Wenn ein Lichtstrahl von einem Medium in ein anderes übergeht – zum Beispiel wenn er aus einem Wasserteich austritt oder durch Ihre Brille geht – haben Sie vielleicht bemerkt, dass er sich verbiegt. Dies wird als Brechung bezeichnet und geschieht je nach einfallendem Licht und Material unter verschiedenen Winkeln. Auf diese Weise können die Augen auch Bilder sehen und an das Gehirn übermitteln.
Lichtbrechung
Brechung ist die Beugung von Lichtstrahlen beim Übergang von einem Medium in ein zweites Medium. Sie resultiert aus der Tatsache, dass sich Licht in verschiedenen Medien mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet. Wie stark ein Lichtstrahl gebrochen wird, hängt davon ab, wie unterschiedlich seine Geschwindigkeit im zweiten Medium von dem ersten ist. Je größer der Geschwindigkeitsunterschied, desto größer der Brechungswinkel.
Sie können darüber nach dem Prinzip der geringsten Zeit nachdenken. Stellen Sie sich einen Rettungsschwimmer vor, der versucht, einen Schwimmer weit unten am Ufer und im Wasser in kürzester Zeit zu erreichen. Sie weiß, dass sie viel schneller laufen als schwimmen kann. Der Versuch, die Schwimmerin auf einer geraden Linie zu erreichen, wäre aufgrund ihrer langsamen Schwimmgeschwindigkeit im Verhältnis zu ihrer Laufgeschwindigkeit ineffizient; Stattdessen rennt sie den Strand hinunter, bis sie fast vor dem Schwimmer ist, und springt dann ins Wasser.
Die Strecke, die sie zurücklegt, ist länger, aber die zurückgelegte Zeit ist aufgrund ihrer unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedenen Medien kürzer. Dies ist, was Licht tut, wenn es gebrochen wird.
Wasserwellen können auch gebrochen werden, wenn sie sich zwischen Gebieten unterschiedlicher Tiefe bewegen, da Wellen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, je nachdem, ob sie sich im Flachwasser oder im Tiefwasser befinden.
Brechungsindex
Der Brechungsindex für ein gegebenes Medium ist eine einheitenlose Zahlneinwon = c/v, wocist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum undvist die Lichtgeschwindigkeit im Medium. Je langsamer sich Licht in einem Medium ausbreitet, desto höher ist der Brechungsindex dieses Mediums. Die Geschwindigkeit einer Lichtwelle in einem Medium hängt von ihrer Wellenlänge ab und damit auch vom Brechungsindex.
Dies führt zu einem Phänomen namensDispersion, die in Lichtprismen zu sehen ist: Bei weißem Licht, das Lichtwellen vieler verschiedener enthält Wellenlängen, in ein Prisma eindringt, wird jede Komponentenlichtwelle in einem anderen Winkel gebrochen, abhängig von ihrer Wellenlänge. Dadurch entsteht das Aussehen eines Regenbogens.
Der Brechungsindex in Luft hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich Druck und Temperatur. Die "Wellen", die im Sommer von heißen Objekten wie dem Bürgersteig ausgehen, entstehen, weil Licht durch heißere Luft anders gebrochen wird als durch kühlere Luft, was zu verzerrten Bildern führt.
Darüber hinaus kann die Luft in der Nähe einer heißen Straße im Sommer tatsächlich Licht reflektieren, das auf einen Beobachter zukommt in einem flachen Winkel, so dass es aussieht, als ob sich ein Spiegel oder eine reflektierende Wasseroberfläche auf der Straße.
Snells Gesetz
Das Snell-Gesetz bezieht sich auf die Brechungsindizes zweier Medien sowie den Einfallswinkelθichzum Brechungswinkelθr, wie sich das Licht beim Übergang von einem Medium in das andere biegt.
n_i\sin (\theta_i)=n_r\sin (\theta_r)
Diese Gleichung kann den Winkel vorhersagen, unter dem Licht in einem gegebenen Medium gebrochen wird, wenn die Brechungsindizes beider Medien und der Einfallswinkel bekannt sind. Es gilt in jeder Situation, in der Licht gebrochen wird, mit zwei beliebigen Medien.
Totale interne Reflexion
Wenn Lichtwellen von einem Medium mit hohem Brechungsindex zu einem Medium mit niedrigerem Brechungsindex gelangen, es gibt einen kritischen Winkel, oberhalb dessen das Licht so stark gebogen wird, dass nichts davon in das andere Medium gelangt. Dies wird als innere Totalreflexion bezeichnet.
