Grundlagen der Lichtausbreitung und Reflexion

Grundlagen der Lichtausbreitung

Licht breitet sich als Welle aus. Als Licht bezeichnet man den Teil der elektromagnetischen Wellen, für den das menschliche Auge empfindlich ist und dessen Wellenlänge zwischen 3800 und 7600 Å (1 Å = 10^-10 m) liegt. Es handelt sich um eine Transversalwelle, die sich durch ein Vakuum und einige materielle Medien, die wir als transparent bezeichnen, ausbreiten kann. Die Lichtenergie besitzt bei ihrer Ausbreitung alle Eigenschaften von Wellen.

Eigenschaften der Lichtwellen

• In homogenen Medien (gleiche Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften in alle Richtungen) breitet es sich geradlinig aus.
• An der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Medien wird es reflektiert.
• Es wird gebrochen, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht, da es sich dort mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt.
• Es zeigt andere wellentypische Phänomene wie Interferenz, Beugung und Polarisation, die in zukünftigen Kursen untersucht werden.

Zur vereinfachten Darstellung von Lichtwellen verwendet man Lichtstrahlen. Ein Strahl gibt die Richtung an, in die sich die Lichtenergie ausbreitet. In der geometrischen Optik reicht es aus, die Lichtstrahlen und den Brechungsindex zu kennen, um das Medium zu charakterisieren. Dieser ist definiert als das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) und der Geschwindigkeit im Medium (v). Die Lichtgeschwindigkeit erreicht ihren maximalen Wert (c ≈ 300.000 km/s), wenn sie sich im Vakuum ausbreitet. Folglich ist der Brechungsindex im Vakuum gleich 1 und in jedem anderen Medium größer als 1.

Reflexion von Licht

Das Phänomen der Reflexion tritt auf, wenn Licht auf seinem Weg auf eine Grenzfläche trifft, die eine Richtungsänderung zurück in das ursprüngliche Medium erzwingt. Somit wird das reflektierte Licht im selben Medium weitergeleitet, meist in einer anderen Richtung als der einfallende Strahl. Wenn wir in einen Spiegel schauen, ist das Bild, das wir sehen, dem Original sehr ähnlich. Was an unserem Körper rechts ist, erscheint im Bild links und umgekehrt. Dies ist unser Spiegelbild.

Die Reflexionsgesetze

Die Normale (N) steht senkrecht auf der Spiegelebene am Auftreffpunkt A. Der Einfallswinkel α wird durch den einfallenden Strahl und das Lot bestimmt, während der Reflexionswinkel α' zwischen dem Lot und dem reflektierten Strahl liegt. Messungen zeigen, dass die Winkel α und α' gleich groß sind. Zudem liegen der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und das Lot in derselben Ebene. Dies erlaubt uns die Formulierung der Reflexionsgesetze:

• Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß.
• Das Lot, der einfallende Strahl und der reflektierte Strahl liegen in einer Ebene.

Dies setzt voraus, dass die reflektierende Oberfläche hochglanzpoliert ist, damit das Lot und somit der Einfallswinkel eindeutig bestimmt werden können. Wenn Oberflächen rau sind, ist es unmöglich, ein einziges Lot zu ziehen. Daher wird Licht, das auf unebene Flächen trifft, in alle Richtungen reflektiert, was zum Phänomen der Streuung (diffuse Reflexion) führt. Durch diffuse Reflexion können wir Gegenstände sehen, die kein eigenes Licht aussenden, sowie deren Farbe und Textur wahrnehmen.