Lichtbrechung- ein Phänomen, bei dem ein Lichtstrahl, der von einem Medium in ein anderes übergeht, an der Grenze dieser Medien seine Richtung ändert.

Die Lichtbrechung erfolgt nach folgendem Gesetz:
Die einfallenden und gebrochenen Strahlen sowie die Senkrechte, die am Einfallspunkt des Strahls auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien gezogen wird, liegen in derselben Ebene. Das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ist für zwei Medien ein konstanter Wert:
,
Wo α - Einfallswinkel,
β - Brechungswinkel
N - ein konstanter Wert unabhängig vom Einfallswinkel.

Wenn sich der Einfallswinkel ändert, ändert sich auch der Brechungswinkel. Je größer der Einfallswinkel, desto größer der Brechungswinkel.
Wenn Licht von einem optisch weniger dichten Medium in ein dichteres Medium gelangt, ist der Brechungswinkel immer kleiner als der Einfallswinkel: β < α.
Ein Lichtstrahl, der senkrecht zur Grenzfläche zwischen zwei Medien gerichtet ist, gelangt von einem Medium zum anderen ohne zu brechen.

absoluter Indikator Brechung der Materie- ein Wert, der dem Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten des Lichts entspricht ( Elektromagnetische Wellen) im Vakuum und in einer gegebenen Umgebung n=c/v
Der im Brechungsgesetz enthaltene Wert n wird als relativer Brechungsindex für ein Medienpaar bezeichnet.

Der Wert n ist relativer Indikator Brechungsindex von Medium B in Bezug auf Medium A und n" = 1/n ist der relative Brechungsindex von Medium A in Bezug auf Medium B.
Dieser Wert ist ceteris paribus größer als eins, wenn der Strahl von einem dichteren Medium in ein weniger dichtes Medium übergeht, und kleiner als eins, wenn der Strahl von einem weniger dichten Medium in ein dichteres Medium übergeht (z. B. von einem Gas oder von). Vakuum zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff). Es gibt Ausnahmen von dieser Regel, und daher ist es üblich, ein Medium optisch als mehr oder weniger dicht als ein anderes zu bezeichnen.
Ein Strahl, der aus einem luftleeren Raum auf die Oberfläche eines Mediums B fällt, wird stärker gebrochen, als wenn er von einem anderen Medium A darauf fällt; Der Brechungsindex eines Strahls, der aus einem luftleeren Raum auf ein Medium einfällt, wird als absoluter Brechungsindex bezeichnet.

(Absolut – relativ zum Vakuum.
Relativ – relativ zu jeder anderen Substanz (zum Beispiel derselben Luft).
Der relative Index zweier Stoffe ist das Verhältnis ihrer absoluten Indizes.)

Totale innere Reflexion- interne Reflexion, sofern der Einfallswinkel einen bestimmten kritischen Winkel überschreitet. In diesem Fall wird die einfallende Welle vollständig reflektiert und der Wert des Reflexionskoeffizienten überschreitet seinen Höchstwert große Werte für polierte Oberflächen. Reflexionskoeffizient bei vollem Wert innere Reflexion hängt nicht von der Wellenlänge ab.

In der Optik wird dieses Phänomen in einem weiten Bereich beobachtet elektromagnetische Strahlung, einschließlich des Röntgenbereichs.

In der geometrischen Optik wird das Phänomen mit dem Snelliusschen Gesetz erklärt. Wenn man bedenkt, dass der Brechungswinkel 90° nicht überschreiten darf, ergibt sich, dass bei einem Einfallswinkel, dessen Sinus größer ist als das Verhältnis des kleineren Brechungsindex zum größeren Brechungsindex, die elektromagnetische Welle vollständig in das erste Medium reflektiert werden sollte.

Gemäß der Wellentheorie des Phänomens dringt die elektromagnetische Welle dennoch in das zweite Medium ein – dort breitet sich die sogenannte „ungleichmäßige Welle“ aus, die exponentiell abklingt und keine Energie mitreißt. Die charakteristische Eindringtiefe einer inhomogenen Welle in das zweite Medium liegt in der Größenordnung der Wellenlänge.

