Lichtbrechung verstehen und testen

Lichtbrechung einfach erklärt

Lichtbrechung tritt auf, wenn Licht von einem Medium in ein anderes übergeht und dabei seine Richtung ändert. Der Grund ist die unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit in den Medien: In Wasser oder Glas breitet sich Licht langsamer aus als in Luft. An der Grenzfläche ändert sich dadurch die Wellenrichtung – das Licht wird gebrochen. Wie stark, beschreibt das Snelliussche Brechungsgesetz: n₁ · sin α = n₂ · sin β, wobei α der Einfallswinkel und β der Brechungswinkel ist, beide gemessen zum Lot. Der Brechungsindex n gibt an, um welchen Faktor Licht im Medium langsamer ist als im Vakuum; für Luft gilt näherungsweise n = 1, für Wasser etwa 1,33 und für Glas etwa 1,5.

Ein häufiges Missverständnis betrifft die Messung der Winkel: Einfallswinkel und Brechungswinkel werden nicht zur Grenzfläche, sondern zum Lot (der Senkrechten auf der Grenzfläche) gemessen. Ein zweiter Irrtum ist die Annahme, Licht werde immer vom Lot weg gebrochen. Richtig ist: Beim Übergang in das optisch dichtere Medium (größerer Brechungsindex) wird es zum Lot hin gebrochen, beim Übergang in das dünnere Medium vom Lot weg. Wird Licht dabei sehr flach auf die Grenzfläche getroffen, kann es diese nicht mehr verlassen – es tritt Totalreflexion ein. Das nutzen Glasfaserkabel, um Licht nahezu verlustfrei zu leiten.

Die Lichtbrechung erklärt viele Alltagsphänomene: Ein Trinkhalm wirkt in einem Wasserglas geknickt, weil das von ihm reflektierte Licht an der Wasseroberfläche gebrochen wird. Schwimmbecken erscheinen flacher, als sie sind, weil wir das gebrochene Licht am Boden falsch einordnen – deshalb sollte man nie ohne Vorsicht in unbekannte Gewässer springen. Auch Regenbögen entstehen durch Brechung und Dispersion: Weißes Licht wird in Wassertropfen in seine Farben zerlegt, weil der Brechungsindex von der Wellenlänge abhängt. Wer diese Zusammenhänge sicher anwenden kann, rechnet Brechungswinkel zuverlässig aus und erkennt typische Prüfungsfallen.