Kernkraftwerk Isar, Deutschland

Abgebrannten Kernbrennstoff Pool

Turbine eines Kernkraftwerks

Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Strahlung

In der Physik ist elektromagnetische Strahlung (oder Gamma- & ggr; - Strahlung) die Energiestrahlung im elektromagnetischen Feld. Es ist sowohl ein Wellen- als auch ein Korpuskularphänomen:

Das Wellenphänomen ist durch eine Welle im elektrischen Feld und im Magnetfeld gegeben und wird mathematisch als Lösung der Wellengleichung beschrieben, die sich wiederum aus Maxwells Gleichungen nach der Theorie der klassischen Elektrodynamik ergibt.

Korpuskularität oder Quantifizierung kann stattdessen als ein Photonenstrom beschrieben werden, der sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Diese Tatsache wurde durch die modernen Studien der Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt, die im Photon den Mediator der elektromagnetischen Wechselwirkung nach dem Standardmodell erkannten.

Elektromagnetische Strahlung kann sich in einem Vakuum wie dem interplanetaren Raum in weniger dichten Umgebungen wie der Atmosphäre oder in Leitstrukturen wie Wellenleitern ausbreiten. Die technologischen Anwendungen, die elektromagnetische Strahlung nutzen, sind vielfältig. Generell können zwei Makrofamilien von Anwendungen unterschieden werden: In der ersten werden elektromagnetische Wellen zum Transport von Informationen (Funkkommunikation wie Radio, Fernsehen, Mobiltelefone, künstliche Satelliten, Radare, Röntgenbilder) und in der zweiten zum Transport von Energie verwendet , wie die Mikrowelle.

Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung

Die Hauptmerkmale der elektromagnetischen Strahlung sind Frequenz, Wellenlänge und Polarisation.

Die Wellenlänge hängt direkt von der Frequenz durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Gruppe) der Strahlung ab. Die Geschwindigkeit der Gruppenausbreitung elektromagnetischer Strahlung im Vakuum ist gleich der Lichtgeschwindigkeit, in anderen Umgebungen ist diese Geschwindigkeit geringer. Die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung im Vakuum ist ebenfalls gleich der Lichtgeschwindigkeit; In verschiedenen Medien kann sie kleiner oder größer als die Lichtgeschwindigkeit sein.

Die Beschreibung der Eigenschaften und Parameter elektromagnetischer Strahlung wird in der Regel elektrodynamisch behandelt, obwohl bestimmte, speziellere Bereiche der Physik an den Strahlungseigenschaften einzelner Bereiche des Spektrums beteiligt sind (teils historisch, teils bedingt durch wichtige Details, insbesondere in Bezug auf die Wechselwirkung von Strahlung verschiedener Bereiche mit Materie und teilweise auch die Details der auftretenden Probleme.) Diese spezielleren Abschnitte umfassen Optik (und ihre Abschnitte) und Radiophysik.

Die Hochenergiephysik befasst sich mit der harten elektromagnetischen Strahlung des kurzwelligen Spektrums. Nach modernen Konzepten ist die Elektrodynamik bei hohen Energien nicht mehr unabhängig, sondern verbindet sich in einer Theorie mit schwachen Wechselwirkungen und dann bei noch höheren Energien wie erwartet mit allen anderen Messfeldern.

Es gibt Theorien, die sich in Details und im Grad der Allgemeinheit unterscheiden, wodurch die Eigenschaften und Erscheinungsformen elektromagnetischer Strahlung modelliert und untersucht werden können. Die grundlegendste der vollständigen und verifizierten Theorien dieser Art ist die Quantenelektrodynamik, aus der durch verschiedene Vereinfachungen im Prinzip alle nachfolgend aufgeführten Theorien abgeleitet werden können, die auf ihrem Gebiet weit verbreitet sind. Um die relativ niederfrequente elektromagnetische Strahlung im makroskopischen Bereich zu beschreiben, wird in der Regel die klassische Elektrodynamik verwendet, die auf Maxwell-Gleichungen basiert, und es werden Vereinfachungen bei den angewendeten Anwendungen vorgenommen. Für optische Strahlung (bis zum Röntgenbereich) Optik (insbesondere Wellenoptik, wenn die Abmessungen einiger Teile des optischen Systems nahe an den Wellenlängen liegen; Quantenoptik, wenn die Prozesse der Absorption, Emission und Dispersion von Photonen signifikant sind; Geometrische Optik ist der Grenzfall der Wellenoptik, wenn die Strahlungswellenlänge vernachlässigt werden kann.)

