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Reflexion- und Lichtbrechung von Licht an Grenzflächen

Allgemeines:
Wenn Licht auf die Grenzfläche zwischen zwei Stoffen bzw. Materialien trifft, so wird das Licht zum Teil reflektiert, zum Teil verändert es an der Grenzfläche die Richtung. So entsteht eine Brechung des Lichtes, wenn Licht von einem optisch dichterem Stoff in ein optisch dünneren Stoff gelangt (und natürlich umgekehrt). Man kann sich die Regeln der Lichtbrechung relativ einfach merken:

  • Beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Stoff wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen.
  • Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Stoff wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen.
  • Überschreitet der Lichtstrahl einen gewissen Einfallswinkel, so tritt eine Totalreflexion ein.


Reflexion und Lichtbrechung:
Eine Lichtwelle, die auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen optischen Dichten (Brechzahlen) trifft, wird gebrochen und reflektiert. Bei diesem Vorgang gilt sowohl das Reflexionsgesetz als auch das sog. Brechungsgesetz (Gesetz von Snellius).

In der Skizze ist a der Winkel der Wellennormalen der einfallenden bzw. reflektierten Welle gegen die Normale der Grenzfläche (= Einfallslot). Der Winkel b ist der Winkel der Normale der gebrochenen Welle gegen das Einfallslot. 

Für den reflektierten Lichtstrahl gilt das Reflexionsgesetz (sin a = sin a `), wonach gilt, dass einfallender Lichtstrahl, reflektierter Lichtstrahl und Einfallslot  in der gleichen Ebene liegen und der Einfallswinkel und Reflexionswinkel gleich sind. Für den gebrochenen Lichtstrahl gilt das Brechungsgesetz:

  • Beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Stoff wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen, d.h der Einfallswinkel a ist größer als der Brechungswinkel b . Dies ist z.B. beim Übergang von Luft in Glas ("Glas ist optisch dichter").
  • Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Stoff wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen, d.h. der Einfallswinkel a ist kleiner als der Brechungswinkel b . Dies ist z.B. beim Übergang von
  • Überschreitet der Einfallswinkel beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium einen bestimmten Grenzwinkel, so wird der Lichtstrahl total reflektiert (hierbei gilt das Reflexionsgesetz)
Das Brechnungsgesetz (auch als Gesetz von Snellius bekannt) gibt den Zusammenhang zwischen Ein (a )- und Ausfallswinkel (b ) eines Lichtstrahles und den optischen Dichten der beiden beteiligten Medien wieder. 
Snellius hatte dabei entdeckt, dass das Verhältnis von Einfalls- und Brechungswinkel (bzw. der Sinus des jeweiligen Winkels) eine Konstante ist, nämlich das Verhältnis der Brechungszahlen n der jeweiligen Medien, also: na · sin a = nb · sin b .
 

Ergebnis:
Mit Hilfe des Brechungs- und Reflexionsgesetzes kann man die Richtung der reflektierten bzw. gebrochenen Wellen ermitteln, unter der Voraussetzung, dass man die Richtung der einfallenden Welle und die Brechzahlen na und nb der beiden Medien kennt. Damit ist man aber (noch) nicht in der Lage zu bestimmen, welcher Anteil des Lichts reflektiert und welcher gebrochen wird. Dies lässt sich aber mit Hilfe der Fresnelgleichungen ermitteln.


weiterführende Informationen auf Lernort-Mint.de



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