Gesetze der Lichtbrechung.

Aus allem Gesagten kommen wir zu dem Schluss:
1 . An der Schnittstelle zwischen zwei unterschiedlichen Medien optische Dichte Ein Lichtstrahl ändert seine Richtung, wenn er von einem Medium zum anderen gelangt.
2. Wenn ein Lichtstrahl in ein Medium mit höherer optischer Dichte gelangt, ist der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel; Wenn ein Lichtstrahl von einem optisch dichteren Medium in ein weniger dichtes Medium gelangt, ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel.
Mit der Lichtbrechung geht eine Reflexion einher, und mit zunehmendem Einfallswinkel nimmt die Helligkeit des reflektierten Strahls zu, während der gebrochene Strahl schwächer wird. Dies lässt sich anhand des in der Abbildung gezeigten Experiments erkennen. Folglich nimmt der reflektierte Strahl umso mehr Lichtenergie mit, je größer der Einfallswinkel ist.

Lassen MN- die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien, zum Beispiel Luft und Wasser, JSC- fallender Strahl OV- gebrochener Strahl, - Einfallswinkel, - Brechungswinkel, - Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im ersten Medium, - Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im zweiten Medium.

Brechungsindex

Brechungsindex Substanzen - ein Wert, der dem Verhältnis der Phasengeschwindigkeiten von Licht (elektromagnetischen Wellen) im Vakuum und in einem bestimmten Medium entspricht. Auch für alle anderen Wellen, beispielsweise Schall, wird manchmal vom Brechungsindex gesprochen, obwohl in solchen Fällen die Definition natürlich irgendwie geändert werden muss.

Der Brechungsindex hängt von den Eigenschaften des Stoffes und der Wellenlänge der Strahlung ab, bei manchen Stoffen ändert sich der Brechungsindex recht stark, wenn sich die Frequenz elektromagnetischer Wellen von niedrigen Frequenzen zu optischen und darüber hinaus ändert, und kann sich in bestimmten Fällen auch noch stärker ändern Bereiche der Frequenzskala. Der Standardwert ist normalerweise der optische Bereich oder der durch den Kontext bestimmte Bereich.

Links

  • RefractiveIndex.INFO Brechungsindexdatenbank

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

Sehen Sie, was „Brechungsindex“ in anderen Wörterbüchern ist:

    Bezogen auf zwei Medien n21, dimensionsloses Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten optischer Strahlung (c veta a) im ersten (c1) und zweiten (c2) Medium: n21=c1/c2. Zur gleichen Zeit verweist. P. p. ist das Verhältnis der Sinuswerte von g und Abfall von j und bei g l ... ... Physische Enzyklopädie

    Siehe Brechungsindex...

    Siehe Brechungsindex. * * * Brechungsindex Brechungsindex, siehe Brechungsindex (siehe Brechungsindex) … Enzyklopädisches Wörterbuch- Brechungsindex, ein Wert, der das Medium charakterisiert und dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Medium entspricht (absoluter Brechungsindex). Der Brechungsindex n hängt vom Dielektrikum e und der magnetischen Permeabilität m ab ... ... Illustriert Enzyklopädisches Wörterbuch

    - (siehe Brechungsindikator). Physikalisches Enzyklopädisches Wörterbuch. M.: Sowjetische Enzyklopädie. Chefredakteur A. M. Prochorow. 1983... Physische Enzyklopädie

    Siehe Brechungsindex... Große sowjetische Enzyklopädie

    Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit in einem Medium (absoluter Brechungsindex). Der relative Brechungsindex von 2 Medien ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Medium, aus dem Licht auf die Grenzfläche fällt, zur Lichtgeschwindigkeit im zweiten ... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

Die Optik ist einer der ältesten Zweige der Physik. Aus der Zeit von antikes Griechenland Viele Philosophen interessierten sich für die Gesetze der Bewegung und Ausbreitung von Licht in verschiedenen transparenten Materialien wie Wasser, Glas, Diamant und Luft. In diesem Artikel wird das Phänomen der Lichtbrechung betrachtet, wobei der Schwerpunkt auf dem Brechungsindex von Luft liegt.

