Lichtbrechung und Totalreflexion
Ein Strohhalm im Wasserglas sieht geknickt aus, ein Schwimmbecken wirkt flacher, als es ist. Der Grund: Licht ändert an der Grenze zwischen zwei Stoffen seine Richtung. Diese Brechung macht Linsen, Brillen und Regenbögen möglich.
Warum wird Licht gebrochen?
Licht ist nicht in allen Stoffen gleich schnell. In Luft ist es fast so schnell wie im Vakuum, in Wasser nur etwa drei Viertel so schnell, in Glas ungefähr zwei Drittel. Trifft ein Lichtbündel schräg auf die Grenzfläche, wird die eine Seite des Bündels früher abgebremst als die andere – das Bündel knickt ab, ähnlich wie ein Bollerwagen, der mit einem Rad zuerst von der Straße in den Sand rollt.
Einen Stoff, in dem Licht langsamer ist, nennt man optisch dichter. Wasser ist optisch dichter als Luft, Glas optisch dichter als Wasser.
Die Brechungsregeln
Merke
- Beim Übergang ins optisch dichtere Medium (Luft → Wasser) wird der Strahl zum Lot hin gebrochen.
- Beim Übergang ins optisch dünnere Medium (Wasser → Luft) wird er vom Lot weg gebrochen.
- Senkrecht einfallendes Licht (α = 0°) wird nicht gebrochen.
Auch hier misst man alle Winkel zum Lot: α ist der Einfallswinkel, β der Brechungswinkel. Ein Teil des Lichts wird an der Grenzfläche außerdem immer reflektiert.
Das Brechungsgesetz (Snellius)
n1 · sin α = n2 · sin β Brechungsgesetz
Die Brechzahl n gibt an, um welchen Faktor Licht im Stoff langsamer ist als im Vakuum: Luft ≈ 1,00, Wasser 1,33, Glas ≈ 1,5, Diamant 2,42.
Beispiel
Licht fällt unter α = 45° aus Luft in Wasser. sin β = 1,00 · sin 45° / 1,33 ≈ 0,532 ⇒ β ≈ 32°.
Totalreflexion
Geht Licht vom optisch dichteren ins dünnere Medium, wird es vom Lot weg gebrochen. Bei einem bestimmten Einfallswinkel, dem Grenzwinkel, läuft der gebrochene Strahl genau an der Oberfläche entlang. Ist der Einfallswinkel noch größer, kommt gar kein Licht mehr heraus: Es wird vollständig reflektiert – Totalreflexion.
- Grenzwinkel Wasser → Luft: etwa 49°; Glas → Luft: etwa 42°.
- Glasfaserkabel: Licht wird im Inneren der Faser immer wieder totalreflektiert und so über Hunderte Kilometer geleitet – Grundlage des schnellen Internets und von Endoskopen.
- Diamanten funkeln, weil ihr kleiner Grenzwinkel (24°) viel Licht im Inneren hin und her wirft.
- Umlenkprismen in Ferngläsern ersetzen Spiegel.
Farben und Prisma
Weißes Licht ist ein Gemisch aus allen Farben. Weil Glas verschiedene Farben unterschiedlich stark bricht (Violett am stärksten, Rot am schwächsten), fächert ein Prisma das Licht in die Spektralfarben auf: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Violett. Beim Regenbogen übernehmen Wassertropfen die Rolle des Prismas.
Typischer Fehler
„Zum Lot hin“ und „vom Lot weg“ verwechseln. Eselsbrücke: Im dichteren Stoff wird das Licht langsamer und „schmiegt sich ans Lot“.
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