Lichtbrechung: Totalreflexion

Wie stark der Lichtstrahl genau gebrochen wird, hängt von dem Verhältnis zwischen dem Tempo des Lichts in den beiden Materialien ab. Hier ist eine Tabelle, die dir zeigt, wie viel länger Licht braucht, um sich eine bestimmte Distanz durch verschiedene Materialien – im Vergleich zum Vakuum – zu bewegen. Licht braucht eineinhalb Mal so lange, durch Glas zu gehen als durch Vakuum – und mehr als doppelt so lange, um durch Diamant zu gehen. Wir bezeichnen die Zahlen in dieser Tabelle als Brechungsindexe. Wie stark ein Lichtstrahl genau gebrochen wird, hängt von dem Verhältnis zwischen dem Tempo des Lichts in den beiden Materialien ab.

Der Brechungsindex errechnet sich wie folgt: Zeichne eine Linie senkrecht zur Oberfläche, auf die der Lichtstrahl trifft. Wir nennen diese Linie die Normale. Nun kannst du den Winkel zwischen der Normalen und dem Strahl messen, der auf das Glas trifft – den Einfallswinkel. Miss anschließend den Winkel zwischen der Normalen und dem gebrochenen Strahl – den Brechungswinkel. Ein großer Unterschied zwischen diesen beiden Winkeln deutet auf eine starke Brechung hin.

Tritt der Lichtstrahl in ein optisch dichteres Material ein – eines mit einem höheren Brechungsindex – so ist der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel. Tritt ein Lichtstrahl jedoch in ein Material mit einem niedrigeren Brechungsindex ein, dann ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Auch ohne eine Tabelle mit Brechungsindexen kannst du sehen,wie es funktioniert. Wirf einen Blick auf den Strohhalm im Glas mit Wasser – er sieht kaputt aus. Aber das kommt nur von der Lichtbrechung.

Denn Wasser hat, so wie Glas, einen höheren Brechungsindex als Luft. Dieser Lichtstrahl bewegt sich von Glas in Richtung Luft. Im Moment verläuft er senkrecht zur Oberfläche und biegt sich kein Stück. Er bewegt sich geradeaus. Lass uns nun das Licht ein wenig drehen.

Luft hat einen niedrigeren Brechungsindex als Glas, also ist der Brechungswinkel größer. Stell dir vor, wir erhöhen den Einfallswinkel noch ein wenig. Was passiert jetzt? Vergrößert sich der Einfallswinkel im ausreichenden Maße, erreichen wir den Grenzwinkel. Nun biegt sich der Lichtstrahl entlang der Oberfläche des Glases.

Welcher Winkel grenzwertig ist oder nicht, hängt von den Materialien ab, von und zu denen das Licht sich bewegt. Von Glas zu Luft beträgt der Winkel 41 Grad. Was wird deiner Meinung nach passieren, wenn wir den Winkel des Lichtstrahls über den Grenzwinkel hinaus erhöhen? Das Licht ist nun nicht mehr gebogen. Es wird reflektiert!

Dieses Phänomen nennt sich Totalreflexion. Trifft Licht in einem ausreichend großen Winkel zur Normalen auf die Oberfläche, und bewegt es sich von einem Material mit höherer optischer Dichte zu einem anderen Material mit niedrigerer optischer Dichte, so prallen die Lichtstrahlen zurück in das optisch dichtere Material! Das ist hilfreich zu wissen! In einem Glasfaserkabel werden Daten in Form von Lichtstrahlen gesendet – etwa ein Telefonanruf oder eine Internetverbindung. Die Fasern sind aus Glas oder Kunststoff und nur etwas breiter als eine Haarsträhne.

Totalreflexion lässt das Licht zwischen den Kabelwänden hin- und herprallen, selbst wenn sich das Kabel dreht. Durch ein Glasfaserkabel lassen sich über längere Strecken mehr Daten senden als mit herkömmlichen Kupferleitungen. Es funktioniert genauso wie ein Glasfaserkabel! Die Lichtstrahlen prallen von der Innenseite des Wasserstroms ab. Es ist, als ob sie nicht zurück zur Luft wollen, also gehen sie stattdessen zurück ins Wasser.

Totalreflexion! Totalreflexion!