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E-Learning – OS 1 Physikalische Grundlagen optischer Strahlung

MM Admin 7. Dezember 2022
OS1 Physikalische Grundlagen optischer Strahlung Lernziele
  Definition „nichtionisierende Strahlung“ Die Teilnehmer*innen können den Begriff „nichtionisierende Strahlung“ definieren. Die Teilnehmer*innen verstehen, dass optische Strahlung ein bestimmter Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum ist und kennen die Unterschiede zwischen optischer Strahlung und EMF
  Elektromagnetisches Spektrum, Definition „optische Strahlung“; Abgrenzung zu EMF Die Teilnehmer*innen können die drei Bereiche, in die optische Strahlung unterteilt wird, benennen (Wellenlängenbereiche) und kennen deren wesentliche Eigenschaften.
  Ultraviolette Strahlung (UV) – sichtbares Licht – Infrarot-Strahlung, Wellenlängen Die Teilnehmer*innen kennen die für die Anwendung optischer Strahlung am Menschen wichtigsten physikalischen Parameter.
  Grundkenntnis zentraler Parameter (z.B. Energiedichten, Leistungsdichte (Bestrahlungsstärke), Wellenlängen, Expositionsdauern, Impulsdauer) Die Teilnehmer*innen kennen und verstehen wichtige Begriffe wie Leistung, Energie, Wärmemenge, Leistungsdichte, Energiedichte/Fluence und können diese in Beziehung zueinander bringen. (Sie verstehen beispielsweise, wie sich die Veränderung des Durchmessers des Lichtaustritts bei Laseranlagen auf die resultierende Leistungsdichte im Gewebe auswirkt).

Für die Einordnung der künstlichen Strahlungsquellen ist die Art der Strahlung wichtig. Wir

unterscheiden Röntgen- oder Gammastrahlung, die zur ionisierenden Strahlung gehören und

optische Strahlungsquellen, die zur nicht-ionisierenden Strahlung gehören.

Die Grenze zwischen ionisierender und nicht-ionisierender Strahlung liegt bei 100 Nanometern [nm].

Unter 100 nm ist die Strahlung so energiereich, dass sie radioaktiv wird. Die energiereiche

radioaktive Weltraumstrahlung wird von unserer Erdatmosphäre absorbiert. Bei besonders starker

Sonnenaktivität werden die energiereichen Teilchen der Sonne am Nord und Südpol sichtbar. Dort

stossen sie auf das Magnetfeld der Erde und ionisieren die Sauerstoffatome der Atmosphäre.

Bekannt auch unter dem Namen Polarlicht.

Ionisierende (radioaktive) Strahlung besitzt Energie

Dadurch können z.B. Gase ionisiert*, Filme geschwärzt und biologische Zellen verändert werden.

*ionisiert: Elektronen werden aus der Atomhülle herausgeschlagen, die Rest-Atome sind damit

positiv geladene «Ionen». Der Nachweis radioaktiver Strahlung erfolgt aufgrund ihrer ionisierenden

Wirkung.

Ionisierende (radioaktive) Strahlung kann Stoffe durchdringen.

Das Durchdringungsvermögen ionisierender Strahlung ist abhängig von der

  • Art der Strahlung
  • Energie der Strahlung
  • Art des durchstrahlten Körpers
  • Dicke des durchstrahlten Körpers

Es gibt einen gravierenden Unterschied zwischen der sogenannten ionisierenden Strahlung und der nichtionisierenden Strahlung. 

Die Reglementierungen beider Strahlungsarten sind in Deutschland sehr streng.

Festgeschrieben sind sie im Strahlungsschutzgesetz (StrlSchG) sowie in der Strahlenschutzverordnung.

Unter nichtionisierende Strahlung (NIS) fallen:

  • Die ultraviolette (UV) Strahlung
  • Das sichtbare Licht
  • Die Infrarotstrahlung

Elektromagnetische Felder EMF

NIS ist eine natürliche Erscheinung. Das bekannteste Beispiel für NIS ist Sonnenlicht.

Radio- und Funktechnik und diverse Haushaltsgeräte sind die bekanntesten Exempel für die Strahlung.

Es ist einem nicht immer bewusst, aber der Mensch ist 24 Stunden am Tag Strahlung ausgesetzt.

Nicht jede Strahlenart ist gefährlich für den Körper. Vielmehr kommt es auf die Art der Strahlung an und die Dauer der Exposition. 


Die Wellenlänge wird mit dem griechischen Buchstaben Lambda [λ] abgekürzt.

Man kann sich die Wellenlänge auch gut als abrollenden Kreis auf einer Geraden vorstellen. Lässt

man den Kreis einmal um 360°, also den Vollkreis, abrollen und misst die Länge der Strecke, die der

Kreis dabei zurückgelegt hat, ist das genau das 3,14-fache seines Durchmessers. Man bezeichnet

diese Zahl mit dem griechischen Buchstaben (π).

