Total interne Reflexion

Eine interessante Konsequenz des Refraktionsgesetzes ist mit Licht verbunden, das in ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex übergeht. Wie bereits erwähnt, sind in diesem Fall Lichtstrahlen von der Normalen der Schnittstelle zwischen den Medien weggebogen. Bei dem sogenannten kritischen Einfallswinkel (Θ) machen die gebrochenen Strahlen einen Winkel von 90 ° mit dem Normalen – mit anderen Worten, sie schneiden nur die Grenze der beiden Medien ab. Der Sinus des kritischen Winkels wird leicht aus dem Brechungsgesetz abgeleitet: sin Θ =  2 / 1 .

Für jeden Einfallswinkel, der größer als der kritische Winkel ist, werden Lichtstrahlen innerhalb des Materials vollständig reflektiert. Dieses Phänomen, das sogenannte Totalreflexion, wird üblicherweise von einem “Rohr” -Licht in einem gekrümmten Weg ausgenutzt. Wenn Licht auf eine schmale Faser aus Glas oder Kunststoff gerichtet ist, reflektiert das Licht wiederholt die Faser-Luft-Grenzfläche bei einem großen Einfallswinkel, der größer ist als der kritische Winkel (bei einer Glas-Luft-Grenzfläche beträgt der kritische Winkel etwa 42 °). Optische Fasern mit Durchmessern von 10 bis 50 Mikrometer können Licht über lange Distanzen mit geringem Intensitätsverlust übertragen ( siehe Faseroptik ). Die optische Kommunikation verwendet Sequenzen von Lichtimpulsen, um Informationen über ein Glasfasernetz zu übertragen.

Durch seine sorgfältige Untersuchung der Brechung von weißem Licht , wenn es durch eine bestandene Glasprisma , wurde Newton berühmt mit der Entdeckung gutgeschrieben , dass weißes Licht eines Spektrum besteht aus Farben . Die Streuung des weißen Lichts in seine konstituierenden Farben wird durch eine Variation desBrechungsindexes von Glas mit Farbe verursacht. Dieser Effekt, bekannt als chromatische Dispersion, ergibt sich aus der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit im Glas von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Die Geschwindigkeit nimmt mit abnehmender Wellenlänge leicht ab; Dies bedeutet, dass der Brechungsindex, der umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit ist, mit abnehmender Wellenlänge leicht zunimmt. Für Glas ist der Brechungsindex für rotes Licht (die längste sichtbare Wellenlänge) etwa 1 Prozent geringer als bei violettem Licht (die kürzeste sichtbare Wellenlänge).

Die Fokussierungseigenschaften von Glaslinsen, die durch ihre Brechungsindizes bestimmt werden, sind geringfügig abhängig von der Farbe. Wenn eine einzelne Linse eine entfernte Weißlichtpunktquelle, wie einen Stern, bildt, ist das Bild wegen der Dispersion in der Linse leicht verzerrt; Dieser Effekt heißt chromatische Aberration . In einer Bemühung, die chromatische Aberration des brechenden Teleskops zu verbessern , erfand Isaac Newton das reflektierende Teleskop, in dem die Abbildung und Vergrößerung mit Spiegeln durchgeführt werden.

Frühe Partikel- und Wellentheorien

Mit der Morgendämmerung des 17. Jahrhunderts wurden in Europa bedeutende Fortschritte erzielt. Zusammengesetzte Mikroskope wurden erstmals in den Niederlanden zwischen 1590 und 1608 (vermutlich von Hans und Zacharias Jansen) gebaut, und die meisten Quellen kreditieren einen anderen Holländer, Hans Lippershey , mit der Erfindung des Teleskops im Jahre 1608. Der italienische Astronomen Galileo verbesserte sich schnell auf die Gestaltung von Das brechende Teleskop und verwendete es in seinen Entdeckungen der Monde des Jupiter und der Ringe des Saturns im Jahre 1610. (Refraktion bezieht sich auf den Durchgang von Licht von einem Medium in ein anderes – in diesem Fall von Luft in eine Glaslinse. ) Der deutsche Astronom Johannes Kepler stellte eine ungefähre mathematische Analyse der fokussierenden Eigenschaften von Linsen in Dioptrice (1611) vor. Ein empirischerFortschritt wurde vom niederländischen Astronomen gemachtWillebrord Snell im Jahre 1621 mit seiner Entdeckung der mathematischen Beziehung ( Snell-Gesetz ) zwischen den Einfallswinkeln und der Übertragung für einen Lichtstrahl, der durch eine Schnittstelle zwischen zwei Medien brechend ist. Im Jahre 1657 der französische MathematikerPierre de Fermat stellte eine faszinierende Ableitung von Snells Gesetz vor, die auf seinem Prinzip der kleinsten Zeit basierte, was behauptete, dass Licht dem Weg der Mindestzeit beim Reisen von einem Punkt zum anderen folgt. Die posthume Publikation des Jesuitenmathematikers Francesco Grimaldis Studien im Jahre 1665 beschrieb zunächst die sogenannten Beugungseffekte , bei denen Licht, das ein Hindernis überschreitet, in den geometrischen Schatten eindringen kann. 1676 der dänische astronomOle Rømernutzte seine Messungen der Veränderungen in den scheinbaren Orbitalperioden der Monde des Jupiters im Laufe eines Jahres, um einen ungefähren Wert für die Lichtgeschwindigkeit abzuleiten. Die Bedeutung von Rømers Arbeit war die Erkenntnis, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht unendlich ist .

In den zahlreichen empirischen Entdeckungen des 17. Jahrhunderts wurden parallele physikalische Modelle der Natur des Lichts entwickelt. Zwei konkurrierende Modelle des Lichts, als eine Sammlung von sich schnell bewegenden Teilchen und als Ausbreitungswelle, wurden vorgerückt. In La Dioptrique (1637), französischer Philosoph-MathematikerRené Descartes beschrieb das Licht als Druckwelle, die mit unendlicher Geschwindigkeit durch ein durchdringendeselastisches Medium übertragen wurde. Der prominente englische PhysikerRobert Hookeuntersuchte Beugungseffekte und Dünnfilm-Interferenz und schloss in Micrographia (1665), dass Licht eine schnelle Vibration eines Mediums ist, durch das es sich vermehrt . In seinem Traité de la Lumière (1690, “Abhandlung auf Licht”), der niederländische Mathematiker-AstronomChristiaan Huygens formulierte die erste detaillierte Wellenlehre des Lichts, in deren Rahmen er auch die Gesetze der Reflexion und Brechung ableiten konnte.