Brechung (Physik)
Die Brechung, auch Refraktion, ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle durch eine räumliche Änderung des Brechungsindex des Mediums, das die Welle durchläuft. Die Änderung des Brechungsindex führt dabei zu einer Änderung der Phasengeschwindigkeit der Welle. Brechung tritt bei jeder Art von Wellen auf, die sich in mehr als einer Dimension ausbreiten. Beispiele sind Licht, Schallwellen, Wasserwellen oder Erdbebenwellen.
Licht[Bearbeiten]
Die Brechung von Licht – oder allgemeiner: von elektromagnetischen Wellen – wird am einfachsten durch die Strahlenoptik beschrieben, welche für Strukturen gilt, die groß im Vergleich zur Wellenlänge sind. An Phasengrenzen tritt durch Brechung ein Knick im Strahl auf. Dabei ist der Winkel zwischen dem Lichtstrahl und dem Lot auf der Seite der Grenzfläche größer, wo der Brechungsindex kleiner ist. Die Richtungsänderung ist umso stärker, je größer der Einfallswinkel ist. Beides wird durch das Snelliussche Brechungsgesetz beschrieben.
Die Brechung lässt sich jedoch auch im Wellenbild erklären, und zwar mit dem Huygensschen Prinzip: Die Wellenfronten des einfallenden Lichts erzeugen Elementarwellen, die sich im Inneren des optisch dichteren Mediums mit geringerer Geschwindigkeit ausbreiten und deswegen auch eine geringere Wellenlänge aufweisen. Die Teile der Wellenfront, die als erste auf die Phasengrenze treffen, werden auch früher abgebremst, so dass sich die Wellenfront zum optisch dichteren Medium hin dreht. Dadurch ändert sich die Ausbreitungsrichtung, die ja stets orthogonal zur Wellenfront ist.
Meistens tritt an einer derartigen Phasengrenze zusätzlich zur Brechung auch Reflexion auf, so dass der einfallende Lichtstrahl in zwei Strahlen (einen reflektierten und einen gebrochenen Lichtstrahl) aufgetrennt wird. Bilden diese beiden letzteren Strahlen einen rechten Winkel, so ist der Einfallswinkel der Brewster-Winkel. Verschwindet die Brechung jedoch völlig und das gesamte Licht wird reflektiert, so spricht man von Totalreflexion. Zur Totalreflexion kommt es, wenn der Lichtstrahl aus dem optisch dichteren Medium kommt und verhältnismäßig flach auf die Grenzfläche trifft. Dann wäre der Ausfallwinkel des gebrochenen Strahls nach dem Brechungsgesetz größer als 90°, was geometrisch unsinnig ist.
Ändert sich der Brechungsindex des Ausbreitungsmediums jedoch stetig, z.B. wegen sich räumlich allmählich ändernden Stoffkonzentration, findet eine kontinuierliche Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit statt und Strahlen werden gekrümmt, siehe etwa astronomische Refraktion. In beiden Fällen gilt das Fermatsche Prinzip, wonach Strahlen Wege extremaler, meist minimaler Laufzeit beziehungsweise optischer Weglänge nehmen.
Die Abhängigkeit der Brechung von der Wellenlänge (bei Licht also von der Farbe) nennt man Dispersion. Darauf beruht die Eigenschaft eines Prismas, Licht in seine spektralen Bestandteile zu zerlegen.
Anisotrope Materialien sind doppelbrechend, das heißt, die Anteile einer Welle werden in Abhängigkeit ihrer Polarisation unterschiedlich (stark) gebrochen.
