Strahlenbrechung

Brechung bezeichnet die Richtungsänderung einer Welle aufgrund einer lokalen Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die durch die bei Brechzahl n beschrieben wird.

Die Brechung erfolgt zum Lot, wenn ein Lichtstrahl in ein Medium mit größerer Brechzahl eintritt (zum Beispiel aus Luft in Wasser oder Glas)

Begriffe

Zu unterscheiden sind die Begriffe Brechung (engl. refraction), Beugung (engl. diffraction) und Extinktion als Absorptionsmaß.

Es gibt auch die Schallbrechung an Grenzflächen, die auch Refraktion genannt wird im Gegensatz zur Schallbeugung, die Diffraktion genannt wird.

In der Geodäsie und Astronomie bezeichnet man die atmosphärische Lichtbrechung speziell als Refraktion, deren Korrektur als Reduktion.

Elektromagnetischen Wellen

Treffen Licht- oder andere elektromagnetische Wellen von einem Medium (zum Beispiel Luft) auf ein anderes (zum Beispiel Glas), dessen Brechzahl sich von dem des ersten unterscheidet, wird ein Teil des Lichts reflektiert, ein anderer erfährt eine Ablenkung gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz (siehe partielle Reflexion).

• Beim Übertritt in ein Medium mit größerer Brechzahl wird der Strahl zum Lot der Trennfläche gebrochen, also steiler (im Bild von oben nach unten)
• Beim Übertritt in ein Medium mit kleinerer Brechzahl wird der Strahl vom Lot weg gebrochen, also flacher (im Bild von unten nach oben). In diesem Fall kann es zur Totalreflexion kommen, wenn der Einfallswinkel β einen bestimmten Wert überschreitet.

Unterschied zwischen Brechung, Beugung und Extinktion

Illustration der Brechung mit Elementarwellen. Die gelben Punkte zeigen dabei gedachte Ausgangspunkte neuer Wellen.

Während Brechung die Richtungsänderung einer Welle durch veränderte Geschwindigkeit in verschiedenen Medien ist, bedeutet Beugung die Ablenkung an einem Hindernis (Spalt, Gitter, Linsenrand usw).

Der Unterschied beider Begriffe wird am Beispiel von Linsenoptiken deutlich. Bei Linsenfernrohren beispielsweise haben Brechung und Beugung folgende Auswirkungen:

• Geometrisch wird mit dem Snelliusschen Brechungsgesetz der Strahlengang durch Objektiv und Okular im Rahmen der geometrischen Optik berechnet. Daraus ergibt sich die Vergrößerung des Fernrohrs, und wie stark seine Abbildungsfehler (Aberrationen) sind, die die Bildqualität vermindern. Aber auch bei vollständiger Korrektur dieser Aberrationen kann das Auflösungsvermögen des Fernrohrs (Trennschärfe bei kleinen Winkeln) ein bestimmtes Maß nicht überschreiten.
• Diese maximal mögliche Auflösung wird physikalisch von der Beugung bestimmt, die am Rand jeder Linse entsteht. Je größer deren Fläche (die Apertur) ist, desto schärfer kann die Optik zeichnen. Gleichzeitig wird sie auch lichtstärker.

Der dritte Effekt ist die Extinktion - die Abschwächung eines Signals, wie z. B. Licht bei Nebel. In einem Fernrohr ist die Extinktion relativ gering, weil moderne Glassorten eine hohe Durchlässigkeit und zusätzlich eine Vergütung haben, welche die partielle Reflexion an den Linsenoberflächen reduziert.

Atmosphärische Lichtbrechung

Atmosphärische Refraktion: der Lichtstrahl (blau) erscheint gehoben, gegenüber Vakuum wird der Zenitwinkel um r verkleinert (z = z'-r). Der Winkel r ist in Wirklichkeit 50-mal kleiner

In der Astronomie und Geodäsie muss die Lichtablenkung in der Atmosphäre ab einer gewissen Messgenauigkeit genau berücksichtigt werden. Dieser rechnerische Vorgang wird als „Reduktion wegen Refraktion“ bezeichnet.