Lichtstrahlbrechungseffekt

Jeder in seinem Leben hat diesen Effekt hunderte Male erlebt, wenn er auf den Boden eines Reservoirs oder auf ein Glas Wasser mit einem darin platzierten Gegenstand geschaut hat. Gleichzeitig schien das Reservoir nicht so tief zu sein, wie es tatsächlich war, und Gegenstände in einem Glas Wasser sahen deformiert oder zerbrochen aus.

Das Phänomen der Brechung besteht in einer Unterbrechung ihrer geradlinigen Flugbahn, wenn sie die Grenzfläche zwischen zwei transparenten Materialien überschreitet. Zusammenfassend große Menge Aus diesen Experimenten erlangte der Niederländer Willebrord Snell zu Beginn des 17. Jahrhunderts einen mathematischen Ausdruck, der dieses Phänomen genau beschrieb. Dieser Ausdruck wird in der folgenden Form geschrieben:

n 1 *sin(θ 1) = n 2 *sin(θ 2) = const.

Dabei sind n 1 , n 2 die absoluten Brechungsindizes des Lichts im entsprechenden Material, θ 1 und θ 2 sind die Winkel zwischen dem einfallenden und gebrochenen Strahl und der Senkrechten zur Grenzflächenebene, die durch den Schnittpunkt des Strahls gezogen wird und dieses Flugzeug.

Diese Formel wird Snellius- oder Snell-Descartes-Gesetz genannt (es war der Franzose, der sie in der dargestellten Form aufschrieb, der Niederländer verwendete keine Sinuswerte, sondern Längeneinheiten).

Zusätzlich zu dieser Formel wird das Phänomen der Brechung durch ein weiteres Gesetz beschrieben, das geometrischer Natur ist. Es liegt darin, dass die markierte Senkrechte zur Ebene und zwei Strahlen (gebrochen und einfallend) in derselben Ebene liegen.

Absoluter Brechungsindex

Dieser Wert ist in der Snell-Formel enthalten und spielt eine Rolle wichtige Rolle. Mathematisch entspricht der Brechungsindex n der Formel:

Das Symbol c ist die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum. Sie beträgt etwa 3*10 8 m/s. Der Wert v ist die Lichtgeschwindigkeit im Medium. Somit spiegelt der Brechungsindex das Ausmaß der Lichtverlangsamung in einem Medium im Vergleich zu einem luftleeren Raum wider.

Aus der obigen Formel ergeben sich zwei wichtige Schlussfolgerungen:

  • der Wert von n ist immer größer als 1 (für Vakuum ist er gleich eins);
  • es ist eine dimensionslose Größe.

Beispielsweise beträgt der Brechungsindex von Luft 1,00029, während er für Wasser 1,33 beträgt.

Der Brechungsindex ist für ein bestimmtes Medium kein konstanter Wert. Es kommt auf die Temperatur an. Darüber hinaus hat jede Frequenz einer elektromagnetischen Welle ihre eigene Bedeutung. Die obigen Zahlen entsprechen also einer Temperatur von 20 °C und dem gelben Teil des sichtbaren Spektrums (Wellenlänge - etwa 580-590 nm).

Die Abhängigkeit des Wertes von n von der Lichtfrequenz zeigt sich in der Zerlegung von weißem Licht durch ein Prisma in mehrere Farben sowie in der Bildung eines Regenbogens am Himmel währenddessen strömender Regen.

Brechungsindex von Licht in Luft

Sein Wert (1,00029) wurde oben bereits angegeben. Da sich der Brechungsindex von Luft nur um die vierte Dezimalstelle von Null unterscheidet, kann er zur Lösung praktischer Probleme als gleich eins betrachtet werden. Ein kleiner Unterschied von n für Luft gegenüber Eins weist darauf hin, dass Licht durch Luftmoleküle praktisch nicht gebremst wird, was mit seiner relativ geringen Dichte zusammenhängt. Somit beträgt die durchschnittliche Dichte der Luft 1,225 kg/m 3 , sie ist also mehr als 800-mal leichter als Süßwasser.

