Brechung und Totalreflexion

Der bekannte Wert der Lichtgeschwindigkeit von rund $3\cdot 10^8$ m/s stimmt im Prinzip auch für Medien. Die primäre Lichtwelle (in der Abb. schwarz) regt aber die Atome im Stoff zu Schwingungen an, die in Summe eine gestreute Welle erzeugen (rot). Die Überlagerung der gestreuten Welle mit der primären Lichtwelle addiert sich zu einer verzögerten Gesamtwelle (blau), die wir dann wahrnehmen. Unter dem Strich sieht es also so aus, als wäre das Licht langsamer geworden. Je größer die Brechzahl n, desto größer die optische Dichte, desto stärker ist die Gesamtwelle verzögert.

Diese Geschwindigkeitsänderung ist die Erklärung für die Brechung des Lichts an der Grenze zu einem anderen Medium. Jede Welle legt den Weg zwischen zwei Punkten in der kürzesten Zeit zurück. Das besagt das Prinzip von Fermat. Der zeitlich kürzeste Weg hat einen Knick, wenn die Geschwindigkeiten in den beiden Medien nicht gleich groß sind, etwa wenn Licht schräg von Luft in Glas eindringt oder es wieder verlässt. Es ist wie am Strand (F4). Für den Menschen ist der Weg über C am schnellsten, weil er im Wasser langsamer ist. Das entspricht einer Brechung zum Lot. Für den Delfin ist der Weg über A am schnellsten, weil er am Sand langsamer ist. Das entspricht einer Brechung vom Lot. Mit Hilfe des Fermat-Prinzips kann man das Brechungsgesetz sehr elegant ableiten.

• <swv ph:licht-brechungtotalreflexion:aq#fermat_sche_lichtbrechung>Lichtbrechung mit Fermat</swv>

In folgender Abb. siehst du, was passiert, wenn Licht auf ein optisch dünneres Medium trifft. Je größer der Einfallswinkel, desto stärker der Knick. Bei einem bestimmten Grenzwinkel verläuft der gebrochene Strahl parallel zur Wasseroberfläche (4), und bei noch größerem Winkel wird alles reflektiert (5). Man spricht daher von Totalreflexion. Eine technische wichtige Anwendung ist die Datenübertragung mit Hilfe von Glasfaserkabeln. Das Licht ist im Inneren durch Totalreflexion quasi gefangen. Glasfaserkabel ermöglicht eine sehr hohe Datenübertragungsrate, etwa für Kabelfernsehen oder Internet (F6). Auch bei Radiowellen kann es in der Atmosphäre zur Totalreflexion kommen.

Wellen nehmen immer den zeitlich kürzesten Weg. Brechung von Licht- und EM-Wellen kommen durch verschieden optische Dichten der Medien zu Stande. Die Totalreflexion ist ein Effekt der Lichtbrechung.