Lichtbrechung

Lichtbrechung einfach erklärt

Steckst du einen Löffel in ein Glas mit Wasser, so siehst du, dass dieser leicht geknickt aussieht. Genaue dieser Effekt ist die Lichtbrechung oder auch Refraktion genannt.

Lichtbrechung findet statt, wenn Licht auf eine Grenzfläche, also den Übergang von einem Medium wie Luft in ein anderes, wie Wasser, auftrifft. Hierbei wird ein Teil des Lichtes reflektiert, während ein weiterer Teil beim Durchgang der Grenzfläche seine Richtung verändert. Die Ausnahme stellen senkrecht auf die Grenzfläche auftreffende Lichtstrahlen dar. Diese werden nicht gebrochen.
Bei bestimmten Einfallswinkeln des Lichts kommt es auch zu einer sogenannten Totalreflexion. Das heißt, jegliches Licht wird reflektiert ohne dass eine Brechung stattfindet.

Lichtbrechung Brechungsgesetz

Das Brechungsgesetz kannst du am besten grafisch herleiten. Dabei betrachtest du zwei Medien und deren Grenzfläche zueinander. Wenn nun ein Lichtstahl durch das eine Medium in das andere Medium fällt, kannst du an der Grenzfläche die Lichtbrechung herleiten. 

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Wir betrachten dafür zwei Medien und deren Grenzfläche. An der Stelle, wo der Lichtstrahl die Grenzfläche trifft, zeichnest du eine Gerade senkrecht zur Grenzfläche ein, ein Lot. Der Winkel zwischen dem Lot und dem einfallenden Strahl ist der Einfallswinkel . Der Winkel zwischen dem Lot und dem gebrochenen Strahl ist der Brechungswinkel .
Breitet sich der strahl von einem optisch dünnen in ein optisch dichtes Medium aus, dann bricht der Strahl zum Lot hin. Breitet sich hingegen der Strahl vom dichteren ins dünnere Medium aus, so bricht der Strahl vom Lot weg weg. 
Beachte, dass der reflektierte Strahl immer den gleichen Winkel zur senkrechten Geraden hat, wie der einfallende Strahl. Hier gilt: Einfallswinkel ist gleich Ausfallswinkel .

Brechungsgesetz und Brechzahl

Wie die Brechung an Grenzflächen erfolgt ist abhängig von einer Materialeigenschaft: der Brechzahl oder auch dem Brechungsindex .

Die Sinuswerte von Einfalls- und Brechungswinkel, und , stehen im gleichen Verhältnis zueinander wie c₁ und c₂. Die Formelzeichen c₁ und c₂ sind die Geschwindigkeiten des in den jeweiligen Materialien 1 und 2. Breitet sich das Licht vor der Brechung im Vakuum oder der Luft aus, so ergibt sich aus dem Winkelverhältnis eine materialabhängige Konstante, die absolute Brechzahl .

Die Brechzahl gegenüber dem Vakuum , ist eine für jeden Stoff charakteristische Materialeigenschaft. Sie ist das Verhältnis der der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Medium. 

Tritt ein Strahl von einem optisch dichten Medium mit hoher Brechzahl in ein optisch dünneres Medium mit niedriger Brechzahl über, wird der Strahl von der Senkrechten weg gebrochen. Der Brechungswinkel ist in diesem Fall größer als der Einfallswinkel .

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Willst du mehr zur Brechzahl und dem Brechungsgesetz erfahren, schau dir das  Video zum Brechungsindex an. Darin erfährst du auch die mathematischen Hintergründe der Lichtbrechung.

Totalreflexion 

Abhängig vom Material gibt es einen Einfallswinkel , bei welchem der Brechungswinkel den Wert 90° annimmt. In diesem Fall geht der Strahl nicht mehr ins optisch dünnere Medium über sondern wird entweder zurück reflektiert oder verläuft entlang der Grenzfläche. Das ist der Effekt der Totalreflexion . 

