De wifi in je huis, de warmte van een kampvuur, het licht waarmee je deze tekst leest en de röntgenfoto bij de tandarts zijn allemaal hetzelfde verschijnsel. Dat inzicht is van James Clerk Maxwell (1865): hij liet zien dat een veranderend elektrisch veld een magnetisch veld opwekt en omgekeerd, zodat de twee elkaar door de ruimte kunnen ‘dragen’. Uit zijn vergelijkingen volgde een snelheid die precies gelijk was aan de gemeten lichtsnelheid. Licht bleek een elektromagnetische golf. Heinrich Hertz maakte in 1887 als eerste radiogolven in het laboratorium en bevestigde de theorie. Hoe magneetvelden zelf ontstaan, lees je in een apart artikel.
Het elektromagnetisch spectrum
Het volledige bereik van golflengtes heet het elektromagnetisch spectrum. Het loopt van radiogolven van kilometers lang tot gammastraling met een golflengte kleiner dan een atoomkern. De grenzen tussen de gebieden zijn afspraken, geen harde natuurwetten; ze overlappen deels.
| Soort | Golflengte λ | Frequentie f | Toepassingen en bronnen |
|---|---|---|---|
| Radiogolven | > 1 m | < 300 MHz | FM-radio, DAB+, tv, scheepvaart, MRI-scanner |
| Microgolven | 1 mm – 1 m | 300 MHz – 300 GHz | mobiele telefonie (4G/5G), wifi, magnetron, radar, gps |
| Infrarood | 700 nm – 1 mm | 300 GHz – 430 THz | warmtestraling, afstandsbediening, warmtecamera, glasvezel |
| Zichtbaar licht | 400 – 700 nm | 430 – 750 THz | zien, fotosynthese, lasers, ledlampen |
| Ultraviolet (UV) | 10 – 400 nm | 750 THz – 3 · 10¹⁶ Hz | zonnebrand en vitamine D, desinfectie, blacklight |
| Röntgenstraling | 0,01 – 10 nm | 3 · 10¹⁶ – 3 · 10¹⁹ Hz | medische foto’s, CT-scan, bagagecontrole, kristalonderzoek |
| Gammastraling | < 0,01 nm | > 3 · 10¹⁹ Hz | radioactief verval, bestraling van tumoren, sterilisatie |
Het zichtbare deel is opvallend klein: van violet (ongeveer 400 nm) via blauw, groen en geel naar rood (ongeveer 700 nm). Dat onze ogen juist dit stukje zien is geen toeval: de zon straalt het meeste uit rond 500 nm, en de atmosfeer laat precies dit gebied goed door. Ultraviolet wordt grotendeels door de ozonlaag tegengehouden, röntgen- en gammastraling door de lucht als geheel.
Eigenschappen van de golf: c = f · λ
Zoals bij elke golf (zie golven en trillingen) hangen snelheid, frequentie en golflengte samen. Voor elektromagnetische straling in vacuüm is de snelheid altijd c:
- c
- lichtsnelheid in vacuüm, 2,998 · 10⁸ m/s (in lucht vrijwel gelijk)
- f
- frequentie, in hertz (Hz = trillingen per seconde)
- λ
- golflengte, in meter
Omdat c vastligt, horen een hoge frequentie en een korte golflengte altijd bij elkaar.
Voorbeeld 1 — FM-radio. Een zender op 100 MHz = 1,00 · 10⁸ Hz heeft λ = c / f = 3,00 · 10⁸ / 1,00 · 10⁸ = 3,0 m. Een goede FM-antenne is daarom ongeveer een halve of kwart golflengte lang: 1,5 m of 75 cm.
Voorbeeld 2 — wifi en magnetron. Beide werken rond 2,4 GHz. λ = 3,00 · 10⁸ / 2,4 · 10⁹ = 0,125 m = 12,5 cm. In een magnetron ontstaat een staand golfpatroon met ‘koude plekken’ om de halve golflengte, ongeveer 6 cm; daarom draait het bord rond.
