11. STRAHLUNG

11.1 LICHT

Letzten    Endes    bewies    Maxwell,    der    die    elektromagnetischen    Feldgleichungen    definierte,    dass    Licht tatsächlich     aus     elektromagnetischen     (EM)     Wellen     besteht.     Jede     Farbe     des     sichtbaren     Lichtes     hat     eine charakteristische   Frequenz   und   Wellenlänge.   Wie   bei   allen   Wellen   ergibt   das   Produkt   aus   Frequenz   und   Wellenlänge die   Geschwindigkeit   der   Welle.   Offensichtlich   reist   Licht   mit   Lichtgeschwindigkeit   und   so   muss   Licht   auch   eine elektromagnetische Welle sein. Sichtbares   Licht   repräsentiert   nur   einen   kleinen   Teil   der   möglichen   Frequenzen   oder   Wellenlängen.   Das gesamte Band ist bekannt als elektromagnetisches Spektrum.

11.2 DAS SPEKTRUM

Obwohl   das   Spektrum   kontinuierlich   ist,   wurde   jede   Region   des   Spektrums   nach   einer   für   diesen   Bereich typischen Art von Lichtwelle benannt. Beginnend   mit   den   niedrigsten   Frequenzen   und   längsten   Wellen   verläuft   das   Spektrum   von   Radiowellen   über Mikrowellen    (wie    in    Mikrowellenöfen),    Terrahertz-Strahlung    (eine    kürzliche    Entwicklung    in    der    militärischen Kommunikation),   Infrarot   (wie   in   Heizgeräten),   das   sichtbare   Spektrum   (Rot,   Orange,   Gelb,   Grün,   Blau,   Indigo, Violett),   Ultraviolett   (bräunende   und   forensische   Lampen,   Materialanalyse),   Röntgenstrahlen   (medizinische   Bilder) bis hoch zu Gammastrahlen (Krebsbehandlung). Das   Spektrum   wird   im   nachfolgenden   Diagramm   gezeigt.   Man   beachte,   dass   das   sichtbare   Spektrum   nur   ein kleiner   Teil   des   gesamten   Spektrums   ist.   Als   das   Gravitationsmodell   formuliert   wurde   konnten   Wissenschaftler   nur sichtbares Licht am Himmel beobachten.

Im   20.   Jahrhundert   und   besonders   seit   dem   Beginn   des   Raumfahrtzeitalters   in   den   1950ern   wurden   Instrumente entwickelt,    welche    es    Wissenschaftlern    erlauben,    praktisch    alle    Wellenlängen    zu    entdecken.    Der    Umfang    an verfügbaren   Informationen   ist   exponentiell   angestiegen.   Die   Beobachtungen   sind   oft   überraschend,   weil   das,   was   im sichtbaren Licht gesehen wird, selten irgendwie dem auf anderen Wellenlängen Gefundenem ähnelt.

11.3 STRAHLUNG

Strahlung   ist   ein   Prozess,   bei   dem von    einem    Körper    Energie    ausgesendet wird,    übermittelt    durch    ein    Medium    oder durch   den   Raum,   die   schließlich   von   einem anderen      Körper      absorbiert      wird.      Die aussendenden   und   aufnehmenden   Körper können   so   klein   sein   wie   einzelne   Atome oder      sogar      subatomare      Teilchen      wie Elektronen. Elektromagnetische   Wellen   sind   die Mittel,     die     die     Energie     übertragen.     Mit anderen       Worten,       alle       Strahlung       ist elektromagnetisch. Das          bedeutet,          dass          der Übertragungsmodus         von         Strahlung oszillierende   elektrische   und   magnetische Felder   beinhaltet,   welche   die   Energie   auf dem       gleichen       Weg       übertragen       wie Vibrationen   einer   Saite   Energie   entlang   der Saite.                            Weil                            die Übertragungsgeschwindigkeit                  von Vibrationsenergie       für       ein       gegebenes Medium   konstant   ist   und   dieser   Wert   gleich der      Frequenz      der      vibrierenden      Welle multipliziert   mit   der   Wellenlänge   (Frequenz multipliziert          mit          Wellenlänge          = Geschwindigkeit)   ist,   kann   man,   wenn   die Frequenz    bekannt    ist,    auflösen    nach    der Wellenlänge        dieser        Frequenz        oder umgekehrt. Das     Spektrum     repräsentiert     den Bereich    der    möglichen    Frequenzen    oder Wellenlängen     der     Strahlung.     Wenn     die Frequenz     sich     erhöht,     steigt     auch     der Betrag    der    Energie,    der    von    der    Welle getragen   wird,   proportional   zur   Frequenz. Ionisierende    Strahlung    ist    Strahlung,    die genügend    Energie    trägt,    um    Atome    zu ionisieren.      Generell      heißt      das,      dass Frequenzen   von   der   Radiofrequenz   bis   zur sichtbaren     dafür     nicht     genug     Energie tragen    können,    während    ultraviolette,    Röntgenstrahlen    und    Gammastrahlen    ionisieren    können.    Wie    bereits festgestellt, variiert die notwendige Ionisationsenergie für verschiedene Elementen und Moleküle. Strahlung   wird   ausgesendet,   wann   immer   ein   geladenes   Teilchen   Beschleunigung   erfährt.   Erinnert   sei   daran, dass   eine   Änderung   der   Richtung   auch   eine   Beschleunigung   ist,   weil,   wenn   die   Richtung   der   Geschwindigkeit   sich ändert, jedes geladene Teilchen, das eine Änderung der Richtung erfährt, Strahlung aussenden wird.

