Als een lichtstraal van het ene medium naar het andere gaat – zoals wanneer het uit een vijver met water komt, of wanneer het door uw bril gaat – is het u misschien opgevallen dat het buigt. Dit wordt breking genoemd en het gebeurt onder verschillende hoeken, afhankelijk van het invallende licht en het materiaal. Het is ook hoe ogen beelden kunnen zien en naar de hersenen kunnen verzenden.
Breking van licht
Breking is het afbuigen van lichtstralen als ze van het ene medium in een tweede medium overgaan. Het is het gevolg van het feit dat licht zich in verschillende media met enigszins verschillende snelheden voortplant. Hoeveel een lichtstraal wordt gebroken, hangt af van hoe verschillend de snelheid in het tweede medium is van het eerste. Hoe groter het verschil in snelheden, hoe groter de brekingshoek.
Je kunt hierover nadenken met het principe van de minste tijd. Stel je een badmeester voor die een zwemmer probeert te bereiken, ver beneden de kust en in het water, in de kortst mogelijke tijd. Ze weet dat ze veel sneller kan rennen dan dat ze kan zwemmen. Proberen bij de zwemmer te komen door in een rechte lijn te reizen, zou inefficiënt zijn vanwege haar lage zwemsnelheid ten opzichte van haar loopsnelheid; in plaats daarvan rent ze het strand af totdat ze bijna voor de zwemmer is en springt dan in het water.
De afstand die ze aflegt is langer, maar de afgelegde tijd is korter vanwege haar verschillende snelheden in verschillende media. Dit is wat licht doet als het wordt gebroken.
Watergolven kunnen ook worden gebroken wanneer ze tussen gebieden met verschillende diepten reizen, omdat golven met verschillende snelheden zullen reizen, afhankelijk van of ze zich in ondiep of diep water bevinden.
Brekingsindex
De brekingsindex voor een bepaald medium is een getal zonder eenheidneewaarn = c/v, waarcis de lichtsnelheid in een vacuüm envis de lichtsnelheid in het medium. Hoe langzamer licht zich in een medium voortplant, hoe hoger de brekingsindex van dat medium zal zijn. De snelheid van een lichtgolf in een medium hangt af van de golflengte en dus ook van de brekingsindex.
Dit leidt tot een fenomeen genaamdspreiding, die kan worden gezien in lichtprisma's: wanneer wit licht, dat lichtgolven van veel verschillende bevat golflengten, gaat een prisma binnen, wordt elke component lichtgolf gebroken onder een andere hoek, afhankelijk van zijn golflengte. Hierdoor ontstaat het uiterlijk van een regenboog.
De brekingsindex in lucht is afhankelijk van vele factoren, waaronder druk en temperatuur. De "golven" die in de zomer worden waargenomen door hete objecten zoals bestrating, treden op omdat licht anders breekt door warmere lucht dan door koelere lucht, waardoor vervormde beelden ontstaan.
Bovendien kan lucht in de buurt van een hete weg in de zomer licht weerkaatsen dat op een waarnemer afkomt onder een ondiepe hoek, waardoor het lijkt alsof er een spiegel of een reflecterend wateroppervlak op de weg.
De wet van Snell
De wet van Snell relateert de brekingsindices van twee media, evenals de invalshoekθiknaar de brekingshoekθr, hoe het licht buigt als het van het ene medium in het andere overgaat.
n_i\sin (\theta_i)=n_r\sin (\theta_r)
Deze vergelijking kan de hoek voorspellen waaronder licht in een bepaald medium zal breken, als de brekingsindices van beide media en de invalshoek bekend zijn. Het geldt in elke situatie met betrekking tot de breking van licht, met twee willekeurige mediums.
Totale interne reflectie
Als lichtgolven van een medium met een hoge brekingsindex naar een medium met een lagere brekingsindex gaan, er is een kritische hoek waarboven het licht voldoende wordt gebogen zodat niets ervan in het andere medium terechtkomt. Dit wordt totale interne reflectie genoemd.
