Eine Schwingung ist eine periodische Bewegung um eine Ruhelage. Die Periode \(T\) ist die Dauer einer vollen Schwingung, die Frequenz \(f\) die Anzahl Schwingungen pro Sekunde:
\[ f = \frac{1}{T}, \qquad [f] = \text{Hz} = \frac{1}{\text{s}} \]Koppelt man viele schwingfähige Teilchen, überträgt sich die Schwingung von einem zum nächsten — es entsteht eine Welle. Eine Welle transportiert Energie, aber keine Materie: Jeder Punkt schwingt nur um seine Ruhelage (ein Korken auf Wasser hüpft auf und ab, wird aber nicht mitgerissen). Die Amplitude ist die maximale Auslenkung aus der Ruhelage.
Die Wellenlänge \(\lambda\) ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen. In einer Periode \(T\) rückt die Welle genau um \(\lambda\) weiter. Daraus folgt die Phasengeschwindigkeit (Ausbreitungsgeschwindigkeit):
\[ c = \frac{\lambda}{T} = \lambda \cdot f \]Bei mechanischen Wellen hängt \(c\) nur vom Medium ab, nicht von der Frequenz. Eine höhere Frequenz bedeutet bei gleichem Medium also eine kürzere Wellenlänge: \(\lambda = c/f\).
Man unterscheidet Wellen nach der Schwingungsrichtung der Teilchen relativ zur Ausbreitung:
| Typ | Schwingungsrichtung | Beispiele |
|---|---|---|
| Transversalwelle | quer (senkrecht) zur Ausbreitung | Seilwelle, Wasserwelle, Licht |
| Longitudinalwelle | längs (in Ausbreitungsrichtung) | Schall, Druckwellen |
Bei der Longitudinalwelle entstehen abwechselnd Verdichtungen und Verdünnungen.
Mechanische Wellen brauchen ein Medium (fest, flüssig oder gasförmig), dessen gekoppelte Teilchen die Schwingung weitergeben — Wasser-, Erdbeben- und Schallwellen. Schall ist eine Longitudinalwelle aus Druckschwankungen, erzeugt durch einen schwingenden Körper (Saite, Lautsprechermembran). Die Schallgeschwindigkeit hängt stark vom Medium ab:
| Medium | \(c\) [m/s] | Medium | \(c\) [m/s] |
|---|---|---|---|
| Luft (15 °C) | 340 | Wasser | ≈ 1500 |
| Luft (25 °C) | 346 | Eisen | 5170 |
| Helium | 980 | Aluminium | 6300 |
Das menschliche Ohr hört etwa von \(20\,\text{Hz}\) bis \(20\,\text{kHz}\).
Elektromagnetische Wellen brauchen kein Medium und breiten sich auch im Vakuum aus. Sie bestehen aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld, die senkrecht zueinander und quer zur Ausbreitung schwingen — also Transversalwellen. Im Vakuum bewegen sie sich alle mit Lichtgeschwindigkeit:
\[ c = 2.998 \cdot 10^{8}\,\text{m/s} \approx 3\cdot 10^{8}\,\text{m/s} \]Auch hier gilt \(c=\lambda f\). Vom langwelligen Radiobereich bis zur energiereichen Gammastrahlung bildet alles ein durchgehendes Spektrum; das sichtbare Licht (\(380\!-\!780\,\text{nm}\)) ist nur ein winziger Ausschnitt davon. Nach zunehmender Wellenlänge: Gamma \(<\) Röntgen \(<\) UV \(<\) sichtbar \(<\) Infrarot \(<\) Mikrowellen \(<\) Radio.
| Art | Mechanismus | Beispiel |
|---|---|---|
| Wärmestrahlung | heisse Körper strahlen (thermische Emission) | Glühlampe, Sonne (5800 K) |
| atomare Emission | angeregte Atome geben beim Zurückspringen ein Photon ab | Leuchtstoffröhre |
| Laser | stimulierte Emission erzeugt gebündeltes, gleichfarbiges Licht | Laserpointer, CO₂-Laser |
Ein Photon ist ein Energiequant des Lichts. Beim Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) löst ein Photon in einem angeregten Medium identische, gleichgerichtete Photonen aus — das Licht ist kohärent, einfarbig und stark gebündelt.
Wie stark ein Stoff Strahlung absorbiert, hängt von der Wellenlänge ab. Die Atmosphäre ist für das kurzwellige, sichtbare Sonnenlicht weitgehend durchlässig — es erreicht den Boden und erwärmt ihn. Die vom warmen Boden abgegebene langwellige Wärmestrahlung (Infrarot) wird dagegen von Treibhausgasen wie CO₂ und Wasserdampf stark absorbiert und teilweise zurückgestrahlt. Diese wellenlängenabhängige Absorption hält Energie in Bodennähe — der Treibhauseffekt. Mehr Treibhausgas verstärkt ihn.