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Physik – Physikalische Grundbegriffe von EMF

Begrifflichkeit

Nicht-ionisierende Strahlung

Es hat sich eingebürgert, die optische Strahlung (UV, Licht, Wärme) und die elektromagnetischen Felder (Hochfrequenzstrahlung, niederfrequente elektrische und magnetischen Felder sowie Gleichfelder) zur nicht-ionisierenden Strahlung zu zählen und die Grenze zur ionisierenden Strahlung zwischen UV und Röntgenstrahlung zu legen (in der Grafik wird die UV-Strahlung – gewissermassen als Übergangsbereich – bereits der ionisierenden Strahlung zugerechnet). Physikalisch handelt es sich bei allen Strahlungsarten um elektromagnetische Wellen. Die grosse Mehrheit der elektromagnetischen Strahlungsquellen, denen wir im Alltag ausgesetzt sind, hat nicht ausreichend Energie um Moleküle in unserem Gewebe zu ionisieren (siehe "ionisierende Strahlung" weiter unten).

Das elektromagnetische Spektrum. Quelle: FSM

Elektrosmog

Der Begriff „Elektrosmog“ kommt aus der Umgangssprache. Mit ihm bezeichnet man die  elektrischen und magnetischen Felder, die von elektrischen Leitungen, Anlagen und Geräten verursacht werden sowie Strahlung, die Antennen aussenden. „Elektrosmog“ ist mit dem wissenschaftlichen Begriff „elektromagnetische Felder“ fast identisch. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass mit „Elektrosmog“ nur die technisch produzierten Felder gemeint sind, während der wissenschaftliche Begriff auch die natürlichen elektromagnetischen Felder miteinschliesst. Ein anderer Unterschied ist ein semantischer: Das Wort „Smog“ will auf etwas Problematisches, Unerwünschtes hinweisen, während der wissenschaftliche Begriff wertneutral ist.

Ionisierende Strahlung

Links: Strahlungsart; gelber Bereich rechts: Materie, in welche die Strahlung eindringt. Gerade Linien: geladene Teilchen und Neutronen; Wellenlinien: Photonen bzw. elektromagnetische Strahlung; kleine Kreise: Ionisierungseffekte. Quelle: wikimedia commons

Elektromagnetische Strahlung kann Elektronen eines Atoms in höhere energetische Zustände versetzen. Sehr starke Strahlung kann ein (oder mehrere) Elektronen eines Atoms mit so viel Energie versehen, dass diese sich vom Atom lösen können (zurück bleibt dann ein positiv geladenes Teilchen, ein sog. Kation). Diesen Vorgang nennt man Ionisation. Strahlung dieser Intensität heisst deshalb "Ionisierende Strahlung". Ionisierung beschädigt Moleküle in unserem Gewebe und ist aus diesem Grund gesundheitlich gefährlich.

Zur ionisierenden Strahlung zählen die UV-Strahlung, die Röntgenstrahlung und die Gammastrahlung. Die Übergänge sind fliessend. Bei der UV-Strahlung ist die ionisierende Wirkung v.a. ab Wellenlängen kleiner als 200 nm (Nanometer; 1 nm = 1 Millionstel Millimeter) bzw. grösser als 1.5 PHz (Petahertz; 1 PHz = 1000 Terahertz oder 1 Million Gigahertz) ausgeprägt (sog. Vakuum-UV). Hinsichtlich ihrer biologischen Wirkung teilt man die UV-Strahlung ein in UV-A (im Spektrum unmittelbar oberhalb des sichtbaren Lichts gelegen), UV-B (kürzere Wellenlängen als UV-A) und UV-C (noch kürzere Wellenlängen). Die oben erwähnte ausgeprägte Ionisierungswirkung liegt im Bereich des UV-C. Die Atmosphäre verhindert glücklicherweise, dass UV-C bis zur Erdoberfläche gelangt. Die Strahlung ionisiert den Sauerstoff der obersten Luftschichten (Ozonbildung) und baut sich dadurch ab. UV-B ist für die langfristige Bräunung der Haut verantwortlich, aber auch für Sonnenbrände und den hellen Hautkrebs (Basaliom). UV-A, die langwelligste UV-Strahlung, führt zu kurzfristiger Bräunung, aber auch zu vorzeitiger Hautalterung und kann schwarzen Hautkrebs verursachen (Melanom).

Noch energiereicher als UV ist Röntgenstrahlung (Wellenlänge kleiner als 10 nm). Ihre Energie ist mindestens 100 mal höher als die Energie von UV-A und kann bis 1 Million mal höher sein. Röntgenstrahlung hat ihren Ursprung, ebenso wie die UV-Strahlung, in der Elektronenhülle der Atome. Die noch energiereichere Gammastrahlung (Wellenlängen kleiner als 0.005 nm; Energie mindestens 100'000 mal stärker als UV-A) entsteht im Atomkern, v.a. aus Prozessen des radioaktiven Zerfalls. Rein energetisch können Röntgen- und Gammastrahlung nicht zuverlässig auseinandergehalten werden, denn sie können vergleichbar viel Photonenenergie besitzen (die Energie von ionisierender elektromagnetischer Strahlung wird auch als "Photonenenergie" bezeichnet; Begründung siehe unten). Lediglich ihr Entstehungsort (Elektronenhülle oder Atomkern) unterscheidet Röntgen- und Gammastrahlung voneinander. Gammastrahlung durchdringt Materie besonders gut und ist nur sehr aufwändig abzuschirmen.

Neben der zunehmend energiereichen elektromagnetischen Strahlung oberhalb des sichtbaren Lichts haben auch Teilchenstrahlungen  (Alpha-, Beta- und Neutronenstrahlung) ionisierende Wirkungen. Alphastrahlung besteht aus Heliumkernen (2-fach positiv geladener Kern), Betastrahlung besteht aus (negativ geladenen) Elektronen (oder positiv geladenen Positronen), Neutronenstrahlung besteht aus Neutronen. Diese Teilchenstrahlungen entstehen, gleich wie die Gammastrahlung, v.a. aus Prozessen des radioaktiven Zerfalls. Ein Beispiel ist Radon. Die mit Abstand grösste Belastung des Menschen mit Alphateilchen ist dem natürlichen radioaktiven Zerfall von Radon zuzuschreiben (beim Zerfall entstehen auch Betateilchen und Gammastrahlung, denen der Mensch aber im Vergleich zu den Alphateilchen weniger ausgesetzt ist). Alpha- und Betastrahlung kann leicht abgeschirmt werden, Neutronenstrahlung dagegen nur aufwändig, weil Neutronen als elektrisch neutrale Teilchen keine elektrischen Wechselwirkungen mit geladenen Teilchen eingehen.

Wenn man in der „Teilchenmetapher“ bleibt, um alle Strahlungsarten miteinander "vergleichen" zu können, dann gehört die Gamma-, Röntgen- und UV-Strahlung (generell: elektromagnetische Strahlung) zur Photonenstrahlung. Einstein hat gezeigt, dass man die Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen auch mit dem Verhalten von Teilchen - Photonen oder Lichtquanten - beschreiben kann.

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