Einsteigerguide: Einführung in die Refraktion von Licht.

Wenn elektromagnetsiche Strahlung in Form von sichtbarem Licht von einer Substanz oder einem Medium in einer andere wandert, können die Lichtwellen einem Phänomen ausgesetzt sein, dass als Refraktion bezeichnet wird und sich durch eine Biegung oder Richtungsänderung des Lichts manifestiert. Die Refraktion erfolgt beim Übergang von Licht von einem Medium zum anderen nur dann, wenn es einen Unterschied im Refraktion-Index zwischen den beiden Materialien gibt. Die Refraktionseffekte sind für eine Vielzahl bekannter Phänomene verantwortlich, wie z.B. die scheinbare Biegung eines Objekts, das teilweise in Wasser getaucht ist und die Fata Morgana, die an einer trockenen, sandigen Wüste beobachtet wird. Die Refraktion des sichtbaren Lichts ist auch ein wichtiges Merkmal von Linsen, das es ihnen ermöglicht, einen Lichtstrahl auf einen einzigen Punkt zu fokussieren.

Einführung in die Refraktion von Licht – Wenn Licht von einer Substanz in eine andere übergeht, bewegt es sich geradlinig und ohne Richtungsänderung, wenn es die Grenze zwischen den beiden Substanzen frontal überschreitet (senkrecht oder mit einem Einfallswinkel von 90 Grad). Wenn das Licht jedoch unter einem anderen Winkel auf die Grenze trifft, wird es gebogen oder gebrochen, wobei der Refraktionsgrad zunimmt, wenn der Strahl in einem größeren Winkel zur Grenze progressiv geneigt wird. So wird beispielsweise ein Lichtstrahl, der senkrecht auf das Wasser trifft, nicht gebrochen, aber wenn der Strahl in einem leichten Winkel in das Wasser eintritt, wird dieser in sehr geringem Maße gebrochen. Wird der Strahlwinkel noch weiter vergrößert, bricht das Licht mit zunehmenden Anteil am Eintrittswinkel. Frühe Wissenschaftler stellten fest, dass das Verhältnis zwischen dem Winkel, in dem das Licht die Medienschnittstelle überquert und dem Winkel, der nach der Brechung erzeugt wird, eine sehr genaue Eigenschaft des Materials ist, das den Refraktionseffekt erzeugt.

Friedrich Johann Karl Becke (1855 – 1931) – Friedrich Johann Karl Becke war ein österreichischer Geologe, Mineraloge und Petrologe an der Universität Prag, der eine Methode zur Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Lichtrefraktion und Refraktionsindexunterschiedenen an mikroskopischen Proben entwickelte. Das Phänomen, das heute als Bildung von Becke-Linien bezeichnet wird, wurde nach ihm benannt.

Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) – Augustin-Jean Fresnel, war ein französischer Physiker des 19. Jahrhunderts, der vor allem für die Erfindung einzigartiger Verbundlinsen zur Erzeugung paralleler Lichtstrahlen bekannt ist, die immer noch in Leuchttürmen weit verbreitet sind. Im Bereich der Optik, Fresnel abgeleitete Formeln zur Erklärung von Reflexion, Beugung, Interferenz, Refraktion, Doppelrefraktion und Polarisation des von einer transparenten Substanz reflektierten Lichts.

Willebrord Snell (1580 – 1626) – Willbrord Snell war ein niederländischer Mathematiker aus dem frühen siebzehnten Jahrhundert, der durch die Erkenntnis berühmt wurde, dass transparente Materialien unterschiedliche Refraktionsindizes je nach Zusammensetzung aufweisen. Snell entdeckte, dass sich ein Lichtstrahl verbiegen würde, wenn er in einen Glasblock eintritt, und dass der Biegewinkel vom Einfallswinkel des Lichtstrahls abhängig war. Licht, das geradlinig in das Glas einfällt, biegt sich nicht, sondern wird in einem Winkel gebogen, der proportional zum Neigungswinkel ist. 1621 fand Snell ein charakteristisches Verhältnis zwischen dem Einfallswinkel und dem Refraktionswinkel. Das Snell`sche Gesetz zeigt, dass jede Substanz ein bestimmtes Biegeverhältnis hat – den „Refraktionsindex“. Je größer der Refraktionswinkel, desto höher ist der Refraktionsindex für eine Substanz.

