Brechung (Physik)

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Brechung (unterer Lichtstrahl) und Reflexion (oberer Lichtstrahl) eines Lichtstrahls an einem transparenten Halbkreiskörper.
Durch Doppelbrechung an einem Kalkspat-Kristall wird das einfallende Licht in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl aufgespalten, die durch ihre rote Fluoreszenz im Kristall sichtbar sind.

Als Brechung oder Refraktion wird in der Optik das Phänomen bezeichnet, dass ein schmales Lichtbündel („Lichtstrahl“), das schräg - also nicht im rechten Winkel - von einem optischen Medium in ein anderes Medium übertritt, aus seiner Richtung abgelenkt, d.h. gebrochen wird. Dadurch erscheint etwa ein ins Wasser getauchter Stab an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft abgeknickt. Ein Gegenstand, der unter Wasser liegt, z.B. eine Münze, erscheint dadurch angehoben. Physikalisch wird das durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in den verschiedenen Medien erklärt, die stets kleiner als die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist. Die Brechkraft eines Mediums wird dabei durch den Brechungsindex LaTeX: n charakterisiert:

LaTeX: n = \frac{c_0}{c_m}

LaTeX: c_0 ist dabei die Vakuumlichtgeschwindigkeit und LaTeX: c_m die Lichtgeschwindigkeit im Medium. In einem optisch dichteren Medium ist die Geschwindigkeit des Lichts geringer als in einem optisch dünneren Medium. Beim Übergang von einem dünneren Medium in ein dichteres wird daher das Licht zum Lot, andernfalls vom Lot gebrochen. Dieser Zusammenhang wird mathematisch durch das erstmals 1621 von Willebrord van Roijen Snell (1580-1626) veröffentlichte und später nach ihm benannte Snelliussches Brechungsgesetz beschrieben. Danach besteht zwischen dem Einfallswinkel LaTeX: \delta_1 und dem Brechungswinkel LaTeX: \delta_2 abhängig von den Brechungsindizes LaTeX: n_1 und LaTeX: n_2 der beiden Medien folgender Zusammenhang:

LaTeX: n_1\sin(\delta_1)=n_2\sin(\delta_2).

Der Brechungsindex ist im Allgemeinen von der Farbe des Lichts abhängig. Blaues Licht wird dabei in der Regel stärker gebrochen als rotes Licht. Dieses Phänomen wird in der Physik als Dispersion (Physik) bezeichnet und durch den postulierten Wellencharakter des Lichts erklärt. Bei der normalen Dispersion, die bei den meisten durchsichtigen Medien in Erscheinung tritt, steigt der Brechungsindex mit zunehmender Frequenz an.

Doppelbrechung

Das Phänomen der Doppelbrechung zeigt sich bei optisch anisotropen Kristallen wie etwa Calcit (auch Kalkspat oder Doppelspat genannt), die in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Ein einfallendes Lichtbündel wird dadurch in einen ordentlichen Strahl und einen außerordentlichen Strahl von senkrecht zueinander polarisiertem Licht aufgetrennt. Das Brechungsgesetz ist nur für den ordentlichen Strahl gültig, nicht aber für den außerodentlichen Strahl.

Siehe auch