Luft ist ein optisch dünnes Medium. Der eigentliche Prozess der Verlangsamung der Lichtgeschwindigkeit in einem Material hat Quantennatur und ist mit der Absorption und Emission von Photonen durch die Atome der Materie verbunden.

Änderungen in der Zusammensetzung der Luft (z. B. eine Erhöhung des Wasserdampfgehalts) und Temperaturänderungen führen zu erheblichen Änderungen des Brechungsindex. Ein markantes Beispiel ist die Wirkung einer Fata Morgana in der Wüste, die aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes der Luftschichten auftritt unterschiedliche Temperaturen.

Glas-Luft-Grenzfläche

Glas ist ein viel dichteres Medium als Luft. Sein absoluter Brechungsindex liegt je nach Glasart zwischen 1,5 und 1,66. Wenn wir den Durchschnittswert von 1,55 annehmen, kann die Brechung des Strahls an der Luft-Glas-Grenzfläche mit der Formel berechnet werden:

sin (θ 1) / sin (θ 2) = n 2 / n 1 = n 21 = 1,55.

Der Wert von n 21 wird als relativer Brechungsindex von Luft – Glas bezeichnet. Wenn der Strahl aus dem Glas in die Luft austritt, sollte die folgende Formel verwendet werden:

sin (θ 1) / sin (θ 2) = n 2 / n 1 = n 21 = 1 / 1,55 = 0,645.

Wenn der Winkel des gebrochenen Strahls im letzteren Fall 90 ° beträgt, wird der entsprechende Winkel als kritisch bezeichnet. Für die Glas-Luft-Grenze ist es gleich:

θ 1 \u003d arcsin (0,645) \u003d 40,17 o.

Trifft der Strahl mit größeren Winkeln als 40,17° auf die Glas-Luft-Grenze, wird er vollständig in das Glas zurückreflektiert. Dieses Phänomen wird als „totale interne Reflexion“ bezeichnet.

Der kritische Winkel existiert nur, wenn sich der Strahl von einem dichten Medium bewegt (von Glas zu Luft, aber nicht umgekehrt).

Die mit Licht verbundenen Prozesse sind ein wichtiger Bestandteil der Physik und umgeben uns überall in unserem Alltag. Am wichtigsten sind dabei die Gesetze der Lichtreflexion und -brechung, auf denen die moderne Optik basiert. Die Lichtbrechung ist ein wichtiger Teil der modernen Wissenschaft.

Verzerrungseffekt

In diesem Artikel erfahren Sie, was das Phänomen der Lichtbrechung ist, wie das Brechungsgesetz aussieht und was sich daraus ergibt.

Grundlagen eines physikalischen Phänomens

Wenn ein Strahl auf eine Oberfläche fällt, die durch zwei transparente Substanzen mit unterschiedlicher optischer Dichte getrennt ist (z. B. unterschiedliche Gläser oder in Wasser), wird ein Teil der Strahlen reflektiert und ein anderer Teil dringt in die zweite Struktur ein (z. B. es). wird sich in Wasser oder Glas vermehren). Beim Übergang von einem Medium zum anderen ist der Strahl durch eine Richtungsänderung gekennzeichnet. Dies ist das Phänomen der Lichtbrechung.
Reflexion und Brechung des Lichts lassen sich im Wasser besonders gut beobachten.