Dreht sich der Kreis innerhalb einer Sekunde einmal um sich selbst oder benötigt das Abrollen auf

der Geraden 1 Sekunde, so spricht man von einer Frequenz [f]. Naheliegend, dass die Frequenz

diesen Vorgang als Einheit 1/s festlegt. Das verwendete Formelzeichen wird Hz (Hertz) genannt. Die

Wellenlänge beschreibt den Umfang eines Kreises, wenn dieser zweimal die Nulllinie kreuzt.

Lambda halbe ist der Abstand des Halbkreises, also der Durchmesser des Kreises.

Lambda ist der Vollkreis, also die Strecke beider Halbkreise addiert oder auch 2x der Durchmesser

des Kreises.

Der Radius des Kreises, also der halbe Durchmesser wird mit Amplitude [A] bezeichnet.

Zweimal A ergibt den Durchmesser des Kreises, auch als Lambda halbe [λ/2] bezeichnet. Die Fläche

des Kreises wird mit 2 mal A zum Quadrat mal π , dividiert durch 4 ausgedrückt. Diese Formel ist

nachher wichtig, wenn wir die Energiedichte von Lasern und anderen optischen Strahlungsgeräten

vergleichen.

Licht ist eine elektromagnetische Welle, die sich mit der Lichtgeschwindigkeit [c] mit 300.000

Kilometern pro Sekunde im Vakuum ausbreitet. Mit der Ausbreitungsrichtung der

elektromagnetischen Welle entstehen ein elektrisches und ein magnetisches Feld.

Das elektrische Feld ist ein bestimmter Zustand des Raumes. Auf aufgeladene Körper, die sich in

einem elektrischen Feld befinden, wirkt eine Kraft. So hat man in der Vergangenheit immer wieder

darüber nachgedacht, auf welche Weise diese gegenseitige Kraftausübung zwischen zwei

geladenen Körpern vonstattengeht. Man glaubte für eine gewisse Zeit an die Ausbreitung

elektrischer Stoffe oder hielt es für möglich, dass zwei Ladungen ganz direkt und unmittelbar ihre

gegenseitige Anwesenheit auch über grosse Entfernungen hinweg «spüren».

Die heute bekannten experimentellen Erkenntnisse haben aber diese Auffassung widerlegt. Lädt

man einen Körper schlagartig auf, dann macht sich dieser Ladungsvorgang an einem weit

entfernten Körper erst nach einer gewissen Zeit bemerkbar. Diese Informationen über die

Aufladung des Körpers breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus. Das konnte man mit sehr

empfindlichen Messgeräten nachweisen.

Diese und weitere Erkenntnisse führten zum Begriff des elektrischen Feldes. Hinter diesem Begriff

verbirgt sich folgende Vorstellung: Die heutige Physik sieht den Raum nicht nur als ein Volumen an,

in dem sich Körper befinden und bewegen, sondern betrachtet den Raum selbst als physikalisches

Objekt, das demzufolge auch physikalische Eigenschaften besitzt. Wird ein Körper elektrisch

geladen, dann verändern sich um ihn herum die elektrischen Eigenschaften des Raumes. Diesen

Zustand des Raumes um einen geladenen Körper und damit natürlich auch den Raum mit seinen

veränderten Eigenschaften selbst bezeichnet man als elektrisches Feld.

Unter einer Pulsfrequenz versteht man eine Unterbrechung einer kontinuierlich schwingenden

Welle, die sich nach der Unterbrechung nach einem Muster fortsetzt. Auch die Pulsfrequenz wird

mit Hz abgekürzt. Anhand dieser Frequenzmuster können viele Eigenschaften, auch biologische,

bestimmt werden. Zum Beispiel können Herzrhythmusstörungen durch unterschiedlich ablaufende

Herzschläge gemessen werden.

Pulsfrequenzen können die unterschiedlichsten geometrischen Muster aufweisen. Zur besseren

Darstellung verwenden wir ein Rechteck.

Man kann sich die Pulsfrequenz auch als Taste vorstellen, die einmal gedrückt und wieder

losgelassen wird. Je nach Zustand gedrückt oder losgelassen, werden elektrische Signale

abgegeben oder unterbrochen. Deshalb spricht man auch von der Tastfrequenz.

Zum besseren Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Wellen teilen wir sie in

unterschiedlichen Kategorien ein. Eine Lichtwelle benötigt kein Medium um sich auszubreiten.

Daher können wir das Licht ferner Sonnen und Galaxien am Nachthimmel beobachten.

Im Gegensatz dazu gibt es mechanische Wellen, die immer ein Medium benötigen um sich

fortzupflanzen. Zum Beispiel eine Welle in einem See, die entsteht, wenn man einen Gegenstand

ins Wasser wirft.

