Absorption, Reflexion und Brechung

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Publikation:	26.7.2008
Herkunft:	Sonnentaler, Berlin

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

Wenn man es mit einem Lichtbündel (das aus einer großen Anzahl von Licht­strahlen besteht) zu tun hat, treten häufig mehrere dieser drei 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 genauer betrachten.

Absorption

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

Reflexion

Ein Medium, in das Licht nicht eindringen kann, reflektiert alle Lichtstrahlen, die nicht absorbiert werden. So reflektiert ein rot lackiertes Auto rotes Licht – gerade dadurch erhält es seine Farbe.

Das Ergebnis der Reflexion hängt von der Beschaffenheit der betrachteten Oberfläche ab. Ist diese sehr glatt, wie z. B. bei einer hochpolierten Fläche, gilt das bekannte Gesetz, dass der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist, und man erhält ein Spiegelbild.

Ist die Fläche allerdings rau, dann wird das einfallende Licht in alle Richtungen reflektiert und man spricht von "diffuser Reflexion". Ein typisches Beispiel ist ein weißes Blatt Papier. Es hat eine leicht raue Oberfläche, die hell erscheint, wenn sie beleuchtet wird, egal aus welcher Richtung man darauf schaut.

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

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

Brechung

Brechung entsteht, wenn Licht von einem mehr oder weniger lichtdurchlässi­gen Material (Glas, Wasser, Luft usw.) in ein anderes (lichtdurchlässiges) Material übergeht. Beim Übergang von einem Medium in das andere, zum Beispiel von Luft in Wasser, ändert sich die Richtung 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 Wasser kommt, ge­knickt. Geknickt ist er jedoch keineswegs, wie man leicht über­prüfen kann, wenn man ihn wieder aus dem Wasser herauszieht. Tatsäch­lich ist nicht der Strohhalm geknickt, sondern die Lichtstrahlen, die von dem im Wasser befind­lichen Teil des Strohhalms kommen. Sie ändern beim Übergang vom Wasser in die Luft ihre Richtung, so dass der Strohhalm geknickt er­scheint. Das rührt daher, dass diese Lichtstrahlen unter einem anderen Winkel auf unser Auge treffen als diejenigen, die von dem in der Luft befindlichen Teil des Strohhalms kommen.

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

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

Der Brechungsindex hängt direkt mit der Geschwindigkeit des Lichts in einem Medium zusammen: Je größer er ist, desto langsamer breitet sich Licht in die­sem Medium aus. Im Vakuum ist der Brechungsindex am kleinsten (exakt 1) und die Lichtgeschwindigkeit am größten (ca. 300 000 km/s). Der Brechungs­index von Luft ist fast genauso klein wie der des Vakuums (ca. 1,0003), das Licht breitet sich in Luft also fast so schnell aus wie im Vakuum. Der Bre­chungs­index von Wasser liegt dagegen bei ca. 1,33 und die Lichtgeschwin­digkeit in Wasser ist um den entsprechenden Faktor reduziert, sie beträgt dort nur ca. 225 000 km/s. Glas hat sogar einen Brechungsindex von ca. 1,5 (wobei verschiedene Glassorten sehr unterschiedliche Brechungsindizes haben).

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

Der Brechungsindex eines Mediums kann auch von der Wellenlänge (Farbe) des Lichts abhängen. Dadurch werden die verschiedenen Farben des Lichts unter­schiedlich stark "gebrochen", wenn sie in das Medium eindringen. Dieser Effekt wird zum Beispiel beim Prisma verwendet, um Licht in seine Farbbe­standteile zu zerlegen. Aber auch in der Natur kann man die Folgen dieses Effekts manchmal in Form eines Regenbogens beobachten. Der Regenbogen entsteht dadurch, dass Sonnenlicht auf in der Luft schwebende Wassertröpfchen fällt. Beim Ein­tritt in die Tröpfchen werden die verschiedenen Farbanteile des weißen Son­nenlichts unterschiedlich stark gebrochen. Das Licht, das nach Reflexion an der Rückseite der Tröpfchen wieder aus den Tröpfchen austritt, hat je nach Farbe einen leicht unterschiedlichen Austrittswinkel.

Zusammenfassung

Die oben aufgeführten Effekte treten meistens zusammen auf. Reine Absorp­tion beobachtet man nur bei tiefschwarzen Gegenständen, alle anderen reflek­tieren zumindest einen Teil des einfallendenden Lichts (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 nicht völlig licht­durch­lässig, sondern re­flektiert immer einen Teil des einfallenden Lichts, so dass man ein Spiegelbild sehen kann (glücklicherweise, denn anderenfalls wür­de man viel häufiger gegen Glastüren rennen). An Glasscheiben werden typi­scherweise ca. 4% des einfallenden Lichts reflektiert. In manchen Fällen kann das sehr störend sein: Bei Brillen (bei denen es gerade auf die Brechung im Glas ankommt) werden die Oberflächen der Gläser häufig speziell "entspiegelt", um Reflexionen zu reduzieren.

Letzte Aktualisierung: 29.11.2023