Warum kann Licht keine Gegenstände durchdringen?
Sowohl Röntgen, als auch Gammsstrahlung, aber auch das wahrnehmbare Licht und Radiowellen sind alles elektromagnetische Wellen.
Radiowellen können Mauern durchdringen, Radarwellen haben eine etwas kürzere Wellenlänge und werden reflektiert (zumindest von Metall), dann kommt Infrarotstrahlung die aber eigentlich ja auch mit Wärme zusammenhängt, während Licht (abgesehen von sehr dünnen Gegenständen wie Papier) nichts durchdringt, Röntgenstrahlen wiederum machen nur Halt vor Knochen.
Mich würde mal der Zusammenhang interessieren, weil es sind ja ALLES elektromagnetische Wellen, warum werden manche zurückgeworfen oder geschluckt, während andere wie Radiowellen nahezu unendlich sich ausbreiten können?
Und: Entstehen durch Hitze dann auch elektromagnetische Wellen, weil bei einer Infrarotkamera sieht man ja z.B. die Kältebrücken eines Hauses. Dann strahlt ja im Grunde alles über 0°K Infrarotstrahlung ab, mal mehr, mal weniger. Den Zusammenhang verstehe ich aber nicht so richtig!
Kann mir das jemand grob mal erklären, warum manche Wellen Gegenstände durchdringen, andere nicht? Und warum Infrarotwellen entstehen?
Würde mich echt mal interessieren ;)
3 Antworten
Elektromagnetische Strahlung kann auf Materie in folgenden Weisen interagieren:
- sie wird reflektiert
- sie wird absorbiert
- sie wird gestreut
- sie wird durchgelassen
(Streuung kann man als ein Zwischending zwischen Durchlassen und Reflexion auffassen, erlaubt aber keine Bildübertragung und ändert die Richtung auch seitlich / zufällig)
Welches hiervon jeweils passiert, hängt davon ab, wie die Materie auf das elektrische Wechselfeld reagiert und ihrerseits das elektrische Wechselfeld beeinflusst.
Röntgenstrahlung / Gammastrahlung ist wohl am einfachsten zu erklären:
Sie ist so energiereich, dass ihre Teilchen, die Photonen, wesentlich schwerer sind als Elektronen und diese deshalb einfach zur Seite schieben können. Nur Atomkerne sind so schwer, dass sie sie aufhalten können, und zwar umso besser, je schwerer sie sind. Da Atomkerne nur einen winzigen Bruchteil des Volumens ausmachen, können Röntgenstrahlen ziemlich weit in Materie eindringen. Die Abhängigkeit von der Kernmasse erklärt, warum man Bleischürzen zur Abschirmung nimmt (und auf der anderen Seite der Goldpreis, Gold ist noch schwerer als Blei; Uran ist noch schwerer als Gold, sendet aber seinerseits unschöne Strahlung aus, das wäre also kontraproduktiv).
Am anderen Ende des Spektrums:
Sehr lange Wellen (Radio-Langwellen und -Längstwellen) sehen Materie praktisch nur als Dielektrikum - hier findet generell nur wenig Absorption statt, weil diese nur beim Verschieben der Ladungen des Dielektrikums stattfinden kann. (Kommunikation mit submersen U-Booten findet entweder mit Blaulicht-Lasern statt - Wasser hat hier ein Transmissionsfenster - oder mit Längstwellen, die zwar nicht viel Information pro Zeiteinheit übertragen können, aber tief in Seewasser - einen Elektrolyten - eindringen können.)
Außer bei Leitern - hier wird der elektrische Teil der Welle kurzgeschlossen, das ist so was wie ein geschlossenes Ende bei einer Orgelpfeife - die Welle wird dort reflektiert. (Diese "Reflexion" funktioniert bis hinab zur Frequenz 0 - man spricht dann von "Spiegelladungen".)
Wasser kann schon Radiofrequenzen nicht so gut folgen wie sehr niedrigen Frequenzen - seine Dielektrizitätskonstante sinkt bei höheren Frequenzen. Nebeneffekt: Die Strahlung wird stärker absorbiert. Diese Absorption wird mit steigender Frequenz immer höher, bis man beim bekannten Mikrowellengerät angekommen ist, danach wieder niedriger - das Wasser kann der Schwingung so schlecht folgen, dass wieder weniger absorbiert wird.
Im Blauen hat Wasser ein "Transmissionsfenster", darüber wird es wieder undurchsichtiger - hier absorbiert es mit anderen Mechanismen.
Ähnlich ist es mit der Atmosphäre: Die Ionosphäre reflektiert Radiofrequenzen, lässt aber sichtbares Licht und nahes IR / UV durch; höhere Frequenzen werden wieder absorbiert durch Spaltung von Molekülen (Ozonschicht). Kosmische Höhenstrahlung ist wieder so energiereich, dass sie die Luftatome zur Seite schieben kann.
