durch Materie kommen, hängt von der sogenannten Dämpfung der Materie ab.

Die Dämpfung ist abhängig von den Eigenschaften der Materie, der Einfachheit halber sagen wir die Dichte der Materie.

Nehmen wir als Metapher das Bowling her:

Wenn wir mit kleinen Kugeln (Strahlung mit niedriger Strahlungsenergie), sagen wir Murmeln, auf Kegel (Materie) schießen, prallen die Kugeln an den Kegeln ab. Die Kugeln werfen die Kegel nicht um, da sie zu klein sind, genauer gesagt, die benötigte Energie dafür zu niedrig ist.

Je dichter die Kegel aneinander stehen und je größer die Kugeln sind, desto schwerer kommen die Kugeln an den Kegeln vorbei.

Wenn die Kugel an einen Kegel prallt, gibt sie immer etwas von ihrer Energie an die umliegenden Kegel ab.

Das Aufnehmen dieser Energie durch die Materie nennt man auch Absorption.

11. Absorption der Strahlung

Durch die Absorption kann Wärme erzeugt werden, deshalb wird deine Haut auch warm in der Sonne und dein Essen heiß in der Mikrowelle.

Wie hoch der Absorptionsgrad ist, ist von vielen Faktoren abhängig, wie Wellenlänge und Temperatur.

Die erzeugte Wärme (Wechselwirkung) ist abhängig von der Strahlungsenergie und Intensität.

Nochmal das Bowling:

Das liegt daran, dass die Strahlung (Kugel) beim Auftreffen auf Materie (Kegel), diese in Bewegung versetzten kann. Dabei reibt die Materie aneinander, was wiederum Wärme erzeugt.

Dieser Energieaustausch passiert so lange, bis die Strahlung keine Energie mehr hat und erlischt.

Stichwort: Energieerhaltungssatz

Auch Luft besteht aus Materie, daher hat auch die Luft eine gewisse Dämpfung und absorbiert die Welle.

Deshalb haben Elektromagnetische Wellen bei uns auf der Erde eine bestimmte Reichweite.

Wie erwähnt ist diese Reichweite abhängig von der Wellenlänge und Leistung der Strahlungsquelle, weshalb längere Wellen mit weniger Leistung, weiter kommen als kurze Wellen.

Ionisierende und nicht-ionisierende Strahlung

Die Strahlungsenergie macht einen Unterschied.

Denn ab einer bestimmten Photonenenergie, ist die “Bowlingkugel” schwer genug (genug Strahlungsenergie) um die “Kegel” einfach umzuwerfen. Dadurch kann starke Strahlung großen Schaden anrichten.

Die Strahlung, die stark genug ist die Kegel umzuwerfen, nennt man ionisierende-Strahlung. 
Diese Art von Strahlung kann auch sehr gefährlich sein.

Dazu kommen wir im nächsten Artikel.

Zusammenfassung

Frequenz:

• Frequenz beschreibt, wie schnell sich etwas in regelmäßigen Abständen wiederholt.
• Hertz gibt die Anzahl an Wiederholungen pro Sekunde an.

Elektromagnetische-Welle / Strahlung

• Die Länge der Welle ist abhängig von der Frequenz.
• Elektromagnetische Welle = Strahlung
• Strahlung besteht aus Photonen / Strahlungsenergie.
• Elektromagnetische-Wechselwirkung ist die verrichtete Arbeit der elektrischen Energie.
• Das Elektronenvolt gibt an wie viel gespeicherte Kraft ein Photon hat. 
• Das bedeutet je höher die Frequenz, desto höher die Strahlungsenergie eines einzelnen Photons.
• Die Strahlungsleistung gibt an wie viel Strahlungsenergie (Elektronenvolt) in einer bestimmten Zeit übertragen wurde.
• Die mögliche Energie und Reichweite der Wellen hängt von der Leistung (Watt) ab, die eine Strahlungsquelle erbringen kann.
• Je mehr Strahlungsleistung, desto größer die übertragene Energie und/oder Reichweite.
• Lange Wellen sind „schmaler/kleiner“ und kommen daher leichter an Materie vorbei.
• Dämpfung gibt unter anderem an wie gut und weit Elektromagnetische Wellen durch Materie kommen.
• Durch die Absorption wird Wärme erzeugt.

Jetzt wissen wir, was Strahlung (Elektromagnetische Wellen) ist.

Die nächste Frage ist, warum die Strahlung gefährlich sein kann.

Im nächsten Artikel sprechen wir über ionisierende und nicht-ionisierende Strahlung und Funktechnik und ob 5G und WLAN gefährlich sind.

5g und WLAN – gefährlich oder harmlos?

Referenz / Weitere Informationen

• https://science.nasa.gov/ems/01_intro
• https://www.nap.edu/read/11340/chapter/1
• http://www.forphys.de/Website/qm/inhalt.html
• https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle
• http://www.chemgapedia.de/vsengine/
• https://universaldenker.de/theorien/8
• https://economictimes.indiatimes.com/definition/electromagnetic-waves