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Restan
Gast
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 Restan Verfasst am: 13. Jan 2022 07:01 Titel: Mikrowellen |
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Meine Frage:
Hi,
Ich weiß, dass umso kurzweiliger eine EM-Welle, desto Energiereicher ist sie und damit auch schädlicher für uns Menschen. Mikrowellen sind ja relativ lange Wellen. Gehen hiervon noch Risiken aus für den Menschen?
Des Weitern habe ich als ich auf Wikipedia einiges darüber gelesen habe, herausgefunden, dass die Mikrowellen Bei der Erhitzung von Speißen nicht absorbiert werden und die MolekülDipole sich nach der Polarität der Mikrowellem ausrichten und so in Schwingung versetzt werden.
Da wollt ich mal fragen, zieht hier der Elektrische Teil der Welle die Positive und Negative Strukturen der Moleküle an oder ist das hier der Magnetische Teil?
Hat die Welle dann einen positiven und negativen Teil?
Einen Nord und einen Südpol?
Meine Ideen:
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gast_free
Anmeldungsdatum: 15.07.2021
Beiträge: 195
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| gast_free Verfasst am: 14. Jan 2022 11:07 Titel: Re: Mikrowellen |
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| Zitat: | | Ich weiß, dass umso kurzweiliger eine EM-Welle, desto Energiereicher ist sie und damit auch schädlicher für uns Menschen. Mikrowellen sind ja relativ lange Wellen. Gehen hiervon noch Risiken aus für den Menschen? |
Energiereicher ja, schädlicher nicht unbedingt.
Die erste Trennlinie, die man zieht ist die Folgende. Man unterscheidet zwischen ionisierender und nichtionisierender Strahlung.
Wenn eine EM-Welle so viel Energie überträgt, das Sie in der Lage ist Atome oder Moleküle zu ionisieren, ist sie auf jeden Fall immer schädlich für Organismen. Das Ausmaß des Schadens hängt einmal von der absorbierten Energiedosis ab und zum anderen von der Art der Strahlung. Man spricht auch von der biologischen Wirksamkeit. Diese Strahlung bewirkt, das chemische Verbindungen aufgebrochen werden und sich kurzzeitig sog. freie Radikale bilden. Diese verbinden sich dann chemisch zu neuen, körperfremden und zum Teil giftigen Stoffen. Es könne auch die Moleküle die die Erbinformationen tragen aufgebrochen werden und sich so dabei in bestimmten Zellen die Erbinformationen verändern. Das kann den Zelltod bedeuten oder aber auch zu einer ungebremsten Zellteilung (Krebs) führen.
Ist die Welle nicht ionisierend, kann sie immer noch mit Stoffen, also auch mit menschlichem Gewebe wechselwirken. Insbesondere Moleküle die ein elektrisches Diplomoment besitzen können von den Feldern, die die Welle mit sich führt in Schwingungen versetzt werden. Das trifft insbesondere für Wasser oder Fettverbindungen zu. Wieviel Energie sie dabei aufnehmen hängt davon ab, in wie weit die Frequenz der Welle mit der Resonanzfrequenz der Moleküle übereinstimmt. Diese Molekülschwingungen bedeuten Wärme. Wird zuviel Energie aufgenommen kann es zur Überhitzung kommen und das Gewebe schädigen.
Somit hängt das Schadenspotential einer EM-Welle von sehr vielen Faktoren ab.
| Zitat: | | Des Weitern habe ich als ich auf Wikipedia einiges darüber gelesen habe, herausgefunden, dass die Mikrowellen Bei der Erhitzung von Speißen nicht absorbiert werden und die MolekülDipole sich nach der Polarität der Mikrowellem ausrichten und so in Schwingung versetzt werden. |
Ich denke da hast Du was falsch verstanden. Da die Speisen in der Mikrowelle sich erhitzen, ziehen sie aus den Mikrowellen Energie. Also die Wellen schwächsen sich ab, weil ein Teil ihrer Energie absorbiert wird. Auch wenn die Moleküle sich ausrichten und im Takt der Welle mitschwingen, geben sie einen Teil der Energie an die Umgebung ab.
