Apr 27, 2019

Überall Strahlung in unserem Leben!

Radioaktive Strahlung, elektromagnetische Strahlung, Wellen, die alles durchdringen, das hört sich schon irgendwie gruselig bis gefährlich an, wenn es denn unseren Alltag betrifft. Gerade Atomkraft und die dadurch bedingte radioaktive Strahlung wollen wir möglichst weit von uns wegschieben. Der Begriff Strahlung hat schon fast etwas Mystisches an sich. Aber eigentlich ist Strahlung halb so wild. Daher möchte ich über Strahlung schreiben und wie Strahlung uns überhaupt im Alltag begegnet.

Strahlung ist erst einmal nichts anderes als eine Ausbreitung von Wellen oder Teilchen. Wenn ich spreche oder auf meiner Tastatur tippe, sodass durch das Hinunterdrücken der Tasten etwas zu hören ist (ich tippe vergleichsweise laut), dann ist dieses "etwas zu hören" als Schallwelle zu verstehen. In dem Fall ist die Schallwelle, wie der Name bereits sagt, eine sich ausbreitende Welle. Wellen sind mit Schwingungen verknüpft und diese Schwingungen im Falle des Schalls sind Schwingungen in der Luft, die uns umgibt. Deswegen ist es in Science-Fiction-Filmen oder -Serien immer sehr unrealistisch, wenn etwas im Weltall explodiert und es dabei wirklich knallt, also eine Explosion zu hören ist. Das Weltall funktioniert anders als unsere Erde und Asteroidenfelder sind auch keine Ansammlungen von Gesteinsbrocken in für uns geringer Entfernung.

Schall ist allerdings keine Form von elektromagnetischer Strahlung und wird sonst auch kaum als Strahlung bezeichnet, obwohl es sich um eine Ausbreitung von Wellen handelt. Elektromagnetische Strahlung basieren auch wieder auf Wellen, allerdings spielen hier elektrische Felder und magnetische Felder eine Rolle.
Ich möchte gar nicht genauer auf die Natur dieser Felder eingehen, sondern kurz zwei Beispiele nennen. Elektrische Felder sind auf molekularer Ebene relevant, weil Moleküle und Atome polarisierbar sein können, sie können also gewisse (schwache) Ladungen im Molekül hervorrufen. Solche Partialladungen sind auch im Wasser vorhanden und die Ursache für sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen, vereinfacht ausgedrückt. Ohne Wasserstoffbrücken wäre Wasser nicht flüssig und wir würden alle nicht existieren. Elektrische Felder haben also viel für uns getan. Bekannter ist vermutlich das Magnetfeld der Erde. Wir sind unser ganzes Leben lang von einem Magnetfeld umgeben. Elektrische als auch magnetische Felder sind also sowieso schon in unserer Natur mit eingebaut.
Aber kommen wir zurück zu den elektromagnetischen Wellen. Wellen lassen sich durch eine Wellenlänge charakterisieren. Daraus kann eine Frequenz berechnet werden: \(f = \frac{c}{\lambda}\)
Dabei ist \(c\) die Phasengeschwindigkeit, in dem Fall wird hier die Lichtgeschwindigkeit eingesetzt. Das ist zwar nicht exakt korrekt für unseren Planeten, weil die Lichtgeschwindigkeit in Luft nicht dieselbe Lichtgeschwindigkeit wie im Vakuum ist, sondern minimal langsamer, aber es macht kaum einen Unterschied (0.28 Promille, um genau zu sein). Übrigens wird in diesem Fall die Lichtgeschwindigkeit genommen, weil elektromagnetische Strahlung nun einmal Licht ist. Darunter fällt auch das für den Menschen sichtbare Licht. Ohne elektromagnetische Strahlung wäre unsere Welt also sehr dunkel.
Gleichzeitig kann Wellen eine Energie zugeordnet werden, abhängig von ihrer Frequenz und Wellenlänge. Das ist möglich, indem Wellen als Teilchen betrachtet werden. Dieses Phänomen wird durch den Welle-Teilchen-Dualismus beschrieben. Der Begriff Photonen für die Lichtteilchen taucht hin und wieder auf. Licht ist Welle und Teilchen, nicht oder. Die Energie lässt sich beschreiben durch: \(E = h \cdot f\), dabei ist \(f\) wieder die Frequenz und \(h\) ist das Plancksche Wirkungsquantum, eine Naturkonstante, die ähnlich wie die Lichtgeschwindigkeit eben gegeben ist. Demnach bedeutet eine geringe Wellenlänge eine hohe Frequenz, eine hohe Frequenz bedeutet eine große Energie.
Elektromagnetische Strahlung kann also anhand ihrer Wellenlänge bzw. Frequenz charakterisiert werden. Ich persönlich mag lieber den Wellenlängenbegriff, weil für mich als chemisch geprägten Menschen Längeneinheiten praktischer und gewohnter sind. Die verschiedenen Arten von elektromagnetischer Strahlung können im elektromagnetischen Spektrum dargestellt werden.