Der kritische Winkel ist der Einfallswinkel, für den der austretende Strahl einen Brechungswinkel von 90 Grad hat. So
\theta_i=\sin^{-1}\frac{n_i}{n_r}
Bei Winkeln oberhalb des kritischen Winkels erfährt alles Licht interne Totalreflexion.
Totale interne Reflexion erklärt, warum die Wasser-/Luftoberfläche in einem Aquarium von unten betrachtet aus einem bestimmten Winkel wie ein perfekter Spiegel aussieht. Luft hat einen viel niedrigeren Brechungsindex als Wasser, daher Lichtwellen in einem flachen Winkel zum Oberfläche von unten wird von der Oberfläche reflektiert, anstatt sie zu brechen, wodurch ein Spiegel.
Auch bei Wasser- und Schallwellen kann innere Totalreflexion auftreten.
Linsen
Die Lichtbrechung in einem Medium kann sich ändern, wenn die Oberfläche zwischen den Medien gekrümmt ist. Tatsächlich wird Licht, das aus der gleichen Richtung kommt, in unterschiedlichen Winkeln gebrochen, je nachdem, wo es auf der gekrümmten Oberfläche auftrifft.
Linsen sind Teile aus transparentem Material mit gekrümmten Seiten, die durch Brechung den Lichtweg beeinflussen. Eine Sammellinse ist in der Mitte dicker, sodass Lichtstrahlen, die von einer Seite der Linse eintreten, auf einen Brennpunkt auf der anderen Seite konvergieren. Dies ist, was Lupen und einige Teleskope verwenden.
Eine Konkavlinse ist in der Mitte dünner als an den Rändern, und von einer Seite eintretende Lichtstrahlen werden nach außen gebrochen und beim Austritt auf der anderen Seite gespreizt.
Beide Arten von Linsen werden beim korrigierenden Sehen verwendet, ob in Brillen oder Kontaktlinsen, je nachdem, was das Problem im Auge ist.
Beispiele
Unsere Augen interpretieren Licht durch Brechung. Licht tritt in die Hornhaut und dann in die Linse ein und wird in einem präzisen Punkt auf der Netzhaut gebrochen. Das Bild wird dann über den Sehnerv an das Gehirn übertragen. Tränende Augen führen aufgrund der Brechungseigenschaften von Tränen zu verschwommenem Sehen.
Alles, was optische Fasern enthält, beruht auf der Totalreflexion. Die Fasern haben einen hohen Brechungsindex und sind von Material mit sehr niedrigem Brechungsindex umgeben. Wenn Licht durch die Faser wandert, ist sein Winkel mit der Außenseite der Faser klein genug, um zu verhindern, dass es entweicht. Dadurch kann die Faser sehr fokussiertes Licht über eine große Entfernung transportieren. Glasfaser wird hauptsächlich in Internet- und Telefondiensten verwendet.
Regenbogen werden durch Brechung und Reflexion des Sonnenlichts von Wassertröpfchen in der Luft verursacht. Dies kann nach Regenfällen oder bei nebligen Bedingungen passieren, aber auch in der Nähe von Wasserfällen und Springbrunnen. Wie bereits erwähnt, haben unterschiedliche Wellenlängen (Farben) des Lichts für ein gegebenes Material leicht unterschiedliche Brechungsindizes, wodurch sie in unterschiedlichen Winkeln gebrochen werden. Ein Beobachter sieht dann einen Regenbogen von Farben in der Reihenfolge der Wellenlänge.
Brechung ist der Grund, warum das Wasser in einem Teich flacher aussieht, als es wirklich ist. Sobald Licht in der Luft in Wasser eintritt, biegt es sich aufgrund der Brechung in einem flacheren Winkel zur Oberfläche. Für einen Beobachter auf der "Luft"-Seite der Oberfläche erscheint es, als ob alles unter der Oberfläche flacher ist, weil das Licht in flacheren Winkeln gebogen wird.
Der kritische Winkel beeinflusst auch die Art und Weise, wie Edelsteine geschliffen werden. Ein Edelstein kann so geschliffen werden, dass das einfallende Licht beim Auftreffen auf die hinteren Facetten eine innere Totalreflexion erfährt und an der Vorderseite des Steins wieder austritt, um ihn heller erscheinen zu lassen. Diamant mit einem hohen Brechungsindex ist hierfür besonders geeignet und somit ein beliebter Edelstein.