Spektrum

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Farbspektrum
Atomspektrum (Emmisionsspektrum) des Wasserstoffs im sichtbaren Bereich
Die wichtigsten Fraunhoferlinien (Absorbtionslinien) im Spektrum der Sonne.

Als Spektrum (von lat. spectrumBild“, „Erscheinung“, „Gespenst“) wird in wissenschaftlichen Zusammenhängen ganz allgemein eine nach einer bestimmten Eigenschaft aufgefächerte, geordnete Intensitäts- bzw. Häufigkeitsverteilung innerhalb eines spezifischen Erscheinungsbereiches bezeichnet. Ein Gerät, mit dem eine derartige Spektralanalyse durchgeführt werden kann, wird Spektroskop genannt. Spektren und die darauf bezogene Spektralanalyse (Spektroskopie) spielen aber auch in rein mathematischen Zusammenhängen eine wichtige Rolle.

Beispiele

Hörbeispiel von weißem gaußschen Rauschen
Zeitlicher Verlauf eines weißen Rauschsignals
Frequenzspektrum des weißen Rauschens

Farbspektrum

Hauptartikel: Farbspektrum

Das bekannteste Beispiel ist das sich im Phänomen des Regenbogens offenbarende Farbspektrum, in dem die Regenbogenfarben aufgefächert und geordnet nach ihrer Farbqualität erscheinen, von den dunklen Rottönen, über Orange, Gelb und Grün, bis hin zu den tiefen blauen und violetten Farben.

Frequenzspektrum

Das Frequenzspektrum eines Signals zeigt dessen Zusammensetzung aus verschiedenen Frequenzen und kann mithilfe der Fouriertransformation berechnet werden. Dabei wird eine komplexe Welle mathematisch in reine Sinuswellen zerlegt.

Eine natürliche Störgröße, die den Untergrund in einem breiten Frequenzbereich bildet, wird als Rauschen bzw. in der Akustik als unspezifisches Geräusch bezeichnet. Ein Rauschen mit konstantem Leistungsdichtespektrum nennt man weißes Rauschen.

Atomspektrum

Das Atomspektrum ist das Emissionsspektrum eines einzelnen Atoms. Es handelt sich dabei im Gegensatz zum Spektrum eines glühenden Körpers oder Gases nicht um ein kontinuierliches Farbspektrum, sondern um ein diskontinuierliches Linienspektrum, das nur aus einzelnen farbigen Linien, den Spektrallinien, besteht, deren Zahl und Anordnung charakteristisch für das jeweilige chemische Element sind. Diesem typischen Emissionsspektrum entspricht ein genau gleich angeordnetes Absorptionspektrum, wodurch etwa im Farbspektrum der Sonne die markanten schwarzen Fraunhoferlinien entstehen (vgl. dazu die Abbildungen oben).

Bandenspektrum und kontinuierliches Spektrum

Sind die Spektrallinien so verbreitert, dass sie dicht an dicht liegen oder einender überlappen, so entsteht ein Bandenspektrum und schließlich ein kontinuierliches Spektrum, wie es für dichte glühende Körper typisch ist.

Elektromagnetisches Spektrum

Ein abstrakteres Beispiel ist das elektromagnetische Spektrum, in dem die elektromagnetischen Wellen nach ihrer Frequenz oder Wellenlänge aufgefächert werden.

Da aus physikalischer Sicht elektromagnetische Wellen die physikalischen Träger auch aller Licht- bzw. Farberscheinungen sind, kann jeder Farbe auch eine bestimmte Wellenlänge oder Frequenz zugeordnet werden. So entspricht etwa den roten Farbtönen ein Wellenlängenbereich von ungefähr 790–630 nm, den violetten Farben ein Bereich von etwa 420–390 nm. Nach der 1900 von Max Planck aufgestellten Quantenhypothese wird die elektromagnetische Strahlung in einzelnen Energiepaketen, den Quanten, ausgesendet, d.h. nicht kontinuierlich, sondern in Form einzelner Strahlungsblitze (Photonen). Dabei besteht folgender Zusammenhang zwischen der Strahlungsenergie LaTeX: E und der Frequenz LaTeX: \nu:

