Infrarotes und ultraviolettes Licht

Das Spektrum elektromagnetischer Wellen reicht von Wechselstromwellen einer Frequenz von 300 Hz und einer Wellenlänge von ${10}^{7}m$ über das sichtbare Licht (390 bis 780 nm) bis zu einer energiereichen radioaktiven Strahlung im Wellenbereich unter ${10}^{–7}m.$
Innerhalb dieses Spektrums liegen das infrarote Licht (780 nm - 30 µm) und das ultraviolette Licht (10 - 390 nm) in direkter Nachbarschaft zum sichtbaren Licht. Alle drei Strahlungsarten sind in der Sonnenstrahlung enthalten und spielen daher in de Natur und der Technik eine wichtige Rolle.

Infrarotes Licht

Viele Körper geben Wärme an ihre Umgebung ab. Das gilt für Menschen und für Tiere ebenso wie für stromdurchflossene elektrische Bauteile, Rohrleitungen für die Fernwärme, Glühlampen, Heizkörper, Fernsehapparate, Kühlschränke oder Kopierer. Diese Wärmeabgabe erfolgt u. a. durch Wärmestrahlung, der Infrarotstrahlung, also durch elektromagnetische Wellen, die eine größere Wellenlänge als die sichtbaren Lichtwellen haben und im Bereich über 780 nm liegen. Wir können sie nicht sehen, aber mit den Wärmerezeptoren der Haut wahrnehmen.

A. H. BECQUEREL gilt neben F. W. HERSCHEL als Entdecker der Infrarotstrahlung im Sonnenlicht. In den achtziger Jahren des 19. Jahrhunderts waren Untersuchungen zur Lichtabsorption in Kristallen sein Forschungsschwerpunkt.
F.W. HERSCHEL untersuchte das Spektrum des sichtbaren Sonnenlichtes und die benachbarten Bereiche und stellte mithilfe von Thermometern fest, dass das Thermometer außerhalb des sichtbaren roten Bereiches eine deutliche höhere Temperatur zeigte als das Thermometer innerhalb des sichtbaren Spektrums. Es musste also auch außerhalb des sichtbaren Bereiches noch Strahlung geben, die er infrarotes Licht nannte.

Infrarotes Licht ist langwelliger und damit energieärmer als sichtbares Licht. Dessen ungeachtet sendet ein Körper in Abhängigkeit von der Temperatur Infrarotstrahlung unterschiedlicher Intensität und Zusammensetzung als Wärmestrahlung aus. Mit Infrarotsensoren kann man diese Wärmestrahlung messen und mit einer Wärmebildkamera sichtbar machen.

Anwendung der Thermografie

Für die Thermografie gibt es verschiedene medizinische Anwendungen. So kann man aus der mittels Thermografie ermittelten Temperaturverteilung auf Erkrankungen schließen. Entzündete Stellen weisen eine höhere Temperatur auf als nicht entzündete Stellen. Dabei ist aber zu beachten, dass auch bei einem gesunden Menschen normalerweise die Hauttemperatur nicht überall gleich groß ist (Bild 2) und es darüber hinaus große individuelle Unterschiede gibt.

Für die Thermografie gibt es zahlreiche technische Anwendungen. Mithilfe der Thermografie ist es möglich, schadhafte Stellen in der Isolierung zu erkennen. Auf diese Weise lassen sich z. B. auch bei elektronischen Schaltungen und bei einzelnen Bauteilen die Stellen herausfinden, die sich stärker erwärmen und an denen man eventuell konstruktive Veränderungen vornehmen muss. Bei Häusern kann man mithilfe der Thermografie sehr gut prüfen, wie gut ihre Wärmedämmung ist (Bild 3). Stellen mit höherer Temperatur erscheinen rot, Stellen mit niedrigerer Temperatur blau. Das Dach des abgebildeten Hauses ist offensichtlich sehr gut wärmeisoliert. Schwachstellen der Wärmedämmung sind die Fenster und die Türen.

