Abitur Brandenburg Physik 2026 · GK · Terahertz-Strahlung

Terahertz-Strahlung

Die Terahertz-Strahlung umfasst einen Teilbereich im elektromagnetischen Spektrum. Ein Anwendungsbereich der Terahertz-Technologie ist, dass diese Strahlung in der Sicherheitstechnik, z. B. bei Überwachungsanlagen mit Körperscannern, eingesetzt werden kann.

Material 1: Elektromagnetisches Spektrum

Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen $100\text{ GHz}$ und $3{,}00\text{ THz}$ wird allgemein als Terahertz-Strahlung bezeichnet. Der Frequenzbereich besitzt also eine sogenannte Bandbreite von $2{,}9\text{ THz}$. In graphischen Darstellungen des elektromagnetischen Spektrums wird die Terahertz-Strahlung oft nicht gesondert ausgewiesen. In Abbildung 1 ist deren Frequenzbereich als Unterbereich des Spektralbereichs ① dargestellt. Die unscharfen Ränder der Frequenzbereiche verdeutlichen, dass die Grenzen nicht exakt festgelegt sind.

1 In Material 1 ist der Frequenzbereich der Terahertz-Strahlung in einem Ausschnitt des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung dargestellt.

a)

Berechnen Sie die minimale und die maximale Wellenlänge der Terahertz-Strahlung. Benennen Sie mithilfe der Formelsammlung die Spektralbereiche ① und ②.

b)

Anhand von Abbildung 1 wird die nachfolgende Aussage getroffen: —Die Bandbreite der Terahertz-Strahlung ist deutlich größer als die des sichtbaren Lichts.—

Erklären Sie unter Berücksichtigung der Skalierung in Abbildung 1 den Fehler in dieser Aussage.

Material 2: „Passive“ Körperscanner bei Überwachungsanlagen

Jeder Mensch sendet nicht nur Wärmestrahlung, sondern auch elektromagnetische Strahlung im Terahertz-Bereich aus. „Passive“ Scanner erfassen bei Sicherheitskontrollen nur die Terahertz-Strahlung, die der menschliche Körper von Natur aus abgibt. Im Achsel- und Leistenbereich des menschlichen Körpers ist die Abstrahlung etwas intensiver als im Brust- und Bauchbereich.

Abbildung 2 zeigt, dass bei einem passiven Scanner das Bildverarbeitungssystem aufgrund der gemessenen Strahlung ein schemenhaftes Abbild im Vergleich zur Aufnahme mit einer herkömmlichen Kamera erstellt. Im schemenhaften Bild bedeuten die unterschiedlichen Grautöne innerhalb der erfassten Körperbereiche eine unterschiedliche Intensität der vom Scanner erfassten Terahertz-Strahlung. Diese wird von Materialien unterschiedlich abgeschirmt (siehe Tab. 1), sodass bei einer Kontrolle verborgene Gegenstände entdeckt werden können.

Tab. 1: Abschirmung von Terahertz-Strahlung Material · Anteil der abgeschirmten Strahlung

Baumwolle, Textilien · < 3 %

Plastik · 5 % - 10 %

Flüssigkeiten · 90 - 100 %

Metall · nahe 100 %

2 In Körperscannern wird die Terahertz-Strahlung von Detektoren erfasst und an ein Bildverarbeitungssystem weitergeleitet, in dem sie in visuelle Informationen umgewandelt wird.

Erläutern Sie anhand von Material 2, unter Bezug auf Tabelle 1, das Auftreten der unterschiedlichen Grautöne bei der rechten Aufnahme in Abbildung 2. Berücksichtigen Sie hierbei auch die verborgenen Gegenstände in Abbildung 2.

Material 3: Überlagerung von Wellenfronten zweier Sender

In Abbildung 3 sind zwei benachbarte Sender eines aktiven Körperscanners schematisch dargestellt. Die Abbildung zeigt modellhaft eine Momentaufnahme der von zwei Sendern $S_1$ und $S_2$ gleichphasig abgestrahlten Wellenfronten.