Zufällige Unregelmäßigkeiten in der Atmosphäre streuen das Licht, blaues sehr viel stärker als rotes, deshalb sieht der Himmel blau aus.
Edelsteine sind in der Regel durchsichtig, eventuelle Farben entstehen durch Metallionen, die bestimmte Frequenzen stark absorbieren.
Ebenso sind auch die Bestandteile von z. B. Beton eigentlich durchsichtig. Dass wir nicht hindurchsehen können wie durch Glas, liegt daran, dass Beton aus vielen kleinen Kriställchen verschiedener Stoffe mit verschiedenen Brechungsindizes besteht, und an jeder solcher Grenzfläche wird das Licht teilweise reflektiert; weil die Grenzflächen unregelmäßig angeordnet sind, wird es effektiv zufällig gestreut. Weil wir so viele Streuzentren haben, macht sich auch die an sich schware Absorption bemerkbar und die Rückstreuung findet in zufällige Richtungen statt, deshalb erscheint Beton matt und hellgrau bis grauweiß.
Ähnlich sieht es mit anderen Gesteinen aus. Je mehr Absorptionszentren vorhanden sind, desto dunkler ist das Gestein, bis hin zu fast schwarz. Bei farbspezifischer Absorption auch farbig, bekannt ist die rote bis gelbe Färbung eisenhaltiger Mineralien.
Auch organische Materie ist normalerweise durchsichtig, bis auf extra hergestellte Farbstoffe (oder anderweitig funktionelle Farbstoffe, wie Hämoglobin). Auch hier liegt die Undurchsichtigkeit in der Regel an der Lichtstreuung, z. B. beim Papier.
-----
Zum Thema Wärmestrahlung:
Wärme ist ja der zufällige Anteil an Bewegung der Atome und Moleküle.
Dabei kommt es auch vor, dass die positiven und die negativen Ladungen nicht im Gleichtakt schwingen, sondern gegeneinander. Das erzeugt ein elektrisches Feld, das sich natürlich zeitlich ändert, und das bedeutet eine elektrische Welle. Weil eine elektrische Welle immer mit einer magnetischen verbunden ist, haben wir wieder eine elektromagnetische Welle.
Jeder Körper, der wärmer ist als der absolute Nullpunkt (wo es überhaupt keine Wärmeenergie mehr gibt), strahlt also Energie in Form von elektromagnetische Wellen ab.
Es stellt sich heraus, dass die mittleren Größen der Verschiebungen von positiven und negativen Ladungen nicht von der Art der Materie abhängt, sondern nur von der Temperatur. Wir haben aber immer noch innere Absorption und Reflexion, sodass nicht alle Strahlung nach außen kommt, und die zugehörigen Faktoren können noch frequenzabhängig (farbabhängig) sein, sodass die Strahlung dann doch wieder von der Art der Materie abhängt. Allerdings sind die Absorptionskoeffizienten immer gleich den Emissionskoeffizienten.
Wenn wir die Oberfläche stark genug aufrauen, wird die Absorption und damit die Emission immer besser, im Grenzfall erhalten wir den "schwarzen Körper", der alles auffallende Licht absorbiert und nur Temperaturstrahlung emittiert.
Wie viel elektromagnetische Strahlung eine Flächeneinheit eines schwarzen Körpers bei einer bestimmten Temperatur abstrahlt, beschreibt das Stefan-Boltzmann-Gesetz (https://de.wikipedia.org/wiki/Stefan-Boltzmann-Gesetz), wie viel davon auf jede bestimmte Frequenz bzw. Wellenlänge entfällt, das Plancksche Strahlungsgesetz (https://de.wikipedia.org/wiki/Plancksches_Strahlungsgesetz).
Die meiste abgestrahlte Leistung liegt bei den Temperaturen, bei denen wir uns wohlfühlen, im fernen Infrarot, weshalb man den Begriff Wärmestrahlung etwas lax auch nur für diesen Bereich verwendet.
Wow, danke für diese sehr ausführliche Antwort, damit hätte ich nicht gerechnet!
Einige Gegenstände, die das wahrnehmbare Licht durchdringt:
- Diamanten
- Rubine
- Smaragde
- Kandiszuckerkristalle
- Tee
- Luft
- Fensterscheiben
- Folienverpackungen
- optische Linsen
- meine Augäpfel von der Pupille bis zur Netzhaut
- ...
Deine Frage würde ich eher so stellen: Wieso hängt es von der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen ab, welche Stoffe für sie durchlässig sind?
Es muss nur stark genug sein. Gestern bei einer Dokumentation auf N24 meinte ein Hiroshima-Überlebender das er bei dem Lichtblitz seine Knochen sehen konnte. Mit Manchen Taschenlampen kann man die Fingerkuppen "durchleuchten". Ich hoffe das hilft dir n bisschen