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Lexikon der Chemie: elektromagnetisches Spektrum

elektromagnetisches Spektrum, gesamter Bereich der elektromagnetischen Wellen, zu denen auch das sichtbare Licht gehört. Eine elektromagnetische Welle besteht aus elektrischen und magnetischen Feldern, die senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung angeordnet sind. Der Schwingungsvorgang besteht in einer periodischen Änderung der elektrischen und magnetischen Feldstärke. Beide schwingen in gleicher Phase (Abb.). Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen.



elektromagnetisches Spektrum. Abb.: Elektromagnetische Welle. E elektrischer Feldvektor, H magnetischer Feldvektor.

Aufgrund ihrer Wellennatur kann elektromagnetische Strahlung durch die folgenden Parameter beschrieben werden:

Wellenlänge λ (m) = Länge einer Welle
Wellenzahl ν˜ (cm-1) = Anzahl der Wellen je cm
Frequenz ν (Hz) = Anzahl der Schwingungen je Sekunde

Diese Größen sind untereinander durch die Beziehung ν˜ = 1/λ = ν/c verknüpft, worin c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (2,988·108 ms-1) bedeutet. Im Vakuum ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit für alle elektromagnetischen Wellen konstant. In Medien des Brechungsindex n beträgt die Geschwindigkeit c/n. Die mit einer elektromagnetischen Strahlung verknüpfte Energie steht zur Wellenlänge bzw. Frequenz in der folgenden Beziehung: E = h·ν = hc/λ, wobei E die Energie der Strahlung in Joule (J) und h das Plancksche Wirkungsquantum (6,626·10-34 J s) bedeuten. Um die Energie – wie in der Chemie oft üblich – auf 1 mol zu beziehen, muß der Ausdruck E = hν mit der Avogadroschen Zahl (6,02·1023 mol-1) multipliziert werden. Licht der Wellenlänge von 100 nm = 10-7 m hat eine Energie E ≈ 2·10-18 J (1200 kJ mol-1). Durch Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit einem stofflichen Medium kann es zu Wechselwirkungsprozessen kommen (Tab., 5. Spalte), die von der Spektroskopie untersucht werden.

Frequenz
ν in Hz
Wellenlänge
λ in m
Energie
E in J mol-1
Bezeichnung Wechselwirkungsprozeß
103 3 · 105 4 · 10-7 Langwellen
105 3 · 103 4 · 10-5 Mittelwellen kernmagnetische Resonanz
107 3 · 101 4 · 10-3 Kurzwellen
109 3 · 10-1 4 · 10-1 Ultrakurzwellen Elektronenspinresonanz
1011 3 · 10-3 4 · 101 Mikrowellen Molekülrotationen
1012 3 · 10-4 4 · 102 Infrarot Molekülschwingungen
1014 3 · 10-6 4 · 104 Sichtbar } Übergänge äußerer Elektronen
1016 3 · 10-8 4 · 106 Ultraviolett
1018 3 · 10-10 4 · 108 Röntgenstrahlen Übergänge innerer Elektronen
1020 3 · 10-12 4 · 1010 Gammastrahlen Anregung von Atomkernen
1023 3 · 10-15 4 · 1013 Höhenstrahlen
elektromagnetisches Spektrum. Tab.: Wellen und ihre Wechselwirkungsprozesse mit Materie.

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