Kurs:Optik/Brechung, optische Dichte und Brechzahl

Jeder hat das schon einmal beobachtet: Ein Stock, in einen Teich getaucht, ein Löffel in der Teetasse - stets scheinen diese Gegenstände an der Wasseroberfläche einen Knick zu haben. (Wenn du den Effekt auch an einer Tasse Kaffee erkennen kannst, ist dein Kaffee entschieden zu dünn!)

Versuch: Brechung

Wir füllen ein (möglichst zylindrisches) Glas mit Wasser und leuchten mit einem scharfen Lichtstrahl (ideal: Laserpointer) von oben durch die Wasseroberfläche unter verschiedenen Eintrittswinkeln in das Wasser. Dabei beobachten wir von der Seite, also mit dem Auge etwa auf Höhe des Glases, wo der Strahl nach Austritt durch den Glasboden auf den Tisch trifft. Tritt der Strahl senkrecht von oben ins Wasser, finden wir nichts ungewöhnliches. Je weiter die Lichtquelle jedoch zur Seite geneigt wird, umso deutlicher wird, dass der Austrittswinkel eine viel kleinere Änderung erfährt als der Eintrittswinkel. Der Strahl wird an der Wasseroberfläche zur Senkrechten hin, tiefer ins Wasser hinein 'geknickt'. Dass es sich tatsächlich um einen Knick handelt und nicht um eine allmähliche Biegung des Strahls beim Durchlaufen des Wassers, zeigt die folgende Modifikation des Versuchs:

Versuch: Brechung mit Strahlverfolgung

Wir geben in ein zweites Glas Wasser, fügen einen Tropfen Milch (Kondensmilch, Sahne, Kaffeesahne) zu und rühren um (alternativ: Glas mit Milch füllen, ganz austrinken und mit Wasser auffüllen). Von dieser schwach trüben Brühe geben wir ein bis zwei Teelöffel zum Wasser in unserem Experimentierglas zu (und rühren um, klar). Nun können wir wunderbar den Strahlverlauf im Wasser verfolgen. Wir sehen, dass der Lichtstrahl beim Durchgang durch die Oberfläche unmittelbar seine Richtung ändert.

Weitere Versuche

Der erste Versuch kann mit allen lichtdurchlässigen Medien wiederholt werden. Solange wir mit Wasser als Medium arbeiten, können wir in der Regel die Trübungsmethode anwenden. Eine starke Zucker- oder Salzlösung (ohne Bodensatz und sehr gut gerührt) zeigt eine stärkere Brechkraft als Wasser allein. Ein dickes Bruchstück Glas (z.B. von einer Aquarienscheibe oder Schaufensterscheibe) oder Plexiglas oder ein Glas voll Öl - wir erkennen, dass ein jeder Stoff seine eigene Brechkraft besitzt, die ihn von fast allen anderen Stoffen unterscheidet. Wer möchte, kann versuchen, mit Hilfe ordentlicher Winkelmessungen selbst das Brechungsgesetz zu finden, bevor hier die Theorie folgt.

Warum der Strahl überhaupt gebrochen wird bei seinem Übergang von einem Medium zum andern, muss vorläufig ungeklärt bleiben - es ist eben so. Die Erklärung wird erst mit der Wellentheorie möglich, die uns im Teil 2 des Praktikums beschäftigen wird. Was wir aus Messdaten ermitteln können, ist die Stärke der Brechung in Abhängigkeit der Medien, zwischen denen der Übergang stattfindet.

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Exkurs:

Der gebogene Strahl: Ein Dichtegradient

Dieser noch nicht von mir durchgeführte Versuch erfordert Ruhe und Geduld. Wir geben ca. zwei cm hoch Zucker in unser trockenes Experimentierglas, füllen mit Wasser mit wenig 'trüber Brühe' aus dem zweiten Versuch langsam auf, decken mit einem Stück Karton ab und stellen das Glas an einen Platz, wo es mehrere Wochen unberührt stehen bleiben kann. Die Gelegenheit, das Glas trotzdem so aufzustellen, dass jederzeit Brechungsbeobachtungen möglich sind, ohne das Glas zu bewegen, sei unbedingt genutzt! Oft wird uns allerdings nichts anderes übrig bleiben, als das Glas zur Beobachtung irgendwo hervor zu holen. Dies geschieht mit äußerster Vorsicht. Jedes Kippen, Schaukeln oder Drehen des Glases vermindert den Effekt. Kurz: alles, was Bewegung in der Flüssigkeit erzeugt, ist Gift für den Versuch! Die natürliche Diffusion sorgt für eine im Laufe der Zeit zunehmende Verteilung des Zuckers im Wasser (im Bodensatz besteht eine Konzentration von 100 % Zucker, an der Oberfläche zu Beginn des Versuchs ~ 0 % Zucker). Irgendwann, nach Monaten, wird sich der Zucker abgesehen vom Bodensatz völlig gleichmäßig im Wasser verteilt haben. Bevor dieser Zustand eingetreten ist, müssten wir mit einem dünnen Lichtstrahl sehr schön erkennen können, dass die Konzentration der Zuckerlösung von unten nach oben gleichmäßig abnimmt.

Verwendung finden Dichtegradienten gelegentlich in chemischen Labors, wo sie zur Trennung von Feststoffgemischen mit Komponenten unterschiedlicher Dichte dienen.

Der Begriff Gradient bezeichnet allgemein die kontinuierliche Änderung einer Eigenschaft. Beispiel: der in der Fotografie verwendete Graukeil, der einen Helligkeitsgradienten von weiss bis schwarz darstellt.

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