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Kernkraftwerk Isar, Deutschland

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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 bei elektromagnetischer Strahlung ist durch eine Welle im elektrischen Feld und im Magnetfeld gegeben. Mathematisch wird es als Lösung der Wellengleichung geschrieben, die sich wiederum aus Maxwells Gleichungen nach der Theorie der klassischen Elektrodynamik ergibt.
  • Aus korpuskularer oder quantifizierter Sicht kann es stattdessen als ein Photonenstrom beschrieben werden, der sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Diese Tatsache wurde durch moderne physikalische Studien 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.

In welchem ​​Verhältnis stehen elektromagnetische Strahlung und Radioaktivität?

Gammastrahlung ist eine Art hochfrequente elektromagnetische Strahlung. Im Allgemeinen wird Gammastrahlung durch radioaktive Elemente oder subatomare Prozesse wie die Vernichtung eines Positron-Elektronen-Paares erzeugt. Diese Art von elektromagnetischer Strahlung wird auch in astrophysikalischen Phänomenen von großer Gewalt erzeugt, wie z. B. einigen Explosionen, die in der Milchstraße beobachtet wurden.

Gammastrahlen stellen aufgrund ihrer hohen Energien eine Art ionisierende Strahlung dar, die tief in die Materie eindringen kann. Aufgrund ihrer hohen Energie können sie den Zellkern schwer schädigen. Richtig kontrolliert werden sie jedoch bei der Sterilisation von Lebensmitteln und medizinischen Geräten eingesetzt.

Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung

Die Hauptmerkmale elektromagnetischer 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 der elektromagnetischen 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 der Strahlung verschiedener Bereiche mit der Materie und teilweise auch die Details der auftretenden Probleme.) Diese spezielleren Abschnitte umfassen die Optik (und ihre Abschnitte) und die 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. Zur Beschreibung der relativ niederfrequenten elektromagnetischen Strahlung im makroskopischen Bereich wird in der Regel die klassische Elektrodynamik verwendet, die auf Maxwellschen Gleichungen basiert, und es gibt Vereinfachungen bei den angewendeten Anwendungen. Für optische Strahlung (bis zum Röntgenbereich) werden Optiken verwendet (insbesondere Wellenoptiken, 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 Auswirkungen 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 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 zueinander senkrechten (leeren) Vektoren: Wellenvektor, elektrischer Feldvektor E und magnetischer Feldvektor der Intensität H.
  • Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen, bei denen elektrische und magnetische Feldkraftvektoren 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 abgestrahlt wird. Eine weitere Maßeinheit im Bereich der Kernenergie ist Sievert.

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 kann die chemische Struktur der Substanzen, auf die sie einwirken, verändern und langfristig biologische Wirkungen auf Lebewesen haben. Ein Beispiel für diese Veränderung wäre die Modifikation der DNA der Zellen, die zu Krebs führen kann. Röntgen- und Gammastrahlung wären zwei Beispiele für hochionisierende elektromagnetische Strahlung.

Nichtionisierende Strahlung

Nichtionisierende Strahlung ist eine Strahlung, deren Frequenz nicht ausreicht, um eine Ionisierung der belichteten 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. Heutzutage wird von elektromagnetischer Verschmutzung gesprochen, um die Exposition von Lebewesen oder Geräten gegenüber einem elektromagnetischen Feld zu bezeichnen, und die Auswirkungen dieser Exposition auf die Gesundheit oder die 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 Ultraviolettlicht) 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, und außerdem ist die Durchlässigkeit gering und sie können beispielsweise nicht durch die Wände hindurchtreten. 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 für die Entwicklung von Leukämie haben, 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 hochfrequenten und elektromagnetischen Mikrowellenfeldern (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. Es ist ein kontroverser Effekt.

Wie bei den extrem niederfrequenten Magnetfeldern gibt es Hinweise auf epidemiologische 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 unterstützt wird) und In-vitro-Forschung), aber die Evidenz ist noch nicht stark genug, um die wissenschaftliche Gemeinschaft und die Behörden davon zu überzeugen, dass sofortige Maßnahmen ergriffen werden sollten.

Im Jahr 2011 brachte das Internationale Krebsforschungszentrum die weltweit führenden Experten 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.

Anwendungen elektromagnetischer Strahlung

Elektromagnetische Strahlung hat nicht nur eine gewisse Beziehung zu Kernenergie und Radioaktivität, sondern auch andere technologische Anwendungen.

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 für den Energietransport verwendet , wie die Mikrowelle.

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Geändert am: 29. August 2019