LaTeX: E = h \nu mit dem Planckschen Wirkungsquantum LaTeX: h = 6{,}626\,069\,57 \cdot 10^{-34} \mathrm{J \cdot s}
Das elektromagnetische Spektrum im Überblick
Bezeichnung Unterteilung Wellenlänge Frequenz Photonenenergie[1][2] Erzeugung / Anregung Technischer Einsatz
von bis von bis
Niederfrequenz Extremely Low Frequency (ELF) 10.000 km 100.000 km 30 Hz 3 Hz > 2,0 × 10−33 J
  > 12 feV
Bodendipol, Antennenanlagen, Schumann-Frequenzen Bahnstrom
Super Low Frequency (SLF) 1.000 km 10.000 km 300 Hz 30 Hz > 2,0 × 10−32 J
  > 120 feV
Netzfrequenz, (ehemals) U-Boot-Kommunikation
Ultra Low Frequency (ULF) 100 km 1000 km 3000 Hz
3 kHz
300 Hz
0,3 kHz
> 2,0 × 10−31 J
  > 1,2 peV
Very Low Frequency (VLF)
Myriameterwellen
Längstwellen (SLW)
10 km 100 km 30 kHz 3 kHz > 2,0 × 10−30 J
  > 12 peV
U-Boot-Kommunikation (DHO38, ZEVS, Sanguine, SAQ), Funknavigation, Pulsuhren
Radiowellen Langwelle (LW) 1 km 10 km 300 kHz 30 kHz > 2,0 × 10−29 J
  > 120 peV
Oszillatorschaltung + Antenne Langwellenrundfunk, DCF77, Induktionskochfeld
Mittelwelle (MW) 100 m 1000 m 3 MHz 300 kHz > 2· × 10−28 J
> 1,2 neV
Mittelwellenrundfunk, HF-Chirurgie, (1,7 MHz-3 MHz Grenzwelle, Kurzwellenrundfunk)
Kurzwelle (KW) 10 m 100 m 30 MHz 3 MHz > 1,1 × 10−27 J
> 12 neV
Grenzwelle, Kurzwellenrundfunk, HAARP, Diathermie, RC-Modellbau
Ultrakurzwelle (UKW) 1 m 10 m 300 MHz 30 MHz > 2,0 × 10−26 J
> 120 neV
Anregung von Kernspinresonanz Hörfunk, Fernsehen, Radar, Magnetresonanztomografie
Mikrowellen[3] Dezimeterwellen 10 cm  1 m 3 GHz 300 MHz > 2,0 × 10−25 J
> 1,2 µeV
Magnetron, Klystron, Maser, kosmische Hintergrundstrahlung