| Zitat: | | Da wollt ich mal fragen, zieht hier der Elektrische Teil der Welle die Positive und Negative Strukturen der Moleküle an oder ist das hier der Magnetische Teil? |
Elektrische Felder wirken auf geladene Teilchen. Magnetischen Felder auf Teilchen die magnetische Eigenschaften besitzen. Also Teilchen die ein magnetische Dipolmoment besitzen.
| Zitat: | Hat die Welle dann einen positiven und negativen Teil?
Einen Nord und einen Südpol? |
Bei der Welle findet genauso wie bei einer Schwingung ein ständiger Wechsel der Polarität statt. Davon lebt die Welle um ständig neue Felder zu erzeugen. Die zeitliche Änderung des elektrischen Feldes erzeugt magnetische Wirbel die sich auch zeitlich ändern. Diese erzeugen ihrerseits neue elektrische Wirbel die versuchen der ursprünnglichen Änderung entgegen zu wirken (Polaritätsänderung). Diese erzeugt wieder magentische Wirbel usw. magnetische Felder sind eigentlich immer Wirbelfelder, weil sie immer in sich geschlossen sind. Es ändert sich nur die Flussrichtung des Wirbels. |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18018
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| TomS Verfasst am: 14. Jan 2022 11:50 Titel: Re: Mikrowellen |
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| Restan hat Folgendes geschrieben: | | ... dass umso kurzweiliger eine EM-Welle, desto Energiereicher ist sie ... |
| gast_free hat Folgendes geschrieben: | | Energiereicher ja ... |
Das trifft auf einzelne Photonen zu, nicht jedoch elektromagnetische Wellen, die man sich grob als kollektive Ansammlung von Photonen vorstellen kann.
Ein einzelnes Photon der Frequenz f hat die Energie
N derartige Photonen in einem Volumen V haben die Energie
und die Energiedichte
Eine elektromagnetische Welle hat eine Energiedichte
wobei E und B für die elektrische bzw. magnetische Feldstärke d.h. die Amplitude der Welle stehen (ich vernachlässige hier ein paar Konstanten, es geht ums Prinzip). Für makroskopische Phänomene ist (neben der Frequenz) die Anzahl N der Photonen, die zur Amplitude der elektromagnetischen Welle beitragen, entscheidend.
Bsp. 1: ein UV-Photon trifft auf genau eine Atom und ionisiert dieses, d.h. schlägt ein Elektron heraus; etwas mehr oder weniger Energie des Photons ist dabei egal, denn es schlägt immer nur genau ein Photon heraus, das dann eine etwas andere (geringe) kinetische Energie hat; d.h. es kommt wesentlich auf die Anzahl der Photonen an; stärkere UV-Strahlung auf der Sonnenbank schädigt die Haut stärker, weil sie intensiver ist, also mehr Photonen enthält, nicht jedoch, weil die Photonen jeweils eine größere Energie hätten; (energiereiche Photonen dringen auch tiefer in die Haut ein; völlig anders sieht es natürlich mit deutlich abweichende Energien z.B. im Röntgenbereich aus)
Bsp. 2: Mikrowellen ionisieren die Atome nicht, dazu haben die Photonen eine viel zu geringe Energie, sie versetzen Moleküle als Ganzes in Schwingungen; dazu muss die Frequenz der Mikrowellen zu einer der Resonanzfrequenzen der Moleküle passen, d.h. etwas kurzwelligere Mikrowellen mit energiereicheren Photonen regen die Moleküle evtl. sogar schwächer an; bei Anregung kommt ganz wesentlich auf die Amplitude des klassischen elektromagnetischen Feldes an, im Falle einer Mikrowelle in der Küche auf deren Wattzahl und die daraus resultierende Energiedichte.