Abb. 3: Momentaufnahme der Wellenfronten (Wellenberg ───; Wellental - - -) im Bereich vor den beiden Sendern $S_1$ und $S_2$. Die Darstellung ist nicht maßstäblich.

3 Terahertz-Strahlung kann bei „aktiven“ Körperscannern auch technisch erzeugt werden. Für Personenkontrollen wurden verschiedene Arten von Sendern zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung entwickelt. Bei einer speziellen Bauart spielt die Überlagerung von Terahertz-Wellen, die von annähernd punktförmigen Sendern in alle Raumrichtungen abgestrahlt werden, eine entscheidende Rolle (siehe M 3).

a)

Ermitteln Sie für die Punkte A und B in Abbildung 3 den jeweiligen Gangunterschied $\Delta s$ als Vielfaches der Wellenlänge $\lambda$ und begründen Sie jeweils, ob konstruktive oder destruktive Interferenz vorliegt.

b)

Betrachtet wird ein Punkt C, der sich vor den Sendern $S_1$ und $S_2$ befindet (siehe Abb. 3). Der Abstand der Sender zueinander ist, gegenüber deren Entfernung zu dem Punkt C, als klein anzunehmen.

Leiten Sie anhand einer beschrifteten Skizze die Beziehung $\Delta s = \sin(\alpha) \cdot g$ für den Gangunterschied $\Delta s$ der beiden Sender im Punkt C her. Dabei sind $g$ der Abstand der beiden Sender und $\alpha$ der Winkel, unter dem ein Maximum bzw. Minimum zum Maximum 0. Ordnung abgestrahlt wird.

Material 2: „Passive“ Körperscanner bei Überwachungsanlagen

Jeder Mensch sendet nicht nur Wärmestrahlung, sondern auch elektromagnetische Strahlung im Terahertz-Bereich aus. „Passive“ Scanner erfassen bei Sicherheitskontrollen nur die Terahertz-Strahlung, die der menschliche Körper von Natur aus abgibt. Im Achsel- und Leistenbereich des menschlichen Körpers ist die Abstrahlung etwas intensiver als im Brust- und Bauchbereich.

Abbildung 2 zeigt, dass bei einem passiven Scanner das Bildverarbeitungssystem aufgrund der gemessenen Strahlung ein schemenhaftes Abbild im Vergleich zur Aufnahme mit einer herkömmlichen Kamera erstellt. Im schemenhaften Bild bedeuten die unterschiedlichen Grautöne innerhalb der erfassten Körperbereiche eine unterschiedliche Intensität der vom Scanner erfassten Terahertz-Strahlung. Diese wird von Materialien unterschiedlich abgeschirmt (siehe Tab. 1), sodass bei einer Kontrolle verborgene Gegenstände entdeckt werden können.

Tab. 1: Abschirmung von Terahertz-Strahlung Material · Anteil der abgeschirmten Strahlung

Baumwolle, Textilien · < 3 %

Plastik · 5 % - 10 %

Flüssigkeiten · 90 - 100 %

Metall · nahe 100 %

Material 4: Fragen und Antworten rund um den „Nacktscanner“

In einem Online-Artikel werden Informationen rund um den „Nacktscanner“ (Körperscanner) gegeben:

Aus urheberrechtlichen Gründen kann die Quelle hier nicht wiedergegeben werden. Der zugrunde liegende Artikel lässt sich unter folgendem Link abrufen (wobei insbesondere der Absatz „Ist das Durchleuchten des Körpers mit Terahertz-Strahlung gesundheitsschädlich?“ von Bedeutung für die Aufgabe ist):

https://www.zeit.de/wissen/2010-01/nacktscanner-fragen/komplettansicht

4

Ein Flughafen steht vor der Wahl entweder aktive oder passive Körperscanner anzuschaffen.

Geben Sie unter Verwendung der Materialien 2 und 4 eine begründete Empfehlung, welche der beiden Scannerarten Ihrer Meinung nach angeschafft werden soll. Berücksichtigen Sie dabei insgesamt drei Aspekte (mindestens ein fachlicher, mindestens ein außerfachlicher).