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vom 06.10.2014, aktuelle Version,

Brechung (Physik)

Brechung (unterer Lichtstrahl) und Reflexion (oberer Lichtstrahl) eines Lichtstrahls an einem Plexiglas-Halbkreiskörper.
Brechung an Wassertropfen, die wie eine Sammellinse wirken (Motiv: Golden Gate Bridge)

Brechung oder auch Refraktion bezeichnet die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer Welle aufgrund einer räumlichen Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die speziell für Lichtwellen durch den Brechungsindex n eines Mediums beschrieben wird. Allgemein tritt eine Brechung bei jeder Art von Wellen auf, die sich in mehr als einer Dimension ausbreiten, etwa bei Schallwellen, Wasserwellen oder seismischen Wellen.

Die Brechung ist, anders als Beugung, Gegenstand der Strahlenoptik, welche für Strukturen gilt, die groß im Vergleich zur Wellenlänge sind. An Grenzflächen tritt durch Brechung ein Knick im Strahl auf, der durch das Brechungsgesetz beschrieben wird. Bei kontinuierlicher Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit werden Strahlen gekrümmt, siehe etwa astronomische Refraktion. In beiden Fällen gilt das Fermatsche Prinzip, wonach Strahlen Wege extremaler, meist minimaler Laufzeit bzw. Länge nehmen.

Die Abhängigkeit der Brechung von der Wellenlänge (bei Licht also von der Farbe) nennt man Dispersion.

Anisotrope Materialien sind doppelbrechend, das heißt, die Anteile einer Welle werden in Abhängigkeit ihrer Polarisation unterschiedlich (stark) gebrochen.

Anwendungen

Vielfältige Formen der Brechung von Wellen finden sich in der Natur. Diese Bildserie zeigt beispielhaft 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 nach oben geknickt.
  • Vergleich der zwei Bilder (Überlagerung).
  • Schemazeichnung zur Erklärung des Effekts der 'optischen Hebung'

Die Brechung von elektromagnetischen Wellen und speziell die von Licht hat große Bedeutung in der technischen Optik. Sie bestimmt die Funktion von Prismen und Linsen.

An Übergängen zwischen Materialien unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit werden seismische Wellen in charakteristischer Weise gebrochen. Geophysiker nutzen daher die Brechung von durch Erdbeben ausgelösten Wellen, um Erkenntnisse über den Aufbau des Erdinneren zu gewinnen.

Geschichte der Beschreibung und Erforschung

  Commons: Refraction  – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien