Breking van licht

Breking is de richtingsverandering van een golf wanneer de golfsnelheid bij een grensvlak verandert. Voor licht vat de brekingsindex die snelheidsverandering samen en verbindt de wet van Snell de hoeken van de stralen.

Brekingsindex en lichtsnelheid

normaaln₁n₂de straal buigt naar de normaal
Snell-hoeken worden vanaf de normaal gemeten.

De brekingsindex is n=c/v. Een grotere n betekent een lagere fasesnelheid. Aan een stilstaand grensvlak blijft de frequentie gelijk; doordat v=fλ verandert de golflengte dus wel.

De wet van Snell bepaalt de richting

De relatie is n₁ sinθ₁=n₂ sinθ₂, met beide hoeken gemeten vanaf de normaal. Bij overgang naar een hogere n buigt de straal naar de normaal; naar een lagere n buigt hij ervan af. Hoeken vanaf het oppervlak meten is een veelgemaakte fout.

Wat niet verandert aan het grensvlak

De frequentie van de doorgelaten golf blijft die van de bron, omdat de fase aan het grensvlak moet aansluiten. Snelheid en golflengte veranderen in medium 2. De gereflecteerde golf blijft in medium 1 en behoudt daar zijn snelheid en golflengte.

grotere λ in het snellere mediumkleinere λ in het tragere medium
De frequentie blijft gelijk; v en λ veranderen.

Dispersie en echte materialen

Werkelijke brekingsindices hangen af van de golflengte. Deze dispersie splitst kleuren in een prisma en veroorzaakt chromatische aberratie in eenvoudige lenzen. Voor nauwkeurige gegevens hoort daarom een golflengte bij de opgegeven n.

Richting, snelheid en golflengte zijn verschillende vragen

Snell beantwoordt “in welke richting gaat de straal?”, n=c/v beantwoordt “hoe snel plant hij zich voort?” en v=fλ geeft de golflengte in het medium. Door die vragen apart te houden vermijd je de fout dat een richtingsverandering ook een frequentieverandering zou betekenen.

Uitgewerkte voorbeelden

1. Lucht naar glas

n₁=1,00, n₂=1,50 en θ₁=30°.

Oplossing

sinθ₂=(1/1,5)sin30°=1/3, dus θ₂≈19,5°.

2. Snelheid in water

Bereken v voor n=1,33.

Oplossing

v=c/n≈2,26×10⁸ m s⁻¹.

3. Golflengte

600 nm in lucht gaat glas met n=1,50 in.

Oplossing

Bij gelijke frequentie wordt λ₂≈λ₁/n=400 nm.