Voorbeeld 3 — rood licht. Bij λ = 650 nm = 6,50 · 10⁻⁷ m is f = 3,00 · 10⁸ / 6,50 · 10⁻⁷ = 4,6 · 10¹⁴ Hz: 460 biljoen trillingen per seconde.
In een stof als glas of water is de snelheid lager dan c. De frequentie blijft dan gelijk, maar de golflengte wordt korter. Dat snelheidsverschil veroorzaakt breking en is de reden dat een lens werkt.
Fotonen: de energie E = h · f
Bij uitzending en absorptie gedraagt straling zich niet als een gelijkmatige golf maar als een stroom energiepakketjes: fotonen. Max Planck (1900) en Albert Einstein (1905, foto-elektrisch effect) ontdekten dat de energie van één foton alleen van de frequentie afhangt. Dat dubbele karakter heet de golf-deeltjedualiteit.
- E
- energie van één foton, in joule (of elektronvolt: 1 eV = 1,602 · 10⁻¹⁹ J)
- h
- constante van Planck, 6,626 · 10⁻³⁴ J·s
- f, λ
- frequentie (Hz) en golflengte (m)
Voorbeeld 4 — groen licht. λ = 550 nm geeft E = 6,626 · 10⁻³⁴ × 3,00 · 10⁸ / 5,50 · 10⁻⁷ = 3,6 · 10⁻¹⁹ J. Delen door 1,602 · 10⁻¹⁹ geeft 2,3 eV.
Voorbeeld 5 — röntgen. λ = 0,10 nm = 1,0 · 10⁻¹⁰ m geeft E = 2,0 · 10⁻¹⁵ J ≈ 12 keV, zo’n 5 000 keer meer dan een foton groen licht.
Voorbeeld 6 — wifi. f = 2,4 · 10⁹ Hz geeft E = 6,626 · 10⁻³⁴ × 2,4 · 10⁹ = 1,6 · 10⁻²⁴ J ≈ 0,00001 eV. Een wifirouter zendt er enorm veel van uit, maar elk afzonderlijk foton is volkomen zwak.
Handige vuistregel: E (in eV) ≈ 1240 / λ (in nm). Rood licht van 700 nm: 1,8 eV; violet van 400 nm: 3,1 eV.
Fotonen met precies de juiste energie kunnen een elektron in een atoom naar een hogere schil tillen. Valt het terug, dan komt weer een foton van precies die energie vrij. Zo verklaarde Bohr de spectraallijnen van waterstof; zie het atoommodel van Bohr.
Ioniserende en niet-ioniserende straling
Of straling schadelijk is voor cellen, hangt niet in de eerste plaats af van de totale hoeveelheid energie, maar van de energie per foton. Om een elektron uit een atoom of molecuul te slaan (ioniseren) is ongeveer 10 eV of meer nodig; bij waterstof 13,6 eV. Een foton met minder energie kan dat niet, hoeveel fotonen er ook zijn. Ontstaat er toch een ion, dan kunnen chemische bindingen breken, ook in DNA.
| Soort | Fotonenergie | Werking op het lichaam |
|---|---|---|
| Radio, microgolven | < 0,001 eV | niet-ioniserend; bij hoog vermogen alleen opwarming |
| Infrarood | 0,001 – 1,7 eV | niet-ioniserend; voelbaar als warmte |
| Zichtbaar licht | 1,8 – 3,1 eV | niet-ioniserend; zet wel chemische reacties in gang (zien, fotosynthese) |
| UV-A en UV-B | 3,1 – 4,4 eV | formeel niet-ioniserend, maar beschadigt DNA direct: zonnebrand, huidkanker |
| Kortgolvig UV | > ca. 10 eV | ioniserend |
| Röntgen, gamma | keV – MeV | sterk ioniserend; dringt diep door, afscherming met lood of beton |
Dit verklaart een veelgehoorde vraag: 5G en wifi kunnen DNA niet ioniseren, omdat elk foton ongeveer een miljoen keer te weinig energie heeft. De enige vastgestelde werking is opwarming, en die is bij de toegestane vermogens heel klein. Röntgenstraling daarentegen ioniseert al bij een kleine dosis, daarom gaat de laborant bij een foto even achter een scherm staan. Gammastraling ontstaat bij radioactief verval; alfa- en bètastraling zijn ook ioniserend, maar dat zijn deeltjes en geen elektromagnetische straling.
Hoe ontstaat elektromagnetische straling?
- Versnelde ladingen. Elektronen die in een antenne heen en weer gaan, zenden radiogolven uit met dezelfde frequentie als hun trilling.
- Sprongen van elektronen tussen energieniveaus in atomen geven zichtbaar licht en UV met scherpe golflengtes: neonreclame, ledlampen, het lijnenspectrum van sterren.
- Warmtestraling. Elk voorwerp straalt door de warmtebeweging van zijn deeltjes. De piek ligt volgens de wet van Wien bij λmax = 2,90 · 10⁻³ / T. De zon (5 800 K) piekt rond 500 nm (zichtbaar), een mens (310 K) rond 9,4 µm (infrarood). Zie ook warmtetransport.
- Afremmen van snelle elektronen in een röntgenbuis geeft röntgenstraling (remstraling).
- Atoomkernen die van een aangeslagen toestand terugvallen, zenden gammastraling uit.
Intensiteit en afstand
Een puntbron straalt zijn vermogen P gelijkmatig uit over een boloppervlak 4πr². De intensiteit (vermogen per vierkante meter) is dus I = P / (4πr²): twee keer zo ver weg geeft een vier keer zo lage intensiteit. Daarom neemt de straling van een zendmast of een lamp snel af met de afstand, en daarom houdt men bij bronnen van ioniserende straling vooral afstand. Bij de aarde komt van de zon ongeveer 1 361 W/m² aan, boven de atmosfeer gemeten. Hoe het infrarood dat de aarde terugstraalt wordt vastgehouden, lees je bij het broeikaseffect.
Straling als boodschapper uit het heelal
Bijna alles wat we over sterren weten, komt uit hun straling. Het spectrum verraadt de temperatuur en de samenstelling; een verschuiving van de spectraallijnen door het dopplereffect of de roodverschuiving laat zien hoe snel een ster of sterrenstelsel van ons af beweegt. Omdat de atmosfeer röntgen-, gamma- en veel infraroodstraling tegenhoudt, staan telescopen voor die gebieden in de ruimte. Meer daarover bij sterren en sterrenstelsels.
Veelgestelde vragen
Wat is elektromagnetische straling?
Een golf van elektrische en magnetische velden die elkaar opwekken en zonder tussenstof met de lichtsnelheid door de ruimte gaan. Radiogolven, microgolven, infrarood, licht, UV, röntgen- en gammastraling zijn allemaal elektromagnetische straling.
Wat is de volgorde van het elektromagnetisch spectrum?
Van lange naar korte golflengte: radiogolven, microgolven, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgenstraling en gammastraling. In die volgorde nemen frequentie en energie per foton toe.
Hoe bereken je de golflengte uit de frequentie?
Met c = f · λ, dus λ = c / f. Voor een radiozender van 100 MHz is λ = 3,00 · 10⁸ / 1,00 · 10⁸ = 3,0 m.
Hoe bereken je de energie van een foton?
Met E = h · f = h · c / λ, waarbij h = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s. Een foton groen licht van 550 nm heeft 3,6 · 10⁻¹⁹ J, ongeveer 2,3 eV.
Welke straling is ioniserend?
Straling met fotonen van ongeveer 10 eV of meer: kortgolvig ultraviolet, röntgenstraling en gammastraling. Radiogolven, microgolven, infrarood en zichtbaar licht zijn niet-ioniserend.
Is straling van wifi en 5G gevaarlijk?
Wifi en 5G zenden microgolven uit waarvan elk foton ongeveer een miljoen keer te weinig energie heeft om atomen te ioniseren. Het enige vastgestelde effect is lichte opwarming, die bij de toegestane vermogens verwaarloosbaar is.