Brechung (Physik)
Brechung bezeichnet die Richtungsänderung einer Welle aufgrund einer lokalen Veränderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Elektromagnetische Wellen
Elektromagnetische Wellen werden gebrochen, wenn sie schräg auf eine Grenzfläche zwischen Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes auftreffen. Durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit ändert sich dabei die Wellenlänge.
Die Richtungsänderung hängt vom Winkel ab, unter dem die Wellen auf die Grenzfläche auftreffen. Mathematisch wird die Richtungsänderung durch das Snelliussche Brechungsgesetz beschrieben. Bei senkrechtem Einfallswinkel findet keine Richtungsänderung statt. Neben der Brechung findet stets auch eine partielle Reflexion statt. Die entsprechenden Intensitäten werden durch die Fresnelschen Formeln beschrieben. Fallen die Wellen beim Übergang von einem optisch dichteren Medium, wie beispielsweise Wasser, zu einem optisch dünneren, wie beispielsweise Luft, hinreichend flach ein, so werden sie nicht mehr gebrochen, sondern totalreflektiert.
Brechung wird eingesetzt, um Linsen und Prismen bestimmte optischen Eigenschaften zu verleihen. Sie ist ferner verantwortlich für die Entstehung von Wetterphänomenen wie Regenbögen oder Halos.
Optisch anisotrope Materialien können doppelbrechend sein, d. h. ein Lichtstrahl teilt sich in ihnen in zwei Strahlen auf, die unterschiedlich stark gebrochen werden.
Sonstige Wellen
Bei Wellen im Wasser verringert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der abnehmenden Wassertiefe in Strandnähe. Deshalb ändert sich die Richtung von Meereswellen so, dass sie ungefähr senkrecht auf den Strand auflaufen.
Gegensatz von Brechung und Beugung
- Während Brechung (engl. Refraction) die Richtungsänderung einer Welle durch veränderte Geschwindigkeit ist,
- bedeutet "Beugung" (engl. Diffraction) die Ablenkung an einem Hindernis (Spalt, Gitter, Linsenrand, Fangspiegel usw).
Der Unterschied beider Begriffe wird am Beispiel von Linsenoptiken deutlich. Bei Linsenfernrohren haben Brechung und Beugung folgende Auswirkungen:
- Mittels Brechungsgesetz kann man den Strahlengang durch Objektiv und Okular genau berechnen. Aber die Geometrische Optik sagt nichts über die Auflösung des Fernrohrs (Trennschärfe bei kleinen Winkeln).
- Über letztere entscheidet die Beugung. Die Linsenränder verursachen Lichtablenkungen und Interferenzen, die bei großen Objektiven prozentuell günstiger sind. Das Auflösungsvermögen hängt daher von der Apertur und kaum von der Vergrößerung ab.