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Auch zur Totalreflexion haben wir bereits ein Video für dich vorbereitet. Willst du mehr dazu wissen, vor allem wie du den Grenzwinkel der Totalreflexion berechnen kannst, schau dir unseren Beitrag dazu an!

Lichtbrechung Grenzflächen

In der Regel ändert sich die Ausbreitungsrichtung von Licht an jedem Übergang zwischen verschiedenen Medien, nicht nur beim Übergang von Luft zu Wasser. Tritt ein Lichtstrahl von einem transparenten Medium in ein anderes ein, so ändert sich dessen Ausbreitungsrichtung. Dabei beobachtest du die Lichtbrechung.

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Wie stark das Licht gebrochen wird oder ob es zur Totalreflexion kommt, hängt dabei direkt vom Winkel ab, unter welchem das Licht auf die Grenzfläche trifft.

Lichtbrechung an Wasser

In der Luft breitet sich Licht geradlinig aus. Trifft dein Strahl auf eine Wasseroberfläche, teilt er sich auf. Ein Teil des Strahls breitet sich im Wasser aus während ein anderer Teil in die Luft reflektiert wird. 

Der Lichtstrahl im Wasser ändert beim Übergang in das Medium seine Richtung. Das ist die Brechung. Über die Winkel des einfallenden Strahls und des gebrochenen Strahls bestimmst du die Stärke der Brechung. Nach der Brechung breitet sich der Lichtstrahl im Wasser wieder geradlinig aus.

Beim Vergleich der Winkel des einfallenden und reflektierten Lichtstrahls, siehst du dass die Winkel gleich groß sind. Nach der Reflektion bewegt sich auch der reflektierte Strahl in der Luft wieder geradlinig aus. 

Lichtbrechung an Glas

Beim Übergang von Luft zu Glas findet auch Brechung statt. Die stärke der Brechung ist von der Form des Glases abhängig. Dieser Effekt wird bei Linsen ausgenutzt um den Lichtstrahl in die gewünschte Richtung auszulenken.

Lichtbrechung am Auge

Die Brechung am Auge ist ähnlich wie jene an Glas. Im Grunde ist das Auge eine Linse, welche das Licht auf einen bestimmten Punkt bündelt. Die Brechung an der Grenzfläche erlaubt ein schärfere Auswertung des empfangenen Bildes im Gehirn. 

Lichtbrechung Prisma

Eine der wichtigsten Beobachtungen ist das Brechungsverhalten am Prisma. Hier wird der Lichtstrahl zweimal gebrochen. Einmal beim Übergang von Luft zu Glas und ein weiteres Mal beim Übergang vom Glas zur Luft. Da beide Grenzflächen gegeneinander geneigt sind, bricht der Lichtstrahl insgesamt in Richtung der dickeren Basis des Prismas. 

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Je größer der Winkel unter der Spitze des Prismas, desto stärker wird der Lichtstrahl um den Winkel gebrochen. Bei sehr stumpfen Winkeln, führt dies sogar zur Totalreflexion und damit einer Reflektion zurück in das Prisma.

Lichtbrechung Beispiel 

Als Beispiel stell dir vor du stehst an einem Teich. Mit einem Laser strahlst du die Wasseroberfläche an. Du beobachtest, dass der Strahl unter der Wasseroberfläche gebrochen wird. Da du vom optisch dünnerem Medium Luft in das optisch dichtere Medium Wasser strahlst, ist der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel . Strahlst du von unterhalb der Wasseroberfläche nach oben, so ist der Übergang von dichtem zu dünnen Medium. In diesem Fall ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel.

Die Totalreflektion nutz du zum Beispiel bei Glasfaserkabeln aus. Eine elektromagnetische Welle strahlt in das Kabel ein. Dabei hat der Strahl einen Winkel, welcher dafür sorgt, dass das Licht das Kabel niemals verlässt.