De kritische hoek is de invalshoek waarvoor de uitgaande straal een brekingshoek van 90 graden heeft. Zo
\theta_i=\zonde^{-1}\frac{n_i}{n_r}
Bij hoeken boven de kritische hoek ondergaat al het licht totale interne reflectie.
Totale interne reflectie verklaart waarom, vanuit een bepaalde hoek, het water/luchtoppervlak in een aquarium, van onderaf bekeken, er als een perfecte spiegel uitziet. Lucht heeft een veel lagere brekingsindex dan water, en dus golven licht onder een kleine hoek met de oppervlak van onderaf zal weerkaatsen op het oppervlak in plaats van er doorheen te breken, waardoor een spiegel.
Totale interne reflectie kan ook optreden bij watergolven en geluidsgolven.
Lenzen
De breking van licht in een medium kan veranderen wanneer het oppervlak tussen mediums gekromd is. In feite zal licht dat uit dezelfde richting komt, onder verschillende hoeken breken, afhankelijk van waar het op het gebogen oppervlak valt.
Lenzen zijn stukjes transparant materiaal met gebogen zijkanten die breking gebruiken om het pad van het licht te beïnvloeden. Een convergerende lens is dikker in het midden, waardoor lichtstralen die van de ene kant van de lens binnenkomen, naar een brandpunt aan de andere kant kunnen convergeren. Dit is wat vergrootglazen en sommige telescopen gebruiken.
Een concave lens is in het midden dunner dan aan de randen, en lichtstralen die van de ene kant binnenkomen, worden naar buiten gebroken en uit elkaar gespreid als ze aan de andere kant naar buiten komen.
Beide soorten lenzen worden gebruikt bij corrigerend zicht, of het nu gaat om brillen of contactlenzen, afhankelijk van wat het probleem in het oog is.
Voorbeelden
Onze ogen interpreteren licht met behulp van breking. Licht komt het hoornvlies binnen en vervolgens de lens, brekend in een precies punt op het netvlies. Het beeld wordt vervolgens via de oogzenuw naar de hersenen gestuurd. Traanogen leiden tot wazig zien vanwege de brekende eigenschappen van tranen.
Alles dat optische vezels bevat, is afhankelijk van totale interne reflectie. De vezels hebben een hoge brekingsindex en zijn omgeven door materiaal met een zeer lage brekingsindex. Terwijl licht door de vezel reist, is de hoek met de buitenkant van de vezel klein genoeg om te voorkomen dat het ontsnapt. Hierdoor kan de vezel zeer gericht licht over grote afstand dragen. Glasvezel wordt voornamelijk gebruikt in internet- en telefoniediensten.
Regenbogen worden veroorzaakt door breking en weerkaatsing van zonlicht op waterdruppels in de lucht. Dit kan gebeuren na regenbuien of in mistige omstandigheden, maar ook in de buurt van watervallen en fonteinen. Zoals eerder vermeld, hebben verschillende golflengten (kleuren) van licht enigszins verschillende brekingsindices voor een bepaald materiaal, waardoor ze onder verschillende hoeken breken. Een waarnemer ziet dan een regenboog van kleuren, in volgorde van golflengte.
Breking is de reden waarom water in een vijver er ondieper uitziet dan het in werkelijkheid is. Zodra licht in lucht in het water komt, buigt het door breking in een kleinere hoek naar het oppervlak. Voor een waarnemer aan de "lucht"-kant van het oppervlak, lijkt het alsof alles onder het oppervlak ondieper is, omdat het licht onder kleinere hoeken wordt gebogen.
De kritische hoek beïnvloedt ook de manier waarop edelstenen worden gesneden. Een edelsteen kan zo worden geslepen dat het licht dat erin valt, totale interne reflectie ondergaat wanneer het de achterste facetten raakt, en weer uit de voorkant van de steen tevoorschijn komt om het helderder te laten lijken. Diamant, met een hoge brekingsindex, is hier bijzonder ideaal voor, waardoor het een populaire edelsteen is.