Aufgaben: Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

Ordnen Sie den folgenden Strahlungsarten die richtigen Frequenzbereiche zu: Radiowellen (UKW), sichtbares Licht, Mikrowellen (Mikrowellenherd), Röntgenstrahlung.

Frequenzbereiche: $10^{8}\ \text{Hz}$; $2,45\cdot10^{9}\ \text{Hz}$; $5\cdot10^{14}\ \text{Hz}$; $10^{18}\ \text{Hz}$.

Ein UKW-Sender in Köln sendet auf $f = 99,2\ \text{MHz}$. Berechnen Sie die Wellenlänge ($c=3,00\cdot10^8\ \text{m/s}$).

Sichtbares Licht hat Wellenlängen von etwa $400\ \text{nm}$ bis $750\ \text{nm}$. Berechnen Sie den zugehörigen Frequenzbereich.

Berechnen Sie die Photonenenergie in eV für

1. a) eine Radiowelle mit $f=100\ \text{MHz}$,
2. b) grünes Licht mit $\lambda = 530\ \text{nm}$,
3. c) Röntgenstrahlung mit $\lambda=0,10\ \text{nm}$.

Vergleichen Sie die Größenordnungen ($h=4,14\cdot10^{-15}\ \text{eV·s}$, $c=3,00\cdot10^{8}\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}$).

Ein Mikrowellenherd arbeitet mit $f=2,45\ \text{GHz}$ bei einer abgestrahlten Mikrowellenleistung von $800\ \text{W}$.

1. a) Berechnen Sie die Wellenlänge.
2. b) Berechnen Sie die Anzahl der Photonen, die pro Sekunde abgestrahlt werden.
3. c) Erklären Sie, warum Mikrowellen keine ionisierende Wirkung haben.

Ordnen Sie jeder Anwendung einen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu und begründen Sie die Zuordnung: Fernbedienung eines Fernsehers, Sonnenbrand, Knochenaufnahme beim Arzt, WLAN-Router (2,4 GHz), Wärmebildkamera.

Beurteilen Sie anhand des elektromagnetischen Spektrums, warum UV-C-Strahlung zur Desinfektion eingesetzt werden kann, Handystrahlung ($f \approx 1,8\ \text{GHz}$) dagegen keine chemischen Bindungen aufbrechen kann (und dass keine der beiden Strahlungsarten ionisierend wirkt). Berechnen Sie dazu die Photonenenergien für $\lambda=254\ \text{nm}$ und $f=1,8\ \text{GHz}$ und vergleichen Sie diese mit der typischen Bindungsenergie einer chemischen Bindung von etwa $4\ \text{eV}$.

Die Atmosphäre ist für einige Spektralbereiche durchlässig („Fenster"), für andere nicht. Ein Satellit empfängt Strahlung der Wellenlängen $0,1\ \text{nm}$, $300\ \text{nm}$, $550\ \text{nm}$ und $10\ \text{cm}$.

1. a) Ordnen Sie die Wellenlängen den Bereichen des Spektrums zu und berechnen Sie die Frequenzen.
2. b) Erklären Sie, warum Röntgenastronomie nur mit Satelliten betrieben wird.
3. c) Begründen Sie, warum die Strahlung bei $550\ \text{nm}$ für das Leben auf der Erde besonders bedeutsam ist.

Eine Antenne eines Mobilfunkmasts strahlt isotrop mit $P = 20\ \text{W}$ bei $f = 900\ \text{MHz}$.

1. a) Berechnen Sie die Intensität in $50\ \text{m}$ Entfernung ($I=P/(4\pi r^2)$).
2. b) Berechnen Sie die Photonenenergie und die Anzahl der Photonen pro Quadratmeter und Sekunde.
3. c) Beurteilen Sie, ob die Strahlung ionisierende Wirkung hat, und begründen Sie, welche Wirkung stattdessen relevant ist.