Gammastrahlung ist oft Gegenstand der Kernphysik. Aus anderen medizinischen und biologischen Blickwinkeln untersuchen wir die Auswirkung elektromagnetischer Strahlung auf die Radiologie. Es gibt auch eine Reihe grundlegender und angewandter Gebiete, wie die Astrophysik, die Photochemie, die Biologie der Photosynthese und die visuelle Wahrnehmung, eine Reihe von Gebieten der Spektralanalyse, für die elektromagnetische Strahlung (meistens in einem bestimmten Bereich) ) und ihre Interaktion mit der Materie spielen eine Schlüsselrolle. Alle diese Bereiche grenzen an die oben beschriebenen Abschnitte der Physik und kreuzen sich sogar mit diesen.

Einige Eigenschaften elektromagnetischer Wellen aus Sicht der Oszillationstheorie und der elektrodynamischen Konzepte:

  • das Vorhandensein von drei senkrecht zueinander stehenden (leeren) Vektoren: Wellenvektor, elektrischer Feldvektor E und magnetischer Feldvektor der Intensität H.
  • Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen, bei denen Vektoren der elektrischen und magnetischen Feldstärke senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung schwingen, sich jedoch erheblich von Wasserwellen und dem Schall unterscheiden, mit dem sie von einer Quelle zu einem Empfänger übertragen werden können. auch durch ein Vakuum.

Biologische Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung

Die Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung auf Lebewesen hängen in erster Linie von zwei Hauptfaktoren ab: der Strahlungsfrequenz und der Art der Strahlenexposition (Strahlungsintensität, Expositionsdauer, exponierte Körperteile usw.). das wird die absorbierte Dosis bestimmen. Die absorbierte Strahlungsmenge wird in Grau gemessen, ein Grau würde der Absorption eines Joule Energie entsprechen, die von einem Kilogramm Materie ausgestrahlt wird.

Bei der Strahlungsfrequenz unterscheidet man üblicherweise zwischen ionisierender und nichtionisierender Strahlung.

Ionisierende Strahlung

Ionisierende Strahlen sind solche, deren Frequenz groß genug ist, um die Atome oder Moleküle der exponierten Substanzen zu ionisieren. Diese Art von Strahlung ist in der Lage, die chemische Struktur der Substanzen, auf die sie einwirken, zu verändern und kann langfristig biologische Auswirkungen auf Lebewesen haben. Ein Beispiel wäre die Veränderung der DNA der Zellen. Diese DNA-Mutationen können zu Krebs führen . Röntgen- und Gammastrahlung wären zwei Beispiele für hochionisierende elektromagnetische Strahlung.

Nichtionisierende Strahlung

Nichtionisierende Strahlen sind solche, deren Frequenz nicht ausreicht, um eine Ionisierung der exponierten Materialien zu verursachen. Als Beispiel für nichtionisierende Strahlung können Mikrowellen- oder Radiowellen genannt werden. Diese Art von Strahlung hat nicht genug Energie, um DNA-Mutationen direkt auszulösen, und kann daher wahrscheinlich keine Karzinogenese auslösen, könnte aber Promotoren sein. Heute sprechen wir über elektromagnetische Verschmutzung, um die Exposition von Lebewesen oder Geräten gegenüber einem elektromagnetischen Feld zu beschreiben, und die Auswirkungen dieser Exposition auf die Gesundheit oder Fruchtbarkeit werden diskutiert.

