Als een lichtstraal van het ene medium naar het andere gaat - zoals wanneer het een vijver met water verlaat of wanneer het door uw bril gaat - is het u misschien opgevallen dat het buigt. Dit wordt breking genoemd en het gebeurt onder verschillende hoeken, afhankelijk van het invallende licht en het materiaal. Het is ook hoe ogen beelden kunnen zien en doorgeven aan de hersenen.
Refractie van licht

Refractie is het buigen van lichtstralen als ze van het ene medium naar het tweede medium gaan. Het komt voort uit het feit dat licht met iets verschillende snelheden in verschillende media reist. Hoeveel een lichtstraal wordt gebroken, hangt af van hoe anders de snelheid in het tweede medium is ten opzichte van de eerste. Hoe groter het verschil in snelheid, hoe groter de brekingshoek.

U kunt hierover nadenken met het principe van de minste tijd. Stel je een badmeester voor die een zwemmer probeert te bereiken, ver langs de kust en in het water, in de kortst mogelijke tijd. Ze weet dat ze veel sneller kan rennen dan dat ze kan zwemmen. Proberen om de zwemmer te bereiken door in een rechte lijn te reizen zou inefficiënt zijn vanwege haar langzame zwemsnelheid ten opzichte van haar loopsnelheid; in plaats daarvan rent ze het strand af tot ze bijna voor de zwemmer staat en springt dan in het water.

De afstand die ze aflegt is langer, maar de afgelegde tijd is korter vanwege haar verschillende snelheden in verschillende mediums. Dit is wat licht doet wanneer het wordt gebroken.

Watergolven kunnen ook worden gebroken wanneer ze reizen tussen gebieden met verschillende diepten, omdat golven met verschillende snelheden reizen, afhankelijk van of ze zich in ondiep water of diep water bevinden.
Brekingsindex

De brekingsindex voor een bepaald medium is een getal zonder eenheid n
waarbij n \u003d c /v
, waarbij c
is de snelheid van het licht in een vacuüm en v
is de snelheid van het licht in het medium. Hoe langzamer het licht in een medium reist, hoe hoger de brekingsindex van dat medium zal zijn. De snelheid van een lichtgolf in een medium hangt af van de golflengte, en dus ook de brekingsindex.

Dit leidt tot een fenomeen genaamd dispersie
, dat te zien is in licht prisma's: wanneer wit licht, dat lichtgolven met veel verschillende golflengten bevat, een prisma binnengaat, wordt elke component-lichtgolf onder een andere hoek gebroken, afhankelijk van de golflengte. Hierdoor ontstaat het uiterlijk van een regenboog.

De brekingsindex in lucht is afhankelijk van vele factoren, waaronder druk en temperatuur. De 'golven' die in de zomer uit hete objecten zoals bestrating komen, doen zich voor omdat licht anders door meer warme lucht breekt dan koelere lucht, waardoor vervormde beelden ontstaan.

Bovendien kan lucht in de buurt van een hete weg in de zomer eigenlijk reflecteren licht dat in een ondiepe hoek naar een waarnemer komt, waardoor het lijkt alsof er een spiegel of een reflecterend wateroppervlak op de weg is.
Wet van Snell

De wet van Snell relateert de brekingsindices van twee media , evenals de invalshoek θ _{i
naar de brekingshoek θ r
, naar hoe het licht buigt terwijl het vanuit één medium passeert in de andere.
n_i \\ sin (\\ theta_i) \u003d n_r \\ sin (\\ theta_r)}

Deze vergelijking kan de hoek voorspellen waaronder licht zal breken in een bepaald medium, als de brekingsindices van beide mediums en de invalshoek is bekend. Het geldt in elke situatie met betrekking tot de breking van licht, met twee mediums.
Totale interne reflectie

Als lichtgolven van een medium met een hoge brekingsindex naar een medium met een lagere index van breking, er is een kritische hoek waarboven het licht voldoende gebogen wordt zodat niets ervan naar het andere medium beweegt. Dit wordt totale interne reflectie genoemd.

