Lichtbrechung

Unter Lichtbrechung oder Refraktion versteht man das Phänomen, dass Lichtstrahlen ihre Richtung ändern, wenn sie von einem Medium (einem transparenten Stoff) in ein anderes übergehen. Das Licht wird gebrochen, weil es einen Unterschied in der Dichte oder Durchlässigkeit der beiden Stoffe und damit in der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in beiden Stoffen gibt.

Ein Brechungsindex von 1,3 für das Medium Wasser bedeutet beispielsweise, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Wasser um 30 % geringer ist als im Vakuum; bei Luft ist sie, abhängig von der Lufttemperatur und der Wellenlänge des Lichts, nur etwa 0,3 % geringer als im Vakuum. In keinem Medium ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts größer als im Vakuum.

Die Richtungsänderung wird durch den Brechungsindex, auch optische Dichte genannt, der beiden Medien bestimmt (je größer der Dichteunterschied, desto größer die Brechung) und durch den Einfallswinkel, unter dem der Strahl auf die Grenzfläche trifft (je größer der Winkel, desto größer die Brechung). Trifft ein Lichtstrahl senkrecht auf die Grenzfläche der beiden Stoffe, so setzt er sich ungebrochen fort.

Ändert sich der Brechungsindex des Mediums kontinuierlich, z. B. weil sich die Konzentration eines bestimmten Stoffes ändert, kommt es zu einer kontinuierlichen Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Lichtstrahlen werden gekrümmt. Dies geschieht u. a. bei der astronomischen Brechung. Nach dem Fermat'schen Prinzip folgen die Lichtstrahlen Bahnen mit minimalen optischen Weglängen.