Brechungsindex: Erklärung und Beispiele

Ein Einblick in einen Bereich der Optik - Definition und Anwendungen des Brechungsindexes und eine Einführung in die Nutzung von Brechzahlen


Brechung ist ein Begriff aus der optischen Physik. Der Brechungsindex, auch Brechzahl genannt, beschreibt das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in einem bestimmten Medium.  Berechnet wird der Brechungsindex indem man die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum durch die Geschwindigkeit des Lichts innerhalb des Mediums dividiert. Die Brechzahl hat keine Einheit und ist damit eine dimensionslose Zahl. Das Medium mit der höheren Brechzahl wird als das optisch dichtere bezeichnet. Salopp gesagt – je höher die Brechzahl, desto lichtundurchlässiger der Stoff.

Brechzahlen im Vergleich
Die Brechzahl im Vakuum beträgt genau 1,0. Da auch Wellenlänge und Frequenz eine Rolle spielen, kann die Brechzahl bei sehr kleinen Wellenlängen wie Röntgenstrahlen kleiner als 1,0 werden. Wasser hat eine Brechzahl von 1,33, Glas liegt je nach Beschaffenheit zwischen 1,5 und 1,9. Luft hat abhängig von Luftdichte, Luftfeuchtigkeit und Höhe der Messung unterschiedliche Brechzahlen. Auf Meeresniveau liegt die Brechzahl bei 1,000292. Je höher über dem Meeresspiegel man misst, desto näher kommt man an die 1,0 heran. Natürliche Materialien, die negative Brechzahlen hervorrufen, existieren allerdings nicht.

Dispersion – Die Brechung von Licht
Dispersion bedeutet soviel wie Ausbreitung oder Streuung. Schickt man weißes Licht durch ein Prisma, so wird es in die Spektralfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett zerlegt. Diesen Effekt nennt man Dispersion. Er entsteht, weil die Brechung von Licht neben der Lichtgeschwindigkeit auch von Wellenlänge und Frequenz abhängt. Normale Dispersion liegt dann vor, wenn der Brechungsindex mit der Frequenz ansteigt. Von an anomaler Dispersion spricht man, wenn der Brechungsindex mit steigender Frequenz fällt.

Anwendungen des Brechungsindexes
Mit Hilfe der Brechzahl von Flüssigkeiten lassen sich die Brechzahlen von Gegenständen bestimmen. So können Edelsteine in durchsichtige Flüssigkeiten mit ähnlicher Brechzahl eingetaucht werden um ihre genaue Brechzahl herauszufinden. Sind die Brechzahlen identisch, ist der Gegenstand in der Flüssigkeit nicht mehr zu sehen und die Konturen des Gegenstandes verschwinden. Diesen Vorgang nennt man Immersionsmethode. Eine andere Möglichkeit der Anwendung ist die Bestimmung des Anteils von Substanzen in einem Lösungsmittel. Ein einfaches Beispiel: Löst man Zucker in Wasser auf, ändert sich der Brechungsindex. Anhand des Brechungsindexes lässt sich der Gehalt an Zucker bestimmen. Dieses Verfahren wird unter anderem angewandt um den Zuckergehalt in Wein zu bestimmen.