Optik
Optische Strahlung

Optische Versuche sind seit jeher ein wichtiger Bestandteil des Physikunterrichts. Ob und welche Schutzmaßnahmen bei Schüler- oder Demonstrationsexperimenten zu ergreifen sind, richtet sich nach den verwendeten optischen Strahlungsquellen und der Art des experimentellen Aufbaus.

Ziel ist es, akute sowie langfristige Haut- und Augenschädigungen, z. B. infolge von Blendung oder Überreizungen, zu vermeiden. In diesem Zusammenhang spielt die Einhaltung des Expositionsgrenzwerts der jeweiligen optischen Strahlung eine wesentliche Rolle. Dieser Grenzwert gibt an, wie hoch die maximal zulässige Einwirkung von optischer Strahlung auf die Augen oder die Haut sein darf, ohne diese zu schädigen. Er ist abhängig von der Strahlungsart sowie der Frage, wie lange und in welchem räumlichen Abstand Personen der Strahlung ausgesetzt sind.

Noch bevor der optische Versuch aufgebaut und durchgeführt wird, müssen im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung mögliche Gesundheitsrisiken abgeschätzt und die hieraus resultierenden Schutzmaßnahmen umgesetzt werden.

Um die Einhaltung der Expositionsgrenzwerte sicher beurteilen zu können, müssen die erforderlichen Informationen zu den experimentell verwendeten optischen Komponenten bekannt sein und vorliegen. Nur so kann die Höhe der Exposition mittels Berechnungen oder Messungen bestimmt werden.

Inkohärente künstliche optische Strahlung

Inkohärente künstliche optische Strahlung ist jede künstliche optische Strahlung außer Laserstrahlung. Bei einer Vielzahl der im Unterricht genutzten optischen Strahlungsquellen genügt ihr bestimmungsgemäßer Gebrauch, damit der jeweilige Expositionsgrenzwert eingehalten wird. In diese Kategorie fallen

  • Haushaltsübliche Leuchtmittel
  • Schwarzlichtlampen zur Bühnenbeleuchtung
  • Offene Flammen, z. B. Bunsenbrenner
  • Natrium-Spektrallampen
  • Blitzlichtgeräte und Geldscheinprüfgeräte

Wird von den Herstellerangaben abgewichen, können Expositionsgrenzwerte überschritten werden. In diesem Fall müssen zusätzliche Schutzmaßnahmen zur Vermeidung von Gesundheitsschäden ergriffen werden. Für verschiedene, typischerweise im Physikunterricht eingesetzten Strahlungsquellen werden solche Schutzmaßnahmen im Folgenden vorgestellt.

Wärmestrahlung und Infrarot-Strahlungsquellen

Infrarotstrahlung (IR-Strahlung - Wellenlängenbereich von 780 Nanometer bis 1 Millimeter) wird häufig auch als Wärmestrahlung bezeichnet, da diese Strahlung als Wärme wahrgenommen wird. Je nach Wellenlänge kann Infrarotstrahlung in das menschliche Gewebe eindringen und dort Schäden verursachen. Brand- und Verbrennungsgefahr besteht auch, wenn gebündeltes Sonnenlicht z. B. auf menschliche Haut oder brennbares Material trifft. Eine geeignete Schutzmaßnahme ist ein ausreichender Abstand zur IR-Quelle. Die an den Versuchen teilnehmenden Schülerinnen und Schüler sind entsprechend zu unterweisen.

 
Ultraviolette Strahlung

Beim Experimentieren mit ultravioletter (UV-)Strahlung (Wellenlängenbereich von 100 Nanometer bis 400 Nanometer) kann nicht nur der direkte Blick in den Strahlengang, sondern auch das seitlich abgestrahlte Streulicht zu  Augen- und Hautschäden führen.  In Unterrichtsräumen ist für eine ausreichende Lüftung zu sorgen, da UV-Strahlung zur Ozonbildung führt.

Das von UV-Hand- und Tischlampen, z. B. in der Dünnschichtchromatografie verwendet, ausgesandte Streulicht wird in einer Entfernung von 1 Meter als unproblematisch angesehen. Hingegen ist beim händischen Arbeiten im Strahlengang dieser Lichtquellen schon nach weniger als 3 Minuten die erlaubte Tagesdosis von 30 Joule/Quadratmeter erreicht. Händische Arbeitsvorgänge im Abstrahlbereich dieser UV-Lichtquellen sind deshalb auf wenige Minuten (< 3 Minuten) zu begrenzen.

Wesentlich höhere Bestrahlungsstärken im UV-Wellenlängenbereich erreichen mit einem Quarzglaskolben versehen Spektrallampen, wie z. B. Quecksilberdampflampen. Selbst in einem Abstand von 50 Zentimetern kann das von diesen Lampen ausgesandte und an optischen Komponenten gestreute Licht innerhalb von Sekunden die Haut und die Augen schädigen. Der Aufenthalt im Strahlengang der Lampe oder ein direkter Blick in diesen ist unbedingt zu vermeiden. Aufgestellte Schutzscheiben aus z. B. Polycarbonat, Acrylglas oder Glas schirmen auftretendes Streulicht wirksam ab und ermöglichen es den Schülerinnen und Schülern, den Versuch zu beobachten. Allerdings ist zur Blockung oder Abschirmung des direkten Strahlengangs diese Art von Schutzscheiben eher ungeeignet.

