Brechung ist die Biegung von Wellen beim Übergang von einem Medium zum anderen aufgrund einer Änderung ihrer Geschwindigkeit. Das Phänomen wird am häufigsten mit Licht in Verbindung gebracht, kann aber auch auf Schall- oder sogar Wasserwellen zutreffen. Dies geschieht, wenn sich eine Reihe von Wellen schräg auf das neue Medium zubewegt, so dass eine Seite vor der anderen eine Geschwindigkeitsänderung erfährt, wodurch sie sich auf die langsamere Seite dreht, so wie ein fahrendes Fahrzeug dazu neigt, sich zu wenden, wenn eine Seite wird stärker verlangsamt als die andere. Lichtbrechung kann dazu führen, dass Objekte verschoben erscheinen und entfernte Geräusche verstärken. Es hat viele Anwendungen im Zusammenhang mit Licht, wie Linsen und Prismen.
Brechungsindex
Jedes Medium, durch das sich Wellen bewegen können, hat einen Brechungsindex, der angibt, wie schnell sie sich fortbewegen. Im Fall von Licht wird dies gefunden, indem seine Geschwindigkeit im Vakuum durch seine Geschwindigkeit in diesem speziellen Medium geteilt wird. Es ist ein Verhältnis zwischen den Geschwindigkeiten der Medien, wird also in keiner Einheit gemessen. Der Brechungsindex steigt in der Regel mit der Dichte des Mediums: Er beträgt eins für ein Vakuum und ist größer als eins für alle bekannten Naturmaterialien.
Luft hat typischerweise einen Brechungsindex von etwa 1.00029, aber dieser variiert mit Temperatur und Druck. Bei Wasser liegt der Wert bei ca. 1.33 und bei Glas bei ca. 1.50 – 1.75, je nach Typ. Diamant hat einen sehr hohen Brechungsindex von 2.417, wodurch der bekannte funkelnde Effekt entsteht.
Alltagsbeispiele
Das häufigste Beispiel, das bei der Diskussion der Refraktion verwendet wird, ist ein Strohhalm in Wasser. Wenn ein Strohhalm in ein Glas Wasser gelegt und von der Seite betrachtet wird, scheint er gebrochen oder verbogen zu sein. Dies ist auf die unterschiedlichen Brechungsindizes von Luft und Wasser zurückzuführen. Da Wasser dichter als Luft ist, scheint sich der Strohhalm zu biegen, da das reflektierte Licht durch die Dichte des Wassers verlangsamt wird. Dieses Phänomen lässt auch untergetauchte Objekte wie Fische näher an der Oberfläche erscheinen, als sie tatsächlich sind.
Da der Brechungsindex von Luft mit Temperatur und Druck variiert, können Objekte unter bestimmten Bedingungen verschoben oder verzerrt erscheinen. Ein Beispiel ist die bekannte Illusion von Wasser, das an einem heißen Tag auf einer Straße liegt: Es ist ein gebrochenes Bild des Himmels, das durch die Erwärmung der Luft in der Nähe der Straßenoberfläche entsteht. Manchmal können Luftschichten mit unterschiedlichen Temperaturen und Drücken Objekte sichtbar machen, die sich über dem Horizont befinden – dies wird als Fata Morgana bezeichnet. Unterschiedliche Luftschichten können ähnliche Phänomene mit Schall erzeugen. Unter den richtigen Bedingungen können entfernte Geräusche in der Nähe erscheinen, da einige der Schallwellen, die anfangs über den Hörer gehen, nach unten gebogen werden können, wodurch die Lautstärke erhöht wird.
Ein häufigeres Beispiel ist ein Regenbogen, bei dem das Sonnenlicht von Regentropfen gebrochen wird. Sonnenlicht besteht aus einer Mischung verschiedener Wellenlängen oder Farben des Lichts, wobei Blau beispielsweise eine kürzere Wellenlänge als Rot hat. Wenn dieses Licht durch Regentropfen fällt, werden die kürzeren Wellenlängen stärker gebogen als die längeren, wodurch das Licht in seine verschiedenen Farben aufgespalten wird.
Verwendung
Die häufigsten Anwendungen der Refraktion sind Linsen und Prismen. Eine Linse ist so konstruiert, dass das einfallende Licht durch Brechung auf einen Punkt fokussiert wird, wodurch ein vergrößertes Bild eines Objekts erzeugt wird. Linsen können in Ferngläsern und Teleskopen verwendet werden, um detaillierte Bilder von entfernten Objekten zu erhalten, oder in Lupen und Mikroskopen, um sehr kleine Objekte zu betrachten, wie zum Beispiel Mikroorganismen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Ein Prisma kann verwendet werden, um Licht in die verschiedenen Farben aufzuteilen, ähnlich wie Wassertropfen einen Regenbogen erzeugen, aber ein genaueres Bild ergeben, das zur detaillierten Analyse der Lichtquelle verwendet werden kann.
Snells Gesetz
Das Phänomen der Lichtbrechung war mindestens seit der Zeit der alten Griechen bekannt, und eine Reihe von Menschen haben im Laufe der Geschichte Gesetze formuliert, um es zu beschreiben, darunter Ibn Sahl von Bagdad, der 984 eine sehr genaue Beschreibung vorlegte, die er verwendet, um Linsen zu erstellen. Der niederländische Astronom Willebrord van Roijen Snell stellte 1621 ein mathematisches Gesetz auf, das 1637 von René Descartes in die Formel „Snellsches Gesetz“ umgewandelt wurde. Es kann verwendet werden, um den Brechungswinkel für Licht zu berechnen, das durch zwei verschiedene Medien hindurchtritt.