Wasserverzerrungseffekt

Wenn man die Dinge im Wasser betrachtet, wirken sie verzerrt. Dies macht sich besonders an der Grenze zwischen Luft und Wasser bemerkbar. Optisch sieht es so aus, als würden Unterwasserobjekte leicht abgelenkt. Das beschriebene physikalische Phänomen ist genau der Grund dafür, dass alle Objekte im Wasser verzerrt erscheinen. Wenn die Strahlen auf das Glas treffen, ist dieser Effekt weniger spürbar.
Die Lichtbrechung ist ein physikalisches Phänomen, das durch eine Richtungsänderung des Sonnenstrahls beim Übergang von einem Medium (Struktur) zu einem anderen gekennzeichnet ist.
Um das Verständnis dieses Prozesses zu verbessern, betrachten Sie das Beispiel eines Strahls, der aus der Luft ins Wasser fällt (ähnlich für Glas). Durch Zeichnen einer Senkrechten entlang der Grenzfläche kann der Brechungs- und Rückkehrwinkel des Lichtstrahls gemessen werden. Dieser Indikator (der Brechungswinkel) ändert sich, wenn die Strömung in das Wasser (im Glasinneren) eindringt.
Beachten Sie! Unter diesem Parameter versteht man den Winkel, der eine Senkrechte zur Trennung zweier Stoffe bildet, wenn der Strahl von der ersten Struktur zur zweiten durchdringt.

Strahldurchgang

Der gleiche Indikator ist typisch für andere Umgebungen. Habe das festgestellt dieser Indikator hängt von der Dichte des Stoffes ab. Wenn der Strahl von einer weniger dichten Struktur auf eine dichtere Struktur einfällt, ist der erzeugte Verzerrungswinkel größer. Und wenn umgekehrt, dann weniger.
Gleichzeitig wirkt sich auch eine Änderung der Fallneigung auf diesen Indikator aus. Aber die Beziehung zwischen ihnen bleibt nicht konstant. Gleichzeitig bleibt das Verhältnis ihrer Sinuswerte ein konstanter Wert, der angezeigt wird folgende Formel: sinα / sinγ = n, wobei:

  • n ist ein konstanter Wert, der für jeden spezifischen Stoff (Luft, Glas, Wasser usw.) beschrieben wird. Daher kann dieser Wert aus speziellen Tabellen ermittelt werden;
  • α ist der Einfallswinkel;
  • γ ist der Brechungswinkel.

Um dies festzustellen physikalisches Phänomen und das Gesetz der Brechung wurde geschaffen.

physikalisches Gesetz

Mit dem Brechungsgesetz von Lichtströmen können Sie die Eigenschaften transparenter Substanzen bestimmen. Das Gesetz selbst besteht aus zwei Bestimmungen:

  • Erster Teil. Der Strahl (einfallend, verändert) und die Senkrechte, die am Einfallspunkt an der Grenze, beispielsweise Luft und Wasser (Glas usw.), wiederhergestellt wurde, liegen in derselben Ebene;
  • Der zweite Teil. Der Indikator für das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus desselben Winkels, der beim Überqueren der Grenze gebildet wird, ist ein konstanter Wert.

Beschreibung des Gesetzes

In diesem Fall in dem Moment, in dem der Strahl aus der zweiten Struktur in die erste austritt (z. B. beim Passieren). Lichtstrom aus der Luft, durch das Glas und zurück in die Luft), kommt es auch zu einem Verzerrungseffekt.

Ein wichtiger Parameter für verschiedene Objekte

Der Hauptindikator in dieser Situation ist das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zu einem ähnlichen Parameter, jedoch mit Verzerrung. Wie aus dem oben beschriebenen Gesetz hervorgeht, ist dieser Indikator ein konstanter Wert.
Wenn sich gleichzeitig der Wert der Steigung des Abfalls ändert, ist die gleiche Situation typisch für einen ähnlichen Indikator. Diese Einstellung hat sehr wichtig, da es ein integrales Merkmal transparenter Stoffe ist.

Indikatoren für verschiedene Objekte

Dank dieses Parameters können Sie sehr effektiv zwischen Glasarten und verschiedenen Edelsteinen unterscheiden. Es ist auch wichtig für die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien.

Beachten Sie! Höchstgeschwindigkeit Lichtstrom - im Vakuum.

Beim Übergang von einem Stoff zum anderen verringert sich seine Geschwindigkeit. Beispielsweise hat Diamant, der den höchsten Brechungsindex hat, eine Photonenausbreitungsgeschwindigkeit, die 2,42-mal schneller ist als die von Luft. Im Wasser breiten sie sich 1,33-mal langsamer aus. Für verschiedene Typen Bei Gläsern liegt dieser Parameter zwischen 1,4 und 2,2.