Anregung von Kernspinresonanz und Elektronenspinresonanz, Molekülrotationen

Radar, Magnetresonanztomografie, Mobilfunk, Fernsehen, Mikrowellenherd, WLAN, Bluetooth, GPS
Zentimeterwellen 1 cm  10 cm 30 GHz 3 GHz > 2,0 × 10−24 J
 > 12 µeV
Radar, Radioastronomie, Richtfunk, Satellitenrundfunk, WLAN
Millimeterwellen 1 mm 1 cm 300 GHz
0,3 THz
30 GHz > 2,0 × 10−23 J
> 120 µeV
Radar, Radioastronomie, Richtfunk
Terahertzstrahlung 30 µm 3 mm 10 THz 0,1 THz > 6,6 × 10−23 J
> 0,4 meV
Synchrotron, Freie-Elektronen-Laser Radioastronomie, Spektroskopie, Abbildungsverfahren, Sicherheitstechnik
Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) Fernes Infrarot (FIR) 50 µm 1 mm 6 THz 300 GHz > 2,0 × 10−22 J
> 1,2 meV
Wärmestrahler, Synchrotron
Molekülschwingungen
Infrarotspektroskopie, Raman-Spektroskopie, Infrarotastronomie
Mittleres Infrarot (MIR) 3,0 µm 50 µm 100 THz 6 THz > 4,0 × 10−21 J
> 25 meV
Kohlendioxidlaser, Quantenkaskadenlaser Thermografie
Nahes Infrarot (NIR) 780 nm 3,0 µm 385 THz 100 THz > 8,0 × 10−20 J
> 500 meV
Nd:YAG-Laser, Laserdiode, Leuchtdiode Fernbedienung, Datenkommunikation (IRDA), CD
Licht Rot 640 nm 780 nm 468 THz 384 THz 1,59–1,93 eV Wärmestrahler (Glühlampe), Gasentladung (Neonröhre), Farbstoff- und andere Laser, Synchrotron, Leuchtdiode
Anregung von Valenzelektronen
DVD, Laserpointer,
Rot, Grün: Lasernivellier,
Beleuchtung,
Colorimetrie,
Fotometrie,
Rot, Gelb, Grün: Lichtzeichenanlage,
Violett: Blu-ray Disc
Orange 600 nm 640 nm 500 THz 468 THz 1,93–2,06 eV
Gelb 570 nm 600 nm 526 THz 500 THz 2,06–2,17 eV
Grün 490 nm 570 nm 612 THz 526 THz 2,17–2,53 eV
Blau 430 nm 490 nm 697 THz 612 THz 2,53–2,88 eV
Violett 380 nm 430 nm 789 THz 697 THz 2,88–3,26 eV
UV-Strahlen[4] Nahes UV (UV-A, „Schwarzlicht“) 315 nm 380 nm 952 THz 789 THz 3,26–3,94 eV Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser, Leuchtdiode Schwarzlicht Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Banknotenprüfung, Fotolithografie, Desinfektion, UV-Licht, Spektroskopie
Mittleres UV (UV-B, „Dorno-Strahlung“) 280 nm 315 nm 1071 THz
1 PHz
952 THz 3,94–4,43 eV
Fernes UV (UV-C, FUV) 200 nm 280 nm 1,5 PHz 1 PHz 4,43–6,2 eV
Vakuum-UV (UV-C, VUV) 100 nm 200 nm 3 PHz 1,5 PHz > 9,9 × 10−19 J
6,2–12 eV
XUV-Röhre, Synchrotron, Nanoplasma EUV-Lithografie, Röntgenmikroskopie, Nanoskopie
EUV (EUV) 10 nm 121 nm 30 PHz 2,5 PHz >5,0 × 10−18 J

10,2–120 eV

Röntgenstrahlen 10 pm 10 nm 30 EHz 30 PHz > 2,0 × 10−16 J
> 120 eV
Röntgenröhre, Synchrotron

Anregung von inneren Elektronen, Auger-Elektronen

medizinische Diagnostik, Sicherheitstechnik, Röntgen-Strukturanalyse, Röntgenbeugung, Photoelektronenspektroskopie, Röntgenabsorptionsspektroskopie
Gammastrahlen 10 pm 30 EHz > 2,0 × 10−14 J
> 120 keV
Radioaktivität, Annihilation
Anregung von Kernzuständen
medizinische Strahlentherapie, Mößbauerspektroskopie
Das elektromagnetische Spektrum mit dem Spektrum der sichtbaren Farben im Detail

Dass damit das Wesen des Lichts, der Wärme usw. nicht erfasst wird, liegt auf der Hand. Wellen und Schwingungen sind Bewegungsvorgänge und als solche vollkommen verschieden von den erlebten Farb- oder Wärmequalitäten. Zwar sind elektromagnetischen Wellen dazu notwendig, dass die sinnliche Wahrnehmung der Farben überhaupt zustande kommt, aber sie haben mit dem Inhalt dieser Wahrnehmung, also mit den erlebten Qualia ganz und gar nichts zu tun. Darauf hat Rudolf Steiner schon in seinen Einleitungen zu Goethes Naturwissenschaftlichen Schriften ganz klar hingewiesen:

„Dass ein Schwingungsvorgang im Äther vorgeht, während vor mir «Rot» auftritt, das soll nicht bestritten werden. Aber was real eine Wahrnehmung zustande bringt, das hat, wie wir schon gezeigt haben, mit dem Wesen des Inhaltes gar nichts zu tun [...]