Lässt sich der Arbeitsbereich rund um den Versuch herum nicht ausreichend gegen die emittierte UV-Strahlung abschirmen, müssen die Schülerinnen und Schüler sowie die Lehrkräfte UV-Schutzbrillen und Gesichtsschutzschilde tragen. Der Bereich ist mit dem Gefahrenhinweisschild „Vorsicht ultraviolette Strahlung" zu kennzeichnen.

Quecksilberdampflampen mit einem Glaskolben statt Quarzglaskolben geben deutlich weniger UV-Licht ab. Ist nicht eindeutig zu klären, ob es sich um eine Lampe mit einem Glaskolben handelt, sollten die zuvor beschriebenen Schutzmaßnahmen dringend eingehalten werden.

Maßnahmen zum Schutz vor Blendung

Optische Strahlungsquellen mit einer Leuchtdichte von mehr als 1000 Candela pro Quadratmeter verursachen Blendungen, die möglicherweise Nachbilder und eine Einschränkung der Sehfähigkeit verursachen. In diesem Fall sind Abschirmungen oder Abschottungen in den Versuchsaufbau zu integrieren, die Personen den direkten Blick in den Strahlengang der Lichtquelle verwehren. Ist Letzteres gegeben, können z. B. Bogenlampen, die sich in einem geschlossenen Gehäuse befinden, im Unterricht sicher betrieben werden.

Beim Abbrennen eines Magnesiumbands wird selbst in einem Abstand von 1,7 Metern zur Lichtquelle die zulässige Leuchtdichte um das 1000-Fache überschritten. Als Blendschutz eignen sich Abschirmmaßnahmen sowie der Einsatz von optischen Filtern, welche die Leuchtdichte stark reduzieren. Hierzu eignen sich Schweißerschutzfilter der Stufe 3 oder 4, Kobaltglas oder eine Ceranglasscheibe. Die experimentierende Lehrkraft sollte z. B. eine Schweißerschutzbrille der Stufe 5 tragen. Die Schülerinnen und Schüler sind vor Beginn des Experiments darauf hinzuweisen, nicht in die Flamme zu schauen. Sollte dennoch jemand direkt in die Flamme gesehen haben, so ist eine Beeinträchtigung des Sehvermögens für einige Minuten bis Stunden möglich. 

LED-Leuchtmittel werden in Risikogruppen eingeteilt. Fallen die im Physikunterricht verwendeten LEDs unter die Risikogruppe 2 und höher, sind geeignete Blendschutzmaßnahmen, z. B. mittels geeigneter optischer Filter, bei der Versuchsplanung sowie bei der experimentellen Durchführung zu berücksichtigen. Eine Blendungsbeurteilung kann anhand der Leuchtdichte durchgeführt werden. Bei Leuchtdichten ab 1000 cd/m² besteht eine Blendung mit ggf. Nachbildern und Einschränkung der Sehfähigkeit. Gebündelte Hochleistungs-LED-Scheinwerfer können 3.000.000 und mehr cd/m² erreichen. Deshalb dürfen diese LEDs nicht auf die Augen von Personen gerichtet werden.

 
Laser - kohärente optische Strahlungsquellen

Optische Versuche mit Lasern dürfen im Schulunterricht nur mit Lasern der Klasse 1, 1M, 2 und 2M durchgeführt werden und unterliegen der Aufsicht der Lehrkraft. Außerhalb des Unterrichts sind die Laser unter Verschluss aufzubewahren.

  • Klasse 1: Die vom Lasergerät emittierte Strahlung ist ungefährlich.
  • Klasse 1 M: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im Wellenlängenbereich von 302,5 Nanometer bis 400 Nanometer und ist für das Auge ungefährlich, solange der Strahlquerschnitt nicht durch optische Instrumente, wie Lupen, Linsen, Teleskope, verkleinert wird.
  • Klasse 2: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich von 400 Nanometer bis 700 Nanometer. Bei einer kurzzeitigen Einwirkungsdauer (bis 0,25 Sekunden) ist sie für das Auge ungefährlich. Zusätzliche Strahlungsanteile außerhalb des Wellenlängenbereichs von 400 Nanometer bis 700 Nanometer erfüllen die Bedingungen für Klasse 1. Für kontinuierlich strahlende Laser der Klasse 2 beträgt der Grenzwert der zugänglichen Strahlung 1 Milliwatt.
  • Klasse 2 M: Die zugängliche Laserstrahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich von 400 Nanometer bis 700 Nanometer. Sie ist bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer (bis 0,25 Sekunden) für das Auge ungefährlich, solange der Querschnitt nicht durch optische Instrumente (Lupen, Linsen, Teleskope) verkleinert wird. Zusätzliche Strahlungsanteile außerhalb des Wellenlängenbereichs von 400 Nanometer bis 700 Nanometer erfüllen die Bedingungen für Klasse 1 M.
  • Klasse 3 A: Alte Bezeichnung der Klasse 2 M-Laser. Entsprechende Maßnahmen sind zu ergreifen.

Der experimentelle Aufbau ist so zu gestalten, dass niemand in den direkten noch in den reflektierten Laserstrahl blicken kann. Zudem sind die an den Experimenten beteiligten Schülerinnen und Schüler über die augenschädigende Wirkung von Laserstrahlung aufzuklären. Räumliche Bereiche, innerhalb derer mit Lasern experimentiert wird, sind gegen unbeabsichtigtes Betreten zu sichern und mit einem "Laserwarnschild" zu kennzeichnen.