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Brechung Licht

Optische Brechung von Licht – Brechungsgesetz

Als Brechung wird die nicht stetige Richtungsänderung des Energietransports an der Grenzfläche (siehe: Phasengrenzfläche) zweier Medien in das jeweils angrenzende Medium bezeichnet. Der Energietransport kann dabei in Form von elektromagnetischen (z. B. Licht, Wärme) Wellen und von Schallwellen auftreten. Bei optisch transparenten oder transluzenten (partielle Lichtdurchlässigkeit) Materialien wird eine schräg einfallende Lichtwelle teilweise an einer Grenzfläche zwischen Medium 1 und 2 reflektiert und gleichzeitig in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften gebrochen. Die Ablenkung der Lichtstrahlen im zweiten Medium bezeichnet man auch als Lichtbrechung oder Refraktion [1].
Während im Fall der Reflexion der Einfallswinkel α0 des Lichtstrahls LW identisch mit dem Austritts- oder Reflexionswinkel αR ist, unterscheidet sich der Brechungswinkel βB vom Einfallswinkel. Bestimmend ist dabei das Verhältnis der Brechzahlen (Brechungsindizes) n1 und n2 der beiden Medien, wobei das Brechungsverhalten mit dem SNELLIUS'schen oder verallgemeinerten Brechungsgesetz beschrieben wird (Bild 1) und (Gl.1) [2, 3].

Brechung Licht1.JPG

Bild 1: Optische Brechung und Reflexion an ebenen Grenzflächen
\frac{\sin \alpha _{0}}{\sin \alpha _{R}}=\frac{n_{1}}{n_{2}} (1)

Bestimmung der Brechzahl

Ist der Brechzahlübergang an der Grenzfläche scharf ausgebildet, dann entsteht ein Knick im Strahlengang, der z. B. typischerweise bei optischen Prismen auftritt (Bild 1). Bei einer kontinuierlichen Änderung der Brechzahl vom Medium 1 zum Medium 2 wird das Licht ebenfalls stetig gekrümmt, wobei auch hier der einfallende, reflektierte und gebrochene Strahl in einer Ebene liegen. Bei der Brechung bleibt das Produkt ni sin αi konstant und dieses Produkt wird dann als Invariante der Brechung bezeichnet.

Prüfmethoden zur Brechzahlbestimmung

Für die optische Prüfung an Kunststoffen ist die Bestimmung der Brechzahl bzw. des Brechungsindex von praktischer Bedeutung. Zur Untersuchung von Kunststoffpulvern und -prüfkörpern konnten aus der Vielzahl von physikalischen Messverfahren zur Brechzahlbestimmung einige als besonders geeignet nachgewiesen werden [1].

Diese praktisch am häufigsten genutzten Prüfmethoden sind:

  • die Brechzahlbestimmung durch Bestimmung des Winkels der Totalreflexion mit einem Refraktometer an flüssigen oder kompakten festen Medien,
  • die Brechzahlbestimmung an pulverförmigen Kunststoffen mit der Immersionsmethode durch den Wechsel der Einbettungsflüssigkeit,
  • die Brechzahlbestimmung mittels Temperatur- und/ oder der Wellenlängenvariationsmethode an Kunststoffpulvern mit einem Einbettungsmittel sowie die
  • Brechzahlermittlung an planparallelen Prüfkörpern (Folien, Platten, Dünnschliffe, Dünnschnitte) bei vorausgesetzter oder gemessener Kenntnis der Dicke.


Literaturhinweise

[1] Trempler, J.: Optische Eigenschaften. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 323–357 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2] Eichler, J., Eichler, H. J.: Laser – Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (2003) 5. Auflage, S. 258 (ISBN 3-540-00376-2)
[3] Recknagel, A.: Physik – Optik. Technik Verlag, Berlin (1977) 7. Auflage