De kritische hoek is de invalshoek waarvoor de uitgaande straal een brekingshoek van 90 graden heeft. Dus θ _{i
\u003d sin ^{-1 ( n i /n r
). Onder hoeken boven de kritische hoek ondergaat alle licht totale interne reflectie.}}

Totale interne reflectie verklaart waarom, vanuit een bepaalde hoek, het water /luchtoppervlak in een aquarium van onderaf gezien eruit zal zien als een perfecte spiegel . Lucht heeft een veel lagere brekingsindex dan water, en dus zullen lichtgolven onder een ondiepe hoek van het oppervlak van het oppervlak reflecteren in plaats van er doorheen te breken, waardoor een spiegel ontstaat.

Totale interne reflectie kan komen ook voor in watergolven en geluidsgolven.
Lenzen

De breking van licht in een medium kan veranderen wanneer het oppervlak tussen mediums gebogen is. Licht dat uit dezelfde richting komt, breekt in verschillende hoeken, afhankelijk van waar het op het gebogen oppervlak het raakt.

Lenzen zijn stukjes transparant materiaal met gebogen zijkanten die breking gebruiken om de lichtbaan te beïnvloeden . Een convergerende lens is in het midden dikker, waardoor lichtstralen die vanaf de ene kant van de lens binnenkomen, convergeren naar een brandpunt aan de andere kant. Dit is wat vergrootglazen en sommige telescopen gebruiken.

Een concave lens is in het midden dunner dan aan de randen, en lichtstralen die vanaf de ene kant binnenkomen worden naar buiten gebroken en uit elkaar gespreid als ze aan de andere kant tevoorschijn komen kant.

Beide soorten lenzen worden gebruikt in correctief zicht, of in brillen of contacten, afhankelijk van wat het probleem in het oog is.
Voorbeelden

Onze ogen interpreteren licht met behulp van breking . Licht komt het hoornvlies en vervolgens de lens binnen en breekt in een precies punt op het netvlies. Het beeld wordt vervolgens door de oogzenuw naar de hersenen verzonden. Teary ogen leiden tot wazig zien vanwege de brekende eigenschappen van tranen.

Alles wat optische vezels bevat, is afhankelijk van totale interne reflectie. De vezels hebben een hoge brekingsindex en zijn omgeven door materiaal met een zeer lage brekingsindex. Terwijl licht door de vezel reist, is de hoek met de buitenkant van de vezel laag genoeg om te voorkomen dat deze ontsnapt. Hierdoor kan de vezel zeer gefocust licht over een grote afstand dragen. Glasvezel wordt voornamelijk gebruikt in internet- en telefoondiensten.

Regenbogen worden veroorzaakt door breking en reflectie van zonlicht van waterdruppeltjes in de lucht. Dit kan gebeuren na regenbuien of in mistige omstandigheden, maar ook in de buurt van watervallen en fonteinen. Zoals eerder vermeld, hebben verschillende golflengten (kleuren) van licht iets verschillende brekingsindices voor een bepaald materiaal, waardoor ze onder verschillende hoeken breken. Een waarnemer ziet dan een regenboog van kleuren, in volgorde van golflengte.

Breking is de reden waarom water in een vijver er ondieper uitziet dan het in werkelijkheid is. Zodra licht in de lucht het water binnendringt, buigt het onder een geringere hoek naar het oppervlak vanwege breking. Voor een waarnemer aan de 'lucht'-kant van het oppervlak lijkt het alsof alles onder het oppervlak ondieper is, omdat het licht onder ondiepere hoeken wordt gebogen.

De kritische hoek beïnvloedt ook de manier waarop edelstenen worden gesneden. Een edelsteen kan zodanig worden gesneden dat licht dat het binnenkomt, totale interne reflectie ondergaat wanneer het de achterste facetten raakt en weer uit de voorkant van de steen komt om het helderder te laten lijken. Diamant, met een hoge brekingsindex, is hier bijzonder ideaal voor, waardoor het een populaire edelsteen is.