Stromtheorien   erklären   diese   Emission   mit   Begriffen   der   Emission   eines   Photons   oder   eines   Energiepakets.   Ein Photon   hat   keine   Masse,   trägt   aber   die   Strahlungsenergie   einer   elektromagnetischen   Welle.   Ein   Photon   verhält   sich sowohl als Welle als auch als Teilchen. Welcher Modus wichtiger ist hängt von den Umständen ab. Zusammenfassung: • Strahlung wird durch alle geladenen Teilchen ausgesendet, die eine Beschleunigung erfahren. • Alle Strahlung beinhaltet elektromagnetische Wellen. • Strahlung überträgt Energie. • Das Spektrum repräsentiert den Bereich der möglichen Frequenzen oder Wellenlängen einer Strahlung.

11.4 WÄRMESTRAHLUNG

Wärmestrahlung    ist    Strahlung,    die    von    der    Oberfläche    eines    Körpers    oder    Region    von   Teilchen    wegen    der Temperatur des Körpers oder der Region ausgesendet wird. Temperatur   ist   ein   Maß   der   Wärmeenergie,   die   in   einem   Körper   enthalten   ist.   Die   Wärmeenergie   verursacht,   dass die   geladenen   Teilchen   innerhalb   der   Atome   des   Körpers   in   zufälliger   Weise   vibrieren.   Deshalb   senden   sie   Strahlung über einen Bereich von Frequenzen aus. Ähnlich kann eine Plasmaregion eine Temperatur haben. Ein   Teil   dieser   Strahlung   wird   von   der   Oberfläche   des   Körpers   oder   der   Region   als   Hitze   (infrarote   Strahlung) ausgesendet.    Tatsächlich    strahlt    alle    Materie    mit    irgendeiner    Wärmebewegung    irgendeiner    Wärmebewegung    EM- Energie   ab:   je   kälter   sie   ist,   umso   langwelliger   ist   ihre   Strahlung.   Kalter   interstellarer   Staub   wird   in   Terrahertz   strahlen oder Submillimeter-Strahlung, beginnend bei einer Temperatur von nur 10 Kelvin.