Der Refraktionswinkel r (siehe Bild) beträgt bei Sternen etwa 0,017°·tan(z) (Zenitwinkel z = 90°-Höhenwinkel). Je nachdem, ob sich das beobachtete Objekt innerhalb der Atmosphäre, an ihrem Rand oder schon außerhalb befindet, werden drei Arten der Refraktionsformel unterschieden: terrestrische Refraktion für geodätische Messungen, Satelliten-Refraktion für Höhen ab 200 km, und Astronomische Refraktion für Richtungsmessungen zu Gestirnen.

Brechung seismischer Wellen

Das Phänomen der Brechung tritt nicht nur bei elektromagnetischen Wellen auf. Derselbe Effekt beeinflusst auch die seismischen Wellen, die den Erdkörper durchlaufen. Statt optisch unterschiedlich dichter Medien, liegen hier Gesteine mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten vor. Durchläuft eine seismische Welle eine Schichtgrenze zweier unterschiedlich schneller seismischer Medien, kommt es auch hier jeweils zur Brechung und zur Reflexion. Beim Übergang einer seismischen Welle in ein dichteres Gestein (mit höherer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen) wird die Welle vom Lot weggebrochen, beim Übergang in ein weniger dichtes Gestein (mit niedrigerer Ausbreitungsgeschwindigkeit) wird die Welle zum Lot hin gebrochen. Eine seismische Welle zeigt deshalb beim Durchlaufen des Erdkörpers einen typischen bogenförmigen Verlauf. Zusätzlich tritt hier das Phänomen der Konversion zwischen den unterschiedlichen Raumwellentypen auf. Wie in der Optik gilt dabei auch in der Seismik das Snelliussche Brechungsgesetz.

Anwendungen

Diese Bildserie zeigt die verändert erscheinende Form eines Stabes durch Lichtbrechung, nachdem er in Wasser eintaucht. Deshalb verlangt es einige Übung, um Fische von der Oberfläche aus im Wasser zu ergreifen.

Ein Stab, der in einem leeren Glas steht.

Nach dem Zufüllen von Wasser erscheint der Stab etwas abgeknickt.

Vergleich der zwei Bilder (Überlagerung).

Schemazeichnung zur Erklärung des Effekts der 'optischen Hebung'

Die optischen Eigenschaften von Linsen basieren auf Brechung. Allerdings ist bei Linsen – anders als bei optischen Prismen – die Dispersion (= Abhängigkeit der Brechzahl von der Wellenlänge) unerwünscht.

Optisch anisotrope Materialien können doppelbrechend sein: ein Lichtstrahl teilt sich in zwei Strahlen mit entgegengesetzter Polarisation, die unterschiedlich stark gebrochen werden.

Auch Erdbebenwellen werden im Erdinneren gebrochen. Daraus können die Geophysiker Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Erdmantels und auf Änderungen von Dichte und Elastizität seiner Gesteine ziehen. Die Analyse der Laufzeit von seismischen Wellen wird in der Angewandten Geophysik auch für die Exploration von Erdöl und anderer Lagerstätten eingesetzt.

Verwandte Themen

• Meta-Materialien sind Stoffe mit negativer Brechzahl.
• Zur Entspiegelung werden Linsen durch ein Material mit geringerer Brechzahl optisch vergütet.

Weblinks

• Brechung von Lichtstrahlen Ausführliche Erläuterung von Brechung und Totalreflexion anhand von praktischen Beispielen und sehr guten Grafiken
• Reflection and Refraction - java - engl.
• Mineralienatlas Lichtbrechung
• Reflexion und Brechung von Licht - java
• Dynamische Arbeitsblätter zum Thema "Brechung und Totalreflexion"
• Flash-Animation Zu Brechung und Totalreflexion
• Refraktionsmodelle und der Aufbau der Atmosphäre
• [1] gute Erklärungen zum Thema "Brechung"
• Lerneinheit zur Brechung des Lichts
• Animation zu Geschwindigkeitsänderung und Brechung Schlitten fährt auf eine mit Sand gestreute Schneefläche