Brechung (Physik)

Brechung und Reflexion eines Lichtstrahls an einem Plexiglas-Halbkreiskörper

Brechung an Wassertropfen, die wie eine Sammellinse wirken (Motiv: Golden Gate Bridge)

Brechung oder Refraktion (englisch refraction) bezeichnet die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle aufgrund einer räumlichen Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die speziell für Lichtwellen durch den Brechungsindex n eines Mediums beschrieben wird. Allgemein tritt Brechung bei jeder Art von Wellen auf, die sich in mehr als einer Dimension ausbreiten, etwa Schallwellen und Wasserwellen.

Die Brechung ist, anders als Beugung (engl. diffraction), Gegenstand der Strahlenoptik, welche für Strukturen gilt, die groß im Vergleich zur Wellenlänge sind. An Grenzflächen tritt durch Brechung ein Knick im Strahl auf, der durch das Brechungsgesetz beschrieben wird. Bei kontinuierlicher Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit werden Strahlen gekrümmt, siehe etwa Astronomische Refraktion. In beiden Fällen gilt das Fermatsche Prinzip, wonach Strahlen Wege extremaler, meist minimaler Laufzeit bzw. Länge nehmen.

Die Abhängigkeit der Brechung von der Wellenlänge (bei Licht also von der Farbe) nennt man Dispersion.

Anisotrope Materialien sind doppelbrechend, das heißt, die Anteile einer Welle werden in Abhängigkeit ihrer Polarisation unterschiedlich (stark) gebrochen.

Anwendungen

Vielfältige Formen der Brechung von Wellen finden sich in der Natur. Diese Bildserie zeigt beispielhaft 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 Brechung von elektromagnetischen Wellen und speziell die von Licht hat große Bedeutung in der technischen Optik. Sie bestimmt die Funktion von Prismen und Linsen.

An Übergängen zwischen Materialien unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit werden seismische Wellen in charakteristischer Weise gebrochen. Geophysiker nutzen daher die Brechung von durch Erdbeben ausgelösten Wellen, um Erkenntnisse über den Aufbau des Erdinneren zu gewinnen.

Siehe auch

Astronomische Refraktion

Weblinks

 Commons: Refraction – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• 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
• Schülernahe Erklärungen zum Thema "Brechung"
• Lerneinheit zur Brechung des Lichts
• Animation zu Geschwindigkeitsänderung und Brechung Schlitten fährt auf eine mit Sand gestreute Schneefläche