Die   Grafiken   zeigen,   dass   es   für   jede   Temperatur   eine   Wellenlänge   gibt,   bei   der   der   größte   Energiebetrag ausgesendet   wird.   Wenn   die   Temperatur   steigt,   nimmt   die   Wellenlänge   des   Energiegipfels   ab.   Das   wird   durch   ein Gesetz   definiert,   das   als   Wiens   Gesetz   bekannt   ist.   Man   beachte,   dass   die   rote   Linie   eine   niedrigere   Temperatur   und eine kleinere Fläche unter ihrer Kurve hat als die heißere blaue Linie. Die   Fläche   unter   jeder   Temperaturkurve   gibt   den   Gesamtbetrag   der   bei   dieser   Temperatur   ausgestrahlten Energie    pro    Flächeneinheit    wieder.    Die    pro    Flächeneinheit    ausgesendete    Gesamtenergie    hängt    nur    von    der Temperatur ab. Das ist als Stefan-Boltzmann-Gesetz bekannt. Wenn    das    Muster    der    von    jeder    Quelle    ausgesendeten    Strahlung    in    der    vom    Planckschen    Gesetz vorgegebenen   Form   verteilt   ist,   dann   wird   angenommen,   dass   die   Emission   wegen   zufälliger   Wärmebewegungen   der Teilchen   in   der   Quelle   erfolgt.   Wir   sagen   dann,   dass   es   sich   um   eine   Wärmestrahlung   handelt. All   das   bedeutet,   dass die   Strahlung   eine   Verteilung   der   Wellenlängen   oder   Frequenzen   besitzt,   welche   von   den   zufälligen   thermischen Vibrationen der Teilchen stammt. Die Strahlung selbst ist elektromagnetische Strahlung wie jede andere Strahlung. Wenn   wir   finden,   dass   die   Strahlung   thermisch   ist,   dann   können   wir   die   Temperatur   der   Quelle   durch   den Vergleich    der    Strahlungskurve    mit    idealen    “Schwarzkörper”-Kurven    ermitteln    .    Das    bedeutet,    wir    können    die Temperatur   entfernter   Objekte   bestimmen,   wenn   die   von   ihnen   ausgesendete   Strahlung   Wärmestrahlung   ist.   Bei Sternen    wurde    festgestellt,    dass    sie    ein    Spektrum    haben,    welches    ungefähr    einer    Schwarzkörperverteilung entspricht, so dass die Farbtemperatur von Sternen aus ihren Spektren geschlussfolgert werden kann. Das   bedeutet   nicht,   dass   die   Temperatur   bei   der   Erzeugung   dieser   Strahlungsmuster   keine   Rolle   spielt;   es   ist einfach   so,   dass   das   System   oder   der   Körper,   der   die   Strahlung   aussendet,   nicht   im   thermischen   Gleichgewicht   ist. Mit   anderen   Worten,   Energie   wird   so   mit   dem   System   ausgetauscht,   dass   die   Temperatur   sich   mit   der   Zeit   verändert. Das   ändert   das   ideale   Schwarzköper-Temperaturmuster   der   Strahlung   und   bedeutet,   dass   es   nicht   möglich   ist,   dem Körper eine Temperatur zuzuschreiben. Alternativ   könnte   die   Strahlung   von   einzelnen   Teilchen   ausgesendet   werden,   die   eine   Beschleunigung   durch andere Ursachen als zufällige Kollisionen mit anderen Teilchen erfahren.

11.5 OPTISCHE STRAHLUNG IM KOSMOS

Strahlung   im   Kosmos   erfolgt   gewöhnlich   im   sichtbaren   und   Radiowellenbereich.   In   der   optischen   Region   wird die   meiste   Strahlung   durch   Elektronen   erzeugt,   die   innerhalb   des   Atoms   (Gebunden-Gebunden-Übergänge)   auf   eine neue   Umlaufbahn   springen,   oder   freie   Elektronen,   die   sich   mit   Ionen   zu   neutralen   Atomen   vereinen   (Frei-Gebunden- Übergänge) oder Elektronen, die durch Interaktion mit anderem Material (Frei-Frei-Strahlung) gebremst werden. Die    Gebunden-Gebunden-Übergänge    sind    Quellen    von    Emissionslinien    als    auch    Absorptionslinien    im Spektrum.   Jedes   chemische   Element   hat   einen   Energiebereich,   der   zum   Bereich   der   möglichen   Elektronenorbits   um den   Atomkern   für   dieses   Element   gehört.   Wenn   ein   Elektron   von   einer   Umlaufbahn   in   eine   andere   springt,   wird Energie   in   Form   von   Strahlung   entweder   absorbiert   oder   abgegeben.   Die   Energie   repräsentiert   die   Differenz   in   den orbitalen Energien und ist so für jeden Sprung zwischen den Ebenen genau definiert. Weil   die   Energie   eines   Photons   proportional   zu   seiner   Frequenz   ist,   führen   diese   Energiedifferenzen   zu   einer Strahlung   mit   einem   definierten   Satz   von   Frequenzen   für   jedes   Element.   Wenn   die   von   einem   Element   ausgesendete Strahlungsenergie   für   jede   Frequenz   in   einem   Spektrum   aufgezeichnet   wird,   dann   ergibt   das   scharfe   Gipfel   im   Graph dieser Frequenzen. Diese sind als Emissionslinien  eines Spektrums bekannt. Andererseits,   wenn   Licht   mit   einem   breiten   Bereich   von   Frequenzen   ein   Medium   passiert,   das   bestimmte Elemente    oder    Moleküle    enthält,    dann    wird    festgestellt,    dass    diese    Elemente    bei    ihren    charakteristischen Wellenlängen   Energie   aufnehmen.   Dem   sich   ergebenden   Spektrum   werden   diese   Frequenzen   fehlen   und   dunkle Linien werden erscheinen. Diese sind als Absorptionslinien  bekannt .