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Niels Bohr brainwashed a whole generation of theorists into thinking that the job (interpreting quantum theory) was done 50 years ago. |
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Restan
Gast
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| Restan Verfasst am: 21. Jan 2022 01:48 Titel: |
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erstmal danke für eure Antworten.
Ein/zwei Fragen hätte ich da noch:
| Zitat: | | stärkere UV-Strahlung auf der Sonnenbank schädigt die Haut stärker, weil sie intensiver ist, also mehr Photonen enthält, nicht jedoch, weil die Photonen jeweils eine größere Energie hätten |
Ist es nun so, dass die stärkere UV-Strahlung hier heißt, dass mehr EM-Wellen/Photonen erzeugt werden? Also quasi nicht das einfach eine kurzwelligere Welle erzeugt wird (die dann energiereicher/stärker ist)?
| Zitat: | | Da die Speisen in der Mikrowelle sich erhitzen, ziehen sie aus den Mikrowellen Energie. Also die Wellen schwächsen sich ab, weil ein Teil ihrer Energie absorbiert wird. |
Ist es dann so, dass bei der Absorption/Abschwächung der Welle eine "neue" Welle entsteht, die dann langwelliger ist? Oder werden wenn ich mir ein Bündel von EM-Wellen vorstelle nur Teil absorbiert und ein anderer bleibt unberührt?
Bei der Resonanzfrequenz von Molekülen: Hier ist die Vibration von Bindungspartnern gemeint oder? Was ich mich hier noch frage ist, wenn die Vibration verantwortlich ist, wie viel aufgenommen werden kann, ist es dann so, dass durch die passende Frequenz der Welle mehr Photonen auf die Bindungspartner stoßen und so mehr Energie übertragen werden kann (doof gesagt, dass bei nicht passender Frequenz die Bindungspartner sich vor den Photonen wegducken)oder kann ich diesen Teilchenaspekt hier nicht anwenden?
Wenn ein Molekül Energie von einer solcher Welle aufnimmt, geht die Energie dann in die Vibration der Bindungspartner, in die Bewegung des Moleküls oder beides? |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18018
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| TomS Verfasst am: 21. Jan 2022 09:22 Titel: |
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| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Zitat: | | stärkere UV-Strahlung auf der Sonnenbank schädigt die Haut stärker, weil sie intensiver ist, also mehr Photonen enthält, nicht jedoch, weil die Photonen jeweils eine größere Energie hätten |
Ist es nun so, dass die stärkere UV-Strahlung hier heißt, dass mehr EM-Wellen/Photonen erzeugt werden? Also quasi nicht das einfach eine kurzwelligere Welle erzeugt wird (die dann energiereicher/stärker ist)?
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Stärkere UV-Strahlung ist m.E. ungenau.
Intensivere UV-Strahlung heißt, dass mehr Photonen in der einen elektromagnetischen Welle vorliegen.
Energiereichere UV-Strahlung heißt, dass energiereichere Photonen in der einen elektromagnetischen Welle vorliegen.
s.o.: eine elektromagnetische Wellen ist letztlich eine kollektive Ansammlung einzelner Photonen; ihre Energie lautet
Die Energie ist demnach proportional sowohl zur Anzahl als auch zur Frequenz der Photonen. Man kann die Energie also über beide Parameter ändern. Wenn du eine Lampe oder LED einigermaßen fester Frequenz hast, dann änderst du die Energie, indem du eine zweite Lampe daneben stellst und die Anzahl der Photonen verdoppelst.
| Zitat: | | Da die Speisen in der Mikrowelle sich erhitzen, ziehen sie aus den Mikrowellen Energie. Also die Wellen schwächsen sich ab, weil ein Teil ihrer Energie absorbiert wird. |
Ja.
| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Ist es dann so, dass bei der Absorption/Abschwächung der Welle eine "neue" Welle entsteht, die dann langwelliger ist? Oder werden wenn ich mir ein Bündel von EM-Wellen vorstelle nur Teil absorbiert und ein anderer bleibt unberührt? |
Kommt auf die Betrachtung an.