Elektromagnetisches Spektrum

Das ist erst einmal viel und wirklich sehen können wir als Menschen davon sehr wenig. Gerade einmal 400 bis 700 nm können wir überblicken, alles andere ist für uns nicht sichtbares Licht. Aber alles, was rechts davon ist, also eine große Wellenlänge und geringe Frequenz, hat eine geringere Energie. Vereinfacht gesagt muss elektromagnetische Strahlung eine bestimmte Mindestenergie haben, um einen gewissen Schaden am Menschen zu verursachen. Wärme kann zwar auch darunter induziert werden, aber die eigentliche, für den Menschen gefährliche Strahlung ist ionisierende Strahlung. Ionisierung bedeutet, dass aus einem Molekül oder Atom ein Elektron rausgekickt wird. Das übrig Molekül kann dadurch fröhlich weiter reagieren und eventuell Reaktionen hervorrufen, die wie auch immer schädlich für den menschlichen Körper sind. Die Grenze für diese Strahlung sind 5 eV (Elektronenvolt, eine Einheit für die Energie, ähnlich wie J für Joule) oder größer. Das ist die Energie, die notwendig ist, um unsere Biomoleküle zu beschädigen und damit in unsere biochemischen Körperprozesse einzugreifen.
5 eV ist eine Größe, die vielleicht nicht so alltäglich ist, aber welche Frequenz bzw. Wellenlänge passt eigentlich dazu? Wir können die Formel für die Energie umstellen: \(E = h \cdot f \rightarrow f = \frac{E}{h}\)
\(1\) eV entspricht \(1.602 \cdot 10^{-19}\) J, das wird für die Einheit des Planckchen Wirkungsquantums umgerechnet. Also haben wir: \(f = \frac{5 \cdot 1.602 \cdot 10^{-19} \text{ J}}{6.626 \cdot 10^{-34} \text{ J s}} = 1.2089 \cdot 10^{15} \: \frac{1}{\text{s}}\)
\(\frac{1}{\text{s}}\) ist die Einheit der Frequenz, auch bekannt als Hertz Hz. Mit \(1.2089 \cdot 10^{15} \: \frac{1}{\text{s}}\) liegen wir wunderbar im Petaherz-Bereich. Alltägliche Anwendungen liegen da noch weit drunter. Dazu passend können wir auch die Wellenlänge berechnen.
\(f = \frac{c}{\lambda} \rightarrow \lambda = \frac{c}{f} = \frac{3.000 \cdot 10^8 \: \frac{\text{m}}{\text{s}}}{1.2089 \cdot 10^{15} \: \frac{1}{\text{s}}} = 2.482 \cdot 10^{-7} \text{ m} = 248.2 \text{ nm}\)
Damit sind wir in einem Bereich, der noch nicht einmal mehr von Menschen gesehen werden kann. Dieser Bereich, ab dem es energetisch gesehen für eine Ionisierung reicht, ist sogar gar nicht so unbekannt.

Strahlungen ab dem ultravioletten Bereich und energiereicher sind die Teile der Sonnenstrahlung, die für Sonnenbrand und im schlimmsten Fall auch Hautkrebs sorgen können. Erst ab diesem Bereich fängt Strahlung an, wirklich gefährlich zu werden. Danach kommt bereits die Röntgenstrahlung. Ja, Röntgenstrahlung ist nicht absolut ungefährlich und daher wird beim medizinischen Röntgen in aller Regel eine Bleischürze als Schutz verwendet.
In Richtung Gammastrahlung wird es auch radioaktiv. Aber diese Strahlung ist auch gewissermaßen natürlich vorhanden. Es gibt auf diesem Planeten eine natürliche Radioaktivität. Zerfall von Kernen, also Radioakvität, sorgt für elektromagnetische Strahlung.

Strahlung begegnet uns also neben den Begleiterscheinungen einer digitalisierten Welt auch tagtäglich durch unsere Sonne, ohne die wohl Leben auf diesem Planeten kaum möglich wäre. Die Natur um uns herum sorgt für radioaktive Strahlung, selbst unser Körper enthält radioaktive Isotope, auch, wenn dabei nochmal unterschieden werden muss, um welche radioaktive Strahlung es sich handelt.
All das ist weit weg von der Strahlung, der wir Menschen in unserem Alltag durch technische Errungenschaften ausgesetzt sind. Weder Mobilfunknetze, noch Mikrowellenherde, noch WLAN, noch Radio, noch GPS, noch Bluetooth, noch Richtfunk, noch Fernbedienungen kommen in den Bereich der ionisierenden Strahlung. Strahlung als gefährlich zu bezeichnen, nur weil es sich um elektromagnetische Strahlung handelt, ist so wie das Element Kohlenstoff als gefährlich zu bezeichnen, weil es in Benzol enthalten ist, was krebserregend ist.

Elektromagnetische Strahlung umgibt uns und ich gehe sogar so weit zu sagen, dass sie cool ist. Sie beeinträchtigt uns zu einem großen Teil nicht, außer alles über 5 eV, und sorgt dafür, dass zum Beispiel dieser Text hier gelesen werden kann.