Brechung (Physik)
Brechung bezeichnet die Richtungsänderung einer Welle aufgrund einer lokalen Veränderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit. Ursache ist – im Gegensatz zur Beugung – eine Änderung der Extinktion (optische Dichte) des Ausbreitungsmediums.
Brechung des Lichtes
Wenn Licht auf die Grenzfläche zwischen zwei verschieden lichtdurchlässigen Stoffen trifft, so geht der eine Teil des Lichtes in den anderen Stoff über, der andere Teil wird jedoch mithilfe des Reflexionsgesetzes von der Oberfläche des Stoffes zurückgeworfen. Wie stark das Licht gebrochen wird, hängt davon ab, wie groß der Einfallswinkel ist und zu welcher Art der Stoff gehört. Ein Stoff ist optisch dichter, wenn bei ihm das Licht bei einem bestimmten Einfallswinkel stärker gebrochen wird als bei einem anderen. Dabei heißt der andere Stoff optisch dünner.
Elektromagnetische Wellen
Elektromagnetische Wellen werden gebrochen, wenn sie schräg auf eine Grenzfläche zwischen Materialien mit verschiedenen Brechzahlen auftreffen. Da die Brechzahl ein Maß für die Geschwindigkeit der Welle im Material ist, ergeben sich unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten und somit ändert sich dabei die Wellenlänge. Die Frequenz bleibt allerdings erhalten. Um beide Bedingungen zu erfüllen, muss die Welle an der Grenzfläche ihre Richtung ändern.
Die Richtungsänderung hängt vom Winkel ab, unter dem die Wellen auf die Grenzfläche auftreffen. Mathematisch wird die Richtungsänderung durch das Snelliussche Brechungsgesetz (Willebrord Snellius, 1618) 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 aus einem optisch dichteren Medium (beispielsweise Wasser) in ein optisch dünneres (beispielsweise Luft) hinreichend flach ein, so werden sie nicht mehr gebrochen, sondern total reflektiert.
Die Brechung verleiht Linsen und Prismen bestimmte optische Eigenschaften. Sie ist ferner verantwortlich für die Entstehung von farbigen Wetterphänomenen wie Regenbögen oder Halos.
Optisch anisotrope Materialien können doppelbrechend sein, das heißt ein Lichtstrahl teilt sich in ihnen in zwei Strahlen mit unterschiedlicher Polarisation auf, die unterschiedlich stark gebrochen werden.
Ein neues Phänomen ist die negative Brechung, die mit so genannten Meta-Materialien erreicht werden kann.
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.
Bei Erdbeben lässt der Verlauf der Bebenwellen im Erdinneren auf die Brechung beispielsweise im Erdmantel schließen - und damit auf Änderungen von Dichte und Elastizität seiner Gesteine. Die Analyse der Laufzeit von "elastischen Wellen" wird in der Geophysik auch für die Exploration von Erdöl und anderen Lagerstätten eingesetzt..
Unterschied zwischen 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 (also großen Blendenweiten) schwächer sind und weniger Bildinformationen verloren gehen lassen. Das Auflösungsvermögen hängt daher von der Apertur und kaum von der Vergrößerung ab.
Siehe auch: Beugung, Fernrohr, Optik, Spiegelteleskop; Angewandte Geophysik, Snelliussches Brechungsgesetz, Brewsterwinkel