Beachten Sie! Einige Gläser haben einen Brechungsindex von 2,2, was dem von Diamant (2,4) sehr nahe kommt. Daher ist es nicht immer möglich, ein Stück Glas von einem echten Diamanten zu unterscheiden.

Optische Dichte von Stoffen

Licht kann durchdringen verschiedene Substanzen, die durch unterschiedliche Indikatoren der optischen Dichte gekennzeichnet sind. Wie bereits erwähnt, können Sie mit diesem Gesetz die Charakteristik der Dichte des Mediums (Struktur) bestimmen. Je dichter es ist, desto langsamer breitet sich das Licht darin aus. Beispielsweise sind Glas oder Wasser optisch dichter als Luft.
Abgesehen davon, dass dieser Parameter ein konstanter Wert ist, spiegelt er auch das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in zwei Substanzen wider. physikalische Bedeutung kann als folgende Formel angezeigt werden:

Dieser Indikator gibt an, wie sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Photonen beim Übergang von einer Substanz zur anderen ändert.

Ein weiterer wichtiger Indikator

Bei der Bewegung des Lichtstroms durch transparente Objekte ist dessen Polarisation möglich. Es wird beim Durchgang eines Lichtstroms aus dielektrischen isotropen Medien beobachtet. Polarisation tritt auf, wenn Photonen Glas passieren.

Polarisationseffekt

Eine partielle Polarisation wird beobachtet, wenn der Einfallswinkel des Lichtflusses an der Grenze zweier Dielektrika von Null abweicht. Der Grad der Polarisation hängt von den Einfallswinkeln ab (Brewstersches Gesetz).

Volle innere Reflexion

Zum Abschluss unseres kurzen Exkurses ist es immer noch notwendig, einen solchen Effekt als vollwertige interne Reflexion zu betrachten.

Full-Display-Phänomen

Damit dieser Effekt auftritt, ist es notwendig, den Einfallswinkel des Lichtstroms im Moment seines Übergangs von einem dichteren zu einem weniger dichten Medium an der Grenzfläche zwischen Stoffen zu vergrößern. In einer Situation, in der dieser Parameter einen bestimmten Grenzwert überschreitet, werden die an der Grenze dieses Abschnitts einfallenden Photonen vollständig reflektiert. Tatsächlich wird dies unser gewünschtes Phänomen sein. Ohne sie wäre die Herstellung von Glasfasern nicht möglich.

Abschluss

Die praktische Anwendung der Merkmale des Lichtstromverhaltens hat viel gebracht und eine Vielzahl technischer Geräte zur Verbesserung unseres Lebens geschaffen. Gleichzeitig hat das Licht der Menschheit noch nicht alle seine Möglichkeiten eröffnet und sein praktisches Potenzial ist noch nicht vollständig ausgeschöpft.

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Dieser Artikel enthüllt die Essenz eines solchen Konzepts der Optik wie des Brechungsindex. Formeln zum Erhalten dieses Wertes werden angegeben Kurze Review Anwendung des Phänomens der Brechung einer elektromagnetischen Welle.

Sehvermögen und Brechungsindex

Zu Beginn der Zivilisation stellten die Menschen die Frage: Wie sieht das Auge? Es wurde vermutet, dass eine Person Strahlen aussendet, die die umgebenden Objekte spüren, oder dass umgekehrt alle Dinge solche Strahlen aussenden. Die Antwort auf diese Frage wurde im 17. Jahrhundert gegeben. Es ist in der Optik enthalten und hängt mit dem Brechungsindex zusammen. Durch die Reflexion verschiedener undurchsichtiger Oberflächen und die Brechung an der Grenze zu transparenten Oberflächen gibt Licht einem Menschen die Möglichkeit zu sehen.