Klassisch betrachtet man eine elektromagnetische Welle. Diese schwächt sich durch Absorption ab, z.B. in einem leicht grauen Filterglas oder in der Mikrowelle innerhalb des Garguts.
Quantenmechanisch betrachtet man einzelne Photonen. Dabei wird ein einzelnes Photon entweder absorbiert und verschwindet, oder es passiert nichts mit dem Photon. Oft benötigt man die quantenmechanische Beschreibung, da die Effekte durch das klassische Bild nicht vollumfänglich verstanden werden können.
Klassisch nimmt die Amplitude der elektromagnetische Welle mit zunehmender Dicke des Filterglases exponentiell ab. Quantenmechanisch nimmt die Anzahl der Photonen mit zunehmender Dicke exponentiell ab
| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Bei der Resonanzfrequenz von Molekülen: Hier ist die Vibration von Bindungspartnern gemeint oder? |
Ja.
| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Was ich mich hier noch frage ist, wenn die Vibration verantwortlich ist, wie viel aufgenommen werden kann, ist es dann so, dass durch die passende Frequenz der Welle mehr Photonen auf die Bindungspartner stoßen und so mehr Energie übertragen werden kann (doof gesagt, dass bei nicht passender Frequenz die Bindungspartner sich vor den Photonen wegducken)oder kann ich diesen Teilchenaspekt hier nicht anwenden? |
Jede Vibration (oder Rotation) eines einzelnen Moleküls ist einer ziemlich scharfen Vibrationsenergie assoziiert. Davon gibt es mehrere, man kann die niedrigen Energien recht gut durch
beschreiben. n zählt dabei nicht die Anzahl der Moleküle sondern nummeriert die erlaubten Energien mit n = 0, 1, 2 … f_0 steht für eine charakteristische Vibrationsfrequenz. Im Grundzustand liegt keine Vibration vor (ich vernachlässige die Nullpunktsenergie, da sie für die Fragestellung keine Rolle spielt).
(die Erklärung der Absorption entspricht derjenigen der für Elektronen in Atomen; kennst du die?)
Um ein einzelnes Molekül im Grundzustand zu einer Vibration n anzuregen, benötigst du ein Photon passender Energie
Daraus folgen die möglichen Frequenzen, bei der die Photonen absorbiert werden.
Für die Konstruktion einer Mikrowelle sucht man sich eine geeignete Frequenz aus. Dabei kommt eine weitere, quantenmechanisch berechenbare Größe ins Spiel, der sogenannte Wirkungsquerschnitt. Wenn ein Photon passender Frequenz auf ein Molekül trifft, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es absorbiert wird, immer noch von diesem n abhängig. Die Temperaturerhöhung des Gargutes hängt also auch davon ab, wie viele Photonen absorbiert werden.
| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Wenn ein Molekül Energie von einer solcher Welle aufnimmt, geht die Energie dann in die Vibration der Bindungspartner, in die Bewegung des Moleküls oder beides? |
Beides.
Dazu betrachtet man die Energie- und Impulserhaltung:
Das Molekül hat vorher bzw. nachher einen Impuls p bzw. p*. Der Impuls des Photons verschwindet mit diesem. m ist die Masse, die den Impuls des Photons aufnimmt, das wäre in einem Gas wie Wasserdampf die Masse des Moleküls (in einem Festkörper wäre m dessen Gesamtmasse; diese ist so groß, dass man den Rückstoß vernachlässigen darf; im Gargut dürfte das komplizierter sein).
Daraus folgt tatsächlich eine Verbreiterung und Verschiebung der Absorptionslinien, d.h. die Frequenz muss nicht ganz exakt passen.
