Direkt zum Inhalt

Grundwissen

Totalreflexion

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Beim Übergang zwischen zwei Medien wird ein Teil des Lichtes reflektiert.
  • Nur beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium kann Totalreflexion auftreten.
  • Den Grenzwinkel der Totalreflexion \(\alpha_{\rm{Gr}}\) hängt von den beiden Materialien ab.
Aufgaben Aufgaben

Gebrochener und reflektierter Strahl

Tritt ein Lichtstrahl von einem Medium in ein zweites Medium mit einer anderen optischen Dichte, so treten an der Grenzfläche wie in Bild 1 meist zwei Phänomene auf:

  • Ein Teil des Lichtes wird gebrochen und tritt in das zweite Medium ein.
  • Ein Teil des Lichtes wird reflektiert und bleibt im ersten Medium.

Totalreflexion beim Übergang vom optisch dichten in optisch dünnes Medium

Beim Übergang vom optisch dichten in ein optisch dünneres Medium kann ein besonderes Phänomen auftreten, die sog. Totalreflexion. Erreicht der Einfallswinkel \(\alpha_1\) eine bestimmte Größe \(\alpha_{\rm{Gr}}\), so verläuft der gebrochene Strahl gerade parallel zur Grenzfläche (Bild 2).Wird der Einfallswinkel \(\alpha_1\) noch größer, so wird der Lichtstrahl vollständig reflektiert und kein Licht dringt in das optisch dünnere Medium ein (Bild 3). Dieses Phänomen nennt man Totalreflexion.

Wie groß der Grenzwinkel \(\alpha_{\rm{Gr}}\) ist, hängt von den optischen Dichten der beiden am Übergang beteiligten Medien ab.

Gebrochener und reflektierter Strahl
Bild 1: Gebrochener und reflektierter Strahl
Grenzwinkel der Totalreflexion
Bild 2:Grenzwinkel der Totalreflexion
Totalreflexion bei großem Einfallswinkel
Bild 3: Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel

Nutzung der Totalreflexion

Joachim Herz Stiftung
Abb. 4 Totalreflexion beim Diamanten

Das Phänomen der Totalreflexion sorgt dafür, dass Diamanten so schön funkeln. Diamanten sind optisch sehr dicht. Beim Übergang von Diamant zu Luft ist der Grenzwinkel der Totalreflexion mit \(\alpha_{\rm{Gr}}=24°\) daher relativ klein. Zusammen mit dem besonderen Schliff eines Diamanten sorgt dieser kleine Grenzwinkel der Totalreflexion dafür, dass das Licht im Diamanten oft total reflektiert wird und in etwa entgegen der Einfallsrichtung aus dem Diamanten austritt. Dies sorgt für das Funkeln.

Auch in Lichtleitern und sog. Glasfaserkabeln, in denen Signale z. B. für das Internet auf optischem Wege transportiert werden, spielt die Totalreflexion eine wichtige Rolle. Trifft das Lichtsignal auf den Rand einer Glasfaser, so wird das Signal dort total reflektiert und tritt nicht aus der Faser aus. 

Aufgabe

Kann ein Lichtstrahl beim Übergang von Glas zu Wasser total reflektiert werden?

Lösungsvorschläge

Lösung

Ja, Totalreflexion kann auftreten, weil Glas optisch dichter ist als Wasser und so die Brechung vom Lot weg erfolgt.