Unter dem Gesichtspunkt ihrer gesundheitlichen Auswirkungen kann nichtionisierende Strahlung in drei große Gruppen eingeteilt werden:

  • Niederfrequente elektromagnetische Felder (ELF): Bereich von 3 bis 30.000 Hz).
  • Hochfrequenz- und Mikrowellenfelder: 30 kHz - 300 GHz-Bereich.
  • Optische Strahlung: von Infrarotlicht bis Ultraviolettlicht.

Nur die biologischen Wirkungen der ersten beiden Gruppen werden hier diskutiert, da die biologischen Wirkungen der letzten Gruppe in den entsprechenden Artikeln (biologische Wirkungen von Infrarotlicht und biologische Wirkungen von ultraviolettem Licht) behandelt werden.

Bei den gesundheitlichen Auswirkungen der Exposition gegenüber niederfrequenten elektromagnetischen Feldern muss zwischen elektrischen und magnetischen Feldern unterschieden werden. Es wurden keine gesundheitlichen Auswirkungen beschrieben, die elektrischen Feldern dieser Frequenz ausgesetzt waren. Außerdem ist die Durchlässigkeit gering und sie können beispielsweise die Wände nicht überqueren. Die Auswirkungen nicht statischer Magnetfelder auf die Gesundheit sind umstritten. Einerseits besteht unter Epidemiologen Konsens darüber, dass Kinder, die nicht statischen Magnetfeldern ausgesetzt sind, ein höheres Risiko haben, an Leukämie zu erkranken, andererseits gibt es keinen allgemein akzeptierten Mechanismus, der erklärt, wie diese Felder Krebs auslösen oder fördern können. Die wichtigste Expositionsquelle ist die Erzeugung, der Transport, die Verteilung,

Im Jahr 2002 veröffentlichte das Internationale Krebsforschungszentrum die Bewertung niederfrequenter elektromagnetischer Felder als mögliche Karzinogene. Seine Schlussfolgerungen waren:

  • Extrem niederfrequente Magnetfelder können beim Menschen krebserregend sein (Gruppe 2B).
  • Extrem niederfrequente elektrische Felder können beim Menschen nicht als krebserzeugend eingestuft werden (Gruppe 3).
  • Statische magnetische und elektrische Felder können auch beim Menschen nicht als krebserzeugend eingestuft werden (Gruppe 3).
  • Erstere wurden aufgrund begründeter Verdachtsmomente, die mit einer möglichen Erhöhung des Risikos für Leukämie bei Kindern einhergehen, als mögliche Karzinogene eingestuft.

Bei den elektromagnetischen Feldern von Hochfrequenz und Mikrowellen (30 kHz - 300 GHz) sind Mobiltelefone und ihre Verteilertürme die häufigste Expositionsquelle für die Bevölkerung. Es gibt zwei Arten von Auswirkungen auf die Gesundheit:

  • Thermal: Erhöhung der zentralen Körpertemperatur.
  • Athermal: Grundsätzlich Krebs. Das ist ein kontroverser Effekt.

Wie bei den extrem niederfrequenten Magnetfeldern gibt es Hinweise aus epidemiologischen Studien, die auf einen moderaten Anstieg des Krebsrisikos bei Personen hinweisen, die seit mehr als 10 Jahren ein Mobiltelefon verwenden (was jedoch durch Langzeit-Tierversuche nur schwach gestützt wird) und In-vitro-Forschung), aber die Beweise sind noch nicht stark genug, um die Wissenschaft und die Behörden davon zu überzeugen, dass sofortige Maßnahmen ergriffen werden sollten.

Im Jahr 2011 brachte das Internationale Krebsforschungszentrum die weltweit führenden Experten zu diesem Thema zusammen, um die mögliche krebserzeugende Wirkung von Hochfrequenz- und Mikrowellenstrahlung (30 kHz - 300 GHz) zu bewerten. Nach den Schlussfolgerungen der Expertengruppe stufte das Zentrum diese Art von Strahlung auch in die Gruppe 2B ein (mögliche Karzinogene beim Menschen). Es wird nicht behauptet, dass die Exposition krebserregend ist, es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass dies der Fall ist.

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Geändert am: 29. August 2019

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