Brechung und Beugung von Licht

Dieser Artikel beschreibt die Brechung und Beugung von Licht, die nur mithilfe der Wellennatur (Wellenoptik) des Lichts erklärbar sind.

Wieso wird Licht an einer Grenzfläche (z.B an einer Wasseroberfläche) eigentlich gebrochen? Bevor wir physikalische Modelle zur Erklärung heranziehen, betrachten wir ein einfaches Alltagsbeispiel, für das wir lediglich eine Annahme benötigen:

• Die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ist kleiner als im Vakuum.

Dass sich eine elektromagnetische Welle (wie das Licht) in einem Medium, also z.B Wasser, langsamer ausbreiten kann als im luftleerem Raum können wir erstmal alle akzeptieren.

Nun zum Beispiel : Wir fahren in einem Auto auf einer Landstraße. Der Fahrer wird müde und kommt etwas von der Straße ab, sodass die beiden rechten Reifen auf dem Grünstreifen in den Morast geraten. Plötzlich zieht das Auto abrupt rechts rüber, da die rechten Seite des Autos durch den Morast verlangsamt wird. Mit dem Licht ist es ähnlich. Dringt Licht aus einem optisch dünneren Medium ($n_1$) in ein optisch dichteres Medium ($n_2$) ein (oder umgekehrt), so wird es an der Grenzfläche gebrochen. $n$ ist der Brechungsindex oder auch Brechzahl gennant (mehr dazu unten). In welche Richtung es gebrochen wird lässt sich anhand des Beispiels gut merken. Senkrecht auf der Grenzfläche (im Beispiel wäre die Grenzfläche der Straßenrand) zeichnet man in der Physik das Lot ein. Ist das neue Medium $n_2$ (der Morast) dichter (die Geschwindigkeit vom Licht/Auto also langsamer) so wird das Licht zum Lot hin gebrochen ($n_2 > n_1$). Ist das neue Medium optisch dünner, so wird es dementsprechend vom Lot weg gebrochen. Man betrachte dazu die Skizze und stelle sich vor, ein Auto würde auf dem Lichtweg fahren.

Die Beugung ist ein Phänomen, das nicht mehr mit der geometrischen Optik verstanden werden kann, da diese dort ihre Grenzen erreicht. Um Beugung erklären zu können bedarf es der Wellenoptik.

Warum aber erreicht die geometrischen Optik hier ihre Grenzen? Stellt Euch vor, Ihr schaltet bei geöffneter Zimmertür das Licht in diesem Zimmer an und in dem hinter der Tür liegende Zimmer ist es dunkel. Wenn wir nun das Licht als Strahl betrachten und uns Pfeile denken, die den Weg des Lichts durch die Tür darstellen, dann dürfte nur genau der Bereich hinter der Tür hell sein, den die geraden Pfeile erreichen. Doch genau das passiert nicht, denn auch seitlich der Tür breitet sich das Licht aus. Deshalb reicht die geometrische Optik für diesen Effekt nicht aus.

Also erklären wir die Beugung mit der Wellenoptik: Das Licht trifft auf die Tür, welche ein Hindernis darstellt. An diesem Hindernis wird die Welle abgelenkt und es entstehen nach dem Huygensschen Prinzip neue Wellen an der Wellenfront. Dadurch kann das Licht auch in die Bereiche kommen, die durch geometrische Optik nicht erklärt werden können. Außerdem kann es durch Überlagerung dieser neuen Elementarwellen zu Interferenz kommen.