Wellen und Spektren: Eine umfassende Einführung

Arten von Wellen

Wellen können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden:

A) Nach Art der Energieausbreitung

Mechanische Wellen

Mechanische Wellen entstehen, wenn mechanische Energie, die durch einen harmonischen Oszillator erzeugt wird, sich in einem materiellen Medium ausbreitet.

Zur Erzeugung mechanischer Wellen sind erforderlich:

• Eine Quelle, die mechanische Energie erzeugt.
• Ein materielles Medium, das gestört werden kann.

Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen breiten sich als Schwingungen elektromagnetischer Energie aus, die durch beschleunigte elektrische Ladungen entstehen.

B) Nach Richtung der Ausbreitung und Schwingung

Longitudinalwellen

Bei Longitudinalwellen fällt die Richtung der Teilchenschwingung mit der Richtung der Wellenausbreitung zusammen.

Transversalwellen

Bei Transversalwellen schwingen die Teilchen senkrecht zur Richtung der Wellenausbreitung.

C) Nach Anzahl der Dimensionen

• Eindimensionale Wellen: Beispiel: Eine Welle auf einem Seil.
• Zweidimensionale Wellen: Beispiel: Wellen auf einer Wasseroberfläche.
• Dreidimensionale Wellen: Beispiel: Schallwellen.

Das Elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum umfasst die Gesamtheit aller elektromagnetischen Strahlungen unterschiedlicher Frequenzen.

Funkwellen

Funkwellen werden durch beschleunigte elektrische Ladungen erzeugt und finden Anwendung in TV und Radio.

Mikrowellen

Mikrowellen entstehen durch Schwingungen von Molekülen. Sie werden in der Radioastronomie, bei Radar und in Mikrowellenöfen verwendet.

Infrarotstrahlung

Infrarotstrahlung wird von heißen Körpern emittiert und entsteht durch Schwingungen von Atomen. Sie hat Anwendungen in Industrie und Medizin, sowie in Fernbedienungen für Fernsehgeräte.

Sichtbares Licht

Sichtbares Licht wird von unserer Netzhaut wahrgenommen. Es entsteht durch elektronische Übergänge zwischen atomaren und molekularen Energieniveaus.

Das Spektrum des sichtbaren Lichts umfasst die Farben:

• Rot
• Orange
• Gelb
• Grün
• Blau
• Indigo
• Violett

Hinweis: Die Wellenlänge nimmt von Violett zu Rot zu, während die Frequenz abnimmt.

UV-Strahlung (Ultraviolettstrahlung)

UV-Strahlung hat Frequenzen, die über denen des violetten Lichts liegen. Sie wird durch elektronische Übergänge zwischen angeregten Atomen und Molekülen erzeugt. Die Sonne ist ein starker Emitter dieser Strahlung. Hohe Dosen können gefährlich sein.

Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen bestehen aus Schwingungen von Elektronen nahe dem Atomkern. Sie werden in Industrie und Medizin eingesetzt. Eine kontrollierte und rationale Nutzung von Röntgenaufnahmen ist wichtig.

Gammastrahlen

Gammastrahlen entstehen bei radioaktiven Phänomenen und Kernreaktionen. Sie besitzen eine hohe Durchschlagskraft und sind extrem gefährlich für Lebewesen. Sie werden in der Strahlentherapie zur Zerstörung von Krebszellen eingesetzt.

Schall

Schall ist eine mechanische Schwingung eines Körpers, die sich in Wellen durch ein elastisches, materielles Medium ausbreitet. Schall benötigt ein Medium zur Ausbreitung und kann sich nicht im Vakuum ausbreiten. Seine longitudinale Natur wird dadurch belegt, dass Flüssigkeiten Schall übertragen können. Schall breitet sich in Feststoffen schneller aus als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten schneller aus als in Gasen.

Qualitäten des Schalls

Intensität

Die physikalische oder objektive Intensität ist die Energie, die die Schallwelle pro Zeiteinheit durch eine Fläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung überträgt.

Die physiologische oder subjektive Intensität ist das vom menschlichen Ohr wahrgenommene Gefühl unterschiedlicher Lautstärke.

• Hörschwelle: ca. 1 x 10^-12 dB (Dezibel)
• Schmerzgrenze: 120 dB

Tonhöhe (Frequenz)

• Tiefe Töne: niedrige Frequenz.
• Hohe Töne: hohe Frequenz.

Klangfarbe (Timbre)

Dieses Attribut ermöglicht es uns, zwei Töne gleicher Intensität und Tonhöhe zu unterscheiden, die von zwei verschiedenen Schallquellen erzeugt werden. Die Klangfarbe hängt von der Wellenform ab.