Brechzahl
Die Brechzahl (oft auch als Brechungsindex bezeichnet) ist ein Begriff der Optik. Er kennzeichnet die optische Dichte eines transparenten (durchsichtigen) Materials und ist das Verhältnis zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und seiner Ausbreitungsgeschwindigkeit im jeweiligen Medium:
In einem Stoff mit einer Brechzahl von 1,5 = 3/2 hat das Licht also genau 2/3 der Vakuumlichtgeschwindigkeit, oder rund 200.000 km/s.
Die Bezeichnung "Brechzahl" kommt vom Begriff Brechung und seinem Auftreten im Snelliusschen Brechungsgesetz (siehe Bild).
Table of contents |
2 Brechzahlen einiger Materialien 3 Negative Brechzahlen 4 Siehe auch 5 Weblinks |
Andere Definitionen
Die Definition des Brechungsindex erfolgte oben strahlenphysikalisch – über die verschiedene Lichtgeschwindigkeit. Diese Formel ist elegant, aber für unlängst erfundene "Meta-Materialien ungünstig, wo n negativ sein kann, was bei c unmöglich ist. Doch lässt sich die Brechung auch auf zwei anderen Wegen definieren:
Brechzahlen einiger Materialien
Material | Brechzahl |
Vakuum | 1,0 |
Luft (bodennah) *) | 1,000292 |
Eis | 1,31 |
Wasser | 1,33 |
menschl. Augenlinse | 1,35..1,42 |
Ethanol | 1,37 |
Magnesiumfluorid | 1,38 |
Flussspat | 1,43 |
menschl. Epidermis | 1,45 |
Tetrachlorkohlenstoff | 1,46 |
Quarzglas | 1,46 |
Celluloseacetat (CA) | 1,48 |
Plexiglas (PMMA) | 1,49 |
Benzol | 1,49 |
Kronglas | 1,51 |
COC (ein Kunststoff) | 1,533 |
PMMI (ein Kunststoff) | 1,534 |
Quarz | 1,54 |
Steinsalz | 1,54 |
Polycarbonat (PC) | 1,58 |
Polystyrol (PS) | 1,58 |
Flintglas | 1,60 |
Rubin | 1,76 |
Glas | 1,5-1,9 |
Zirkon | 1,92 |
Schwefel | 2,00 |
Zinksulfid | 2,30 |
Diamant | 2,47 |
Titandioxid (Anatas) | 2,52 |
Titandioxid (Rutil) | 2,71 |
Der Brechungsindex der Luft beträgt im Meeresniveau durchschnittlich 1,00029. Da die Luftdichte nach oben – entsprechend den Gasgesetzen in einem Schwerefeld – exponentiell abnimmt, beträgt er in etwa 8 km Höhe nur mehr 1,00011. Dennoch werden die von Sternen kommenden Lichtstrahlen in Horizontnähe um 0,6° gehoben und in 45° noch um 0,017°. Der Effekt heißt Astronomische Refraktion und beeinflusst in ähnlicher Art auch jede terrestrische Vermessung.
1964 sagte der sowjetische Physiker Victor Veselago die Existenz von Materialien mit negativen Brechzahlen voraus. Würde die Herstellung eines solchen Materials gelingen, könnte man damit Linsennn herstellen, deren Auflösungsvermögen weit besser wäre, als das von Linsen aus gewöhnlichen optischen Werkstoffen.
Forschern um Srinivas Sridhar von der Northeastern University in Boston gelang es einen Verbundwerkstoff herzustellen, der ein feines Gitter aus Metalldrähten enthält, das für Mikrowellen eine negativen Brechzahl zeigt. Ob und wann aber ein Material hergestellt werden kann, das auch im optischen Bereich derartige Eigenschaften hat, war vor kuzem noch völlig unklar.
Im Oktober 2003 hat nun eine Gruppe um Yong Zhang in Colorado entdeckt, dass Kristalle aus einer Legierung von Yttrium, Vanadium und Sauerstoff auch ohne Weiterverarbeitung eine negative Brechzahl für Lichtwellen eines großen Frequenzbereichs aufweist. Der Kristall besteht aus zwei ineinandergeschachtelten Kristallgittern mit symmetrischen optischen Achsen. Die negative Lichtbrechung tritt aber nur in einem gewissen Winkelbereich des Einfallswinkels auf. In künftigen Experimenten wollen die Forscher weitere vermutete Eigenschaften der negativen Brechung prüfen – wie etwa die Umkehrung des Dopplereffekts und der Tscherenkow-Strahlung überprüfen. In fernerer Zukunft könnte die Herstellung perfekter Linsen gelingen, die kleinere Objekte als das Beugungslimit der Optik abbilden können.
Eine Deutungsmöglichkeit ergibt sich bei aus einer Textstelle des 2.Weblinks über den Kristall aus sogenannten "Meta-Materialien", die
Das heisst, dass die zwei Winkel zwar dem Brechungsgesetz entsprechen, aber auf die "falsche Seite" – sozusagen Brechung und Reflexion in einem. Man müsste die Formel also mit einer Signum- oder Absolut-Funktion an diese neuen Materialien anpassen oder – wie ihre "ineinandergeschachtelten Kristallgitter" nahelegen – eine zusätzliche Reflexionsebene einführen. Sie entspräche im obigen Bild dem Lot auf die Tennfläche der zwei Medien.
Negative Brechzahlen
Deutung der "negativen Brechzahl"
Eine negative Brechzahl n < 0 würde in obiger Formel bedeuten, dass auch die Lichtgeschwindigkeit c negativ wäre - was ja unmöglich ist. Ein Diskussionsforum stellt dazu richtig fest, dies habe mit den klassischen Theorien nichts mehr zu tun. Außerdem träten diese Effekte nur bis 20 Nanometer Abstand von der Lichtquelle auf.
"... einen negativen Brechungsindex aufweisen können und so Licht um einen negativen Winkel gegenüber der Einfallsrichtung ablenken.Siehe auch
Lichtbrechung, Refraktometer, Astronomische Refraktion, Beugung