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Stellen Sie sich einen Löffel in einem halben Glas Wasser vor. Der Löffel scheint sich an der Luft-Wasser-Grenze zu biegen. Dies liegt daran, dass die Lichtstrahlen, die von unterhalb des Wassers auf Ihre Augen treffen, die Richtung ändern, wenn sie in die Luft gelangen. Dieses Phänomen ist als Brechung bekannt. Es gibt verschiedene Faktoren, die bestimmen, in welchem Winkel sich ein Lichtstrahl biegt, wenn er von einem Medium in ein anderes übergeht.
Einfallswinkel
Wenn ein Lichtstrahl senkrecht zur Oberfläche zwischen den Medien von einem Medium zum anderen übergeht - beispielsweise von Luft zu Glas -, ändert er nicht die Richtung, sondern geht direkt hindurch. Trifft es jedoch in einem Winkel zur Senkrechten auf die Oberfläche, ändert es die Richtung, wenn es sich in das zweite Medium hineinbewegt. Der Winkel, den der Lichtstrahl mit der Senkrechten im ersten Medium bildet, wird Einfallswinkel genannt. Der Winkel, den der Lichtstrahl mit der Senkrechten im zweiten Medium bildet, wird als Brechungswinkel bezeichnet. Die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel (i) und dem Brechungswinkel (r) ist durch das Snells-Gesetz gegeben: sin (r) / sin (i) = ni / nr, wobei ni der Brechungsindex des ersten Mediums ist und nr ist der Brechungsindex des zweiten Mediums. Für ein festes Medienpaar ist ni / nr festgelegt. Es ist also klar, dass sich bei Änderung des Einfallswinkels i auch der Brechungswinkel r ändert.
Brechungsindizes
Aus dem Snells-Gesetz geht hervor, dass der Brechungswinkel vom Verhältnis ni / nr der Brechungsindizes der beiden Medien abhängt. Ist nr größer als ni - zum Beispiel wenn Licht von Luft (ni = 1,0) auf Glas (ni = 1,5) fällt - so ist der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel, dh der Lichtstrahl biegt sich in Richtung des senkrecht zur Oberfläche zwischen den beiden Medien beim Übergang in das zweite Medium. Wenn nr kleiner als ni ist, biegt sich der Lichtstrahl, der in ein anderes Medium eintritt, von der Senkrechten zur Oberfläche zwischen den beiden Medien weg.
Wellenlänge des Lichts
Der Brechungswinkel hängt auch von der Lichtwellenlänge ab. Sichtbares Licht unterschiedlicher Farben hat unterschiedliche Wellenlängen und leicht unterschiedliche Brechungsindizes. Der Unterschied ist so gering, dass Sie ihn nicht sehen, wenn zum Beispiel weißes Licht durch eine flache Glasplatte fällt. Wenn jedoch weißes Licht durch ein Prisma fällt und an den beiden Oberflächen zweimal gebrochen wird, wird jede Farbe in einem anderen Winkel gebogen, und Sie können die einzelnen Farben deutlich erkennen.
Anisotropie
In einigen speziellen Fällen kann der Brechungsindex in einem Medium von der Richtung abhängen, in der Licht durch das Medium tritt. Bestimmte Mineralkristalle haben zwei unterschiedliche Brechungsindizes in zwei Richtungen und sind als doppelbrechende Materialien bekannt. Zum Beispiel ist Turmalin ein Kristall mit zwei Brechungsindizes: 1,669 und 1,638. Bei diesen Materialien hängt der Brechungswinkel von der Ausrichtung der Grenze zwischen den Medien und den speziellen Achsen des Kristalls ab.