Eine weitere Einteilung von Wellen ist die Kategorie wie Licht entsteht. Es gibt natürliche Quellen

und es gibt künstliche Quellen. Wir beschäftigen uns hier ausschliesslich mit den künstlich

erzeugten Lichtquellen.xs

Der Sonnenaufgang ist meist mit einem höheren Blauton zu beobachten, Sonnenuntergänge sind tiefrot. So ist der Mensch an der Natur angepasst. Menschen empfinden Blautöne als aktivierend und Rottöne als beruhigend.

Nachtaktive Säugetiere empfinden Rotlicht als aktivierend und blaue Töne als beruhigend. So können Farben einen wichtigen Beitrag für das Wohlbefinden leisten.

Der Sonnenaufgang ist meist mit einem höheren Blauton zu beobachten, Sonnenuntergänge sind tiefrot. So ist der Mensch an der Natur angepasst. Menschen empfinden Blautöne als aktivierend und Rottöne als beruhigend.

Nachtaktive Säugetiere empfinden Rotlicht als aktivierend und blaue Töne als beruhigend. So können Farben einen wichtigen Beitrag für das Wohlbefinden leisten.

Wir haben bisher alle möglichen physikalischen Phänomene, die mit zusammenhängen besprochen, ohne den Vorgang zu erklären, wie überhaupt Licht entsteht. Dies wollen wir an dieser Stelle nachholen. Wenn einem Atom ausreichend Energie zugeführt wird springt ein Elektron in eine größere Umlaufbahn. Das angeregte Elektron will jedoch den niedrigeren Energiezustand erreichen und springt zurück in die ursprüngliche Umlaufbahn bei diesem Vorgang entsteht Licht.

Die obige Folie zeigt diesen Vorgang noch einmal schematisch. Es ist dem Physiker Max Planck zu verdanken das Licht nicht nur eine Welle ist, sondern auch den Gesetzen der Teilchenphysik folgt. Dies ist auch ein Grund weshalb beim Licht von der Dualität des Lichtes gesprochen wird, um der Natur von Welle und Teilchen gerecht zu werden.

Die von Planck geprägte Formel E=h*f für das nach ihm benannte plancksche Wirkungsquantum ist zwar nicht so bekannt wie die von Einstein erkannte Formel E=m*c2, unter Physikern aber kaum weniger bedeutend.

Das plancksche Wirkungsquantum verknüpft Teilchen- und Welleneigenschaften. Es ist das Verhältnis von Energie und Frequenz eines Lichtquants (Photons) und das Verhältnis zwischen Masse, Geschwindigkeit und Wellenlänge eines Teilchens.

Die Konstante h ist eine Naturkonstante, so wie die Lichtgeschwindigkeit c. Eine Naturkonstante ist eine physikalische Größe, deren Wert sich nicht beeinflussen lässt und sich weder räumlich noch zeitlich verändert.

Strahlungsgrössen: Sie lernen die Begriffe Energie, Energiedichte, Leistung und Leistungsdichte
kennen.

Energie kann viele Erscheinungsformen haben. Am einfachsten erklärt sich Energie durch ein praktisches Beispiel. Wird eine 100g Tafel Schokolade um ein Meter angehoben benötigt man Energie. Wir wandeln unsere Bewegungsenergie in potenzielle Energie um. Wenn wir diese Arbeit in 1 s verrichten, verbrauchen wir die Energie eines Joules, Formelzeichen [J] und leisten 1 Watt, Formelzeichen [W].

Dieses Wissen wenden wir jetzt auf die Geräte an und haben dazu ein Beispiel.

Angenommen ein Laser mit einer Leistung von 1 Watt gibt seine Lichtenergie für 10 Sekunden ab. 1

Watt mit 10 Sekunden multipliziert ergibt 10 Wattsekunden. 10 Wattsekunden ergeben 10 Joule.

Beim Begriff Intensität geht es darum, die Leistung auf eine Fläche zu applizieren. Bleibt die

Leistung gleich, wird aber die Fläche kleiner, so vergrössert sich die Intensität auf die Fläche.

Die Fluence oder die deutsche Bezeichnung Energiedichte, ist eine wesentliche Grösse um die

Behandlungsparameter einzustellen.

Nachfolgend ein Rechenbeispiel, das zeigt, wie wichtig die Energiedichte für die Behandlung ist.

Angenommen ein Laser hat einen kreisrunden Lichtaustritt. Der Durchmesser des Kreises ist 0,8

  1. Die Laserleistung soll 90 Watt betragen und die Bestrahlungszeit 300 Millisekunden oder 0,3

Sekunden. Wir suchen den Wert der Energiedichte. Setzen wir die Zahlen ein und berechnen die

Energiedichte, erhalten wir als Ergebnis 54 J/cm2.

Im nächsten Beispiel bleiben alle Parameter konstant, nur halbieren wir den Lichtaustrittsdurchmesser.

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