Hier    ist   eine   Einführung   in   die   Schwarzkörperstrahlung,   Absorptionslinien   und   das   Strahlungskontinuum.   Und hier kann  man im breiteren Kontext der Spektroskopie mehr  erkunden. Wenn   zum   Beispiel   ein   Element   im   Inneren   eines   Sterns   erhitzt   wird,   dann   wird   es   seine   charakteristische Strahlung   abgeben,   welche   wir   als   helle   Emissionslinien   auf   der   Erde   ermitteln   können.   Andererseits   können   wir, wenn   ein   breitbandiges   Licht   ein   absorbierendes   Medium   zwischen   Beobachter   und   Lichtquelle   passiert,   dann   die Elemente in diesem Medium feststellen, wenn wir auf die dunklen Absorptionslinien sehen. Frei-Gebunden-Übergänge   kommen   vor,   wenn   Elektronen   durch   Ionen   eingefangen   werden   und   die   Freisetzung von   Energie   bei   der   Wiedervereinigung   zur   Folge   haben.   Der   Betrag   der   freigesetzten   Energie   ist   abhängig   von   dem erzeugten   Element   und   der   Umlaufbahn,   die   das   Elektron   einnimmt.   Wie   bei   einem   Gebunden-Gebunden-Übergang können bestimmte Frequenzen dominieren. Frei-Frei-Strahlung   kommt   vor,   wenn   Elektronen   mit   einem   Ion   oder   geladenem   Staubteilchen   in   einem   Plasma kollidieren,   ohne   eingefangen   zu   werden.   Die   Flugbahn   des   Elektrons   wird   verändert,   wenn   es   nahe   des   anderen Teilchens passiert und so wird es Strahlung abgeben, einige davon kann im sichtbaren Spektrum erfolgen.

11.6 RADIOSTRAHLUNG IM KOSMOS

Radiowellenlängen   sind   wichtig,   weil   viele   Radiowellen   in   die   Ionosphäre   der   Erde   eindringen   und      so   durch bodengestützte Radioteleskope erkannt werden.

Sichtbares   Licht   reicht   von   Rot   über   Gelb   und   Grün   zu   Blau   und   Violett.   Newton   war   der   Erste,   der   entdeckte, dass    weißes    Licht    eine    Mischung    aus    all    diesen    Farben    ist.    Weißes    Licht    kann    aufgesplittet     werden    in    seine Farbkomponenten   mittels   Beugung   durch   ein   Prisma ,   welches   jede   Farbe   um   einen   unterschiedlichen   Betrag   “beugt”. Ein   Beugungsgitter   wird   in   der Astronomie   oft   benutzt,   weil   winzige   oder   schwache   Lichtquellen   bei   der   Reflexion   an einer harten Oberfläche weniger Energie verlieren als beim Passieren eines Prismenglases verloren geht.