Eine weitere Anwendung findet das Infrarotlicht bei der Übertragung von Informationen. Da der Infrarotanteil im Tageslicht ca. 40 % beträgt, kann es im Sender-/ Empfängersystem benutzt werden. Dazu zählen z. B. Fernbedienungen, Bewegungsmelder, drahtlose Kopfhörer oder IR-Empfänger bei Dolmetscheranlagen.
Die Vorteile basieren sowohl auf der kabellosen Übertragung, als auch auf der schnellen und einfachen Installation und hohen Übertragungssicherheit. Der Nachteil der Infrarotübertragung liegt in der leichten Absorption durch dunkle Vorhänge oder Holzvertäfelungen. Auch Fremdlicht wie Leuchtstofflampen, Glühlampen, Tageslicht, Bühnenstrahler und Halogenleuchten ab ca. 2000 LUX können Störungen hervorrufen.

Ultraviolettes Licht

Ultraviolettes (UV-)Licht ist der energiereichere Teil der Strahlung im Spektrum der Sonne. Sie ist kurzwelliger als das sichtbare Licht und liegt außerhalb unseres optischen Wahrnehmungs-spektrums. Aufgrund ihres hohen Energiegehalts kann UV-Licht beim Menschen Hautkrebs verursachen.
Innerhalb des ultravioletten Lichtes werden drei Klassen von Strahlen unterschieden (Bild 4). Die UV-A Strahlen liegen in einem Wellenlängenbereich von 315 bis 390 nm. Sie sind die langwelligsten UV-Strahlen und verantwortlich für die Bräunung der Haut. Zwar gelten die UV-A Strahlen als unschädlich. Ihre Langzeitwirkung bei starker und häufiger Wiederholung ist aber bisher noch nicht ausreichend erforscht. Die UV-A Strahlung dringt tief in die Unterhaut ein. In diesem Bereich befinden sich die Gerüsteiweiße, die Kollagene, die für die Elastizität der Haut verantwortlich sind. Diese werden von der UV-A Strahlung angegriffen. Das beschleunigt die Faltenbildung und die Hautalterung.

Das UV-B Licht hat einen Wellenlängenbereich von 280 bis 315 nm. Es ist energiereicher, als das UV-A Licht. Die UV-B Strahlung dringt in die Bereiche der Oberhaut ein und verwandelt sich dort in Energie. Das ist der Grund für die Entstehung des Sonnenbrands. UV-B Licht reizt die Bindehaut und die Hornhaut des Auges. Bei intensiver Bestrahlung ist es mitverantwortlich für die Entstehung des Hautkrebses.

Das UV-C Licht ist die energiereichste UV-Strahlung mit den kürzesten Wellenlängen unterhalb 280 nm und niedriger, der kurzwelligste Bereich des ultravioletten Lichtes. UV-C Licht ist sehr aggressiv und für alle Lebewesen gefährlich. Bei intakter Ozonschicht wird aber dieser Bereich des ultravioletten Lichtes ebenso wie ein großer Teil der UV-B-Strahlung aus dem Strahlenspektrum der Sonne herausgefiltert, bevor es auf die Erdoberfläche auftrifft.

Die Hautbräune ist eine Schutzreaktion unserer Haut vor der schädlichen Wirkung der Strahlen. Wenn wir uns mit Sonnencreme einreiben, dann tun wir es, um uns vor den UV-Strahlen zu schützen.

Genauso wie radioaktive Strahlung und Röntgenstrahlung betrachtet man ultraviolettes Licht als ionisierende Strahlung. Aufgrund der hohen Energie eines einzelnen ultravioletten Lichtquants ist es möglich, mit ihr Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen und diese zu ionisieren. Ultraviolettes Licht ist die ionisierende Strahlung mit der geringsten Energie pro Lichtquant, da radioaktive und Röntgenstrahlen noch kurzwelliger sind.

Einsatz von ultraviolettem Licht

Ultraviolettes Licht wird in Europa bereits seit vielen Jahren in der Wasserwirtschaft zur Beseitigung von Bakterien, Viren und Protozoen verwendet. Parasiten wie Protozoen stellen seit einigen Jahren ein Problem dar, da sie gegenüber herkömmlichen Wasserreinigungssystemen immun geworden sind. Die Zugabe von Chlor zur Beseitigung ist unwirksam geworden.

Nicht für alle Lebewesen ist das UV-Licht unsichtbar. Zahlreiche Insekten, und wie jetzt auch bekannt sogar Fledermäuse, können ultraviolettes Licht wahrnehmen. Der Menschen benötigt die Hilfe einer Spezialkamera, um die für uns unsichtbaren Farben verschiedener Blumen als schillernd, leuchtende Blüten darzustellen.