Licht und Brechungsindex

Unser Planet ist in das Licht der Sonne gehüllt. Und genau mit der Wellennatur von Photonen ist ein Konzept wie der absolute Brechungsindex verbunden. Bei der Ausbreitung im Vakuum stößt ein Photon auf keine Hindernisse. Auf dem Planeten trifft Licht auf viele verschiedene dichtere Medien: die Atmosphäre (eine Mischung aus Gasen), Wasser, Kristalle. Da es sich um eine elektromagnetische Welle handelt, haben Lichtphotonen im Vakuum eine Phasengeschwindigkeit (bezeichnet mit: C) und in der Umgebung - ein anderer (bezeichnet v). Das Verhältnis von erstem und zweitem ist der sogenannte absolute Brechungsindex. Die Formel sieht so aus: n = c / v.

Phasengeschwindigkeit

Es lohnt sich, die Phasengeschwindigkeit des elektromagnetischen Mediums zu definieren. Ansonsten verstehen Sie, was der Brechungsindex ist N, es ist verboten. Ein Lichtphoton ist eine Welle. Dies bedeutet, dass es als oszillierendes Energiepaket dargestellt werden kann (stellen Sie sich ein Segment einer Sinuskurve vor). Phase ist der Abschnitt der Sinuskurve, den die Welle durchläuft dieser Moment Zeit (denken Sie daran, dass dies wichtig ist, um eine Größe wie den Brechungsindex zu verstehen).

Beispielsweise kann eine Phase das Maximum einer Sinuskurve oder ein Teil ihrer Steigung sein. Die Phasengeschwindigkeit einer Welle ist die Geschwindigkeit, mit der sich diese bestimmte Phase bewegt. Wie die Definition des Brechungsindex erklärt, unterscheiden sich diese Werte für ein Vakuum und für ein Medium. Darüber hinaus hat jede Umgebung ihren eigenen Wert dieser Menge. Jede transparente Verbindung, unabhängig von ihrer Zusammensetzung, hat einen anderen Brechungsindex als alle anderen Substanzen.

Absoluter und relativer Brechungsindex

Oben wurde bereits gezeigt, dass der Absolutwert relativ zum Vakuum gemessen wird. Auf unserem Planeten ist dies jedoch schwierig: Licht trifft häufiger auf die Grenze von Luft und Wasser oder Quarz und Spinell. Für jedes dieser Medien ist, wie oben erwähnt, der Brechungsindex unterschiedlich. In Luft bewegt sich ein Lichtphoton entlang einer Richtung und hat eine Phasengeschwindigkeit (v 1), wenn es jedoch in Wasser eintritt, ändert es die Ausbreitungsrichtung und Phasengeschwindigkeit (v 2). Allerdings liegen beide Richtungen in derselben Ebene. Dies ist sehr wichtig, um zu verstehen, wie das Bild der umgebenden Welt auf der Netzhaut des Auges oder auf der Matrix der Kamera entsteht. Das Verhältnis der beiden Absolutwerte ergibt den relativen Brechungsindex. Die Formel sieht so aus: n 12 = v 1 / v 2.

Was aber, wenn das Licht im Gegenteil aus dem Wasser kommt und in die Luft gelangt? Dann wird dieser Wert durch die Formel n 21 = v 2 / v 1 bestimmt. Wenn wir die relativen Brechungsindizes multiplizieren, erhalten wir n 21 * n 12 = (v 2 * v 1) / (v 1 * v 2) = 1. Dieses Verhältnis gilt für jedes Medienpaar. Der relative Brechungsindex ergibt sich aus den Sinuswerten der Einfalls- und Brechungswinkel n 12 = sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2. Vergessen Sie nicht, dass die Winkel von der Normalen zur Oberfläche gezählt werden. Eine Normale ist eine Linie, die senkrecht zur Oberfläche steht. Das heißt, wenn dem Problem ein Winkel gegeben wird α relativ zur Oberfläche selbst fällt, muss der Sinus von (90 - α) berücksichtigt werden.

Die Schönheit des Brechungsindex und seine Anwendungen

An einem ruhigen, sonnigen Tag glitzert es am Grund des Sees. Dunkelblaues Eis bedeckt den Felsen. Auf der Hand einer Frau sprüht ein Diamant tausende Funken. Diese Phänomene sind eine Folge der Tatsache, dass alle Grenzen transparenter Medien einen relativen Brechungsindex haben. Neben dem ästhetischen Vergnügen lässt sich dieses Phänomen auch für praktische Anwendungen nutzen.

