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2.Lichtbrechung

2.1.Die optische Dichte von Stoffen

Wasser ist durchsichtig. Luft auch, und ein Vakuum erst recht. Dennoch gibt es für das Licht Unterschiede. Wie schon erwähnt ändert sich die Lichtgeschwindigkeit, wenn Licht sich nicht im Vakuum, sondern in Luft ausbreitet. Die Lichtgeschwindigkeit verringert sich, und zwar umso mehr, je größer die sogenannte optische Dichte des Stoffes ist. Außerdem ändert sich die Lichtgeschwindigkeit für die unterschiedlichen Farben des Lichts unterschiedlich Stark. Rotes Licht ist in Glas "schneller" als blaues, während im Vakuum beide gleich schnell sind.

2.2.Lichtbrechung

An der Grenzfläche zwischen Zonen von verschiedener optischer Dichte kommt es durch Wellenüberlagerung bei der Änderung der Lichtgeschwindigkeit zu einer Ablenkung des Lichtstrahls, der Brechung. Solche Grenzflächen sind eine Wasseroberfläche, der übergang vom Vakuum des Weltalls in unsere Atmosphäre, aber auch die Berührungszone von verschieden warmen Luftmassen, deren Lichtbrechung wir als Luftunruhe wahrnehmen.

Fällt ein Lichtstrahl im Winkel a auf eine solche Grenzfläche, so tritt er im Winkel b wieder aus. Dabei gilt die Formel

 sin(a)    c1
 ------- = ---
 sin(b)    c2

wenn c1 die Lichtgeschwindigkeit in Stoff 1 ist und c2 die in Stoff 2.
Sind beide Stoffe gleich optisch dicht, so ist also auch die Lichtgeschwindigkeit in beiden gleich und die Winkel verhalten sich 1 zu 1, also keine Brechung.
Erinnern wir uns nun, daß rotes Licht in Stoffen eine größere Lichtgeschwindigkeit hat, als blaues. Das blaue Licht wird also in Stoffen stärker "abgebremst", als rotes. Also erfährt das blaue Licht auch eine entsprechend stärkere Ablenkung, als das rote.
Eine Linse funktioniert, indem die Strahlen durch Lichtbrechung auf einen Punkt gebündelt werden. Da die Lichtbrechung der verschiedenen Farben aber verschieden stark ausfällt, ist der Brennpunkt der Linse je nach Farbe verschieden. Deshalb werden in einem apochromatischen Teleskop verschiedene Linsen so aufeinander abgestimmt, das sich ihre verschiedenen Farbabweichungen genau gegenseitig aufheben.
Ein weiterer Effekt ist der, daß ein Refraktor im Weltraum einen anderen Brennpunkt besitzt, als auf der Erde, da der Unterschied der Lichtgeschwindigkeit zwischen Vakuum und Glas größer ist, als der zwischen Luft und Glas.

BRECH1 

2.3.Totalreflektion

Je flacher ein Lichtstrahl durch eine Grenzfläche in ein dichteres Medium fällt, desto stärker wird er durch die Brechung abgelenkt.
Gleichzeitig erhöht sich aber der Anteil des Lichts, der nicht gebrochen, sondern reflektiert wird. Ein senkrecht einfallender Strahl wird nicht abgelenkt und vergleichsweise wenig reflektiert.
Der flachste denkbare Einfallswinkel aus dem undichteren Medium heraus erzeugt im dichteren Medium den am weitesten vom Lot entfernten Winkel. Kommt aus dem dichteren Medium ein Lichtstrahl in diesem Winkel, so wird tritt er wiederum im flachsten denkbaren Winkel in das undichtere Medium ein.
Überschreitet der aus dem dichterem Medium kommende Strahl aber den Winkel der maximalen Abweichung vom Lot, so gibt es quasi keinen Winkel mehr, in dem er im undichteren Medium austreten könnte.
Dieser Lichtstrahl wird von der Grenzfläche total reflektiert. Diese Totalreflektion ist die einzige bekannte verlustfreie Reflektion einer Welle und da dieser Effekt z.B. das Licht in Glasfaserkabeln festhält, sind diese so Verlustarm.
Außerdem wird der Effekt in Röntgenteleskopen benutzt, da Röntgenstrahlen normale Spiegel durchdringen würden.

2.4.Das Prisma

Je flacher der Winkel ist, in dem ein Lichtstrahl in ein optisch dichteres Medium übergeht, umso stärker wird er auch gebrochen. Je stärker er aber gebrochen wird, umso größer wird der unterschied des Brechungswinkels zwischen den verschiedenen Farbanteilen des Lichts.
Um das Licht nun in seine Regenbogenfarben zu zerlegen ist dieser Effekt nun ausnahmsweise erwünscht und speziell hierzu geformte Prismen optimieren diesen Effekt bei einem möglichst hohen Lichtdurchlass. Blaues Licht wird vom Prisma am stärksten abgelenkt, rotes am wenigsten.

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