Absorption, Reflexion und Brechung (2024)

Wenn ein Lichtstrahl, der sich zum Beispiel in Luft ausbreitet, auf einanderes Medium fällt, kann einer von drei Effekten auftreten. Zum einenkann der Lichtstrahl absorbiert werden, zum Beispiel wenn er auf einenschwarzen Gegenstand trifft. Oder er kann reflektiert werden, zumBeispiel an einem Spiegel. Schließlich kann er auch in das andere Mediumübertreten, wobei sich seine Richtung ändert, zum Beispiel wenn er aufeine Wasserfläche trifft. Letzteres bezeichnet man als Brechung.

Wenn man es mit einem Lichtbündel (das aus einer großen Anzahl vonLicht­strahlen besteht) zu tun hat, treten häufig mehrere dieserdrei Effekte parallel auf: ein Teil der Lichtstrahlen kann absorbiert,ein anderer reflektiert und der Rest gebrochen werden.

Im Folgenden wollen wir alle drei Effekte im Einzelnen genauerbetrachten.

Absorption

Absorption von Lichtstrahlen beobachten Sie jedes Mal, wenn Sie imSonnen­licht einen farbigen (nicht-weißen) Gegenstand betrachten.Ein roter Gegen­stand absorbiert alle Lichtstrahlen außer den roten,ein grüner alle Lichtstrah­len außer den grünen usw. Ein schwarzerGegenstand absorbiert so gut wie alles Licht. Das Licht "verschwindet"dabei und seine Energie wird in den meisten Fällen in innere Energieumgewandelt (der Gegenstand wird wärmer). Das ist auch der Grund,weshalb schwarze Gegenstände schneller heiß werden, wenn sie von derSonne beschienen werden. Weiße und metallische Gegenstände absorbierendagegen wesentlich weniger Licht, heizen sich also in der Sonne nichtganz so schnell auf.

Reflexion

Ein Medium, in das Licht nicht eindringen kann, reflektiert alleLichtstrahlen, die nicht absorbiert werden. So reflektiert ein rotlackiertes Auto rotes Licht – gerade dadurch erhält es seineFarbe.

Das Ergebnis der Reflexion hängt von der Beschaffenheit der betrachtetenOberfläche ab. Ist diese sehr glatt, wie z.B. bei einerhochpolierten Fläche, gilt das bekannte Gesetz, dass der Einfallswinkelgleich dem Ausfallswinkel ist, und man erhält ein Spiegelbild.

Ist die Fläche allerdings rau, dann wird das einfallende Licht in alleRichtungen reflektiert und man spricht von "diffuser Reflexion". Eintypisches Beispiel ist ein weißes Blatt Papier. Es hat eine leicht raueOberfläche, die hell erscheint, wenn sie beleuchtet wird, egal auswelcher Richtung man darauf schaut.

Abb. 1: Reflexion an einer glatten und an einer rauen Oberfläche

Damit ein Spiegelbild entstehen kann, muss eine Oberfläche sehr glattsein. Die Unebenheiten der Oberfläche müssen kleiner als die Wellenlängedes reflektier­ten Lichts sein, d.h. deutlich kleiner alsca.ein Tausendstel eines Millimeters! Dies ist mit handwerklichenTechniken nur durch aufwendiges Polieren zu errei­chen, weshalbSpiegel bis vor wenigen Jahrhunderten teure Luxusartikel wa­ren.Erst als man (leichter herzustellende) glatte Glasflächen mit dünnen,re­flektierenden Metallschichten überziehen konnte, wurde derSpiegel zu einem billigen Massen­produkt.

Brechung

Brechung entsteht, wenn Licht von einem mehr oder wenigerlichtdurchlässi­gen Material (Glas, Wasser, Luft usw.) in einanderes (lichtdurchlässiges) Material übergeht. Beim Übergang von einemMedium in das andere, zum Beispiel von Luft in Wasser, ändert sich dieRichtung der Lichtstrahlen.

Jeder hat schon einmal einen Strohhalm in einem Glas Wasser beobachtet.Es sieht so aus, als sei der Strohhalm an der Stelle, wo er ins Wasserkommt, ge­knickt. Geknickt ist er jedoch keineswegs, wie man leichtüber­prüfen kann, wenn man ihn wieder aus dem Wasser herauszieht.Tatsäch­lich ist nicht der Strohhalm geknickt, sondern dieLichtstrahlen, die von dem im Wasser befind­lichen Teil desStrohhalms kommen. Sie ändern beim Übergang vom Wasser in die Luft ihreRichtung, so dass der Strohhalm geknickt er­scheint. Das rührtdaher, dass diese Lichtstrahlen unter einem anderen Winkel auf unserAuge treffen als diejenigen, die von dem in der Luft befindlichen Teildes Strohhalms kommen.

