Totalreflexion

Geht Licht von einem optisch dichten in einen optisch dünnen Stoff über, dann ist der Brechungswinkel größer als der Einfallswinkel. Das kann man z. B. beobachten, wenn Licht von Wasser in Luft übergeht (Bild 1).
Bei einem Brechungswinkel von 90° gelangt das Licht gar nicht mehr in den zweiten Stoff, es verläuft entlang der Grenzfläche. Vergrößert man in dieser Situation den Einfallswinkel noch weiter, dann wird sämtliches Licht an der Grenzfläche reflektiert. Dieser Vorgang wird als Totalreflexion bezeichnet.

Gesetze der Totalreflexion

Denjenigen Einfallswinkel, ab dem es zur Totalreflexion kommt, kann man mithilfe des Brechungsgesetzes berechnen. Man nennt ihn Grenzwinkel der Totalreflexion. Im Grenzfall beträgt der Brechungswinkel 90°. Das gebrochene Licht verläuft in diesem Fall genau in der Grenzfläche (Bild 2, mittleres Bild). Dann gilt:

$\begin{array}{l}\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }=\frac{c_1}{c_2}\\ \text{Mit }\beta \text{ = 90° ist sin }\beta \text{= 1}\text{. Damit erhält man für den Grenzwinkel der }\\ \text{Totalreflexion }{\alpha }_{\text{G}}\text{ die Gleichung:}\\ \text{sin }{\alpha }_{\text{G}}=\frac{c_1}{c_2}\\ c_{\text{1}}\text{ und }{c}_2\text{ sind die Lichtgeschwindigkeiten in den Stoffen 1 und 2}\text{,}\\ \text{wobei gilt: }{c}_1<c_2.\end{array}$

In der Übersicht (Bild 3) sind einige Werte für den Grenzwinkel der Totalreflexion angegeben.
Besonders einfach gestaltet sich die Totalreflexion, wenn sie beim Übergang aus einem Stoff mit der Brechzahl n in das Vakuum (Luft) erfolgt. Aus dem allgemeinen Brechungsgesetz ergibt sich in diesem Fall der spezielle Zusammenhang:

$\begin{array}{l}\sin {\alpha }_{\text{G}}=\frac{1}{n}\\ n\text{ Brechzahl des betreffenden Stoffes}\end{array}$

Aus dieser Gleichung folgt:
Je größer die Brechzahl eines bestimmten durchsichtigen Stoffes ist, desto kleiner ist der Grenzwinkel der Totalreflexion. In optisch sehr dichten Medien kann Licht unter Umständen regelrecht "gefangen" werden.

Anwendungen der Totalreflexion
Die Totalreflexion wird z.B. bei Lichtleitern (Glasfaserkabel, Lichtleitkabel) für die Nachrichtenübertragung und bei Prismen (Umkehrprismen, Umlenkprismen) genutzt. Genauere Informationen dazu sind unter den betreffenden Stichwörtern zu finden.