Lichtbrechung

Hallo. Hast du dir einmal einen Sonnenuntergang am Meer angesehen? Oder von einem Hügel über ein weites Feld? Die Sonne wird wunderschön orangerot und verschwindet langsam am Horizont. Ist dir dabei auch aufgefallen, dass die Sonne irgendwie platter wirkt? Sie scheint jetzt nicht mehr rund, sondern eher oval zu sein. Wie ein Ei? Kannst du dir das erklären?

Die Antwort erfährst du in diesem Video, denn unser Thema ist die Lichtbrechung. Dazu wiederholen wir kurz, wie Licht sich ausbreitet und was Lichtwege sind. Dann schauen wir uns die Lichtwege an, wenn sie durch unterschiedliche Stoffe durchgehen, was uns direkt zur Lichtbrechung führt. Und abschließend zeige ich dir, wo uns die Lichtbrechung im Alltag begegnet und wir kommen zu unserer platten Sonne.

Lass uns also mit dem Licht anfangen. Licht wird von Lichtquellen, wie der Sonne oder einer Lampe ausgesendet. Nach dem Strahlenmodell breitet es sich dabei in alle Richtungen geradlinig aus. Fällt so ein Lichtstrahl in unser Auge, dann können wir direkt in die Lichtquelle sehen. Fällt das Licht auf einen Körper, wie zum Beispiel diesen Fisch, dann wird das Licht in alle Richtungen gestreut. Gelangt ein Teil dieses gestreuten Lichts in unser Auge, dann sehen wir den Fisch.

All diese Lichtwege sind dabei umkehrbar. Das heißt, die Lichtwege könnten genauso in umgekehrter Richtung verlaufen, wenn man die Position von Auge und Lichtquelle vertauschen würde.

Ok. Kommen wir zur Lichtbrechung. Lichtbrechung tritt auf, wenn ein Lichtstrahl durch Stoffe mit einer unterschiedlichen optischen Dichte hindurch verläuft. Hier haben wir die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser, also zum Beispiel ein ruhiger See oder ein Wasserbecken. Luft ist das optisch dünnere Medium und Wasser ist optischer dichter.

Fällt nun ein Lichtstrahl schräg auf diese Grenzfläche, dann gibt es zwei Phänomene. Ein Teil des Lichtes wird reflektiert, wie bei einem Spiegel. Ein anderer Teil geht durch das Wasser. Doch dabei ist die Ausbreitungsrichtung verändert, der Lichtstrahl wird wortwörtlich gebrochen. Das kannst du gut beobachten, wenn du einen Löffel in ein Wasserglas stellst. Der Löffel sieht regelrecht abgeschnitten und versetzt aus.

In der Zeichnung können wir das gut verdeutlichen, wenn wir ein Lot zur Grenzfläche zeichnen. Der Einfallswinkel Alpha zwischen dem einfallenden Strahl und dem Lot ist größer als der Brechungswinkel Beta zwischen dem gebrochenen Strahl und dem Lot. Für diese Situation können wir festhalten, dass das Licht beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium zum Lot hin gebrochen wird.

Spannend dabei ist auch, dass je größer der Einfallswinkel wird, desto stärker wird der Lichtstrahl auch gebrochen. Umgekehrt gilt, je kleiner der Einfallswinkel, desto geringer die Brechung. Fällt der Lichtstrahl genau senkrecht auf die Grenzfläche, dann wird er gar nicht gebrochen.

Wie auch bei der regelmäßigen Reflexion liegen immer alle Strahlen und das Lot in einer Ebene. Auch bei der Lichtbrechung gilt, dass der Lichtweg umkehrbar ist. Kommt also das Licht aus dem Wasser und will an die Luft, dann wird es ebenfalls gebrochen. Nur diesmal vom Lot weg. Der Lichtweg des gebrochenen Strahls verläuft in umgekehrte Richtung. Es gilt also: Vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium wird das Licht vom Lot weg gebrochen.

Zu guter letzt ist die Stärke der Brechung von den beteiligten Medien abhängig. Die Brechung von Luft zu Wasser ist nicht so stark, wie beispielsweise die Brechung von Luft zu Glas. Glas ist optisch noch dichter als Wasser und der Lichtstrahl wird noch stärker zum Lot hingebrochen.

Im Alltag kann die Lichtbrechung für einige Verwirrung sorgen. Hast du schon einmal versucht nach einem Fisch im Wasser zu greifen? Man greift immer daneben, richtig? Um den Fisch zu sehen, muss das gestreute Licht in unser Auge fallen. Dabei wird es vom vom Wasser zur Luft gebrochen, also vom Lot weg. Das dumme ist nur, dass wir diese Brechung nicht bemerken, wenn wir auf die Wasseroberfläche schauen. Wir denken, der Fisch wäre in gerader Linie unter der Oberfläche. Greifen wir nun dort hin, greifen wir ins Leere. In Wirklichkeit liegt der Fisch viel tiefer. Dieses Phänomen nennt man optische Hebung.

Und genau diese optische Hebung kommt auch bei unserer platten Sonne zum tragen. Wenn es bei uns Abend wird, fällt das Licht der Sonne schräg in die Erdatmosphäre. Dabei wird es zum Lot hin gebrochen, weil das Weltall durch sein Vakuum das optisch dünnere Medium und die Erdatmosphäre das optisch dichtere Medium ist. Allerdings fällt das Licht vom unteren Teil der Sonne flacher auf die Atmosphäre, als das Licht vom oberen Teil. Dadurch wird der untere Teil stärker gebrochen als der obere und somit auch stärker optisch angehoben. Und auf diese Weise scheint für uns auf der Erde die Abendsonne eine platte Form zu haben.

So, fassen wir mal das Wichtigste zusammen: Wenn Licht auf die Grenzfläche zwischen zwei optisch verschiedenen Medien trifft, dann wird ein Teil reflektiert und ein Teil gebrochen. Beim Übergang vom optisch dünneren zum dichteren Medium wird das Licht zum Lot hin gebrochen. Vom dichteren zum dünneren Medium wird es vom Lot weg gebrochen. Und die Stärke der Brechung ist vom Einfallswinkel und von der optischen Dichte der Medien abhängig.

Zum Abschluss habe ich noch einen kleinen Heimversuch für dich: Lege eine Münze in eine Müslischüssel stelle sie auf einen Tisch und geh’ einen Schritt zurück, so dass du die Münze über den Schüsselrand gerade nicht mehr sehen kannst. Bitte nun einen Freund, die Schüssel langsam mit Wasser zu füllen.

Was wird wohl passieren? Probier’s gleich aus!