Interaktive JavaScript-Tutorials.

Lichtrefraktion – Die Lichtrefraktion tritt auf, wen das Licht nur dann von einem Medium zum anderen gelangt, wenn es einen Unterschied im Refraktionsindex zwischen den beiden Materialien gibt. Die Refraktionseffekte sind für eine Vielzahl bekannter Phänomene verantwortlich, wie z.B. die scheinbare Biegung eines Objekts, das teilweise in Wasser getaucht ist und die Fata Morgana, die an einer trockenen, sandigen Wüste beobachtet wird. Die Refraktion des sichtbaren Lichts ist auch ein wichtiges Merkmal von Linsen, das es ihnen ermöglicht, einen Lichtstahl auf einen einzigen Punkt zu fokussieren. Dieses interaktive Tutorial untersucht, wie Änderungen des Einfallswinkels und der Refraktionsindexdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen Medien den Refraktionswinkel des Lichts an der Grenzfläche beeinflussen.

Beobachten von Objekten im Wasser – Ein Objekt, das im Wasser gesehen wird, erscheint in der Regel in einer anderen Tiefe, als es tatsächlich ist, aufgrund der Refraktion der Lichtstrahlen, die vom Wassr in die Luft gelangen. Dieses Tutorial untersucht, wie Fische, die vom Ufer eines Teiches oder Sees aus beobachtet werden, näher an der Oberfläche zu sein scheinen, als sie wirklich sind.

Refraktion durch ein gleichseitiges Prisma – Sichtbares weißes Licht, das durch ein gleichseitiges Prisma fließt, erfährt ein Phänomen, das als Dispersion bezeichnet wird, das sich durch die wellenlängenabhängige Refraktion der Lichtwellen manifestiert. Dieses interaktive Tutorial untersucht, wie der Einfallswinkel des weißen Lichts, das in das Prisma einfällt, den Streuungsgrad und die Lichtwinkel, die aus dem Prisma austreten, beeinflusst.

Der kritische Reflexionswinkel – Ein wichtiges Konzept in der optischen Mikroskopie ist der kritische Reflexionswinkel, der bei der Entscheidung, ob Trocken- oder Ölimmersionsobjektive verwendet werden sollen, um eine Probe bei hoher Vergrößerung zu betrachten, ein notwendiger Faktor ist. Beim Durchlaufen eines Mediums mit höherem Refraktionsindex in ein Medium mit niedrigerem Refraktionsindex wird der Weg der Lichtwellen durch den Einfallswinkel in Bezug auf die Grenze zwischen den beiden Medien bestimmt. Dieses interaktive Tutorial untersucht den Übergang von der Refraktion zur inneren Totalreflexion, da der Winkel der einfallenden Welle bei konstantem Refraktionsindex vergrößert wird.

Beam Steering durch Keilprismen – Beam Steering mit ebenen Oberflächen, die in geringen Winkeln zueinander positioniert sind, werden als optische Keile bezeichnet und lenken das Licht durch Refraktion statt durch Reflexion ab. Obwohl Keile von prismatischer Natur sind, können sie manipuliert werden, um als Strahlteiler oder -lenker zu fungieren. Dieses interaktive Tutorial untersucht, wie zwei Keilprismen zusammenwirken, um einen einfallenden Lichtstrahl abzulenken.

Refraktion von monochromatischem Licht – Die Refraktion erfolgt, wenn das Licht von einem Medium zum anderen gelangt, nur wenn es einen Unterschied im Refraktionsindex zwischen den beiden Materialien gibt. Die Refraktionseffekte sind für eine Vielzahl bekannter Phänomene verantwortlich, wie z.B. die scheinbare Biegung eines Objekts, das teilweise in Wasser getaucht ist, und die Fata Morgana, die an einer trockenen, sandigen Wüste beobachtet wird. Die Refraktion des sichtbaren Lichts ist auch ein wichtiges Merkmal von Linsen, das es Ihnen ermöglicht, einen Lichtstrahl auf einen einzigen Punkt zu fokussieren. Dieses interaktive Tutorial untersucht, wie Änderungen des Einfallswinkels und des Refraktionsindexdifferentials zwischen zwei ungleichen Medien den Refraktionsindex von monochromatischem Licht an der Schnittstelle beeinflussen.

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