Dies ist ja aber von vornherein klar. Wenn man untersucht, was in dem Räumlich-Ausgedehnten vorgeht, während die in Rede stehenden Entitäten vermittelt werden, dann muss man auf eine einheitliche Bewegung kommen.

Denn ein Medium, in dem nur Bewegung möglich ist, muss auf alles durch Bewegung reagieren. Es wird auch alle Vermittelungen, die es übernehmen muss, durch Bewegung vollbringen. Wenn ich dann die Formen dieser Bewegung untersuche, dann erfahre ich nicht: was das Vermittelte ist, sondern auf welche Weise es an mich gebracht wird. Es ist einfach ein Unding, zu sagen: Wärme oder Licht seien Bewegung. Bewegung ist nur die Reaktion der bewegungsfähigen Materie auf das Licht.“ (Lit.:GA 1, S. 298ff)

Massenspektrum

Massenspektrum von Tetrachlordibenzofuran

In einem Massenspektrometer, einem wichtigen Hilfsmittel für die chemische Analyse, werden winzige Substanzmengen nach ihrer Masse aufgetrennt. Die Probe wird dazu verdampft, ionisiert und in Bruchstücke fragmentiert. Die dabei gebildeten Ionen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt und im Analysator durch ein magnetisches Feld nach ihrem Masse/Ladungs-Verhältnis aufgefächert. Aus der gemessenen Masse der Bruchstücke kann die chemische Struktur der Probe erschlossen werden.

Siehe auch

Literatur

Steiner big.jpg
Literaturangaben zum Werk Rudolf Steiners folgen, wenn nicht anders angegeben, der Rudolf Steiner Gesamtausgabe (GA), Rudolf Steiner Verlag, Dornach/Schweiz
Email: verlag@steinerverlag.com URL: www.steinerverlag.com. Freie Werkausgaben gibt es auf fvn-rs.net, archive.org und im Rudolf Steiner Online Archiv.
Eine textkritische Ausgabe grundlegender Schriften Rudolf Steiners bietet die Kritische Ausgabe (SKA) (Hrsg. Christian Clement): steinerkritischeausgabe.com
Die Rudolf Steiner Ausgaben basieren auf Klartextnachschriften, die dem gesprochenen Wort Rudolf Steiners so nah wie möglich kommen.
Hilfreiche Werkzeuge zur Orientierung in Steiners Gesamtwerk sind Christian Karls kostenlos online verfügbares Handbuch zum Werk Rudolf Steiners und
Urs Schwendeners Nachschlagewerk Anthroposophie unter weitestgehender Verwendung des Originalwortlautes Rudolf Steiners.
Ausführliche bibliografische Informationen mit Volltextsuche in allen derzeit verfügbaren Online-Ausgaben bietet die Steinerdatenbank.de.

Weblinks

Commons-logo.png Commons: Spektroskopie - Weitere Bilder oder Audiodateien zum Thema

Einzelnachweise

  1. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology. Abgerufen am 2015-08-04.
  2. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology. Abgerufen am 2015-07-21. Wert für die Elementarladung in der Einheit Coulomb.
  3. gehören nach der Definition der VO Funk, Ausgabe 2012, Artikel 1.5 auch noch zu den Radiowellen.
  4. Deutsches Institut für Normung (Hrsg.): Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche. DIN 5031 Teil 7, Januar 1984.