Hier sind einige Beispiele:

  • Eine Glaslinse sammelt den Strahl Sonnenlicht und setzt das Gras in Brand.
  • Der Laserstrahl fokussiert auf das erkrankte Organ und schneidet unnötiges Gewebe ab.
  • Sonnenlicht bricht sich an einem antiken Buntglasfenster und schafft so eine besondere Atmosphäre.
  • Mikroskop vergrößert sehr kleine Details
  • Spektralphotometerlinsen sammeln Laserlicht, das von der Oberfläche der zu untersuchenden Substanz reflektiert wird. Dadurch ist es möglich, die Struktur und damit die Eigenschaften neuer Materialien zu verstehen.
  • Es gibt sogar ein Projekt für einen photonischen Computer, bei dem Informationen nicht wie bisher durch Elektronen, sondern durch Photonen übertragen werden. Für ein solches Gerät werden auf jeden Fall refraktive Elemente benötigt.

Wellenlänge

Die Sonne versorgt uns jedoch nicht nur mit Photonen im sichtbaren Spektrum. Infrarot-, Ultraviolett- und Röntgenbereiche werden vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen, aber sie beeinflussen unser Leben. IR-Strahlen halten uns warm, UV-Photonen ionisieren die obere Atmosphäre und ermöglichen Pflanzen, durch Photosynthese Sauerstoff zu produzieren.

Und wie hoch der Brechungsindex ist, hängt nicht nur von den Stoffen ab, zwischen denen die Grenze liegt, sondern auch von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Aus dem Kontext geht meist klar hervor, um welchen Wert es sich handelt. Das heißt, wenn das Buch Röntgenstrahlen und ihre Wirkung auf eine Person betrachtet, dann N dort ist es für diesen Bereich definiert. Meist ist jedoch das sichtbare Spektrum elektromagnetischer Wellen gemeint, sofern nicht anders angegeben.

Brechungsindex und Reflexion

Wie aus dem oben Gesagten deutlich wurde, wir redenüber transparente Medien. Als Beispiele nannten wir Luft, Wasser, Diamant. Aber was ist mit Holz, Granit, Kunststoff? Gibt es für sie so etwas wie einen Brechungsindex? Die Antwort ist komplex, aber im Allgemeinen ja.

Zunächst sollten wir uns überlegen, mit welcher Art von Licht wir es zu tun haben. Medien, die für sichtbare Photonen undurchlässig sind, werden von Röntgen- oder Gammastrahlung durchtrennt. Das heißt, wenn wir alle Übermenschen wären, dann wäre die ganze Welt um uns herum für uns transparent, allerdings in unterschiedlichem Maße. Wände aus Beton wären beispielsweise nicht dichter als Gelee, und Metallbeschläge würden wie Stücke dichterer Früchte aussehen.

Für andere Elementarteilchen, Myonen, ist unser Planet im Allgemeinen durch und durch transparent. Einst gaben sich Wissenschaftler große Mühe, die Tatsache ihrer Existenz zu beweisen. Myonen durchdringen uns jede Sekunde millionenfach, aber die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelnes Teilchen mit Materie kollidiert, ist sehr gering und es ist sehr schwierig, dies zu beheben. Übrigens wird der Baikalsee bald zu einem Ort zum „Fangen“ von Myonen werden. Sein tiefes und klares Wasser ist hierfür ideal – besonders im Winter. Hauptsache, die Sensoren frieren nicht ein. Somit ist der Brechungsindex von Beton beispielsweise für Röntgenphotonen sinnvoll. Darüber hinaus ist die Röntgenbestrahlung einer Substanz eine der genauesten und wichtigsten Methoden zur Untersuchung der Struktur von Kristallen.

Es ist auch zu bedenken, dass Substanzen, die für einen bestimmten Bereich undurchsichtig sind, im mathematischen Sinne einen imaginären Brechungsindex haben. Schließlich muss man verstehen, dass die Temperatur eines Stoffes auch seine Transparenz beeinflussen kann.