Die Totalreflexion – Lichtbrechung und Reflexion auf verschiedenen Medien

Was ist die Totalreflexion in der Physik?

Die Totalreflexion ist in der Physik eine vollständige Reflexion des Lichtes, wenn dieses von einem Stoff auf einen anderen übergeht, beispielsweise von einer Wasserfläche in die Luft. Entsprechend ist die Totalreflexion der Zustand, in dem der Lichtstrahl aus einem dichteren Medium auf die Grenzfläche eines dünneren Mediums trifft und vom Einfallslot wegbricht. Dann ist der Brechungswinkel grösser als der Einfallswinkel des Lichts, sodass der Reflex sichtbar wird. In der Physik lässt sich der Wert parallel zur Grenzfläche berechnen. Eine Totalreflexion ist auch die Bedingung bestimmter Naturphänomene, darunter einer Fata Morgana oder wenn du bei heissen Temperaturen an einem Strand bist und der Sand flimmert oder auf ihm Spiegelbilder entstehen. Das wird durch die heissen und kühlen Luftschichten verursacht.

Wann kommt es zu einer Totalreflexion?

Du kannst eine Totalreflexion beobachten, wenn sehr gute Lichtverhältnisse vorherrschen und das Licht auf Glas oder Wasser trifft. Das bewirkt, dass bei einem steilen Einfallswinkel das Licht gebrochen wird und nur ein geringer Anteil tatsächlich reflektiert. Während eine Reflexion dann auftritt, wenn ein Teil des Lichtes zurückgeworfen wird, ist die Totalreflexion immer dann gegeben, wenn das gesamte Licht zurückgeworfen wird.

Welche Rolle spielen der Brechungswinkel und Einfallswinkel bei der Totalreflexion?

Wenn Licht von einem optisch dichten oder dünnen Stoff übergeht, ist der Brechungswinkel grösser als der Einfallswinkel. Bei 90 Grad des Brechungswinkels verläuft das Licht sogar exakt entlang der Grenzfläche. Wird nun der Einfallswinkel vergrössert, entsteht eine vollständige Reflexion des Lichtes. Dieser Vorgang bedingt die Totalreflexion. Der Einfallswinkel kann mit Hilfe des Brechungsgesetzes berechnet werden. Die Bezeichnung für den Wert ist dann der Grenzwinkel. Je grösser die Brechzahl bestimmter durchsichtiger Medien ist, desto kleiner ist der Grenzwinkel einer Totalreflexion. In dichteren Materialien kann das Licht länger verharren oder sogar gefangen sein.

Was hat die Wellenlänge des Lichts mit der Lichtbrechung zu tun?

Bei einer Lichtbrechung kommt es zu einer Änderung der Wellenlänge und Ausbreitungsrichtung des Lichts. Das verändert gleichzeitig auch die Phasengeschwindigkeit der Welle. Der Vorgang ist in der Physik nicht nur bei Licht, sondern auch bei Schallwellen, Erdbeben- oder Wasserwellen gegeben. Wird das Licht als elektromagnetische Welle gebrochen, tritt ein Knick im Strahl auf, den du sehen kannst. Der Winkel zwischen dem Strahl und dem Lot auf der Seite einer Grenzfläche ist grösser, während der Brechungsindex kleiner ist. Die Richtungsänderung ist dann umso ausgeprägter, je grösser der Einfallswinkel ist. Das macht auch die Totalreflexion möglich, bei der im Gegensatz dazu die Brechung vollständig verschwindet und so das gesamte Licht reflektiert wird. Dabei tritt das Licht verhältnismässig flach auf die Grenzfläche des zweiten Mediums. Die Abhängigkeit einer Lichtbrechung von der Wellenlänge wird Dispersion genannt. Diese ist eine Eigenschaft von Prismen, durch die Licht in spektrale Bestandteile zerlegt wird.

Wo wird die Totalreflexion angewendet?

Eine Rolle spielt die Totalreflexion für die Fertigung, Technik und den Aufbau von Lichtleitern, darunter von Glasfaserkabeln oder Lichtleitkabeln. Diese werden in der Nachrichtenübertragung und bei Prismen benötigt und unterliegen dem physikalischen Reflexionsgesetz. Ist das Licht sichtbar, ist die Brechzahl der Materie immer grösser als in einem Vakuum. Das ermöglicht die Funktion massiver Glasfasern und Umlenkprismen. Die Totalreflexion tritt bei einem Übergang der dichten Medien (so Prisma oder Faserkern) auf eine optisch dünnere Umgebung (die Luft) auf. Dabei lässt sich das Licht verlustfrei in die gewünschte Richtung lenken. Innerhalb der Optik ermöglichen die Bedingungen der Brechung und Reflexion von Linsen die Korrekturmöglichkeit des Schielens durch Prismabrillen.

Wie zeigt sich die Totalreflexion bei Glas und Edelsteinen?

Glas oder Edelsteine, die geschliffen sind, funkeln und werfen Lichtstrahlen aus. Auch dieser Vorgang ist durch die Totalreflexion bedingt. Wegen der höheren Brechzahl, beispielsweise bei einem Diamanten, kommen die Lichtstrahlen zwar relativ leicht in den Edelstein, benötigen aber länger, um wieder aus ihm hinaus zu gelangen. Dadurch entsteht das Funkeln.

Welche Rolle spielt die Totalreflexion für Strahlteiler?

Für Strahlteiler wird die Totalreflexion umgekehrt nutzbar gemacht. Hier zählt nicht die Art der Lichtbrechung, sondern die durch Kraft verhinderte Reflexion. Hinter einer ersten Grenzfläche, wobei der Abstand maximal so gross wie die Wellenlänge des Lichts ist, liegt eine zweite Grenzfläche aus anderen Materialien mit bestimmter Brechzahl. Das Licht dringt in seinem elektromagnetischen Feld über eine sehr kurze Distanz in den Bereich der Brechzahl der ersten Grenzfläche und kann so die zweite erreichen, wird dabei jedoch in der Wellenlänge abgeschwächt. Der Lichtstrahl teilt sich auf, während sich ein Teil in die ursprüngliche Richtung ausbreitet und der andere reflektiert wird. Durch die Dichte des Mediums bestimmt sich, wie viel Licht transmittiert wird. Entscheidend ist hier die Bestimmung des Intensitätsverlusts der Strahlung.