Brechung (Physik)

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Brechung bezeichnet die Richtungsänderung einer Welle aufgrund einer lokalen Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die durch die Brechzahl $n$ beschrieben wird.

Die Brechung erfolgt "zum Lot", wenn ein Lichtstrahl in ein Medium mit größerer Brechzahl eintritt (zum Beispiel aus Luft in Wasser)

Treffen Licht- oder andere elektromagnetische Wellen von einem Medium (zum Beispiel Luft) auf ein anderes (zum Beispiel Glas), dessen Brechzahl sich von dem des ersten unterscheidet, wird ein Teil des Lichts reflektiert, ein anderer erfährt eine Ablenkung gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz (siehe partielle Reflexion). Beim Übertritt in ein Medium mit größerer Brechzahl wird der Strahl zum Lot der Trennfläche gebrochen, also steiler (siehe Bild), und bei einem Medium mit kleinerer Brechzahl vom Lot weg. Im zweiten Fall kommt es zur Totalreflexion, wenn der Einfallswinkel $α$ einen bestimmten Wert überschreitet.

Zu unterscheiden sind die Begriffe Brechung (engl. Refraction), Beugung (engl. Diffraction) und Extinktion als Absorptionsmaß.

Es gibt auch die Schallbrechung, die auch Refraktion genannt wird im Gegensatz zur Schallbeugung, die Diffraktion genannt wird.

In der Geodäsie und Astronomie bezeichnet man die atmosphärische Lichtbrechung speziell als Refraktion, deren Korrektur als Reduktion.

Inhaltsverzeichnis

1 Anwendungen
2 Unterschied zwischen Brechung, Beugung und Extinktion
3 Atmosphärische Lichtbrechung
4 Brechung seismischer Wellen
5 Verwandte Themen
6 Weblinks

[Bearbeiten] Anwendungen

Die Bildserie zeigt 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 optischen Eigenschaften von Linsen basieren auf Brechung. Allerdings ist bei Linsen - anders als bei optischen Prismen - die Dispersion (= Abhängigkeit der Brechzahl von der Wellenlänge) unerwünscht.

Optisch anisotrope Materialien können doppelbrechend sein: ein Lichtstrahl teilt sich in zwei Strahlen mit entgegengesetzter Polarisation, die unterschiedlich stark gebrochen werden.

Auch Erdbebenwellen werden im Erdinneren gebrochen. Daraus können die Geophysiker Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Erdmantels und auf Änderungen von Dichte und Elastizität seiner Gesteine ziehen. Die Analyse der Laufzeit von seismischen Wellen wird in der Angewandten Geophysik auch für die Exploration von Erdöl und anderer Lagerstätten eingesetzt werden.

[Bearbeiten] Unterschied zwischen Brechung, Beugung und Extinktion

Illustration der Brechung mit Elementarwellen

Während Brechung, die Richtungsänderung einer Welle durch veränderte Geschwindigkeit in verschiedenen Medien ist, bedeutet Beugung die Ablenkung an einem Hindernis (Spalt, Gitter, Linsenrand usw).

Der Unterschied beider Begriffe wird am Beispiel von Linsenoptiken deutlich. Bei Linsenfernrohren haben Brechung und Beugung folgende Auswirkungen:

Geometrisch wird mit dem Snelliusschen Brechungsgesetz der Strahlengang durch Objektiv und Okular berechnet. Aber diese Geometrische Optik sagt nichts über das Auflösungsvermögen des Fernrohrs (Trennschärfe bei kleinen Winkeln).
Physikalisch wird die Auflösung von der Beugung begrenzt, die am Rand jeder Linse entsteht. Je größer deren Fläche (die Apertur) ist, desto unschärfer kann die Optik zeichnen. Gleichzeitig wird sie auch lichtstärker.

Der dritte Effekt ist die Extinktion - die Abschwächung eines Signals, wie z. B. Licht bei Nebel. In einem Fernrohr ist die Extinktion relativ gering, weil moderne Glassorten eine hohe Durchlässigkeit und meistens eine zusätzliche Vergütung haben.

[Bearbeiten] Atmosphärische Lichtbrechung

Atmosphärische Refraktion: der Lichtstrahl (blau) erscheint gehoben, gegenüber Vakuum wird der Zenitwinkel um r verkleinert (z = z'-r). Der Winkel r ist in Wirklichkeit 50mal kleiner

In der Astronomie und Geodäsie muss die Lichtablenkung in der Atmosphäre ab einer gewissen Messgenauigkeit genau berücksichtigt werden. Dieser rechnerische Vorgang wird als "Reduktion wegen Refraktion" bezeichnet.

Der Refraktionswinkel r (siehe Bild) beträgt bei Sternen etwa 0,017°·tan(z) (Zenitwinkel z = 90°-Höhenwinkel). Je nachdem, ob sich das beobachtete Objekt innerhalb der Atmosphäre, an ihrem Rand oder schon außerhalb befindet, werden drei Arten der Refraktionsformel unterschieden: terrestrische Refraktion für geodätische Messungen, Satelliten-Refraktion für Höhen ab 200 km, und Astronomische Refraktion für Richtungsmessungen zu Gestirnen.

[Bearbeiten] Brechung seismischer Wellen

Das Phänomen der Brechung tritt nicht nur bei elektromagnetischen Wellen auf. Derselbe Effekt beeinflusst auch die seismischen Wellen, die den Erdkörper durchlaufen. Statt optisch unterschiedlich dichter Medien, liegen hier Gesteine mit unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten vor. Durchläuft eine seismische Welle eine Schichtgrenze zweier unterschiedlich schneller seismischer Medien, kommt es auch hier jeweils zur Brechung und zur Reflexion. Zusätzlich tritt hier das Phänomen der Konversion zwischen den unterschiedlichen Raumwellentypen auf. Wie in der Optik gilt dabei auch in der Seismik das Snelliussche Brechungsgesetz.