Wie funktionieren Radiowellen?

EM oder elektromagnetische Strahlung besteht aus einem magnetischen Feld und einem elektrischen Feld. Diese Felder breiten sich in Wellen aus, die senkrecht zueinander stehen und können anhand ihrer Wellenlänge klassifiziert werden, die der Abstand zwischen den Spitzen zweier Wellen ist. Die Art der EM-Strahlung mit der längsten Wellenlänge sind Radiowellen. Wenn Teilchen beschleunigen oder ihre Geschwindigkeit oder Richtung ändern, geben sie EM-Strahlung über das gesamte Spektrum ab, einschließlich langwelliger Radiowellen. Es gibt fünf allgemeine Möglichkeiten, wie dies geschieht.

Ein schwarzer Körper ist ein Objekt, das Strahlung absorbiert und dann wieder emittiert. Wenn ein Objekt erhitzt wird, bewegen sich seine Atome und Moleküle, was zur Freisetzung von EM-Strahlung führt, die je nach Temperatur an einem anderen Punkt entlang des EM-Spektrums ihren Höhepunkt erreicht. Zum Beispiel fühlt sich ein erhitztes Metallstück zuerst warm oder infrarot an und glüht dann, wenn es in den sichtbaren Lichtanteil des Spektrums eintritt. Bei viel niedrigeren Temperaturen wird Strahlung mit Radiowellenlängen emittiert.

Wenn Elektronen in Gasatomen verdrängt oder abgestreift werden, werden sie ionisiert. Dies ist wie die Schwarzkörperstrahlung eine andere Form der thermischen Emission. Dadurch bewegen sich geladene Teilchen im ionisierten Gas, was die Elektronen beschleunigt. Beschleunigte Teilchen setzen EM-Strahlung frei, und einige Gaswolken setzen sie bei Radiowellenlängen frei, beispielsweise in der Nähe von Sternentstehungsgebieten oder aktiven galaktischen Kernen. Dies wird auch als "freie" Emission und "Bremsstrahlung" bezeichnet.

Die dritte Art der thermischen Emission ist die Spektrallinienemission. Wenn sich Elektronen in Atomen von hohen zu niedrigen Energieniveaus umwandeln, wird ein Photon – eine masselose Energieeinheit, die einer Welle gleichgesetzt werden kann – freigesetzt. Das Photon hat die gleiche Energie wie die Differenz zwischen dem hohen und dem niedrigen Niveau, von dem und zu dem sich die Wahl bewegt. Bei einigen Atomen, wie zum Beispiel Wasserstoff, werden Photonen im Radiobereich des EM-Spektrums emittiert – im Fall von Wasserstoff 21 Zentimeter.

Dies ist eine nicht-thermische Form der Emission. Synchrotronemission tritt auf, wenn Teilchen durch ein Magnetfeld beschleunigt werden. Typischerweise ist ein Elektron geladen, da es weniger Masse als Protonen hat und daher leichter beschleunigt. Dadurch reagiert es leichter auf Magnetfelder. Das Elektron dreht sich um das Magnetfeld und gibt dabei Energie ab. Je weniger Energie es übrig hat, desto breiter ist der Kreis um das Feld und desto länger ist die Wellenlänge der EM-Strahlung, die es emittiert, einschließlich der Radiowellenlängen.

Maser sind eine andere Art nicht-thermischer Strahlung. Das Wort "Maser" ist eigentlich ein Akronym für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Es ähnelt einem Laser, außer dass ein Maser verstärkte Strahlung mit einer längeren Wellenlänge ist. Ein Maser entsteht, wenn eine Gruppe von Molekülen mit Energie versorgt und dann einer bestimmten Strahlungsfrequenz ausgesetzt wird. Dadurch emittieren sie Radiophotonen. Wenn eine Energiequelle die Moleküle wieder mit Energie versorgt, setzt dies den Prozess zurück und es wird wieder ein Maser emittiert.