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DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5041
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| DrStupid Verfasst am: 21. Jan 2022 09:37 Titel: |
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| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Ist es nun so, dass die stärkere UV-Strahlung hier heißt, dass mehr EM-Wellen/Photonen erzeugt werden? Also quasi nicht das einfach eine kurzwelligere Welle erzeugt wird (die dann energiereicher/stärker ist)? |
Ja, bei einer Sonnenbank so sollte das zumindest sein. Würde die Strahlung kurzwelliger werden, dann wäre das Ganze noch ungesünder, als es ohnehin schon ist.
| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Ist es dann so, dass bei der Absorption/Abschwächung der Welle eine "neue" Welle entsteht, die dann langwelliger ist? Oder werden wenn ich mir ein Bündel von EM-Wellen vorstelle nur Teil absorbiert und ein anderer bleibt unberührt? |
Bei der Absorption werden nur Teile der Welle entfernt und der Rest läuft weiter. Da das Wasser durch die Absorption erwärmt, fängt es allerdings an, selbst Infrarot- und Mikrowellen-Strahlung zu emittieren. Das passiert beides gleichzeitig.
| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Bei der Resonanzfrequenz von Molekülen: Hier ist die Vibration von Bindungspartnern gemeint oder? |
Nein. Dafür sind Mikrowellen nicht energiereich genug. In der Mikrowelle wird die Rotation von Wassermolekülen angeregt. Das ist möglich, weil Wasser ein Dipolmolekül ist. Weil die elektrischen Ladungen im Molekül nicht gleichmäßig verteilt sind, "versucht" es sich in einem elektromagnetischen Feld auszurichten. Wenn jetzt eine elektromagnetische Welle vorbei kommt, dann ändert dieses Feld ständig seine Richtung. Dadurch fängt das Molekül an zu rotieren.
| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Was ich mich hier noch frage ist, wenn die Vibration verantwortlich ist, wie viel aufgenommen werden kann, ist es dann so, dass durch die passende Frequenz der Welle mehr Photonen auf die Bindungspartner stoßen und so mehr Energie übertragen werden kann (doof gesagt, dass bei nicht passender Frequenz die Bindungspartner sich vor den Photonen wegducken)oder kann ich diesen Teilchenaspekt hier nicht anwenden? |
Anders als ein makroskopischer Körper, kann ein Molekül nur mit bestimmten Frequenzen rotieren. Um diese Rotation anzuregen, muss die elektromagnetische Welle möglichst die gleiche Frequenz haben.
Das ist so ähnlich, als wenn Du eine Schaukel in Gang bringen willst, indem Du sie immer wieder anstößt. Dazu muss die Frequenz der Stöße möglichst gut mit der Schwingungsfrequenz übereinstimmen. Bei Resonanz hann man eine Überschlagschaukel auf diese Weise auch rotieren lassen.
Der Unterschied besteht im Grunde nur darin, dass die Rotation des Moleküls mit einem Stoß angeregt wird, wenn die Frequenz stimmt. Damit es noch einmal auf dieselbe Weise angeregt werden kann, muss es die Energie dieses Rotationsfreiheitsgrades erst wieder loswerden, indem es sie strahlungslos auf andere Freiheitsgrade bzw. andere Moleküle verteilt oder wieder als Mikrowellen-Photon abstrahlt.
| Restan hat Folgendes geschrieben: | | Wenn ein Molekül Energie von einer solcher Welle aufnimmt, geht die Energie dann in die Vibration der Bindungspartner, in die Bewegung des Moleküls oder beides? |
Sie geht in alle Freiheitsgrade. Die Verteilung ist allerdings nicht gleichmäßig, sondern hängt von den jeweiligen Energien ab. Valenzschwingungen (bei denen sich der Abstand gebundener Atome ändert) werden z.B. so gut wie gar nicht angeregt, weil dafür sehr viel Energie nötigt ist. Die meiste Energie fließt in die Rotations- und Translationsfreiheitsgrade. Das macht sich makroskopisch als Erwärmung bemerkbar. |
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TomS
Moderator
Anmeldungsdatum: 20.03.2009
Beiträge: 18018
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| TomS Verfasst am: 21. Jan 2022 10:21 Titel: |
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Richtig, bei der Mikrowelle geht es tatsächlich im Rotationsanregungen des Moleküls.
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