Dieser    Typ    der    Strahlung    kommt    oft    vor,    wenn    ein    Strahl    von    Elektronen,    wie    er    zum    Beispiel    durch Beschleunigung durch eine Doppelschicht erzeugt wird, eine Region neutralisierenden Plasmas passiert. Es   gibt   auch   andere   Radiofrequenzstrahlungen   erzeugende   Mechanismen,   wo   Magnetfelder   anwesend   sind. Diese   beinhalten   Zyklotronstrahlung   (wo   die   Elektronen   verglichen   mit   der   Lichtgeschwindigkeit   relativ   langsam   sind), magnetische   Bremsstrahlung   (wo   Elektronen   eine   höhere   Geschwindigkeiten   haben)   und   Synchrotronstrahlung   (wo Elektronen eine mit der Lichtgeschwindigkeit  vergleichbare Geschwindigkeiten haben). Synchrotronstrahlung    wird    von    Elektronen    erzeugt,    die    sich    spiralförmig    entlang    der    Richtung    eines Magnetfeldes   bewegen,   wie   es   in   Birkeland-Strömen   vorkommt   (Bild   in   11.3   oben).   Die   zentripedale   Beschleunigung verursacht die Strahlung. Erneut kann die Strahlung auf allen Frequenzen im Spektrum vorkommen. In   der   Astrophysik   ist   nicht-thermische   Strahlung   in   den   meisten   Fällen   Synchrotronstrahlung.   Das   trifft   zu   für galaktische     Radiowellenemissionen,     Hüllen     von     Supernovae,     Doppel-Radiogalaxien     und     Quasare.    Außerdem produzieren Sonne und Jupiter beide sporadisch synchrotrone Emissionen. Synchrotrone   Emissionen   können   auch   optische   Frequenzen   erzeugen,   wie   wir   im   Krebsnebel   und   dem   “Jet” von   M87   sehen.   Der   Krebsnebel    (kurzes   Youtube-Video)   sendet   auch   Mengen   von   synchrotroner   Röntgenstrahlung aus. Die   Analyse   eines   synchrotronen   Spektrums   kann   Informationen   über   die   Quelle   relativistischer   Elektronen geben,    welche    auf    die    Herkunft    der    kosmischen    Strahlen,    Röntgenstrahlen    und    Gammastrahlen    im    Weltraum hinweisen   könnten.   Synchrotronstrahlung   ist   ein   Beweis   für   die   Existenz   ausgedehnter   Magnetfelder   im   Weltraum   und für   die   Umwandlung,   Speicherung   und   Freisetzung   großer   Mengen   von   Energie   im   kosmischen   Plasma,   einschließlich galaktischer Jets. Mehr Details über diese Synchrotronstrahlung gibt es für interessierte Neugierige hier . Z-Pinche können ebenfalls Synchrotronstrahlung als Ergebnis der Kraft v  x B  erzeugen. Radioastronomie   kann   daher   den   Bereich   der   uns   verfügbaren   Informationen   weit   jenseits   des   mit   visuellen Teleskopen   allein   erfassbaren   Bereiches   ausdehnen.   Entdeckung   hoher   Energiespektren   wie   Röntgenstrahlen   kann dieses Wissen noch erweitern. Ein   kurzes   NASA-Video   über   diese   Galaxis   gibt   es   hier ,   obwohl   das   EU   nicht   über   Schwarze   Löcher   spekuliert, die galaktische Jets und daraus resultierende Strahlung verursachen sollen. In   jedem   Fall   finden   wir,   dass   Plasmen   und   in   ihnen   enthaltenen   elektrischen   Ströme   ausgezeichnete   Emitter von   Strahlung   sind,   weil,   geladene   Teilchen   durch   die   elektrischen   Felder   quer   zu   Doppelschichten   beschleunigt werden,   wobei   diese   Teilchen   dann   Strahlung   aussenden.   Ein   interessanter   Forschungsartikel   von   arXiv   ist   hier   gepostet. Diese     effiziente     Erzeugung     von     Strahlung     durch     elektrische     Mechanismen     scheint     mit     viel     größerer Wahrscheinlichkeit   die   Quelle   der   meisten   entdeckten   Radiostrahlung   im   Weltraum   zu   sein   als   die   gewaltigen   Mengen Dunkler   Materie   und   superdichter   Materie,   die   notwendig   wäre,   um   die   Teilchenbeschleunigung   nur   mit   Gravitation   zu erklären. Natürlich    wird    die    “magnetische    Rekonnexion”,    die    angebliche    Unterbrechung    und    Wiederverbindung    der Magnetfeldlinien,   oft   auch   beschworen,   um   als   Beweis   des   Gravitationsmodells   zu   dienen.   Wie   wir   gesehen   haben,   ist das einfach unmöglich, weil die Magnetfeldlinien ebenso wie Breitengrade physikalisch nicht existent sind. Übersetzung H.Täger