Elektromagnetisches Spektrum, Licht und Relativität

Elektromagnetisches Spektrum und Wellen

Im Vakuum bewegen sich elektromagnetische Wellen mit derselben Geschwindigkeit und unterscheiden sich voneinander durch ihre Frequenz. Sie werden nach der Frequenz im elektromagnetischen Spektrum klassifiziert. Radiowellen mit Frequenzen von Tausenden Hertz (kHz) gehören zum sehr niederfrequenten Bereich. Eine Million Hertz (MHz) wird beispielsweise bei UKW- und AM-Anwendungen genannt: AM-Radio verwendet Frequenzen im mittleren Bereich, während das TV-Band der sehr hochfrequenten Wellen (VHF) bei etwa 50 MHz beginnt und UKW-Radio im Bereich 88–108 MHz liegt. Danach folgen die Ultrahochfrequenzbänder (UHF), gefolgt von Mikrowellen.

Sichtbares Licht, Infrarot und Ultraviolett

Dem Mikrowellenbereich folgt das Infrarot, das häufig als Wärmestrahlung wahrgenommen wird. Später im Spektrum befindet sich das sichtbare Licht, das nur einen sehr kleinen Bruchteil des gesamten elektromagnetischen Spektrums ausmacht. Die niedrigsten Frequenzen des sichtbaren Lichts entsprechen dem Rot, die höchsten dem Violett; Violett hat eine deutlich höhere Frequenz als Rot. Noch höhere Frequenzen gehören zum Ultraviolett.

Spektren: Emission und Absorption

Elektromagnetisches Spektrum: Es beschreibt die Energieverteilung elektromagnetischer Wellen. Die Strahlung eines Stoffes kann als Emissionsspektrum oder als Absorptionsspektrum erscheinen, je nachdem, ob ein Stoff Strahlung abgibt oder aufnimmt.

Entwicklung der modernen Physik

Seit etwa 1900 gab es mehrere physikalische Phänomene, die durch die damals geltenden Gesetze nicht erklärt werden konnten. Newtons Konzepte von Masse, Länge und Zeit reichten nicht aus, um bestimmte Beobachtungen zu beschreiben. Beispielsweise führte die Beobachtung, dass bei einem elektrischen Funken in einem Gas ein Spektrum entstand, das sich nicht allein durch klassische Optik (Prisma, Beugungsgitter) erklären ließ, zu neuen theoretischen Entwicklungen. Diese und andere ungelöste Phänomene eröffneten völlig neue Perspektiven auf die physikalische Welt.

Einsteins Beitrag

Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein seine Arbeiten zur speziellen Relativitätstheorie; später, insbesondere 1915/1916, folgte die allgemeine Relativitätstheorie, die zusammen mit der Quantenmechanik den Grundstein für die moderne Physik legte. Die Erkenntnisse über Energie, Frequenz und Strahlung sind heute grundlegende Parameter für Anwendungen in der Raumfahrt, in der modernen Elektronik, in chemischen Analysen, in der Kerntechnik und in vielen anderen Bereichen.

Kosmologie: Urknall und Expansion

Vor etwa 13,8 Milliarden Jahren begann das Universum vermutlich als sehr dichter, sehr kleiner Zustand. Protonen, Neutronen, Neutrinos und Antineutrinos kollidierten und bildeten schließlich Gase und andere Stoffe. Es wird angenommen, dass sich das Universum seitdem ausdehnt. Edwin Hubble beobachtete, dass sich viele Galaxien von der Milchstraße wegbewegen.

Alter von Sonne und Universum

Die Sonne ist ungefähr 4,65 Milliarden Jahre alt. Nach dem Urknallmodell und den heutigen Messungen ist das Alter des Universums etwa 13,8 Milliarden Jahre.

Hubble-Gesetz

Hubble-Gesetz: Galaxien entfernen sich proportional zu ihrer Entfernung voneinander. Diese Entdeckung (Ende der 1920er bis 1930er Jahre) stützt die Annahme einer kosmischen Expansion und ist ein zentraler Baustein der modernen Kosmologie.

Relativität und Bezugssysteme

Galileo begründete die Idee der Inertialsysteme und der Galilei-Invarianz. Inertialsysteme sind solche Bezugssysteme, in denen die Newtonschen Bewegungsgesetze gelten.

Grundbegriffe

• Inertialsysteme: Systeme, in denen die Newtonschen Gesetze der Bewegung erfüllt sind.
• Galilei-Relativität: Umfasst die Vorstellung, dass Zeit und Länge bei Übergängen zwischen Inertialsystemen unter klassischen Voraussetzungen unverändert bleiben (bis zur Entwicklung der Relativitätstheorie).

Einsteins spezielle Relativitätstheorie (1905)

1. Das Relativitätsprinzip: Die Naturgesetze haben in allen Inertialsystemen die gleiche Form.
2. Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist für alle Beobachter gleich und unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle.

Diese beiden Postulate führten zu grundlegenden Änderungen im Verständnis von Zeit, Raum und Energie und sind eng mit dem Verhalten elektromagnetischer Wellen verbunden.