Für die Beschreibung dieses Effekts schreibt man jedem Medium einensoge­nannten Brechungsindex n zu. Wenn ein Lichtstrahl voneinem Medium mit kleinem Brechungsindex n₁ in einesmit einem größeren Brechungsindex n₂ eindringt, wirder zur Senkrechten (Normalen) auf der Grenzfläche der Medien hin gebogen(α>β), beimumgekehrten Weg wird er von der Senkrechten weg gebogen.

Abb. 2: Richtungsänderung eines Lichtstrahls beim Übergang von einemMedium in ein anderes

Der Brechungsindex hängt direkt mit der Geschwindigkeit des Lichts ineinem Medium zusammen: Je größer er ist, desto langsamer breitet sichLicht in die­sem Medium aus. Im Vakuum ist der Brechungsindex amkleinsten (exakt 1) und die Lichtgeschwindigkeit am größten(ca.300000km/s). Der Brechungs­index von Luft istfast genauso klein wie der des Vakuums (ca. 1,0003), das Licht breitetsich in Luft also fast so schnell aus wie im Vakuum. DerBre­chungs­index von Wasser liegt dagegen bei ca. 1,33 und dieLichtgeschwin­digkeit in Wasser ist um den entsprechenden Faktorreduziert, sie beträgt dort nur ca.225000km/s. Glashat sogar einen Brechungsindex von ca.1,5 (wobei verschiedeneGlassorten sehr unterschiedliche Brechungsindizes haben).

Die Brechung spielt in vielen optischen Geräten eine zentrale Rolle. ZumBei­spiel ist sie für die Funktionsweise von Linsen verantwortlich.Beim Eintreten in die Linse und beim Austreten aus der Linse wird dasLicht gebrochen. In Kom­bination mit einer geschickten Formgebungder Oberfläche der Linse kann man Lichtstrahlen dort hinlenken, wo mansie haben möchte.

Der Brechungsindex eines Mediums kann auch von der Wellenlänge (Farbe)des Lichts abhängen. Dadurch werden die verschiedenen Farben des Lichtsunter­schiedlich stark "gebrochen", wenn sie in das Mediumeindringen. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim Prisma verwendet, umLicht in seine Farbbe­standteile zu zerlegen. Aber auch in der Naturkann man die Folgen dieses Effekts manchmal in Form eines Regenbogensbeobachten. Der Regenbogen entstehtdadurch, dass Sonnenlicht auf in der Luft schwebende Wassertröpfchenfällt. Beim Ein­tritt in die Tröpfchen werden die verschiedenenFarbanteile des weißen Son­nenlichts unterschiedlich starkgebrochen. Das Licht, das nach Reflexion an der Rückseite der Tröpfchenwieder aus den Tröpfchen austritt, hat je nach Farbe einen leichtunterschiedlichen Austrittswinkel.

Zusammenfassung

Die oben aufgeführten Effekte treten meistens zusammen auf. ReineAbsorp­tion beobachtet man nur bei tiefschwarzen Gegenständen, alleanderen reflek­tieren zumindest einen Teil des einfallendendenLichts (z.B. alle uns farbig erscheinenden Gegenstände).

Aber auch Brechung kann gleichzeitig mit Reflexion (und Absorption)auftreten. Das kann man an einer Glasscheibe beobachten: Sie ist nichtvöllig licht­durch­lässig, sondern re­flektiert immer einenTeil des einfallenden Lichts, so dass man ein Spiegelbild sehen kann(glücklicherweise, denn anderenfalls wür­de man viel häufiger gegenGlastüren rennen). An Glasscheiben werden typi­scherweiseca.4% des einfallenden Lichts reflektiert. In manchen Fällen kanndas sehr störend sein: Bei Brillen (bei denen es gerade auf die Brechungim Glas ankommt) werden die Oberflächen der Gläser häufig speziell"entspiegelt", um Reflexionen zu reduzieren.

Letzte Aktualisierung: 11.2.2014

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